Hybrides Verbundschmieden als Fügeverfahren für Aluminiummassivteile und Stahlbleche

Thema Umformtechnik
Projekttitel Hybrides Verbundschmieden als Fügeverfahren für Aluminiummassivteile und Stahlbleche (Verbundhybridschmieden)
Laufzeit 01.03.2017 – 30.09.2019
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Pressemitteilung

Um das Gewicht von Bauteilen zu reduzieren, finden zunehmend Leichtbauverfahren und -werkstoffe Anwendung. Gerade im Automobilbau werden Verbindungen aus Stahl und Leichtbaumaterialien wie Aluminium und Magnesium genutzt. Jedoch erfolgt diese Verbindung meist durch einen zusätzlichen Fügeschritt, wie beispielsweise Schweißen, und weist auch Probleme auf, etwa eine erhöhte Korrosionsneigung. Dieses Forschungsprojekt untersucht daher die Verbindung von Aluminiummassivteilen und Stahlblechen in einem kombinierten Umform- und Fügeschritt.

In dem Forschungsprojekt soll eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Aluminiummassivteil und einem Stahlblech mittels Umformung erzeugt werden. Die Verbindung soll dabei durch Zink als Lotwerkstoff erfolgen, um die Bildung spröder intermetallischer Phasen zu vermeiden. Über Simulationsprozesse und experimentelle Versuche soll ein geeignetes Prozessfeld für den Umform- und Fügeprozess ermittelt werden. In einem nächsten Schritt soll das Hybridelement weiter umgeformt werden, um zu untersuchen, inwieweit sich die Verbindung für die Weiterverarbeitung eignet. Das Forschungsprojekt wird in Zusammenarbeit mit dem Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren der TU Clausthal durchgeführt.

Veröffentlichungen zum Projekt

Das hybride Verbundschmieden von Aluminiummassivteil und Stahlblechen ist eine Kombination aus Materialleichtbau und strukturellem Leichtbau. Bei diesem Verfahren werden ein Aluminiummassivteil und ein Stahlblech kombiniert und gleichzeitig umgeformt. Durch das Umformen wird unter Verwendung von Zink als Lotmaterial eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt. Dadurch wird die Bildung spröder intermetallischer Fe-Al-Phasen sowie Kontaktkorrosion verhindert. Die Zinkschicht wird durch Schmelztauchen auf das Aluminiummassivteil aufgebracht. Um durch Umformen eine stoffschlüssige Verbindung herzustellen, werden in ersten experimentellen Versuchen geeignete Parameter wie z.B. die Umformtemperatur ermittelt. Schliffbilder zeigten, dass die Zinkschicht nach der Umformung noch intakt ist. In dieser Veröffentlichung wird die Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Umformschritte und unterschiedlicher Geometrien der Aluminiummassivteiloberfläche auf die Verbindungsfestigkeit beschrieben. Die Umformversuche zeigen, dass eine weitere Umformung des Aluminiummassivteils, die zu einer größeren Verformung führt, zu einer stärkeren Verbindung zwischen beiden Fügepartnern führt. Es gibt jedoch eine Grenze für die Umformung, da sich die aufgebrachten Kräfte auf das Stahlblech übertragen können, was zu einer unbeabsichtigten Verformung führen kann. Die erzeugten Hybridteile werden auf ihre Fähigkeit zur weiteren Umformung geprüft. Daher werden die gefügten Hybridteile einem Tiefziehprozess unterzogen, um festzustellen, ob die Verbindung einer weiteren Verformung des Hybridteils standhält.

Aluminium, Hybridschmieden, Leichtbau, Hybrid

Im automobilen Leichtbau werden hybride Strukturen sowohl aus unterschiedlichen Materialien, als auch aus Massiv- und Blechelementen eingesetzt. Durch hybrides Verbundschmieden können ein Stahlblech und ein Aluminiummassivteil schon im Umformprozess stoffschlüssig verbunden werden. Das Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH erforscht gemeinsam mit dem Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der TU Clausthal, wie massive Aluminiumbolzen und Stahlbleche stoffschlüssig gefügt werden können. In Diesem Artikel werden die entscheidenden Umformparameter erläutert. Des Weiteren wird die Werkzeugkonstruktion für die Fügeversuche vorgestellt.

Leichtbau, Aluminium, Verbundschmieden

Der automobile Leichtbau setzt zunehmend auf hybride Strukturen aus Stahl und Aluminium. Die Verbindung dieser Werkstoffe erfolgt derzeit vorwiegend durch Formschluss, beispielsweise durch Nieten. Auch Schweißen und Kleben werden zum Fügen der beiden Werkstoffe eingesetzt. Das hybride Verbundschmieden erlaubt ein Fügen der unterschiedlichen Bauteilelemente während der Umformung. Dies verkürzt die Prozesskette. Mithilfe von Zink als Lotwerkstoff werden die Bauteile stoffschlüßig verbunden. In dieser Veröffentlichung die Ergebnisse der simulative Parameterstudie erläutert. Es wird gezeigt, wie Temperatur, Geometrie und Geschwindigkeit das Fügeergebnis beeinflussen. Weiterhin werden erste Ergebnisse von praktischen Fügeversuchen vorgestellt.

Leichtbau, Aluminium, Simulative Parameterstudie

Im Leichtbau werden neben hochfesten Stählen auch Leichtmetalle wie Aluminium eingesetzt. Eine Schweißverbindung aus Aluminium und Stahl führt jedoch zur Ausscheidung von spröden, intermetallischen Phasen und Kontaktkorrosion. Um die Vorteile dieser Kombination im Hinblick auf die Gewichtseinsparung zu nutzen, wurde das Hybride Verbundschmieden entwickelt. Dabei wurden ein Aluminium-Massivteil und ein Stahlblech in einem Arbeitsgang geformt und gleichzeitig mit Zink als Lotmaterial verbunden. Zu diesem Zweck wurde das Zink durch Schmelztauchverfahren auf das Aluminium aufgetragen, um über diese Schicht in einem Umformprozess unter Druck und Wärme eine Verbindung herzustellen. Durch die gebildete Zwischenschicht aus Zink ist die Bildung der intermetallischen Fe-Al-Phasen und die Kontaktkorrosion ausgeschlossen. Durch die Bestimmung der mathematischen Zusammenhänge zwischen den Fügeparametern und den Verbindungseigenschaften konnte die Festigkeit einer bestimmten Fügegeometrie auf das Niveau konventioneller Fügetechniken eingestellt werden. Neben der Darstellung der Verbindungseigenschaften wird auch der Einfluss des Fügeprozesses auf die Struktur der beteiligten Materialien dargestellt. Darüber hinaus wird das Versagensverhalten bei statischer Zugspannung und Scherbeanspruchung aufgezeigt.

Leichtbau, Aluminium, Verbindungseigenschaften

Förderer

Das Projekt mit dem Förderkennzeichen 340490925 wurde mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Partner

Ihr Ansprechpartner

Mareile Kriwall
Dipl.-Ing.

Abteilungsleiterin Prozesstechnik