Untersuchungen zum Bruchverhalten von Widerstandspunktschweißverbindungen in hochfesten Stählen

Die Anforderungen an moderne Karosseriekonzepte bezüglich Energie- und Ressourcen-effizienz bei gleichzeitiger Erhöhung der Sicherheitsstandards führt vermehrt zu einer Substitution konventioneller Karosseriebaustähle durch höher- und hochfeste Mehrphasenstähle, wie Dualphasen- (DP), Complexphasen- (CP), TRIP- und martensitische Stähle. Durch geeignetes Einstellen der Phasenanteile (Ferrit, Martensit, angelassenem Martensit, Bainit und Restaustenit) während der Stahlerzeugung bieten diese sogenannten AHSS-Güten (Advanced high strength steels) ein breites Spektrum optimierter mechanischer Materialeigenschaften, die durch eine anwendungsspezifische Werkstoffauswahl zur Reduktion des Karosseriegewichts und einer Verbesserung des Crashverhaltens beitragen. Aufgrund seines hohen Automatisierungsgrads, der Prozesssicherheit und der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit, stellt das Widerstandspunktschweißen nach wie vor das dominierende Fügeverfahren mit mehreren tausend Schweißpunkten in stahlbasierten Fahrzeugkarosserien dar. Neben den mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Stahlbleche spielen daher insbesondere auch deren Verbindungseigenschaften eine zentrale Rolle bezüglich des Crashverhaltens von Fahrzeugkomponenten und strukturen. Optimale Widerstandspunktschweißprozesse müssen hinreichend große Schweißbereiche und Elektrodenstandzeiten aufweisen, sowie die Lastübertragung unter quasi-statischen, zyklischen und dynamischen Beanspruchungen durch ausreichende Verbindungsfestigkeiten sicherstellen. Als qualitatives Kriterium optimaler Verbindungsfestigkeiten unter quasi -statischer und dynamischer Beanspruchung gilt das Auftreten sogenannter Ausknöpfbrüche (siehe Bild 1) in Meißel-, Scherzug- und Kopfzugversuchen bei der Schweißbereichs-ermittlung. Punktschweißverbindungen in konventionellen Tiefziehstählen wie bspw. HSLA-Stählen versagen bei geeigneten Fügeparametern und hinreichend großen Schweißlinsen-durchmessern nahezu ausschließlich durch Ausknöpfen der Schweißpunkte aus den gefügten Blechen [1][2]. Bei Kenntnis des Verformungs- und Versagensverhaltens lassen sich die Tragfähigkeiten der Verbindungen in solchen Fällen in numerischen Simulationen mit geeigneten FE-Modellen und Materialmodellen berechnen [3]. Auch der Wechsel des Versagensmodus vom Ausknöpfen zum Abscheren der Verbindungen unter Scherbeanspruchung bei geringen Schweißlinsendurchmesser n kann unter Verwendung geeigneter Materialmodelle abgebildet werden [4]. In hochfesten AHSS-Güten werden neben Ausknöpfbrüchen und Scher- oder Fügeebenenbrüchen auch gemischte Bruchformen mit komplexen Risspfaden, sogenannte Mischbrüche, beobachtet (vgl. Bild 1). Die dabei auftretenden Schädigungs- und Bruchmechanismen, deren Entwicklung während der Beanspruchung der Verbindungen und die Haupteinflussfaktoren, die das Auftreten eines solches Bruchverhalten begünstigen, sind bisher weitestgehend unbekannt.