Abschätzung der Tragfähigkeit eines punktgeschweißten Blechs mit Erweichungszone

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Punktgeschweißte Bleche mit Erweichungszone  

Das Punktschweißverfahren ist nach wie vor das verbreitetste Fügeverfahren im Karosseriebau. Dabei werden vermehrt hochfeste Stähle eingesetzt und verschweißt. Jedoch weisen hochfeste Stähle wie 22MnB5 und HCT980C durch die Wärmebehandlung während des Schweißprozesses eine Erweichungszone um den Schweißpunkt auf. Diese Erweichungszone ist abhängig von den verwendeten Schweißparametern unterschiedlich ausgeprägt und vermindert die Tragfähigkeit des Blechs.

Das Tool auf dieser Seite dient zur Abschätzung der Tragfähigkeit eines punktgeschweißten Blechs mit Erweichungszone. Das analytische Berechnungsmodell, auf dem das Tool beruht, wurde im Rahmen des AiF-Projekts „Charakterisierung und Modellierung der Beeinflussung des Bauteilverhaltens durch Erweichungszonen an Schweißpunkten höchst- und ultrahochfester Stähle unter Crashbelastung“ entwickelt.

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Tool zur Abschätzung der Festigkeit geschweißter Bleche

Mit dem vorgestellten Tool kann die Spannungs-Dehnungskurve einer punktgeschweißten Zugprobe unter einachsiger quasistatischer Belastung berechnet und somit die Tragfähigkeit der Probe abgeschätzt werden. In der Regel müssen aufwendige FEM-Simulationen aufgebaut, berechnet und ausgewertet werden, um das Verhalten einer solchen Zugprobe zu berechnen. Das hier gezeigte Tool verwendet ein analytisches Berechnungsmodell, welches auf physikalischen Zusammenhängen basiert. So wird es ermöglicht die Spannungs-Dehnungskurve mit wenigen Klicks zu berechnen. Über die Slider ist es außerdem möglich direkt Zusammenhänge zwischen Schweißpunktgeometrie und Materialverhalten sichtbar zu machen.

 

Starten Sie das SpotWeld Tool über folgenden Link:
https://spotweld.herokuapp.com/spotweld. (Bitte warten Sie einen Augenblick, damit das Tool vollständig laden kann.)

 

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Anleitung zur Nutzung des SpotWeld Tools

In der Eingabemaske können Angaben zur Schweißpunktgeometrie und zum verwendeten Material gemacht werden. Außerdem gibt es die Möglichkeit zu bestimmten Testfällen experimentelle Daten zu dem Spannungs-Dehnungsdiagramm hinzuzufügen. Die experimentellen Daten werden unter Testfälle näher erläutert.

Geometrie: Zur Berechnung der Tragfähigkeit wir die Geometrie des Schweißpunkts benötigt. Über die Schieber können Schweißpunktradius und Breite der Erweichungszone angegeben werden. Außerdem ist es möglich die Blechdicke zu variieren. Die Breite und Höhe der Probe sind mit 16 mm und 30 mm festgelegt.

Material: Die technische Spannungs-Dehnungskurve des Grundwerkstoffs muss in Tabellenform vorliegen. Für 22MnB5 und HTC980C sind diese im Tool hinterlegt. Außerdem müssen Angaben zur Beschreibung der Erweichungszone gemacht werden. Für das Schweißgut sind keine Angaben erforderlich, es wird das gleiche Materialverhalten wie für den Grundwerkstoff angenommen.

Experimentelle Daten: Die Spannungs-Dehnungskurve für den Grundwerkstoff kann zum Vergleich hinzugeschaltet werden. Außerdem liegen für die Werkstoffe 22MnB5 und HTC980C jeweils drei experimentelle Kurven für Bleche mit unterschiedlichen Schweißpunktgeometrien vor.

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Testfälle zur Validierung der analytischen Berechnungsmethode

Der Komplexphasenstahl HCT980C und der pressgehärtete Stahl 22MnB5 werden häufig im Karosseriebau eingesetzt. Für diese Materialien wurden Versuche durchgeführt, um die Berechnungsmethode zu validieren. Dazu wurden Punktschweißverbindungen mit unterschiedlichen Schweißparametern hergestellt. Daraus ergeben sich unterschiedliche Schweißpunktgeometrien, die in der untenstehenden Tabelle aufgeführt sind.
Die experimentellen Ergebnisse können zu dem Diagramm dazugeschaltet werden.  

 

Testfälle für 22MnB5 

  P1  P2 P3
Breite der EWZ bEWZ  0,6 mm
 1,3 mm
 2,9 mm
Schweißpunktradius RSP
 4,4 mm
 5,9 mm
 7,9 mm 
Blechdicke t0  1,2 mm
 1,1 mm
 1,1 mm
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Die analytisch berechnete Spannungs-Dehnungskurve für das mit Schweißparameter P1 geschweißte 22MnB5-Blech (schwarz) im Vergleich zum Experiment (rot)

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Die analytisch berechnete Spannungs-Dehnungskurve für das mit Schweißparameter P2 geschweißte 22MnB5-Blech (schwarz) im Vergleich zum Experiment (blau)

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Die analytisch berechnete Spannungs-Dehnungskurve für das mit Schweißparameter P3 geschweißte 22MnB5-Blech (schwarz) im Vergleich zum Experiment (grün)

Die Zugfestigkeit der unterschiedlich punktgeschweißten Bleche kann in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen vorhergesagt werden. Nur die Schweißpunktgeometrie, die mit Schweißparameter P3 erzeugt wurde, zeigt eine größere Abweichung. Für Schweißpunkte, bei denen die Breite der Erweichungszone deutlich größer als die Blechdicke ist (bEWZ >> t0), verliert das Berechnungsmodell seine Gültigkeit. 

 

Testfälle für HCT980C (auch CP1000) 

  P4  P5  P6 
Breite der EWZ bEWZ  0,5 mm  0,5 mm
 0,5 mm
Schweißpunktradius RSP  3,5 mm
 4,0 mm
 4,5 mm
Blechdicke t0  1,2 mm
 1,2 mm
 1,2 mm
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Die analytisch berechnete Spannungs-Dehnungskurve für das mit Schweißparameter P5 geschweißte HCT980C-Blech (schwarz) im Vergleich zum Experiment (blau)

 

Die hier erzeugten EWZ-Breiten sind deutlich schmäler als bei 22MnB5. Die Schweißparameter führen zu wenig Variation in EWZ-Breite und Schweißpunktradius. Die experimentellen Versuche  zeigen daher auch wenig Unterschiede in der Tragfähigkeit. Das SpotWeld Tool kann diesen Zusammenhang gut wiedergeben. Die Instabilitätsbedingung des analytischen Berechnungsmodells hingegen ist für diesen Werkstoff nicht zufriedenstellend. Die Bruchdehnung wird stark unterschätzt.

 

 

 

 

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Danksagung

Das IGF-Vorhaben „Charakterisierung und Modellierung der Beeinflussung des Bauteilverhaltens durch Erweichungszonen an Schweißpunkten höchst- und ultrahochfester Stähle unter Crashbelastung“, IGF-Projekt Nr. 17991 N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

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Publikationen

Burget, S.: Modellierung des Verformungs- und Versagensverhalten punktgeschweißter Mischverbindungen zwischen mikrolegierten und pressgehärteten Stählen, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2015

Sommer, S.; Burget, S.; Bentele, R.; Schuster, L.; Schreyer, F.; Weber, U.; Tümkaya, G.; Hein, D.: Charakterisierung und Modellierung der Beeinflussung des Bauteilverhaltens durch Erweichungszonen an Schweißpunkten höchst- und ultrahochfester Stähle unter Crashbelastung, Abschlussbericht 17991 N (FOSTA P 1018), 2017

Burget, S.; Sommer, S.: Characterization and modeling of fracture behavior for spot welded joints in hot-stamped ultra-high strength steels. Proceedings of the 11. LS-DYNA Forum, 2012

Gumbsch, P., Sommer, S., Burget, S., Roos, E., Wink, H.-J., Krätschmer, D., Hahn O., Meschut, G., Klokkers, F., Hein, D.: Charakterisierung und Ersatz-modellierung des Bruchverhaltens von Punktschweißverbindungen aus ultrahochfesten Stählen für die Crashsimulation unter Berücksichtigung der Auswirkung der Verbindung auf das Bauteilverhalten, Abschlussbericht FOSTA/AVIF P 806/A 262, 2012.

 

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