LEHRSTUHL FÜGETECHNIK

Das Forschungsprogramm baut auf der langjährigen Forschungsarbeit und der dabei erarbeiteten Fachkompetenz auf dem Gebiet Automotive (siehe Vorgängerprojekte COMO sowie KeM) auf. Durch eine enge Einbindung vom neu eingerichteten Center for Method Development (CMD) wird die Themenvielfalt im Bereich Digitalisierung und Virtualisierung von Entwicklungsprozessen in der Elektromobilität (Vernetzung der einzelnen Prüfeinrichtungen) sowie Prüfung und Entwicklung von zukunftsweisender Antriebstechnologien und Energiespeicher adressiert.
Gemeinsam mit den zu Verfügung stehenden Laboren der beteiligten Institute der OVGU und der IKAM GmbH bildet das Forschungszentrum CMD den anlagentechnischen Schwerpunkt des Forschungsvorhabens und stellt den neusten Stand der Technik im Bereich der Antriebsprüfstände für Gesamtfahrzeuge und Einzelkomponenten dar.
Das Projekt bietet ausgezeichnete Möglichkeiten für einen Technologie- und Wissenstransfer in der Region sowie trägt bei, die Auftragslage des CMD langfristig sicherzustellen und weitere Fördergelder aus öffentlicher Hand oder auch privater Dritter einzuwerben. Dies geschieht dadurch, dass den Unternehmen (a) der Zugang zu erprobter, modernster Versuchs- und Prüfstandsinfrastruktur ermöglicht wird und ihnen (b) validierte Methoden bereitgestellt werden, die direkt in ihre Fahrzeugentwicklungsprozesse einfließen können.

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Im Automobil- und Nutzfahrzeugbau ist ein Leichtbau durch Verwendung eines Materialmixes aus hochfestem Stahl (z. B. 22MnB5) mit einer Festigkeit R_m ≥ 1600 MPa und leichten, weniger festen Werkstoffen wie Aluminiumlegierungen, Thermoplasten und Faserverbundkunststoffen weit verbreitet. Für derartige Hybridverbindungen sind geeignete Fügeverfahren erforderlich, die unter den Bedingungen des Karosseriebaus reproduzierbare Eigenschaften realisieren. Besonders das Widerstandselementschweißen (WES) erfüllt diese Bedingungen. Es stellt eine Verfahrenskombination aus mechanischem Fügen und dem Widerstandsschweißen dar. Das WES erfolgt in zwei Prozessstufen: 1. Einbringen des Stahlschweißniet in das Aluminiumblech (Stanzprozess); 2. Schweißen des Niets zusammen mit dem Aluminiumblech an das Stahlbauteil mittels konventioneller Punktschweißzange. Gerade bei der Anwendung pressgehärteter Stähle mit beidseitiger Zugänglichkeit (z. B. Flansche) ist diese Lösung prozesstechnisch und ökonomisch ideal, da sie den Einsatz bestehender Punktschweißanlagen erlaubt.

Im Forschungsprojekt sollen für ausgewählte Materialkombinationen geeignete Prozessparameter für das WES im Kurzzeitschweißprozess erarbeitet und Maßnahmen zur Qualitätssicherung geschaffen werden. Vorteil Der für das WES im Kurzzeitprozess ist, dass der Verbundpartner (z. B. Aluminium) beim Schweißen nicht durch den Wärmeeintrag geschädigt wird. Kommt zudem ein Klebstoff zwischen den beiden Verbundpartnern zum Einsatz, erfährt dieser eine geringere thermische Belastung und die Gefahr einer thermischen Schädigung des Klebstoffes wird minimiert.

Die bisherige Methode der Qualitätssicherung beim Widerstandspunktschweißen, die durch die Auswertung der Schweißlinse erfolgt, kann nicht für den Kurzzeitprozess angewendet werden, da bei kurzen Prozesszeiten (Schweißzeit ≤ 50 ms) keine Schweißlinse auftreten kann. Entsprechend sollen im Forschungsvorhaben neue Qualitätskriterien erarbeitet werden, aus denen sich zwei Merkblätter ableiten:

1. Inline Qualitätssicherung: Basierend auf einer Prozessdatenanalyse werden Kriterien abgleitet, mit denen die Qualität der WES-Verbindung inline kontrolliert werden kann. Mit diesen Qualitätskriterien ist es möglich, fehlerhafte Schweißungen zu erkennen sowie die Prozessparameter zu optimieren.
2. Prüfvorschrift zur zerstörungsfreien Prüfung einer WES Verbindung im Kurzzeitprozess: Es wird eine Anleitung zur Durchführung der Prüfung erstellt, die vor allem die Interpretation der Ergebnisse unterstützt und veranschaulicht.

Die im Forschungsvorhaben gewonnenen Erkenntnissen zur Prozessgestaltung und Verbindungsausbildung werden mithilfe von geeigneten Transfermaßnahmen in die Wirtschaft und Lehre überführt. Insbesondere Klein- und mittelständische Unternehmen soll damit der industrielle Einsatz des WES im Kurzzeitprozess ermöglicht werden. Der ingenieurswissenschaftliche Nachwuchs profitiert durch die im Projekt entstandenen Veröffentlichungen.

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Für die Qualitätsbewertung von MSG-Schweißungen am Überlappstoß im Stahldünnblechbereich existieren keine zerstörungsfreien Prüfungen am Markt, die aus Geometriedaten der Schweißnaht Aussagen zu den Verbindungseigenschaften ermöglichen. In der Automobilindustrie als auch in anderen Branchen ist eine fertigungsbegleitende zerstörende Prüfung zum Nachweis inneren Nahtunregelmäßigkeiten derzeit noch immer der etablierte Standard.

Die Zielstellung des Forschungsprojektes ist die Konzipierung und Qualifizierung einer zerstörungsfreien Prüfmethode, welche die Einbrandtiefe einer MAG-Schweißung am Überlappstoß anhand der äußeren Nahtgeometrie unmittelbar ausweisen kann. Realisiert wird diese In-Situ-Methodik durch einen dem Schweißbrenner nachlaufenden Laser-Triangulationssensor. Dieser erfasst die Oberflächengeometrie der gefertigten Schweißnaht. Anhand einzelner geometrischer Nahtmerkmale lassen sich gezielt Rückschlüsse zur Blechanbindung bzw. Einbrandtiefe ziehen.
Das Projekt wird durch Unternehmen in einem Projektausschuss (PA) begleitet, die automatisierte MSG-Schweißprozesse in ihrer Fertigung verwenden und unter anderem als Zulieferer für die Automobilindustrie agieren. Die dargestellte Prüfmethode soll durch diese PA-Mitglieder, ein Teil davon ist KMU, in die automatisierten Schweißsysteme bei Anwendern umgesetzt werden. Dazu ist zu der genannten Sensorik eine Software zum Verwerten der aufgenommenen Daten auf Basis der Forschung zu erstellen. Als Ergebnis der in diesem Projekt durchgeführten Schweißanwendungen stehen Vorhersageformeln, welche die Einbrandtiefe prognostizieren und in am Markt verfügbare Schweißnahtinspektionssysteme integriert werden können.

Aus dem Projekt können verschiedene Vorteile gezogen werden. Einerseits vermindert die Verwendung eines verlässlichen Nahtinspektionssystems das Verfehlen von Normen und Standards. Zum anderen kann das Projekt einen positiven Effekt auf die Ressourceneffizienz hervorrufen. Ein reduzierter Prüfaufwand, weniger Ausschuss und die längere Nutzbarkeit von i.O geschweißten Baugruppen wäre die Folge einer erfolgreichen Anwendung. Zudem erleichtert das vielen Unternehmen den Einstieg in die Schweißautomatisierung als Reaktion auf den wachsenden Mangel an Handschweißern.

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Die zunehmende Motorisierung in urbanen Räumen erhöht den Druck zur Umsetzung neuer Mobilitäts- und Logistikkonzepte. Speziell für die Last-Mile Logistik entsteht derzeit ein neuer Markt für Kleinfahrzeuge wie E-Cargo-Bikes. Die besondere Herausforderung bei der Produktion derartiger Fahrzeuge ist die hohe Anforderung an Leichtbau und Variantenvielfalt bei vergleichsweise geringer Stückzahl von ca. 10 Fzg/Tag. Bestehende Konstruktions- und Fertigungslösungen aus dem Bereich Fahrrad oder Automobil lassen sich nicht einfach übertragen, daher wurde ein neues modulares Konstruktions- und Fertigungsprinzip auf Basis einer Leichtbau-Rahmenstruktur erstellt. Diese Struktur wird aus Profilen und geeigneten Verbindungselementen als Profilknoten gebildet. In diesem Projekt soll eine Konstruktions- und Fertigungsmethode für derartige Profilknoten aus einer Al-Legierung auf Basis der Hybriden Additiven Fertigung entwickelt werden. Die Knoten werden dazu aus abgekanteten Blechelementen gebildet, die mittels einem lichtbogenbasierten Additive Manufacturing verbunden und lokal verstärkt werden (WAAM), so dass ähnlich einem Gussknoten in den Bereichen hoher mechanischer Spannung die Querschnitte vergrößert werden.
Im Hinblick auf die geringe Stückzahl ist eine kostengünstige Umsetzung der Rahmenstrukturen angestrebt. Der Ablauf der geplanten Fertigungskette ist schematisch in folgender Grafik zu sehen.

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Zur Einhaltung der gestiegenen Anforderungen im Bereich des Insassenschutzes sowie der Umsetzung von Leichtbauzielen werden vermehrt höchst- und ultrahochfeste Stähle im Automobilbau verwendet. Um diese Stähle zu einer tragenden Struktur zu fügen, dominiert im Karosseriebau das Widerstandspunktschweißen. Obwohl eine generelle Schweißeignung der eingesetzten Stähle vorliegt, kann es infolge von fertigungsbedingten Störgrößen zu einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Unregelmäßigkeiten beim Widerstandspunktschweißen kommen. Diese Imperfektionen treten in Form von Rissen, Poren, Lunkern und Einschlüssen am Schweißpunkt auf. Für die sichere Auslegung von Schweißverbindungen wird im Rahmen des Projektes der Einfluss von Rissen auf die Verbindungseigenschaften untersucht. Aktuell sind hier neuartige hochfeste Mehrphasenstähle der Gen III für die Kaltumformung fokussiert, welche eine hohe Anfälligkeit zu schweißbedingten Rissen aufweisen. Diese Risse sind durch die sogenannte Flüssigmetallversprödung (engl.: Liquid Metal Embrittlement - LME) bedingt, welche durch die zum Korrosionsschutz aufgetragene Zinkbeschichtung provoziert wird.
Aktuell existieren eine Reihe von unterschiedlichen Untersuchungen zur Korrelation von LME-bedingten Rissen und den mechanischen Eigenschaften der Verbindung, jedoch liegen keine normativen Aussagen über den Einfluss von Risslängen und –lagen auf die Verbindungsfestigkeit vor.
Die Innovation des Forschungsvorhabens liegt in der Entwicklung einer einfachen und industrienahen Prüfmethodik, die zur Detektion und Klassifizierung der Rissanfälligkeit von Werkstoffen und Materialdickenkombinationen dient und die Auswirkung der Risse auf die mechanischen Verbindungseigenschaften beschreibt.
Die Ziele des Projektes sind zusammengefasst:

• die Identifikation von Prozesseinflüssen zur Erzeugung von schweißbedingten Rissen
• die Herstellung von Proben mit unterschiedlichen schweißbedingten Rissen und deren zerstörungsfreie Rissdetektion
• die Analyse des Einflusses von definierten Rissen auf die Verbindungsfestigkeit der Fügeverbindung
• die Ableitung einer industrienahen Methodik zum Prüfen der Rissanfälligkeit

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Ziel des Forschungsvorhabens ist die Herstellung von additiv generierten, dreidimensionalen Aluminiumschaumstrukturen mittels eines additiven MIG-Schweißprozesses (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM). Im Gegensatz zur konventionellen Herstellung von Aluminiumschäumen in Form vorrangig zweidimensionaler Sandwichplatten erlaubt die additive Verarbeitung ein wesentlich breiteres Spektrum an Geometrien. Potentielle Anwendungen sind hierbei:

• Additives Schweißen auf Massiv- oder Schaumteilen
• Verbindungsschweißen von Aluminiumschaumbauteilen
• Verbindungsschweißen von massiven Aluminium- mit Aluminiumschaumteilen

Um Anwendungen des Leichtbauwerkstoffs Al-Schaum zu erweitern, sollen sowohl das additive Herstellen als auch das Verbindungsschweißen von Aluminiumschaum im Rahmen des Projekts untersucht werden.
In Versuchen wurde bereits bestätigt, dass mit Titandihydrid (TiH₂) versetzte Schweißdrähte geeignet sind, um poröse, mehrschichtige Aluminiumschaumstrukturen mit einem MIG-Schweißprozess zu generieren. Aufbauend auf diese Ergebnisse sollen verschiedene, mit entsprechenden Treibmitteln versetzte Schweißdrahttypen bezüglich ihrer technologischen Eignung überprüft werden. Ziel ist es hierbei ideale Prozessparameter zu finden, mit denen ein hochporöses, homogenes Aluminiumschweißgut erzeugt werden kann, das ähnliche Eigenschaften wie Aluminiumschaum besitzt. Besonders mechanische und physikalisch-technologische Eigenschaften wie z.B. Dichtheit gegenüber Flüssigkeitseindringen sollen untersucht werden. Es werden Schäume basierend auf den Legierungen AlSiMg sowie AlSi12 mit Porengrößen < 1 mm angestrebt, da diese eine höhere thermische Stabilität versprechen als großporige Schäume.
Industriepartner können im Rahmen eines Projektausschusses involviert werden. Interessenten sind jederzeit herzlich zur Mitarbeit eingeladen.

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Ziel des Forschungsantrags ist die Entwicklung einer Technologie zum generativen MSG-Schweißen (Additive Manufacturing) von Konturen auf Aluminium-Druckgussbauteilen. Der Prozess ist dabei so zu gestalten, dass die erforderlichen Bauteileigenschaften erreicht werden und der Prozess eine wirtschaftliche Alternative zu bestehenden Prozessvarianten für die skizzierten Beispielanwendungen darstellt. Die geplanten Werkstoffe, die dafür verwendeten Methoden und Anlagen entsprechen den typischen Ausstattungen in dem adressierten Industriebereich. Als Gusswerkstoffe werden aus dem System AlSi die naturharte Legierung AlSi9Mn sowie die aushärtbare AlSi10MnMg-Legierung genutzt. Die Untersuchungen liefern den Zusammenhang zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff und den erzielbaren Werkstoffanforderungen in Anlehnung an die des Druckguss-Substrats. Werkstoffabhängig muss ggf. eine nachfolgende Wärmebehandlung erfolgen, wie sie für das DG-Bauteil üblich ist. Um eine unzulässige thermische Degradierung der Gusseigenschaften zu vermeiden, werden die zulässigen Grenzen für Prozesstemperatur und -dauer im Gussteil sowie im aufgeschweißten Bereich ermittelt. Ein wichtiges Teilziel ist die Realisierung einer Technologie für die Gussteilkonditionierung zu Beginn des Auftragprozesses zur Vorbereitung und gleichzeitigen Vermeidung von Poren und Bindefehlern bei den ersten geschweißten Lagen. Diese Konditionierung soll durch Blindschweißungen mit dem WIG-Lichtbogen erfolgen, um das Bauteil im Bereich der Auftragschweißungen vorzuwärmen, die Oxid-schicht aufzubrechen und den Guss entgasen zu lassen. Auf dieser vorbehandelten Bauteilzone werden dem generativen MSG-Schweißprozess ein ungehinderter Start ermöglicht und Unregelmäßigkeiten wie Poren oder Bindefehler vermieden. Abschließend wird die Anwendbarkeit der neu entwickelten Technologie an einem bauteilähnlichen Probekörper verifiziert. Hierbei sollen Fehlerquellen identifiziert und die Praxistauglichkeit bewertet werden.
Teilziele:

• WIG-Gussteilkonditionierung zur Vorbereitung des Auftragprozesses und Vermeidung von Poren und Bindefehlern
• Temperaturmanagement des Schweißprozesses zur Vermeidung unzulässiger Wärmebeeinflussung des Druckgusses
• Schweißgut erfüllt Werkstoffanforderungen des Druckguss-Substrats auch nach Wärmebehandlung aushärtbarer Legierungen

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Ziel des Forschungsantrags ist die Entwicklung einer Technologie zum generativen MSG-Schweißen (Additive Manufacturing) von Konturen auf Aluminium-Druckgussbauteilen. Der Prozess ist dabei so zu gestalten, dass die erforderlichen Bauteileigenschaften erreicht werden und der Prozess eine wirtschaftliche Alternative zu bestehenden Prozessvarianten für die skizzierten Beispielanwendungen darstellt. Die geplanten Werkstoffe, die dafür verwendeten Methoden und Anlagen entsprechen den typischen Ausstattungen in dem adressierten Industriebereich. Als Gusswerkstoffe werden aus dem System AlSi die naturharte Legierung AlSi9Mn sowie die aushärtbare AlSi10MnMg-Legierung genutzt. Die Untersuchungen liefern den Zusammenhang zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff und den erzielbaren Werkstoffanforderungen in Anlehnung an die des Druckguss-Substrats. Werkstoffabhängig muss ggf. eine nachfolgende Wärmebehandlung erfolgen, wie sie für das DG-Bauteil üblich ist. Um eine unzulässige thermische Degradierung der Gusseigenschaften zu vermeiden, werden die zulässigen Grenzen für Prozesstemperatur und -dauer im Gussteil sowie im aufgeschweißten Bereich ermittelt. Ein wichtiges Teilziel ist die Realisierung einer Technologie für die Gussteilkonditionierung zu Beginn des Auftragprozesses zur Vorbereitung und gleichzeitigen Vermeidung von Poren und Bindefehlern bei den ersten geschweißten Lagen. Diese Konditionierung soll durch Blindschweißungen mit dem WIG-Lichtbogen erfolgen, um das Bauteil im Bereich der Auftragschweißungen vorzuwärmen, die Oxid-schicht aufzubrechen und den Guss entgasen zu lassen. Auf dieser vorbehandelten Bauteilzone werden dem generativen MSG-Schweißprozess ein ungehinderter Start ermöglicht und Unregelmäßigkeiten wie Poren oder Bindefehler vermieden. Abschließend wird die Anwendbarkeit der neu entwickelten Technologie an einem bauteilähnlichen Probekörper verifiziert. Hierbei sollen Fehlerquellen identifiziert und die Praxistauglichkeit bewertet werden.
Teilziele:

• WIG-Gussteilkonditionierung zur Vorbereitung des Auftragprozesses und Vermeidung von Poren und Bindefehlern
• Temperaturmanagement des Schweißprozesses zur Vermeidung unzulässiger Wärmebeeinflussung des Druckgusses
• Schweißgut erfüllt Werkstoffanforderungen des Druckguss-Substrats auch nach Wärmebehandlung aushärtbarer Legierungen

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Beim Widerstandspunktschweißen von verzinkten Stählen berichten zahlreiche Quellen von Risserscheinungen, die auf Liquid Metal Embrittlement (LME) zurückzuführen sind. Da als Folge von LME bedingten Rissen eine negative Beeinflussung der Schweißpunkt-Tragfähigkeit derzeit nicht in jedem Fall ausgeschlossen werden, kann liegen qualitativ hochwertige, rissfreie Punktschweißverbindungen im Interesse der gesamten metallverarbeitenden Industrie.
Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens liegt in der Erforschung von LME an umgeformten, realitätsnahen Bauteilen. Dafür werden umfassende Widerstandspunktschweiß (WPS)-Versuche zunächst an Flachproben und dann an umgeformten Bauteilen durchgeführt und unter verschiedenen Bedingungen auf LME untersucht. Am IWF Magdeburg werden die eingesetzten Werkstoffe charakterisiert und die kritischen Bedingungen in Heißzug-Versuchen nachgestellt und isoliert untersucht. Die numerische Simulation (Fraunhofer IPK) wird als Brücke eingesetzt um "unsichtbare" kritische Bedingungen zu ermitteln und zwischen Gleeble- und WPS-Versuchen zu transferieren. Dabei sollen die vorherrschenden Mechanismen zur Bildung von LME an realitätsnahen Bauteilen verstanden und LME reproduzierbar hergestellt werden. Im nächsten Schritt werden Vermeidungsstrategien entwickelt und schlussendlich der Einfluss von verbleibenden LME Rissen auf die Verbindungsfestigkeit quantifiziert.

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Das Widerstandspunktschweißen (WPS) ist eines der dominierenden Schweißverfahren in der automobilen Massenproduktion. Wird exemplarisch ein modernes Fahrzeug betrachtet, so sind durchschnittlich 2000 - 5000 Schweißpunkte vorhanden, bei denen Bleche aus unterschiedlichen Güten, Beschichtungen und Dicken gefügt werden. Hieraus ergeben sich stets neue Herausforderungen an das Widerstandspunktschweißen, wie beispielsweise dem Fügen von asymmetrischen Mehrblechverbindungen aus unterschiedlichen Fahrzeugkomponenten. Im Vergleich zu Zweiblechverbindungen kann es bei Mehrblechverbindungen zu einer vertikalen Verschiebung der Schweißlinse kommen, die mit einer ungenügenden Anbindung des dünnen Ausbleches einhergeht. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, kann der Prozess des Widerstandspunktschweißens direkt durch die gewählten Schweißparameter, d. h. Schweißstrom, Schweißzeit und Elektrodenkraft beeinflusst werden. Aus diesem Grunde ist es von großer Bedeutung diese Parameter gezielt auf die jeweiligen Werkstoffe und deren Beschichtungen abzustimmen, um somit eine Steigerung der Prozessstabilität zu erzielen. Im Allgemeinen erfolgt die Prozessparametrisierung mithilfe von Schweißbereichsdiagrammen, dessen Parameterfindung primär auf der Erfahrung des Anwenders basiert und mit einem hohen Versuchsumfang einhergeht. Aufgrund der steigenden Ansprüche an Wirtschaftlichkeit und Qualität wird eine effiziente Methode zur Bewertung und Optimierung der vorgenommenen Parameteranpassungen in Sinne der Industrie 4.0 benötigt.

Das Ziel des Projektes liegt in der Vernetzung der aufgezeichneten Prozessdaten mit der erzielten Schweißqualität. Zu diesem Zweck werden aus den aufgezeichneten Prozessgrößen signifikante Kennwerte abgeleitet, die eine systematische Optimierung und Beurteilung der Schweißparameter ermöglichen und somit den Versuchsumfang signifikant verringern. Insbesondere die Prozessgröße der "Elektrodenbewegung" wird verwendet, um den Widerstandsprozess zu interpretieren und zu bewerten. Infolgedessen soll eine effektive Prozessoptimierung entwickelt werden, die erhebliche Einsparungen in der Einrichtung von Prozessen sowie der serienbegleitenden Prüfung ermöglicht. Voraussetzung dazu ist das Verständnis zur Auswertung und Nutzung dieser bisher nicht betrachteten Prozessgröße der Elektrodenbewegung. Im Forschungsprojekt soll die Erprobung von Sensorsystemen, die Bereitstellung einer effektiven Methode zur Analyse von Prozessverläufen sowie die Bewertung von vorgenommenen Parameteranpassungen unabhängig von der genutzten Anlagentechnik ermöglicht werden. Abschließend soll ein Auswertewerkzeug bereitgestellt werden, mit der die Analyse und Bewertung der Prozessdaten erfolgen kann.

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Ziel ist die Neuentwicklung einer Verfahrenserweiterung zum Widerstandspunktschweißen für Anwendungen großer Blechstrukturen z.B. im Schienenfahrzeugbau. Mit der Technologie des einseitigen Doppelpunktschweißen mit einer Kupfergegenlage werden dabei zwei Schweißpunkte gleichzeitig in einem Arbeitsgang erzeugt. Die Unterlage besteht aus zwei miteinander elektrisch verbundenen, im Abstand zueinander veränderlichen Elektroden. Zur Erreichung des Ziels werden vier Schwerpunkte bearbeitet: Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, Erstellung eines neuartigen Anlagekonzeptes, Gewährleistung der Prozesssicherheit durch ein Inline-Prozessanalyse und Erzeugung eines Prozessmodells. Es wird eine Doppelpunkt-Widerstandsschweißanlage zum Schweißen von großen Blechstrukturen aufgebaut incl. der dazugehörigen elektromechanischen Auslegungen. Zur Prozessentwicklung erfolgt die Erprobung der gebauten Anlage und die Erforschung der Prozessdatenanalyse. Das Prozessmodell wird mittels FEM-Simulation abgeglichen und soll den Anlagenbau unterstützen.

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Im Rahmen des öffentlich geförderten Projektes "Kompetenzzentrum eMobility" liegt der Schwerpunkt einerseits im Aufbau eines Prüfzentrums in Form des "Center for Method Development" (CMD) in Barleben. Andererseits sollen energieeffiziente Prozesse beim Aufbau eines Forschungsfahrzeuges methodisch entwickelt und angewendet werden.
Für das Prüfzentrum CMD werden die Arbeitspakete der Auslegung, Konzeption, Planung und Betreuung der Prüfstände von den Teilprojekten übernommen. Zu den weiteren Aufgaben gehört unter anderem die Einarbeitung und Vorbereitung der Inbetriebnahme der Prüfstände. Dafür ist es notwendig einen Versuchsträger auszuwählen und die Beschaffungsprozesse vorzubereiten.
In Vorbereitung auf das Vorhaben "Nachhaltige Elektromobilität" sollen die Forscher*innen in den drei Schwerpunkten "Entwicklungs- und Simulationswerkzeuge", "Fertigungs- und Prüftechniken" sowie "Validierungs- und Prüfmethoden" die Konzepte weiter schärfen.

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Das Reibschweißen findet aufgrund seiner prozessbedingten Vorteile wie einer hohen Prozessstabilität sowie der zuverlässigen Verbindungsqualität in vielen Industriebereichen Einsatz. Dabei besteht der Fügeprozess hinsichtlich der Prozessparametrierung seit 50 Jahren annähernd unverändert. D
Reibschweißen ist ein robustes industriell häufig angewandtes Verfahren zum Fügen rotationssymmetrischer Bauteile, z.B. Antriebswellen.
Das Reibmoment als Reaktionsgröße erreicht im Prozeeablauf sowohl beim Anreiben als auch in der Bremsphase lokale Maxima. Diese machen es nötig, dass Bauteile mittels ausreichend hoher Kräfte durch die Spannmittel vorgespannt werden. Die damit verbundene massive konstruktive und somit kostenintensive Ausführung der Spannmittel, einhergehend mit dem Verschleiß im Falle von Bauteilschlupf, reduziert die Verfahrenswirtschaftlichkeit. Darüber hinaus verringern sich die übertragbaren Vorspannkräfte auf das Bauteil mit steigender Drehzahl in Folge wirkender Zentrifugalkräfte und somit der Verfahrensanwendungsbereich. Weiterhin ist zum jetzigen Zeitpunkt die Reibschweißtechnologie für dünnwandige Rohrbauteile nicht einsetzbar, da die notwendigen Vorspannkräfte aufgrund der geringen Steifigkeit zu einem Beulen dieser führen.
Ziel des Forschungsprojektes ist es daher, die notwendigen Vorspannkräfte durch Momentenreduktion unter Beibehalt der verbindungsbildenden Qualitätskriterien zu reduzieren, wodurch sich der Technologieanwendungsbereich auf dünnwandige Rohrbauteile erweitert. Als innovativen Ansatz verfolgt das Vorhaben dabei die prädiktive, simulative Prozessvorentwicklung. Die bestehenden Prozessparametrierungsvorschriften werden als Ergebnis des Projektes derart erweitert, dass eine direkte Umsetzung für Maschinenhersteller als auch Anwender ermöglicht wird. Es ergibt sich somit neben der Wirtschaftlichkeitssteigerung in Folge niedrigeren Spannmittelverschleißes auch die Erweiterung des Anwendungsbereiches auf das Reibschweißen dünnwandiger Rohrbauteile, woraus sich im globalen Vergleich ein Wissens- und Technologievorsprung ableitet.

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Das im Januar 2019 gestartete Vorhaben "Kompetenzzentrum eMobility" greift die strukturbedingten Herausforderungen der Elektromobilität auf und entwickelt im Rahmen eines neu zu gründenden Kompetenzzentrums Lösungen in wichtigen Teilbereichen, welche die Kooperation zwischen KMU und universitärer Forschung und Lehre deutlich stärken. Das Wissen kann direkt in die betroffene Zulieferindustrie überführt werden und dort dazu beitragen, den Strukturwandel erfolgreich zu managen und neue wirtschaftliche Chancen zu nutzen.
Neben der primären Zielsetzung des Aufbaus und Transfers von Kern-Know-How steht vor allem die langfristige Verankerung gewonnener Erkenntnisse in beschäftigungswirksamen wirtschaftlichen Strukturen im Vordergrund.

Im Fokus wissenschaftlicher und struktureller Entwicklungen stehen zwei wesentliche Dimensionen elektromobiler Anwendungen. Zum einen die Umsetzung vollständig neuer Antriebskonzepte und die Erforschung der damit verbunden weitreichenden Auswirkungen auf die Fahrzeuginfrastruktur mit essentiellen Folgen für die Einsatzfähigkeit E-mobiler Anwendungen. Zum anderen werden Erkenntnisse grundlegend neuer Funktionsmechanismen für Maschinenbau-Lösungen als auch informationstechnische Aspekte des Fahrbetriebs gewonnen und Partnern aus der Wirtschaft verfügbar gemacht, welche im engen Zusammenhang mit neuen Fahrzeuginfrastrukturen stehen. Der radikale Umbruch im Fahrzeugbau der Zukunft bedingt eine ziel- und technologieorientierte Verzahnung unterschiedlicher Wissenschaftsdisziplinen in einem Kompetenzzentrum zur sowohl leistungsstarken als auch reaktionsschnellen Entwicklung von Komponenten und systemischen Lösungen mit explizitem Demonstrationscharakter.

Inhaltlich konzentriert sich das Kompetenzzentrum auf die beiden bereits etablierten Bereiche Elektrische Antriebe/ Antriebsstrang und Gesamtfahrzeug sowie den sehr zukunftsträchtigen neu geschaffenen Bereich Autonomes Fahren. Jeder dieser Bereiche verfolgt mehrere Ziele:

• Schaffung wissenschaftlicher Grundlagen und technologischer Alleinstellungsmerkmale
• Transfer in Produkte oder Dienstleistungen gemeinsam mit Partnerfirmen
• Ausbildung und Qualifizierung von qualifiziertem Personal für Wissenschaft und Wirtschaft

Darüber hinaus ergibt sich durch den Technology-push-Ansatz im Bereich der Komponentenentwicklung eine Vielzahl alternativer Einsatzmöglichkeiten mit dem Ziel Wertschöpfung neu zu definieren und in der Region zu verankern. Im Fokus des Vorhabens steht somit die Erlangung und Umsetzung wissenschaftlicher Ergebnisse mit ausgeprägtem Bezug zur Innovationsstrategie des Landes Sachsen-Anhalt, hier schwerpunktmäßig das Themenfeld Mobilität und Logistik. Somit wird eine strukturelle Brückenwirkung zwischen Forschung und wirtschaftlicher Anwendung ermöglicht.

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Das Vorhaben Kompetenzzentrum eMobility greift strukturbedingte Herausforderungen der Elektromobilität auf und entwickelt im Rahmen eines neu zu gründenden Kompetenzzentrums Lösungen in wichtigen Teilbereichen, welche die Kooperation zwischen KMU und universitärer Forschung und Lehre deutlich stärken. Das Wissen kann direkt in die betroffene Zulieferindustrie überführt werden und dort dazu beitragen, den Strukturwandel erfolgreich zu managen und neue wirtschaftliche Chancen zu nutzen. Neben der primären Zielsetzung des Aufbaus und Transfers von Kern-Know-How steht vor allem die langfristige Verankerung gewonnener Erkenntnisse in beschäftigungswirksamen wirtschaftlichen Strukturen im Vordergrund.
Das Ziel des Teilprojektes ist die Herstellung und das Kleben von mäanderförmig vorgefertigten Phasen der Kupferleiter für Elektroantriebe mit Luftspaltwicklung, die möglichst flach unter geringen Fertigungstoleranzen auf den Eisenrückschluss appliziert werden. Abhängig von der Fertigungstechnologie der mäanderförmigen Kupferleiter und von bestehenden Betriebsanforderungen an die elektrische Maschine wie mechanische Festigkeit, Durchschlagfestigkeit, Alterungsbeständigkeit, wird ein geeignetes Befestigungsverfahren der Kupfermäander auf dem Stator des Elektromotors konzipiert. Dabei liegen elektrische Leiter im Vergleich zum konventionellen Motorenbau nicht als einzelne Kupferdrähte, sondern als konfektionierbare Phasen-Leiter mit maßgeschneidertem Querschnitt vor. Von besonderer Bedeutung ist die Gestaltung einer isolierenden, temperaturbeständigen und wärmeleitenden Klebeverbindung mit hoch produktiven Klebstoffsystemen.

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Das Vorhaben Kompetenzzentrum eMobility greift die strukturbedingten Herausforderungen auf und entwickelt im Rahmen eines neu zu gründenden Kompetenzzentrums Lösungen in wichtigen Teilbereichen, welche die Kooperation zwischen KMU und universitärer Forschung und Lehre deutlich stärken. Das Wissen kann direkt in die betroffene Zulieferindustrie überführt werden und dort dazu beitragen, den Strukturwandel erfolgreich zu managen und neue wirtschaftliche Chancen zu nutzen. Neben der primären Zielsetzung des Aufbaus und Transfers von Kern-Know-How steht vor allem die langfristige Verankerung gewonnener Erkenntnisse in beschäftigungswirksamen wirtschaftlichen Strukturen im Vordergrund.

Das IAF verantwortet innerhalb des Vorhabens das Teilprojekt Gesamtfahrzeug. Im Focus der Forschung steht der Einsatzes neuartiger Antriebssysteme unter Realbedingungen. Als strategischer Forschungsansatz, getragen durch eine der Nachhaltigkeit verpflichteten Entwicklungsanspruch, steht die Langlebigkeit und damit Instandsetzungsfähigkeit elektromobiler Gesamtsysteme, hierbei speziell der Elektrospeichersysteme. Hierbei konzentrieren sich die Arbeiten auf die Entwicklung und Erprobung einer wartungsfreundlichen Energiespeichertechnologie in Modulbauweise, neue, einfache Systemarchitekturen für Fahrzeugsteuerungen und die systemische Gestaltung von Spezialanwendungen rund um die Batteriekonfektionierung.

Im Teilprojekt "Vergleich fügetechnischer Verfahren zur modularen Fertigung von E-Batterien" getragen vom IWF und IMK steht folgendes Thema im Fokus:

Derzeitige Batteriesysteme sind gekennzeichnet von monolithischer Bauweise und einer Orientierung auf eine größtenteils stoffliche Verwertung nach begrenzten Lebensdauern. Das zu entwickelnde System soll einen modularen Aufbau besitzen und sich mit geringem Aufwand warten bzw. teilerneuern lassen. So lässt sich im Falle eines Kapazitätsverlustes oder gar dem Ausfall einer Batteriezelle ein gezielter Austausch von Modulen erreichen. Im Rahmen dieses Teilprojektes wird ein konstruktiver, fertigungstechnischer und montageorientierter Abgleich fügetechnischer Verfahren zur Fertigung einer wartungsfreundlichen E-Antriebsbatterie in Modulbauweise für die Serienfertigung durchgeführt. Neben dem Abgleich werden des Weiteren die Entwicklung und Prüfung exemplarischer Aufbauvarianten von Batteriemodulen unter Beachtung langlebiger Einsatzszenarien und Dauerhaltbarkeit werthaltiger E-Komponenten durchgeführt. Das Ziel dieses Teilprojektes ist die Konzeption einer langlebigen und wartungsfreundlichen Fahrantriebbatterie in Modulbauweise unter der Beachtung einer zuverlässigen elektrischen Kontaktierung der Batteriezellen sowie einer crashsicheren Gehäusestruktur und eines aktiven Kühlkonzeptes.

Für den Demonstrations- und Transfercharakter des Gesamtvorhabens werden in Zusammenarbeit mit der sachsen-anhaltinischen Industrie Anwendungsszenarien in Technologieträger operationalisiert und konsequent weiterentwickelt und optimiert.
Die Arbeiten erfolgen innerhalb der institutsübergreifenden Forschergruppe für Elektromobilität Editha.

Leitung Kompetenzzentrum eMobility Forschungsbereich Gesamtfahrzeug: Dipl.-Ing. Gerd Wagenhaus

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Das Reibschweißen ist ein etabliertes Fügeverfahren, welches in vielen Bereichen des Maschinenbaus
zur Herstellung von Hybridstrukturen aus Aluminium und Stahl genutzt wird. Entscheidend für die
Gebrauchstauglichkeit von Hybridverbindungen ist vor allem die werkstoffadäquate Ausbildung der
Verbindung. Aufgrund der Abhängigkeit der Schweißverbindung von der Ausprägung, Art und Kontinuität der intermetallischen Diffusionsschicht, des Gefüges und der stoffschlüssigen Anbindung, ist die Entwicklung einer reibgeschweißten Hybridstrukturen mit optimalen Eigenschaften häufig zeit-
und kostenintensiv. Gerade für kmU ist es daher nahezu unmöglich solche Hybridstrukturen wirtschaftlich zu entwickeln. Erklärtes Ziel des Projektes ist der Aufbau und die Erprobung einer Simulation für die Auslegung reibgeschweißten Hybridverbindungen aus Aluminium und Stahl.
Zu diesem Zweck werden entsprechende Reibschweißversuche durchgeführt, wobei die Prozess-parameter systematisch variiert werden. Diese Versuche liefern die Datenbasis für die experimentelle Analyse der Einflüsse auf die Tragfähigkeit der Struktur. Gleichzeitig dienen die Versuche als
Validierungsgrundlage für die Simulation des Schweißprozesses selbst. Mit Hilfe der Pozesssimulation
können die Auswirkungen der Prozessparameter auf die Prozessgrößen und somit auf die Werkstoff-
und den Struktureigenschaften abgeleitet werden. Ausgehend davon werden entsprechende
phänomenologische Modelle entwickelt, um die maßgeblichen Einflüsse abzubilden. Anschließend
werden diese Ergebnisse als Ausgangsbedingung bei der Simulation der Tragfähigkeit (virtueller Zugversuch) der Hybridverbindung verwendet. Insbesondere für kmU wird mithilfe der Simulation die
wirtschaftliche Möglichkeit geschaffen, die Verbindung prädiktiv in Abhängigkeit des gewählten Prozesses zu bewerten. Komplexe Reibschweißaufgaben lassen sich damit bereits im Vorfeld der
Versuchsdurchführung analysieren und entsprechend optimieren.

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Beim Lichtbogenschweißen von Blechstärken = 10 mm mittels MAG- oder UP-Verfahren sind nach dem Stand der Technik umfangreiche technologische Vorkehrungen zu treffen, um gerade bei großen Nahtlängen ein gleichmäßiges Durchschweißen der Wurzellage sicherzustellen. Das Ziel ist hierfür der Einsatz eines MSG-Hochleistungsprozesses in automatisierter Ausführung mit hoher Wirtschaftlichkeit. Dabei kommt es aber häufig zu Schweißfehlern, die durch aufwendige Nacharbeit beseitigt werden müssen. Daher werden derzeit viele Anwendungen noch manuell geschweißt, wobei der Schweißer den Prozess entsprechend regeln kann. Der Einsatz mechanisierter Verfahren zum Schweißen der Wurzellage ist nur durch den Einsatz aufwendiger Schmelzbadsicherungen auf der Unterseite der Nähte möglich, die jedoch immer zu Lasten der Fertigungskosten gehen.
Die automatisierte wirtschaftliche Herstellung von schweren Stahlbaukomponenten erfordert eine wirksame Regelung der Schweißleistung zur Absicherung von homogener Einschweißtiefe und Nahtgeometrie. Eine besondere Herausforderung ist das Schweißen der Wurzellage. Das Spaltmaß zwischen den Bauteilhälften kann aufgrund der Toleranzen beim Materialzuschnitt nur begrenzt konstant gehalten werden. Zusätzlich kommt es durch den schweißbedingten Wärmeeintrag zu einem Verzug während des Schweißens. Daher muss die Lichtbogenleistung und damit die Streckenenergie in situ lokal und transient an die herstellungsbedingten geometrischen Toleranzen angepasst werden.
Das wissenschaftliche Ziel besteht in der Entwicklung eines sensorbasierten Regelsystems zur Realisierung eines automatisierten MSG-Hochleistungs-Schweißprozesses. Die Sensoren zur Geometrie- und Temperaturerkennung sind zwar einzeln in der Schweißtechnik im Einsatz, jedoch existieren keine kombinierten Regelsysteme. Die Herausforderung besteht im zeitlichen und örtlichen Abgleich und der Kombination der Sensorsignale zu einer auswertbaren Größe und einem daraus abgeleiteten Regelprozess.

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Für die Realisierung eines kostenattraktiven Leichtbaus für mobile Anwendungen im Dünnblechbereich wurde ein Verfahren für Mischverbindungen aus hoch- und höchstfesten Stählen mit Aluminiumblechen entwickelt, bei dem einfache kostengünstige Fügeelemente und kurze Flansche <10 mm realisiert werden können und das auch unter unterschiedlichen Produktionsrandbedingungen flexibel anwendbar ist. Die Technologie basiert auf der Widerstandsschweißtechnik und stellt eine Alternative zu den für Werkstoffkombinationen üblichen mechanischen Fügeverfahren dar.
Der Prozess ist zweistufig. In einem ersten Schritt wird das Fügeelement auf dem Al-Blech mittels Widerstandsschweißen fixiert. In dem zweiten Schritt erfolgt das Verbindungsschweißen mit dem hochfesten Stahlblech. Die Fügeelemente werden aus Schweißdraht hergestellt. Sie bilden in der Verbindungsebene den Werkstoffübergang von Stahl auf Aluminium, ohne das intermetallische Phasen die Verbindungseigenschaften verschlechtern. Die Verbindungsbildung zum Stahlblech erfolgt durch einen sehr kurzen Schweißprozess von etwa 10 ms und bringt dabei so wenig Wärme ein, das zusätzliches Kleben möglich ist.
Die Verbindungseigenschaften wurden an geeigneten Prüfkörpern ermittelt und optimiert. An einer speziellen Mehrpunktprobe erfolgte die Nachbildung der komplexen Beanspruchungen im Produktionsprozess sowie im Betrieb. Neben den Anwendern aus dem Bereich Fahrzeugbau sowie der Komponenten- und Zuliefererindustrie waren Hersteller von Schweißanlagen in den Projektausschuss eingebunden. Der Abschlussbericht ist erhältlich bei der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (https://www.stahlforschung.de/)
Das IGF-Vorhaben 20164 BR / P 1294 der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses sei für ihre wertvolle Unterstützung herzlich gedankt.

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Um das Einsatzgebiet formgehärteter Bauteile zu erweitern ist eine prozesssichere Verbindungstechnik unerlässlich. Bisher werden ultrahochfeste Bauteile im Karosseriebau mit dem Verfahren des Widerstandspunktschweißens mit anderen Komponenten verbunden. Insbesondere bei Mehrblechverbindungen treten dabei Herausforderungen auf, wie eine ungleichmäßige Schweißlinsenbildung mit fehlerhafter Anbindung. Ebenfalls können mechanische Fügeverfahren, wie das Stanznieten aufgrund der hohen Härte der formgehärteten Bauteile nur bei eingeschränkten Materialkombinationen oder einer Vorbehandlung des warmumgeformten Materials eingesetzt werden. Dazu wird häufig eine zweite Anlassbehandlung durchgeführt, um die Festigkeit des Werkstoffes nach dem Formhärten zu senken. Dies stellt allerdings einen zusätzlichen Verfahrensschritt dar, welcher die Prozesszeit verlängert sowie die Kosten erhöht.
 
Im Rahmen des Forschungsprojektes werden gezielt plastische Verformungen beim Formhärten des Vergütungsstahls (22MnB5) in der Fügezone eingebracht. Neben der lokalen Verringerung der Materialdicke, sollen so punktuell die Werkstoffeigenschaften beeinflusst werden, infolge einer deformationsinduzierten Ferritbildung. Zu diesem Zweck erfolgen am IFUM-Hannover die Untersuchungen zu dem Formhärten sowie der Konstruktion und Herstellung eines Umformwerkzeuges. Der Fokus der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg liegt auf der Erweiterung der Fügbarkeit von Materialkombinationen mit 22MnB5 durch das Widerstandspunktschweißen sowie dem Halbhohlstanznieten. Hierzu sollen die Randbedingungen für die einzubringende Materialausdünung aus der fügetechnischen Sicht ermittelt werden.
Ziel des Forschungsvorhabens soll es sein, eine Verbesserung der Fügbarkeit sowie der mechanischen Eigenschaften hinsichtlich des Widerstandspunktschweißens und Stanznietens von formgehärteten Mangan-Bor-Stählen zu erreichen. Abschließend soll durch ein Demonstratorwerkzeug die Herstellung von T-Profilen mit lokaler Werkstoffbeeinflussung im Fügebereich ermöglicht werden, um eine zukünftige Nutzung in der industriellen Praxis abzusichern.

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Es wird eine Technologie erarbeitet , mit der die sichere Fertigung von Wurzelschweißlagen an dickwandigen Stahlstrukturen bei gleichzeitig erheblicher Steigerung der Wirtschaftlichkeit durch die Nutzung moderner Anlagen- und Sensortechnik erreicht wird. Die Anwendung erfolgt durch beidseitig synchronem MSG-Schweißen der Wurzellagen an T-Stößen des schweren Stahlbaus. Hierzu sind verschiedene hochdynamische Sensorsysteme zur Überwachung des Schweißprozesses mit entsprechenden Steuerungen der beiden Schweißanlagen zu einer beidseitig synchronen Schweißanlage zu koppeln.

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Das Widerstandsschweißen stellt ein sehr kosten- und energieeffizientes Schweißverfahren für den Dünnblechbereich dar, wie die weite Verbreitung u. a. in der Automobil- und Fahrzeugproduktion belegt. Bei der Optimierung von Schweißprozessen hinsichtlich reduzierten Wärmeeintrags durch sehr kurze Schweißzeiten mit entsprechend konzentrierter Energieeinbringung besteht die Herausforderung in der abschließenden Bewertung der Schweißverbindungen. Eine fehlende Schmelzlinse und eventuelle Spritzerbildung lassen eine Bewertung nach gängigen Regelwerken nicht zu, obwohl Verbindungen ohne und mit erkennbarer Schmelzlinse vergleichbare Festigkeiten und Bruchbilder zeigen. Im Rahmen des Forschungsprojektes werden gezielt Schweißverbindungen mit zuvor genanntem Eigenschaftsprofil erzeugt und analysiert. Der Fokus liegt hierbei auf Funktionselement-Blech-Verbindungen. Dabei werden für den Anwender erforderlichen Kenntnisse zum Prozessablauf, den werkstofflichen Beeinflussungen und den qualitativen Anforderungen an die Verbindungen erarbeitet. Die Innovation liegt in der wissenschaftlichen Beschreibung sehr kurzer Schweißprozesse und der Ausarbeitung von Qualitätskriterien für Schweißverbindungen ohne Schmelzlinse und eventueller Spritzbildung sowie Aussagen über deren Verbindungscharakteristik, um eine zukünftige Nutzung in der industriellen Praxis abzusichern

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Das geplante Vorhaben, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), verfolgt das Ziel die Anwendungsgrenzen von Hilfsfügeelementen zum Verbinden hochfester Werkstoffe im Mischbau auszuweiten. In der Praxis treten bei verformten und unter hohen Zugspannungen stehende Verbindungselemente aus höchstfesten Stahlwerkstoffen die Phänomene der wasserstoffunterstützen Kaltrissbildung (HACC Hydrogen Assisted Cold Cracking) und bei entsprechender Temperatur, der Flüssigmetallversprödung (LMAC Liquid Metal Assisted Cracking) auf. Analysen der Bruchflächen von Halbhohlstanznieten zeigen in diesen Fällen einen interkristallinen Rissverlauf, wobei die Bruchflächen teilweise mit Bestandteilen der Beschichtung, insbesondere mit Zinn belegt waren, siehe Abbildung 1. Diese Indizien deuten auf wasserstoffunterstützte bzw. flüssigmetallinduzierte Rissbildung als Bruchursache hin.
Im Fokus der Betrachtung steht daher das Halbhohlstanznieten, als wichtigstes Fügeverfahren für Karosseriemischbaustrukturen. Dazu werden unterschiedliche Beschichtungssysteme und -prozesse hinsichtlich einer unzulässigen Wasserstoffaufnahme sowie ihrer Anfälligkeit auf LMAC, durch Ersatzproben, geprüft und bewertet.
Im Rahmen des Teilprojektes sollen mittels kathodischer Wasserstoffbeladung Proben mit Wasserstoff angereichert werden. Diese werden im Anschluss einer mechanischen Prüfung unter konstanter Last unterzogen. Die Messung des diffusiblen Wasserstoffs und dessen Diffusionsgeschwindigkeit erfolgt mittels thermischer Desorptionsanalyse (TDA), unter Nutzung eines Quadrupol-Massenspektrometers. Dadurch erfolgt gleichzeitig eine Bewertung der verschiedenen Überzugskonzepte auf ihre Barrierewirkung gegenüber einer Wasserstoffaufnahme. Ziel ist es die kritische Belastung der Proben in Abhängigkeit des Wasserstoffkonzentrationsprofils im Bauteil zu bestimmen. Die Verteilung des Wasserstoffs in den Proben wird mittels Diffusionsgleichungen berechnet und eingestellt. Die Einstellung des Konzentrationsprofils erfolgt durch gezielte Variation der elektrolytischen Beladungsparameter sowie Modulation der Desorptionsdauer. Zusätzlich soll mit Hilfe der Diffusionsgesetze ein Abgleich zwischen den ermittelten Werten, Diffusionskoeffizient, mittlere Wasserstoffkonzentration und der Randkonzentration während der Beladungsversuche, durchgeführt werden.
Der Rissmechanismus der flüssigmetallinduzierten Versprödung wird durch verschiedene mechanische und thermische Belastungssituationen untersucht, angelehnt an die industrielle Praxis der Nietherstellung und der automobilen Fertigungsprozesskette. Im Vordergrund werden die Einflüsse der wirkenden Zugspannungen, der Temperatur Zeit Regime sowie der Aufheizraten auf die Proben geprüft. Die Betrachtung der Bruchflächen wird den Kenntnisstand, bezüglich Eindringtiefe des flüssigen Metalls und der damit einhergehenden Querschnittverjüngung der Proben, in Abhängigkeit zu jeweiligen Belastungssituation, erweitern.
Als Ergebnis sollen neue wirtschaftliche Beschichtungsprozesse für höchstfeste Hilfsfügeelement als Schüttgut etabliert werden. Den Anwendern aus der Automobilindustrie stehen dann großseriengeeignete Fügeelemente zum Verbinden komplexer Materialkombinationen zur Verfügung, die die Umsetzung innovativer Karosseriekonzepte, mit z. B. der Kombination höchstfester Stähle mit Aluminium, eine Verringerung des Fahrzeuggewichts ermöglichen. Die gewonnenen Erkenntnisse des Vorhabens können zudem auf andere Hilfsfügeteile und Anwendungsbereiche übertragen werden.

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Bei der Fertigung von Strukturen mittels MSG-Schweißen aus Stahlfeinblech stellt der zerstörungsfreie Nachweis von Nahtunregelmäßigkeiten eine technologische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Insbesondere in der automatisierten Großserienfertigung ist die zerstörende Prüfung der Standard zum Nachweis häufig auftretender innerer Nahtunregelmäßigkeiten wie Einbrandfehlern und Poren. Mit dem Projekt soll eine fertigungsbegleitende zerstörungsfreie Prüfmethode erforscht werden, die unmittelbar nach dem Schweißvorgang innere Nahtunregelmäßigkeiten erkennt und die mit geringem Aufwand an die jeweilige Fertigungssituation und -aufgabe angepasst werden kann.

Der Ansatz des Forschungsvorhabens besteht in der Nutzung von Sensoren zur Aufnahme der Schweißnahtoberfläche und des Temperaturfeldes. Durch die kombinierte Auswertung beider Sensorsignale sollen die Nachteile der Nutzung der jeweils einzelnen Systeme kompensiert werden.

Das Ziel des Projektes MSGeoTherm ist, einen Zusammenhang zwischen der Nahtgeometrie und dem Temperaturfeld anhand der Sensorsignale zu charakterisieren, sodass eine zuverlässige zerstörungsfreie Abschätzung innerer Nahtunregelmäßigkeiten wie der Einbrandtiefe möglich wird.

Beim Aufbau der Versuchsanordnung mit Schweißbrenner, Lichtschnittsensor und Thermoprofilscanner zeigte sich ein starker Einfluss der räumlichen Anordnung auf die Beschaffenheit der aufgezeichneten Daten. Besonders deutlich wird dies am Beispiel des Thermoprofilscanners mit einem Messbereich zwischen ca. 850°C und 1350°C. Die Abbildung zeigt drei Temperaturfelder, die in einem Abstand von 20mm zum Lichtbogen aufgezeichnet wurden. Angestrebt werden Daten wie in der mittleren Abbildung. Hier liegen die gemessenen Maximaltemperaturen bei ca. 1250°C, sodass der Messbereich sehr effektiv ausgenutzt wird. In der linken Abbildung wurde der Messbereich überschritten, sodass hier die Maximaltemperatur nicht ausgewertet werden kann. Die Abbildungen links und mittig unterscheiden sich durch den Grundwerkstoff. Bei der Abbildung rechts kam ein konventioneller Kurzlichtbogen-Prozess zum Einsatz, dessen Schweißnaht aufgrund des geringen Drahtvorschubs schneller abkühlt.
Als Ergebnis der ersten Versuchsreihe kann festgehalten werden, dass der Messaufbau jeweils individuell auf die Werkstoff-Schweißprozess-Kombination angepasst werden muss, um brauchbare Daten generieren zu können.

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Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Untersuchungen zum Einfluss des Oberflächen- und Werkstoffzustandes auf die Widerstandspunktschweißbarkeit formgehärteter Bleche" (IGF-Nr.: 18.939B/DVS-Nr.: 04.060) wurde der Einfluss der Oberflächenschichten von Zn- und Al-Si-beschichteten Bauteilen aus 22MnB5 ermittelt. Speziell der Wärmebehandlungszustand und damit die Variationen der Schicht- und Werkstoffzustände auf die Widerstandspunktschweißbarkeit gehärteter Bauteile wurde untersucht, um den Prozess des partiellen Formhärtens durch den Eingriff in den Ofenprozess nachzubilden.

Für Zn-beschichtete Werkstoffe eignet sich die Messung der Übergangswiderstände beschrieben in DVS 2935-3. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Übergangswiderstand und der Größe des Schweißbereiches. Im Fall von Al-Si-beschichteten Proben konnte keine Korrelation zwischen dem gemessenen Übergangswiderstand und Größe oder Lage des Schweißbereiches festgestellt werden. Die Anwendung der Übergangswiderstände zur Abschätzung der Schweißeignung nach DVS 2935-3 wird für Al-Si beschichtete pressgehärtete Bleche nicht empfohlen. Ebenfalls wurde keine Korrelation zwischen der Farbe der Oberflächenschichten nach dem Presshärten und der Schweißeignung des Werkstoffes festgestellt.
Die Schweißeignung von Al-Si beschichteten partiell gehärteten Bauteilen konnte mit der Schichtentwicklung korreliert werden. Aus den umfangreichen metallographischen Untersuchungen und deren Abgleich mit der Literatur und eigenen Untersuchungen zur Ermittlung der Schweißbereiche in Anlehnung an SEP 1220-2 wurde ein Kriterium zur Abschätzung der Schweißeignung alternativ zu den Widerstandsmessungen entwickelt. Abbildung 1 zeigt eine Korrelation zwischen dem Anteil intermetallischer Phasen in der Schicht (S_BCE) und Schweißeignung der Zweiblechverbindungen.

Aus dem Abgleich zwischen REM/EDX und lichtmikroskopischen Aufnahmen sowie basierend auf Ergebnissen aus der Literatur wurde eine Vorlage zur Identifikation einzelner Bereiche der Al-Si-Schichten aufgezeigt, die eine Ermittlung des vorgeschlagenen Kriteriums S_BCE anhand der lichtmikroskopischen Untersuchungen erlaubt und somit die industrielle Nutzung dieses Kriteriums ohne Notwendigkeit der ressourcenintensiven REM-Untersuchungen, was vor allem für KMUs vom großen Vorteil ist.

Umfangreiche Untersuchungen der Festigkeit von Schweißverbindungen unter verschiedenen Belastungsarten und Richtungen wurden ebenfalls durchgeführt. Zum Nachweis der Auswirkungen des schweißbedingten Wärmeeintrags auf die Eigenschaften des Grundmaterials wurde eine spezielle Zugprobe mit Opferblech entwickelt. Hier zeigte sich ein zunehmender Einfluss des Wärmeeintrags auf die mechanischen Verbindungseigenschaften.
Bei Belastung der Schweißverbindung auf Kopf- und Scherzug konnte der beobachtete Abfall der mechanischen Eigenschaften mit einer stärkeren Ausprägung der Erweichungszone an der Schmelzlinie korreliert werden.

Insgesamt wurden im Rahmen des Forschungsprojektes über 5500 Schweißverbindungen gefertigt und geprüft. Die im Schweißprozess gemessenen Verläufe von Schweißstrom, Schweißspannung, Elektrodenkraft und Elektrodenweg wurden durchgängig dokumentiert und fließen in eine Datenbank für weitere Auswertungen ein. Dies ermöglicht die Nutzung dieser Daten für eine simulative Abbildung von Schweißprozessen an Blechen mit verschiedenen Werkstoff- und Schichtzuständen.

"Für die wertvollen Ergebnisse in dem Forschungsvorhaben möchte ich mich ausdrücklich bei den Projektbearbeitern bedanken. Die gewonnenen Erkenntnisse erleichtern es uns als Hersteller von Buckelschweißlösungen zukünftig wesentlich, Probleme der Schweißbarkeit mit unseren Kunden zu diskutieren. Die Projektbearbeiter haben in eindrucksvoller Weise die Ursachen der unterschiedlichen Schweißbarkeit von AlSi-beschichteten Bauteilen ermittelt. So wird es auch möglich sein, auf exakte Parameter beim Härten der Bauteile zu lenken."
Dr. Hans-Jürgen Rusch, Kapkon GmbH

"Durch das Forschungsvorhaben konnten wir unsere Erfahrungen zum Widerstandspunktschweißprozess von pressgehärteten Stählen mit AlSi- und Zn-Beschichtung zum einen wissenschaftlich festigen, sowie neue Erkenntnisse über Schweißverhalten bei unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen gewinnen. Ein typischer Anwendungsfall sind z.B. Tailored Blank Bauteilen mit Patcheinsatz, die stets veränderte Blechstärken über die Bauteillänge aufweisen. Anhand der Forschungsergebnisse können die Grenzen für den phs-Ofenprozess für diese Art von Bauteilen noch gezielter definiert und mit den verifizierten Grundparametern für das Widerstandspunktschweißen auf signifikante Veränderungen der Werkstoffeigenschaften direkt reagiert werden."

Jörg Maier, voestalpine Automotive Components Schwäbisch Gmünd GmbH & Co. KG

" Der Forschungsbericht kann auf Anfrage bereitgestellt werden"

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Die Entwicklungen in der Transport- und Automobilindustrie haben in den letzten Jahren aufgrund der Leichtbauanforderungen zunehmend an Dynamik gewonnen. Angesichts dessen ergeben sich neue Anforderungen an die Fertigungsprozesse sowie der dazu erforderlichen Anlagentechnik. Obgleich es in den letzten Jahren eine stetige Neu- und Weiterentwicklung im Bereich der Fügetechnologien gab, ist das im Bereich der Blechverarbeitung und des Karosseriebaus am häufigsten angewendete Fügeverfahren weiterhin das Widerstandspunktschweißen. Um die Vorteile der Widerstandsschweißtechnik weiter zu nutzen und die zukünftigen Herausforderungen und Aufgaben weiterhin durch die Widerstandsschweißtechnik zu lösen, bedarf es Innovationen in der Anlagentechnik, wie sie in dem geplanten Projekt erfolgen soll.
Die als Nebenschlusselektrode bezeichnete Entwicklung beschreibt eine Verfahrenserweiterung zum Widerstandspunktschweißen, bei der die Punktschweißelektrode durch eine zusätzliche Elektrode ergänzt wird. Der Aufbau einer Konzeptanlage mit der elektrischen und geometrischen Auslegung der Nebenschlusselektrode sowie die Erforschung geeigneter Prozessabläufe für ausgewählte Anwendungen sind Gegenstand dieses Forschungsvorhabens.

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Das Ziel des Teilprojektes ist die Entwicklung und die Erprobung unterschiedlicher serienreifer Klebekonzepte zum Fügen der Kupferdrahtwicklung für eine neuartige Luftspaltwicklung des Radnabenmotors in unterschiedlichen Generationen. Dabei wird der zum Projektstartpunkt bereits etablierte Prozess der Aufbringung der Kupferdrahtwicklung auf die Eisenrückschlussoberfläche analysiert und daraus der Optimierungsbedarf sowohl für die Fügepartner als auch für jeden Schritt des Klebeprozesses abgeleitet. Zu den Teilprojektzielen gehören:

• die  Optimierung, Neuentwicklung sowie Erprobung der Klebesysteme für unterschiedliche Fertigungskonzepte der Luftspaltwicklung
• Untersuchung unterschiedlicher Isolierstoffe für die durchschlagfeste Gestaltung der Klebeverbindung
• Optimierung der Kupferleiter
• Auswahl und Umsetzung der Bandagierlösungen zum Verfestigen und Isolieren der aufgeklebten Kupferwicklungen
• Erarbeitung von Prüfmethoden zur Klebstofferprobung.
Als Klebsysteme sind flüssige Klebstoffe auf unterschiedlicher chemischer und physikalischer Basis sowie trägerlose Transferklebefolien sowie elektrisch isolierende Klebefolien zu testen bzw. zu bewerten. Als Isolierstoffe werden umweltfreundliche Isolierlacke und Isolationsfolien erprobt. Große Aufmerksamkeit wird der Einhaltung des erstellten Anforderungsprofils an die elektrische Sicherheit und die Gesamtdicken der Klebsysteme gewidmet. Zum Projektlaufzeitende soll ein Modell für unterschiedliche Klebsysteme mit entsprechenden Kennwerten und Fertigungsabläufen vorgestellt werden.
Wesentliche Forschungsergebnisse sind bisher:
• Erstellung und Erprobung von vier Klebkonzepten zum Fixieren der Kupferlackdrähte unter dem Einsatz von Reaktionsklebstoffen auf dem lackierten Stator bzw. auf einer einseitig klebenden Isolierfolie und mittels einer doppelseitig klebenden Transfer- oder Elektroisolierklebfolie
• Auswahl handelsüblicher und Modellierung neuer an das Anforderungsprofil angepasster Klebstoffprodukte
• Auswahl der Isolierlacke und Durchführung der Lackierversuche zum Isolieren des Stators mithilfe eines Spritzverfahrens
• Erarbeitung der Tests und Prüfverfahren in Anlehnung an die Regelwerke sowie an die Betriebsanforderungen der Luftspaltwicklung des Radnabenmotors
• Entwicklung der Bandagierverfahren der Luftspaltwicklung.

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Das Kondensatorentladungsschweißen (KE-Schweißen) ist in der Serien- und Massenfertigung wegen seiner kurzen Stromanstiegszeit und im Vergleich zu dem konventionellen Punkt- oder Buckelschweißen der niedrigen, schnellen Wärmeeinbringung  sowie der guten Reproduzierbarkeit und der Möglichkeit der Automatisierung  und Parameterüberwachung ein sehr wichtiges Fügeverfahren. Das KE-Schweißen ermöglicht unterschiedliche Werkstoffe, Materialdicken, Werkstoffe mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wärmeempfindliche oder auch beschichtete Bauteile zu verschweißen. In Bezug auf einen innovativen Leichtbau wurden von Stahlproduzenten in der Zeit eine Reihe von höher-, hoch- und höchstfesten Feinblechwerkstoffen entwickelt, die auch zunehmend in der blechverarbeitenden Industrie verwendet werden, zum Beispiel werden höherkohlenstoffhaltigen Stähle für Teile, die hohe Verschleißfestigkeit aufweisen sollen, verwendet. Beim Schweißen jedoch härten diese Werkstoffe in Abhängigkeit vom Kohlenstoff und den Legierungselementen teilweise enorm auf und neigen sehr stark zur Versprödung. Um dies zu verhindern oder Gebrauchsfähigkeit wieder herzustellen, müssen aufwendige Wärmebehandlungen vor und nach dem Schweißen durchgeführt werden. KE-Schweißen bietet durch den schnellen Stromanstieg den Vorteil kurzer Stromzeiten bis zu 10ms. Im Endeffekt können die höherkohlenstoffhaltigen Stähle prozesssicher miteinander verschweißen, d.h. die zusätzliche Wärmebehandlung erfolgt direkt durch die Stromimpulse.
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, grundlegende werkstoffkundliche und verfahrenstechnische Arbeits- und Randbedingungen zum KE-Schweißen von höherkohlenstoffhaltigen Werkstoffen zu erarbeiten. Es sollen neue Erkenntnisse über die Schweißbarkeit von nicht unbedenklich schmelzschweißgeeigneten Vergütungsstählen (Kohlenstoffgehalt  > 0,2 %) gewonnen werden. Hier ist die Frage zu beantworten, inwieweit sich die extrem hohen Aufheizgeschwindigkeiten und die hohe Energiedichte positiv auf die Schweißung auswirken. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Erkenntnisse zum KE-Schweißen höherkohlenstoffhaltiger Stähle erarbeitet. Es hat sich gezeigt, dass unter Voraussetzung geeigneter Parameterwahl rissfreie Verbindungen erzeugt werden können. Auf diese Weise kann man auch ein geeignetes Gefüge in der Schmelz- und Wärmeeinflusszone erzielt werden, um ein sicheres Verhalten der Schweißverbindung zu gewährleisten. Gleichzeitig wird der Einfluss der Schweißparameter, der Impulscharakteristik und der Werkstoffe während des KE-Schweißen auf die Schweißverbindung untersucht.

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Reibschweißen ist ein Fügeverfahren, welches aufgrund seiner Prozessstabilität und genauigkeit unter anderem im Automobil-, Turbinen- und Schiffsbau Anwendung findet. Zur Sicherstellung einer gleichbleibenden Qualität der Fügeteile sind Prozessparameter zu wählen, welche in Abhängigkeit von den zu fügenden Werkstoffen und deren Geometrie aus tabellarischen Parameterfenstern entnommen werden können. Dies erlaubt jedoch keinen Bezug zwischen Einstell- und Reaktionsgrößen des Prozesses, weshalb keine Prozessparameterwahl in Abhängigkeit gewünschter qualitativer Fügeverbindungsmerkmale erfolgen kann. Eine Möglichkeit, diesen Bezug herzustellen und somit die Prozessstandardisierung sowie Fertigungsqualität zu erhöhen und zu vereinheitlichen sind Prozessparameterkarten, welche den Bezug zwischen der Drehzahl, Reibkraft, Reibmoment und Verkürzungsrate einfach herstellen und somit im Rahmen der Fertigung als Arbeitsanweisung zur Verfügung gestellt werden können.

Aufgrund der notwendigen detaillierten Erfassung des Parameterraumes ist eine experimentelle Ermittlung der Prozessparameterkarten nur bedingt wirtschaftlich. Zur wirtschaftlichen Erfassung des gesamten Parameterraumes können Prozesssimulationswerkzeuge eingesetzt werden, insofern diese prädiktiv den Prozess abbilden können. Im Rahmen des Projektes steht ein vollständig gekoppelter thermodynamisch-mechanischer Modellierungsansatz, welcher in einem eigenständigen FE-Code umgesetzt ist, zur Verfügung. Ein generelles Problem bei der Abbildung von reibungsbasierten, rotatorischen Fügeverfahren ist, dass die bekannten Reibmodelle den Drehzahleinfluss nicht berücksichtigen, wodurch die Simulation bei einer Drehzahlvariation zu Abweichungen der Verkürzungsrate führt. Ein vielversprechender Ansatz ist die Modifikation des Reibmodells dahingehend, dass dieses um den Parameter der drehzahlabhängigen Schlupfgeschwindigkeit erweitert wird. Das Ziel des Projektes ist es daher, Prozessparameterkarten wirtschaftlich durch die Nutzung eines prädiktiven Prozesssimulationswerkzeuges mit modifiziertem Reibgesetz, welches die drehzahlabhängige Schlupfgeschwindigkeit berücksichtigt, zur Verfügung zu stellen.
 
Geplante Ergebnisse:

1.  Entwicklung eines maschinenunabhängigen und portablen Momentenmessadapters zur 
     Erfassung des Momentenverlaufs beim Rotationsreibschweißprozess.
2.  Gewinnung thermophysikalischer Materialkenndaten zum Aufbau eines Materialmodells
     für die Reibschweißprozesssimulation.
3.  Kalibrierung der Prozesssimulation anhand von Experimentaldaten und Modifikation des
     Reibgesetzes zur Berücksichtigung der drehzahlabhängigen Schlupfgeschwindigkeit.
4.  Simulative DoE für einen festgelegten Prozessparameterraum und Ableitung der
     Zusammenhänge zwischen Drehzahl, Reibkraft, Reibmoment und Verkürzungsrate.
5.  Wirtschaftliche Ableitung werkstoff- und geometrieabhängiger Prozessparameterkarten
     anhand von prädiktiver Simulationsdaten.

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Heutzutage steht die Entwicklung der Leichtbaukonzepte in Mischbauweisen im Automobilbau im Vordergrund und bei der Entwicklung von modernen Kraftfahrzeugen. Die Kombinationen von unterschiedlichsten Materialpaarungen ermöglichen vielfältige Karosseriestrukturen, wobei der Materialmix Aluminium und hochfester Stahl unter dem Gesichtspunkt des Leichtbaus von besonderem Interesse ist. Allerdings stehen für das Fügen von dieser Werkstoffkombination aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften jedoch nur eingeschränkt Fügeverfahren zur Verfügung. Aufgrund der zunehmenden Zahl von Anwendungen zwischen höchstfesten Stahlgüten und Aluminiumwerkstoffen wurden neue fügetechnische Lösungen realisiert, die jedoch alle ihrs spezifischen Grenzen haben. So ist der erforderliche Randabstand meißt groß, so dass sich keine gewichtsoptimierten kurzen Flansche realisieren lassen. Auch ist die mögliche fügbare Blechdicke des höchstfesten Stahls begrenzt.
Im Rahmen des Promotionsvorhabens sollen neue Lösungen auf Basis des Widerstandsschweißens für die Herstellung von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen, insbesondere in Kurzflanschverbindungen entwickeln werden. Zu Berücksichtigen sind dabei die Randbedingungen einer Großserienproduktion sowie die erforderlichen Verbindungseigenschaften. Mit den Ergebnissen des Promotionsvorhabens kann ein bedeutender Fortschritt in der Weiterentwicklung und praktischen Anwendung der Fügeverfahren für artfremden Materialien nicht nur in Kraftfahrzeugbau sondern auch in Luft und Raumfahrbau und in anderen Industriebereiche erzielt werden.

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Die Anwendung formgehärteter Bauteile nimmt im Automobilbau stetig zu und erreicht in modernen Karosserien gegenwärtig einen Gewichtsanteil von bis zu 20 %. Die für dieses wachsende Marktsegment erforderlichen Fertigungstechnologien (Warmumformung mit anschließendem Härten im Werkzeug) sind auf Grund ihrer Komplexität (kostenintensive Werkzeuge, lange Ofenstraßen und aufwendige geschwindigkeitsregulierte Kühlsysteme) nur für Serienfertigungen wirtschaftlich. Für kleine Stückzahlen, im Prototypenteilebau und zur angestrebten Entkopplung zwischen Prototypenteile- und Serienteilelieferanten in Produktentstehungsprozessen sind die Vorteile borlegierter Stähle und des Formhärtens bisher nicht wirtschaftlich effizient nutzbar.
Projektziel ist die Entwicklung einer neuen Technologie und neuartiger Werkzeuge zum Formhärten borlegierter Stähle für Prototypenteile (Stückzahlen 5 100). Dabei sollen mit segmentierten Werkzeugen, partiellen Temperierungen zur lokalen Beeinflussung der Bauteileigenschaften, optimierter Wärmeableitung bei passiver Kühlung und ZfP-Methoden zur Qualitätsbewertung Teile in Serienqualität schnell und wirtschaftlich gefertigt werden.

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In diesem Forschungsvorhaben soll eine Technologie zur kraftflussgerechten und schädigungsarmen Verbindung von Stahl- und FVK Werkstoffen entwickelt werden. Das Verfahren nutzt dabei ein neuartiges Blechverbindungselement, welches im ersten Schritt den FVK durchdringt und diesen dann stoffschlüssig an das darunterliegende Blechbauteil anbindet. Die Blechverbindungselemente für diese Technik sind geometrisch speziell an die faserverstärkten Kunststoffe angepasst. Sie bestehen aus einer Kopfplatte, unter die das Kunststoffteil geklemmt wird und drei daran befindliche Stege, die mit dem Stahlblech stoffschlüssig verbunden werden. Die Blechstege sind derart ausgeführt, dass sie durch induktive Erwärmung oder Schwingungsanregung den FVK unter minimaler Faserschädigung durchdringen und bei Kontakt mit dem Stahlblech durch Widerstandsschweißen angebunden werden können.

Durch die zunehmende Umsetzung von Leichtbaumaßnahmen im Mobilitätssektor kann mit einem wachsenden Markt für hybride Bauteile aus Metall und (faserverstärktem) Kunststoff gerechnet werden. Durch die Flexibilität des im Forschungsvorhaben geplanten Verfahrens in Verbindung mit geringen Investitionskosten in Maschinen- und Anlagentechnik ergeben sich besondere Vorteile für KMU.

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Zur Erhöhung der Lebensdauer von Punktschweißelektroden wurde das Elektrodenkappenfräsen entwickelt, mit dem die Auflegierungsschicht abgespant und die ursprüngliche Elektrodengeometrie wieder hergestellt wird. Die Festlegung der Nacharbeitszyklen erfolgt dabei über Erfahrungswerte, so dass überwiegend zu frühzeitig zu viel Material abgetragen wird. Diese starren Fräszyklen führen zu einem unnötig hohen Materialverbrauch. Die zweite Fragestellung betrachtet die Prozessfähigkeit von Standard CuCr1Zr-Elektroden im Vergleich zu dispersionsgehärteten Kupferelektroden hinsichtlich des Verschleißverhaltens  für unterschiedlich beschichtete hoch- und höchstfeste Stähle (AHSS und UHSS).
Folgende Ergebnisse und Erkenntnisse sind erreicht worden:
1. Lebensdauererhöhung durch bedarfsgerechte Fräseinleitung
    - Punktdurchmesser ist als Kriterium für bedarfsgerechte Fräseinleitung nicht geeignet
    - ineinandergreifende Verschleißmodelle wurden entwickelt, welche den Fräszeitpunkt ermitteln/vorhersagen können
2. Erarbeitung einer Methodik zur Elektrodenwerkstoff-Auswahl
    - Methodik zur anwendungsgerechten Auswahl von Elektrodenwerkstoffen und Prozessparametern hinsichtlich Verschleiß und Frässtrategie
    - Empfehlungen zur Auswahl von Elektrodenwerkstoffen und Prozessparametern hinsichtlich Verschleiß und Frässtrategie
    - Auswahl der Elektrodenwerkstoffe für Materialdickenkombinationen
3. Verschleißmodellbeschreibung und Simulation
     Verschleißmodellbeschreibung metallurgisch:
     - Schichtdicke immer kleiner 150 µm
     - Rissbildung bei Zn-Gehalten  >50 %
     - Makrorisse (bis 3 mm) beim Schweißen der zinkbeschichteten Tiefziehstähle und AlSi-beschichteten pressgehärteten Stählen
     - stärkere Rissbildung aus DX53D+Z100 0,65 mm
     - Kathode anfälliger
    Verschleißmodellbeschreibung mechanisch
     - grundwerkstoffabhängiges Verschleißverhalten (Tiefziehstähle: radiales Fließen der Elektrode mit Pilzbildung)
     - kontinuierliche Zunahme der Elektrodenkontaktfläche mit steigender Punktanzahl -> Verringerung der Stromdichte -> Abnahme der Wärmeeintrags, Verringerung der Flächenpressung -> Zunahme des Wärmeeintrags
     - pressgehärtete Stähle: axiales Fließen in entfestigten Bereichen -> Plateaubildung
     - keine Zunahme der Elektrodenkontaktfläche mit steigender Punktanzahl
     - keine Änderung des Punktdurchmessers

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Das Widerstandsschweißen stellt ein sehr kosten- und energieeffizientes Schweißverfahren für den Dünnblechbereich dar, wie seine weite Verbreitung u.a. in der Automobil- und Fahrzeugproduktion belegt. Mit den Herausforderungen durch den Leichtbau in diesem Bereich werden zunehmend neue höchstfeste Stahlgüten, Leichtmetalle und faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, die zu einer Vielzahl von Neuentwicklungen in der Fügetechnik geführt haben.

In dem Projekt soll daher eine neuartige Schweißstromquelle entwickelt werden, mit der die zukünftigen Leichtbaustrukturen gefügt werden können. Hierzu werden umfangreiche Modellsimulationen entwickelt und geeignete Prozessparameterverläufe abgeleitet, um daraus eine angepasste Anlagentechnik zu realisieren. Dabei soll insbesondere ein neuartiger Leistungsumrichter und Energieübertrager entwickelt werden.

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Formgehärtete Bauteile werden in allen modernen Fahrzeugstrukturen eingesetzt. Das MSG-Schweißen ermöglicht die Herstellung von hochfesten Schweißverbindungen und findet daher insbesondere bei einseitiger Zugänglichkeit Verwendung. Eine Herausforderung beim Einsatz in einer Großserie stellt der Einfluss der Oberflächenschicht dieser Bauteile dar. Je nach Härteprozess und Anforderungsprofil werden unbeschichtete, feueraluminierte oder verzinkte Halbzeuge verwendet. Nach der Wärmebehandlung unterscheiden sich die Oberflächenschichten in ihren Eigenschaften und beeinflussen den MSG-Schweißprozess. Im Rahmen des Forschungsprojekts sollen unterschiedliche Schichtsysteme hinsichtlich ihrer Schweißeignung bewertet und Maßnahmen zur Verbesserung der Prozessstabilität und der Verbindungseigenschaften abgeleitet werden. Dabei kommen verschiedene moderne Kurzlichtbogen-Prozessvarianten wie der CMT- oder Cold-arc-Prozess zum Einsatz.

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Aufgrund prozessspezifischer Vorteile sind durch das Laserstrahlschweißen viele anspruchsvolle Aufgaben im Bereich des Fügens und Beschichtens realisierbar. Die Entwicklungstrends in den letzten Jahren sind aktiv auf die Nutzung der Potenziale des Lasers und die Steigerung der Prozesseffizienz beim Laserstrahlschweißen gerichtet. Die bislang eingesetzten Schweißzusätze liegen draht- oder pulverförmig vor, wobei jede Art des Zusatzwerkstoffes durch spezifische Vor- und Nachteile charakterisiert ist. Besonders großer Entwicklungsbedarf liegt beim Einsatz von drahtförmigen Schweißzusätzen, die die bisherigen Vorteile 100%-igen Ausnutzung des Zusatzmaterials und eine hohe Variationsvielfalt der Legierungszusammensetzung des Pulvers kombinieren könnten. Eine neue Perspektive eröffnet sich durch pulvermetallurgisch hergestellte Drähte, deren Durchmesser deutlich geringer als 1mm sind. Hierdurch eröffnet sich eine problemlose und flexible Zusammenstellung der Legierungselemente, die bisher schmelzmetallurgisch nicht zu verarbeiten sind. Solche Schweißzusätze können optimal an die Anforderungen der bearbeitenden Werkstoffe und späteren Gebrauchseigenschaften des Produkts angepasst werden. Das grundlegende Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist die Entwicklung von neuartigen, pulvermetallurgisch hergestellten Sinterdrähten im Durchmesserbereich gleich bzw. kleiner als 0,8 mm sowie deren Erprobung zum Laserstrahlschweißen. Dabei ist durch den Industriepartner die Entwicklung der Fertigungstechnologie einschließlich Pulverauswahl- und -beschaffung zu realisieren. Im Rahmen des Teilprojektes „Schweißtechnologien“ sollen die Schweißeignung und Schweißmöglichkeit von Sinterdrähten erprobt, optimiert und beurteilt sowie ein schweißgeeigneter Anforderungsprofil an den Schweißzusatz erstellt werden. Im Ergebnis soll ein allgemeingültiges Werkstoff- und Fertigungskonzept für die untersuchten Sinterdrähte formuliert werden.

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Formgehärtete Bauteile besitzen die höchsten Festigkeiten in automobilen Strukturen. Beim Schweißen werden die Werkstoffeigenschaften negativ beeinflusst, so dass die Verbindungen deutlich geringere Festigkeit besitzen als der Grundwerkstoff. Im Rahmen des Forschungsprojekts werden Einflußgrößen auf die Verbindungseigenschaften untersucht und geeignete prozesstechnische Maßnahmen zur Verbesserung der Eigenschaften ermittelt.

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Die Entwicklungstendenzen bezüglich des Leichtbaus im Automobilbau haben neben der Verwendung von Leichtmetallen auch den Einsatz höchstfester Stahlgüten begünstigt. Eine innovative Technologie stellt dabei das Press- bzw. Formhärten dar, welches eine Verfahrenskombination aus Warmumformung und Härtung durch Martensitbildung darstellt. Dabei kommen verschiedene Beschichtungskonzepte zum Schutz der Werkstückoberfläche während des Presshärtens zum Einsatz. Ziel des Forschungsvorhabens ist, die sich aus diesen pressgehärteten Bauteilen und seinen unterschiedlichen Beschichtungskonzepten ergebenden Besonderheiten bezüglich der Schweißeignung durch MSG-Prozesse zu untersuchen. Bei den untersuchten Prozessparametern werden neben den Beschichtungskonzepten auch unterschiedliche modifizierte Kurzlichtbogenprozesse und Schutzgaszusammensetzungen mit einbezogen. Des Weiteren werden Untersuchungen zur Wärmeeinbringung sowie der Abkühlgeschwindigkeit und deren Auswirkungen untersucht. Beurteilt werden dabei neben der Prozessstabilität die sich einstellenden mechanisch technologischen Eigenschaften auch bezüglich ihrer Richtungsabhängigkeit. Die wirtschaftliche Bedeutung bzw. der Nutzen für die KMUs liegt in der direkten Nutzung der Untersuchungsergebnisse. Da hier die vielfältigen Kombinationen der unterschiedlichen Einflussfaktoren und Prozessparameter in ihrer Komplexität, ihrer gegenseitigen Beeinflussung und den sich daraus ergeben Eigenschaften auch bezüglich ihres Einflussgrades ableiten lassen. Durch eine enge Zusammenarbeit mit den beteiligten Unternehmen des projektbegleitenden Ausschusses ist bereits während der Projektlaufzeit ein direkter Transfer der Forschungsergebnisse in die Praxis möglich. Bereits hier kann er genutzt werden um in Form von Verarbeitungs- oder Konstruktionsvorgaben sowie Schweißanweisungen die Prozesssicherheit, Qualität und Produktivität zu erhöhen. Nach Projektabschluss werden die Ergebnisse einer breiten Nutzung zugänglich gemacht.

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Ziel ist die Untersuchung des fertigungsbedingten Einflusses auf Geometrie- und Werkstoffveränderung beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stählen. Hierfür soll eine numerische Abbildung des Prozesses unter Berücksichtigung von fertigungsspezifischen Maßabweichungen der Bauteile und der Entstehung von Verformungen erfolgen, um so ein besseres Verständnis von thermischen und mechanischen Vorgängen während des Schweißvorgangs zu erlangen. Besondere Betrachtung liegt auf der Entstehung von Unregelmäßigkeiten wie Lunkern und Rissen, die die mechanischen Verbindungseigenschaften beeinflussen. Die dafür verantwortlichen kritischen Prozessabläufe sollen ermittelt und eine neue Untersuchungsmethode zur Bewertung von Heißrissanfälligkeit beim Widerstandsschweißen entwickelt werden. Im weiteren soll die Zeitstandfestigkeit von Schweißverbindungen mit Imperfektionen sowohl experimentell, als auch numerisch untersucht werden, um eine Aussage über die kritische Lage und Größe von Schweißfehlern machen zu können. Das Bild zeigt eine Schweißlinse sowie eine Simulation von Lastspannungen nach dem Schweißen, die durch Rücfederung der Bauteile hervorgerufen werden.

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Zur Herstellung von höchstfesten Blechbauteilen aus dem Vergütungsstahl 22MnB5 wurde eine Prozessroute bestehend aus einem Ofen und einer Umformpresse bzw. Abkühlvorrichtung aufgebaut. Die Wärmebehandlung im Ofen kann dabei unter besonderer Atmosphäre erfolgen, um Oxidation der Oberfläche, Entkohlung der Randschicht und insbesondere den Wasserstoffeintrag ins Gefüge gezielt zu beeinfussen. Die Abkühlgeschwindigkeit und damit die Eigenschaften der Probebleche kann gezielt eingestellt werden.

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