Im modernen Automobilbau spielen Forderungen hinsichtlich verminderten Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitig erhöhtem Insassenschutz vorrangige Rollen. Dazu wird verstärkt auf neue, hochfeste Werkstoffe zurückgegriffen. Noch in der Entwicklung befinden sich so genannte TWIP-Stähle, die aufgrund mechanischer Zwillingsbildung während der Umformung (TWinning Induced Plasticity, TWIP-Effekt)eine herausragende Duktilität bei gleichzeitig hoher Festigkeit besitzen. Können mit konventionellem Blecheinsatz anspruchsvolle Bauteileigenschaften nicht mehr erfüllt werden, kommen z.B. Halbzeuge aus maßgeschneiderten, geschweißten Platinen (engl.: Tailored Welded Blanks, TWB) zum Einsatz. TWBs kombinieren zwei oder mehrere Teilbleche mit unterschiedlichen Blechdicken, Umformeigenschaften oder Oberflächenbeschichtungen zu einer Platine. Somit lässt sich eine geforderte Bauteileigenschaft lokal realisieren. Der Einsatz von TWIP-Stahl in TWBs ist angestrebt, jedoch sind dazu noch grundlegende Fragen hinsichtlich Schweißbarkeit und Einfluss der Schweißnaht auf das Umformverhalten offen. Ziel diese Diplomarbeit war es, das Einsatzpotential von TWBs auf Basis neu entwickelter TWIP-Stähle abzuschätzen und anhand umformtechnischer Kriterien zu bewerten. Ebenfalls sollte eine Mischkombination TWIP/DP-Stahl erprobt werden. Neben Umformsimulationen (AutoForm) wurden hierfür Grundsatzversuche an Schweißverbindungen (Erichsen-Versuch, Metallographie, Härtemessung, EDX), sowie Abpress- und Bauteilversuche (Bestimmung mech. Eigenschaften und Maßhaltigkeit) durchgeführt. Die Schweißnaht wurde hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert, der Schweißnahteinfluss auf das Umformverhalten dokumentiert und die Bauteileigenschaften mit Referenzbauteilen aus Einzelblechanwendung und höchstfestem Serienwerkstoff verglichen.
Dabei zeigte sich, dass TWBs auf Basis von TWIP-Stahl grundsätzlich darstellbar sind und Einsatzpotential besitzen, in zukünftigen Fahrzeuggenerationen Insassensicherheit zu erhöhen und gleichzeitig Leichtbauforderungen gerecht zu werden. Hinsichtlich Bauteilfestigkeit, Umform- und Energieaufnahmevermögen versprechen sich Vorteile gegenüber Serienwerkstoffen für Strukturbauteile. Jedoch neigt die Schweißnaht zum Versagen und verlangt große Sorgfalt bei der Herstellung. So besteht u.a. im Bereich der Fügetechnik noch Entwicklungsbedarf, eine prozesstauglich Stumpfstoß-Verbindung von TWIP-Stahl zu realisieren.
Gliederung
1. Einführung
1.1. Einleitung und Motivation
1.2. Zielsetzung und Vorgehensweise
2. Stand der Technik
2.1. Theoretische Grundlagen der Umformtechnik
2.2. Technologische Grundlagen der Umformtechnik
2.2.1. Tiefziehen
2.2.2. Streckziehen
2.2.3. Ziehen von Karosserieblechen
2.2.4. Warmumformung im Karosseriebau
2.2.5. Grenzen des Umformvermögens
2.3. Grundlagen der Umformsimulation
2.3.1. Finite-Elemente-Methode
2.3.2. Materialmodell
2.4. Festigkeitssteigerung bei Stahlwerkstoffen
2.4.1. Karosseriebaustähle
2.4.2. Metallurgische Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung
2.4.3. Technologische Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung
2.5. Tailored Welded Blanks
2.5.1. Einsatz und Eigenschaften geschweißter Halbzeugplatinen
2.5.2. Herstellung von Tailored Welded Blanks
3. Basis der Potentialbewertung
3.1. Ausgewähltes Versuchswerkzeug
3.2. Verwendete Werkstoffe
3.2.1. TWIP-Stahl
3.2.2. Dualphasenstahl
3.2.3. Martensitphasenstahl
3.3. Aufbau der Tailored Welded Blanks
4. Umformsimulationen
4.1. Umformsimulationen und Bauteiloptimierung mit AutoForm
4.2. Simulationsdurchführung
4.3. Ergebnisvariablen zur Potentialbewertung
5. Experimentelles
5.1. Herstellung von Schweißproben und Tailored Welded Blanks
5.2. Schweißnahtcharakterisierung
5.2.1. Erichsen-Tiefungsversuch
5.2.2. Metallographische Gefügeuntersuchung
5.2.3. Härtescan
5.2.4. EDX-Analyse
5.3. Abpressversuch
5.4. Bauteilcharakterisierung
5.4.1. Minizugversuch
5.4.2. Optische Bauteilvermessung
6. Ergebnisse
6.1. Ergebnisse der Umformsimulationen
6.2. Schweißnahteigenschaften
6.2.1. Schweißnahtausbildung
6.2.2. Erichsen-Tiefung
6.2.3. Gefügebeschreibung
6.2.4. Härteverlauf
6.2.5. Mangan- und Kohlenstoffverteilung
6.3. Abpresstauglichkeit
6.4. Bauteileigenschaften
6.4.1. Bauteilfestigkeit und Restdehnung
6.4.2. Maßhaltigkeit
7. Diskussion
7.1. Einsatzvorteile von Tailored Welded Blanks aus TWIP-Stahl anhand Umformsimulationen
7.2. Einfluss der Schweißnaht auf das Umformvermögen
7.2.1. Einfluss von Kantenqualität, Metallurgie und Blechdicke
7.2.2. Konsequenzen für Bauteilherstellung und -eigenschaften
7.3. Bewertung der Mischkombination von TWIP- und DP-Stahl in Tailored Welded Blanks
7.4. Potential zur Substitution von warmumzuformenden Stählen durch Tailored Welded Blanks aus TWIP-Stahl
8. Zusammenfassung und Ausblick
9. Verzeichnisse
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Einsatzpotential von maßgeschneiderten, geschweißten Platinen (Tailored Welded Blanks, TWB) auf Basis von TWIP-Stählen für Strukturbauteile im Automobilbau. Ziel ist es, durch eine Kombination von Umformsimulationen und praktischen Versuchen zu bewerten, ob diese neuen Werkstoffe zur Gewichtsreduzierung und gleichzeitig zur Erhöhung der Insassensicherheit bei anspruchsvollen Bauteilgeometrien beitragen können.
- Potentialbewertung von TWIP-Stahl für Leichtbauanwendungen in der Fahrzeugstruktur.
- Untersuchung des Schweißnahteinflusses auf das Umformverhalten bei Tailored Welded Blanks.
- Erprobung von Mischverbindungen zwischen TWIP-Stählen und konventionellen Mehrphasenstählen.
- Vergleich der Leistungsfähigkeit von TWIP-basierten Bauteilen gegenüber warmumgeformten Martensitphasenstählen.
- Optimierung von Prozessparametern mittels Finite-Elemente-Simulation (AutoForm).
Auszug aus dem Buch
1.1. Einleitung und Motivation
Im modernen Automobilbau spielen gesellschaftliche und technische Forderungen hinsichtlich verminderten Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitig erhöhtem Insassenschutz vorrangige Rollen. Trotzdem sollen darunter Leistungsvermögen und Fahrdynamik möglichst nicht leiden. Eine Möglichkeit diesen Zielkonflikt zu lösen, stellt konsequenter Leichtbau der Karosserie, als Fahrzeugkomponente mit dem größten Eigengewicht, dar. Dazu wird verstärkt auf neue, hochfeste Werkstoffe zurückgegriffen.
Stahl, als klassischer Karosseriewerkstoff, steht zunehmend in Wettbewerb mit Leichtmetallen wie Aluminium oder Magnesium und faserverstärkten Polymerwerkstoffen. Dieser Konkurrenzdruck führte zu beachtlichen Innovationen seitens der Stahlerzeuger. Im Bereich der sicherheitsrelevanten Fahrzeugstruktur steht heute dem Entwickler somit eine große Auswahl unterschiedlicher hoch- und höchstfester Stahlwerkstoffe (Rm>500MPa) zur Verfügung. Moderne Mehrphasenstähle finden aufgrund ihrer guten Kombination aus Festigkeit und Duktilität verstärkt Anwendung in crashrelevanten Bauteilen. Um die Fahrgastzelle vor Intrusion zu schützen, wird in aktuellen Automobilen des Weiteren pressgehärteter Martensitphasenstahl mit einer Zugfestigkeit >1300MPa, dafür geringer Duktilität, eingesetzt. Noch in der Entwicklung befindlich ist TWIP-Stahl (TWinning Induced Plasticity), welcher über eine massive mechanische Zwillingsbildung verfestigt und damit überragende Duktilität bei hoher Festigkeit bietet. TWIP-Stahl besitzt damit großes Potential, in künftige Fahrzeuggenerationen die Insassensicherheit zu erhöhen und gleichzeitig Leichtbau durch Wandstärkenreduzierung zu ermöglichen.
Können mit konventionellem Blecheinsatz anspruchsvolle Bauteileigenschaften nicht mehr erfüllt werden, ist eine Möglichkeit, Halbzeuge aus maßgeschneiderten, geschweißten Platinen (engl.: Tailored Welded Blanks, TWB) anzuwenden. TWBs kombinieren zwei oder mehrere Teilbleche mit unterschiedlichen Blechdicken, Umformeigenschaften oder Oberflächenbeschichtungen zu einer Platine. Somit lässt sich durch gezielte Werkstoffkombination eine geforderte Bauteileigenschaft lokal realisieren.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung: Darstellung der Motivation für den Einsatz von TWIP-Stahl in Tailored Welded Blanks sowie Definition der Zielsetzung und Vorgehensweise der Arbeit.
2. Stand der Technik: Zusammenfassung der theoretischen und technologischen Grundlagen der Umformtechnik, der Simulation, der Stahlfestigkeitssteigerung und der Tailored Welded Blanks.
3. Basis der Potentialbewertung: Beschreibung des Versuchswerkzeugs (W204-Pedaltopf) sowie der verwendeten Werkstoffe (TWIP, DP, Martensit) und der TWB-Aufbauvarianten.
4. Umformsimulationen: Erläuterung der Simulationsmethodik mit AutoForm zur Optimierung des Umformprozesses und der Bestimmung von Ergebnisvariablen.
5. Experimentelles: Dokumentation der experimentellen Vorgehensweise, einschließlich Schweißprobenherstellung, Charakterisierung der Schweißnaht und Durchführung der Abpressversuche.
6. Ergebnisse: Darstellung der Simulationsergebnisse, Schweißnahteigenschaften (Gefüge, Härte, Elementverteilung), Abpresstauglichkeit und Bauteilfestigkeiten.
7. Diskussion: Interpretation der Ergebnisse hinsichtlich Einsatzvorteilen, Schweißnahteinfluss, Mischverbindungen und Potential zur Substitution von warmumformenden Stählen.
8. Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der Arbeit bezüglich des Potentials von TWIP-Stahl-TWBs und Identifikation zukünftiger Forschungsbedarfe.
9. Verzeichnisse: Quellen- und Tabellenverzeichnisse.
Schlüsselwörter
TWIP-Stahl, Tailored Welded Blanks, Umformtechnik, Karosseriebau, Bauteiloptimierung, Leichtbau, Insassenschutz, Umformsimulation, Schweißnaht, Martensitphasenstahl, Dualphasenstahl, Festigkeitssteigerung, Zwillingsbildung, Blechumformung, Maßhaltigkeit.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Potential von TWIP-Stählen (Twinning Induced Plasticity) in geschweißten Platinen (Tailored Welded Blanks) für automobile Strukturbauteile, um Leichtbauziele und Anforderungen an die Insassensicherheit zu erfüllen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen sind Werkstoffwissenschaften, umformtechnische Simulation, Fügetechnik (insb. Laserschweißen von TWIP-Stählen) und die experimentelle Charakterisierung von Bauteileigenschaften.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist es, abzuschätzen, ob Tailored Welded Blanks auf TWIP-Stahl-Basis eine technische und wirtschaftliche Alternative zu konventionellen warmumgeformten Martensitstählen für komplexe Strukturbauteile darstellen.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird ein zweigleisiger Ansatz verfolgt: Einerseits numerische Simulationen mittels Finite-Elemente-Methoden (AutoForm), andererseits umfangreiche experimentelle Versuchsreihen, darunter Schweißnahtanalysen (Härtescan, EDX, Metallographie) und reale Abpressversuche.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Beschreibung der Umformsimulationen, die Fertigung der Schweißproben, die systematische Charakterisierung der Schweißnahteigenschaften und die anschließende Bewertung der Bauteilfestigkeit und Maßhaltigkeit anhand eines W204-Pedaltopfs.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind TWIP-Stahl, Tailored Welded Blanks, Umformtechnik, Leichtbau, Bauteiloptimierung und Schweißnahteigenschaften.
Welche Rolle spielt der TWIP-Stahl im Vergleich zu den Referenzwerkstoffen?
TWIP-Stahl bietet aufgrund der mechanischen Zwillingsbildung eine exzellente Kombination aus hoher Duktilität und Festigkeit, was ihn für sicherheitsrelevante Bauteile interessant macht, im Gegensatz zu den oft weniger duktilen, pressgehärteten Martensitstählen.
Warum ist die Schweißnaht bei TWIP-Stählen eine kritische Stelle?
Die Untersuchungen zeigten, dass es durch den Schweißprozess zu einer starken Kornvergröberung und teilweise martensitischen Gefügeänderungen kommt, die das Umformvermögen der Naht gegenüber dem Grundwerkstoff deutlich reduzieren.
Ist die Mischkombination aus TWIP- und Dualphasenstahl in der Praxis umsetzbar?
Nach den Ergebnissen dieser Arbeit ist sie aus fügetechnischen Gründen aktuell kritisch zu sehen, da Mangandiffusion während des Schweißprozesses zu starker Martensitbildung führt, was die Naht spröde macht und die Bauteilherstellung erschwert.
- Arbeit zitieren
- Marc Blumenau (Autor:in), 2006, Einsatz von höchstfestem TWIP-Stahl. Potentialbewertung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/180524
