Method development for the avoidance of liquid metal embrittlement during resistance spot welding of advanced high strength steels
Final Report Abstract
Im abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde das Phänomen Liquid Metal Embrittlement (LME) beim Widerstandspunktschweißen (WPS) auf seine Ursachen sowie seine Auswirkungen hinsichtlich der Verbindungsfestigkeit untersucht. Dazu wurde zunächst der grundlegende Einfluss der zu fügenden Werkstoff-Dicken-Kombination (WDK) auf die LME-Rissbildung herausgearbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass Verbindungen höherer Blechdicke aufgrund größerer Wärmeeinbringung die LME-Neigung steigern. Ebenfalls wird beim Punktschweißen asymmetrischer WDK die Wärmeeinbringung im Fügepartner mit höherem Stoffwiderstand konzentriert. Nachfolgend wurden, anhand einer WDK mit erhöhter Rissneigung, die WPS-typischen Einflussgrößen auf die LME-Rissbildung analysiert. Die Kombination hoher Schweißströme nahe dem spritzerfreien Maximalstrom und verlängerter Schweißzeiten bewirkt ein stark intensiviertes Rissauftreten, mit Risstiefen > 50% der Blechdicke unter gleichzeitiger starker Deformation der Schweißverbindungen. Unter Aufbringung niedriger Schweißströme entstehen hingegen auch bei langen Schweißzeiten keine Risse. Auswirkungen der LME-Risse auf die Verbindungstragfähigkeit wurden für eine WDK, welche den LME-Versuchswerkstoff mit einem Fügepartner wesentlich geringerer Festigkeit kombiniert in Abhängigkeit des Lastwinkels beobachtet. So konnten für einen Lastwinkel von 0° (Scherzugbelastung) Auswirkungen lediglich im Falle intensiver Rissbildungen mit Risstiefen > 50% der Blechdicke beobachtet werden. Bei einem Lastwinkel von 90° zeigten ebenfalls mittlere Risstiefen > 20% der Blechdicke Auswirkungen auf die Verbindungstragfähigkeit. Unter Einbeziehung der FE-Simulation konnten die Erkenntnisse verallgemeinert werden, indem diese auf eine artgleiche Kombination des LME-Versuchswerkstoffs übertragen wurden. Die Risslage im Verhältnis zur prozessbedingten WPS-Kerbe ist sehr wichtig für den Einfluss von Rissen auf die Verbindungsfestigkeit. Wenn der Riss weit von der Kerbe zwischen den Blechen entfernt ist, führen selbst intensive Risse nicht zu einer Verringerung der mechanischen Leistungsfähigkeit. Liegt der Riss in der Nähe der Kerbe, können sich die Kerbwirkungen überlagern und eine negative Auswirkung auf die Festigkeit der Verbindung ist bereits bei "mittleren" Rissgrößen zu beobachten. Auf Basis der FE-Simulation wurde weiterhin die Elektrodeneindrucksgeschwindigkeit als ergänzendes Maß zur Abschätzung der durch einen WPS-Prozess bedingten LME-Neigung etabliert. So konnten erstmals quantifizierte Daten zu einer Auftretenswahrscheinlichkeit von LME-Rissen erzeugt werden. Die Handlungsempfehlung zur Vermeidung von LME-Rissen zielt folglich im Wesentlichen darauf ab, die Elektrodeneindrucksgeschwindigkeit zu reduzieren (z.B. durch Einsatz vergrößerter Arbeitsflächen) sowie die Expositionsdauer gegenüber flüssigem Zink zu reduzieren (z.B. durch Anpassung der Nachhaltezeit). Die durch das abgeschlossene Projekt gewonnenen Erkenntnisse bieten eine vielversprechende Grundlage für weitere Forschungsvorhaben, welche auf eine Validierung des Risskriteriums basierend auf Temperatur- und mechanischer Belastung für Realbauteile fokussieren und damit neue Ansätze für die Vermeidung von LME-Rissen beim Widerstandspunktschweißen von hochfesten Stahlwerkstoffen aufzeigen.
Publications
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Strategien zur Vermeidung von Liquid Metal Embrittlement beim Widerstandspunktschweißen von Stahlwerkstoffen. Dissertation, Universität Paderborn 2022
C. Böhne
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The Influence of Electrode Indentation Rate on LME Formation during RSW. Welding Journal, 101(7), 197-207.
Böhne, Christoph; Meschut, Gerson; Biegler, Max & Rethmeier, Michael
