Schweißtechnische Lehr-und VersuchsanstaltMünchen –Niederlassung der GSI mbHUntersuchung zum Anschweißen von Widerstandsschweißmuttern an Bleche aus höher-bis höchstfesten WerkstoffenSLV München NL der GSI mbHDipl.-Ing. Thomas BschorrDr.-Ing. H. CramerWiderstands-schweißengroße Anwendung in blechverarbeitender Industrieneue Stahlwerkstoffe:CP, TRIP, 22MnB5•Mischverbindungen problematisch(Rissbildung, hohe Aufhärtungen,hohe Streuung der Festigkeit)•keine allgemein verfügbaren ErkenntnisseErfahrungenhohe Wirtschaftlichkeit kostengünstigBefestigungs-u.Anschlussteile:Muttern,BolzenAusgangssituationQualität u.a. abhängig von:•Werkstoffeigenschaften •Buckelgeometrie •Schweißmaschine •Schweißparameterangeregt aus der ArbeitsgruppeAGV3.2PBA -Mitglieder•BMW AG•DaimlerChrysler•ThyssenKrupp Steel•Harms und Wende•Volkswagen AG•Ideal –Werk•Conntronic•Limbach /Fastenrath/ Nedschroeff (Mutternlieferanten)Optimierung der VerbindungsqualitätVergleich der Gerätetechnik und StromquellenartBuckelschweißmaschinen MF (Dalex)CD (Conntronic)AC (Düring )•Ermittlung von Parameterfenstern •Schweißbereichsdiagrammen •VerfahrensgrenzenZiel•Werkstoffvergleich•Vergleich der Schweißbarkeit unters. Muttergeometrien mit verschiedenen Buckelgeometrien•Prüfung (Gewindegängigkeit Kopfzug, Drehmoment)•Schliff•HärteprüfungAnsichten der SchweißmutternSchweißparameterbereiche:F EL = 2,0 –10,0 kN t S = 20 –400 ms I S = 10 –40 kAC-Gehalt: 0,13 bis 0,19 %Mn-Gehalt: 0,38 bis 0,45 %V ierkantS chweißm utter 4 S chw eißwarzen (kurz: 4kM 8)R undschweißm utter 3 segm entierte S chw eißwarzen R ingflanschbolzen 3 segm entierte S chweißw arzen …Lim bachm utter“4 geprägte R undbuckelQualitätsanforderungen der AnwenderA: M6, F Z = 3,5 kN, M D = 30 NmM8, F Z = 5,5 kN, M D = 60 Nm B:M6, F Z = 5,0 kN, M D = 30 Nm (Blechdicke 1,5 mm)M8, F Z = 5,5 kN, M D = 60 Nm (Blechdicke 2,0 mm)C:M6, F Z = 2,5 kN, M D = 35 Nm (Blechdicke 1,7 mm)M8, F Z = 4,0 kN, M D = 85 Nm (Blechdicke 3,0 mm)+ Schliffe, GefügebeurteilungenBrucharten beim Widerstandsmutternschweißeneinwandfreie Gewindegängigkeit (unteres Kriterium)guteGewindegängigkeit (mittleres Kriterium)schlechteGewindegängigkeit (oberes Kriterium)Spritzergrenze; garantiert keine Spritzer am und im GewindeEinzelne Spritzer im Gewindeansatz größere Spritzer im Gewinde, oder Schweißperlen am GewindeeingangGewindegängigkeit wie im Neuzustand vor Schweißung. Gewinde kann von Hand durch minimalen Kraftaufwand beim Eindrehen bzw. durch vorheriges Säubern mittels Klopfen oder Ausblasen gangbar gemacht werden. Schraube nicht mehr von Hand eindrehbar. Säubern von Spritzernnur noch bedingt möglich. Schraube kann mit Schlagbohrer eingedreht werden, darf aber beim Ansatz nichtverlaufen.BeispieleVereinzelt kleine Schweißperlen, die aber nur am Mutterrand erscheinen. Schweißperlen mittlerer Größe am Rand und kleine im Gewindegang. Große Schweißperlen am Rand und im Gewindegang. An den rot markierten Stellen quillt Schmelzgutin das Gewinde, die …Warzen“ bilden.Kriterien zur Beurteilung der GewindegängigkeitBuckelaufstandsflächenänderung, 4-kant Mutter M8 Neuzustand: A = 2,27mm² Neuzustand: A = 2,40mm²F10kN, 3s: A = 2,62mm² F10kN. 3s: A = 2,84mm²Buckelaufstandsflächenänderung, Rundmutter M8Nach F 10kN, 3s: A = 2,27mm²Neuzustand: A = 0,45mm² Neuzustand: A = 0,51 mm²Nach F 10 kN, 3s: A = 1,04 mm²+ 400 %+ 100 %Buckelabdruck im Blech CP800Buckel 4, A = 2,33 mm² (86%)Buckel 3, A = 1,89 mm² (69%) Buckel 1, A = 2,71 mm² (100%)Buckel 2, A = 2,60 mm² (96%)Buckel 2, A = 3,54 mm² (100%)Buckel 4, A = 3,19 mm² (90%)Buckel , A = 2,74 mm² (77%)Buckel 1, A = 3,37 mm² (95%)Buckelabdruck im Blech DC04Bunkelunregel-mäßigkeiten werden besser ausgeglichen !6,32%16,97%11,39%6,59%5,54%13,20%10,30%6,72%2,0%4,0%6,0%8,0%10,0%12,0%14,0%16,0%18,0%20,0%22,0%4k-M84k-M6Rd-M8Rd-M6Muttergeometrien(G e s a m t ) V a r i a t i o n s k o e f f i z i e n tneunach Belastung mit 10 kNFür die Abweichungen wurden die Variations-koeffizienten der einzeln untersuchten Proben herangezogen, so kann es vorkommen, dass die Varianz der der Einzelvariationskoeffizentenunterhalb des Gesamtvaritaionskoeffizenten liegt.Buckelaufstandsflächenänderung der Rund und 4-kant MutternStreuungen bei Rundmuttern!H420LAD+Z, t = 1,5 mm, Mutter: M8 4Kant 0501001502002501015202530I S [kA]M D [N m ]3691215F Z [k N ]Drehmoment M8,4 kN Zugkraft M8, 4 kN t S = 100 ms t SA = 40 msZugkraftverlaufDrehmomentverlaufschlechteGewindegängigkeitH420LAD+Z, t = 1,5 mm Mutter M8 4-kant0501001502002501015202530I S [kA]M D [N m ]03691215F Z [k N ]Drehmoment M8,4 kN Zugkraft M8, 4 kNt S = 100 ms t SA = 40 msDrehmomentverlaufZugkraftverlaufschlechteGewindegängigkeitCP800, t = 1,8 mm, Mutter: M8 4KantCP800, t = 1,8 mm, Mutter: M8 4-kantZugversuch F Z = 8,8 kN Bruchlage SZRdM6 /CP800F EL = 4,0 kN t S = 40 ms I S = 22 kAF EL = 4,0 kNt S = 80 msIS= 20 kAZugversuchBruchlage: BuFz= 12,2 kNVk= 12%CP800, Limbach Mutter M8050100150200250510152025I S [kA]M D [N m ]3691215F Z [k N ]Drehmoment M8, 3 kNZugkraft M8, 3 kN t S = 200 ms t SA = 40 msDrehmomentverlaufZugkraftverlaufschlechteGewindegängigkeitTRIP700, t = 1,6 mm, Mutter: M8 4KantTRIP 700, 1,6 mm, Mutter M8 4-kantZugversuch F Z = 6,9 kN Bruchlage MbDrehmoment90 -190 Nm (+/-30)F EL = 4,0 kN t S = 100 ms I S = 22 kATRIP 700, Mutter M8 4-kant4,632,693,103,625,478,027,528,824,188,168,328,54246810121421014 (12,1%)21016 (32,7%)21018 (31,1%)41016 (24,1%)41020 (10,9%)41022 (11,2%)61018 (14,1%)61022 (28%)61024 (9,5%)81018 (34,5%)81022 (15,2%)81024 (28,5%)F Z [k N ]kein Spritzer im Gewinde, gängig Sprizer im Gewinde, leicht gängig Sprizer;leichte KTS, schwer gängigKopfzugkräfte Blechwerkstoff CP800, Mutter RdM84,344,934,515,805,056,937,228,284,097,045,927,15246810121421016 (27,2%)21018 (28,9%)21020 (15%)41018 (11,7%)41022 (14%)41024 (20,8%)61020 (21%)61024 (20,6%)61026 (17,4%)81020 (6,2%)81024 (14,6%)81026 (19,4%)F Z [k N ]kein Spritzer im Gewinde, gängigSprizer im Gewinde, leicht gängig Sprizer;leichte KTS, schwer gängigKopfzugkräfte Blechwerkstoff TRIP700, Mutter 4kM820 msI S = 24 kA,F E = 6 kN30 ms35 ms 40 msBuckel aufgelöst !vermutlich OptimumEinfluß der Stromzeit auf die Verbindungsbildung7,117,438,018,9110,399,932468101214TRIP 700 (29,4%)TRIP 700 (21,2%)CP 800 (30,4%)CP 800 (9,8%)H 420 (15,8%)H 420 (14%)F Z [k N ]29%21%30%9%16%14%Einflußder Stromzeit auf die KopfzugkräfteDetailNeue Buckelgeometrie 4kM8DetailAlte Buckelgeometrie 4kM8Optimierung der BuckelgeometrieF EL = 3,0 kNt S = 20 msIS= 21 kAZugversuchBruchlage: Bl/ BuFz= 13,4 kNVk= 3 %GeringerVariationskoeffizientNeue Buckelgeometrie TRIP800 / 4kM813,409,5124681012141630221 (2,8%)30221 (25,6%)F Z [k N ]Vergleich der Kopfzugkräfte TRIP800 -4kM8+ 41%Simulation des SchweißprozessesAlte GeometrieSimulation des SchweißprozessesNeue Geometrie2. neue MutterngeometrieBuckelhöhe 1,0 mmWinkel wie Ausgangssituation Spritzerschutz abgedreht MFRdM8 / TRIP800 FEL= 3,0 kNtS= 20 msIS= 25 kAZugversuch Bruchlage: BuckelFz= 16,5 kNVk= 7,5 %Auch für Rundmuttern ergeben neue Geometrien deutlich höhere ZugkräfteHöhe: 0,5 mm Winkel: 36°Höhe: 1,0 mm Winkel: ca. 50°Alte Rundmutter Neue Rundmutter10,3113,6210,482468101214161830224 (10,7%)30224 (10,8%)30224 (4,2%)Versuchsnummer [5140-E] (Varriationskoeffizient)Z u g k r a f t [k NVergleich der Schweißmuttern auf 22MnB5CD-Schweißen 4kM8 / CP800F EL = 6,0 kNWS = 1200 J (ca31,5kA)tS= 13,5 ms7,975,064,423,603,283,063,1511,0513,0112,6712,999,378,417,0713,1113,0313,8514,2214,8413,6812,910,002,004,006,008,0010,0012,0014,0016,004070 (12,6%)4090 (13,8%)4150 (4,2%)6080 (9,3%)6120 (3,6%)6160 (3,9%)8090 (8,6%)8130 (7,4%)8170 (6%)10100 (3,9%)10150 (3,5%)10190 (2,1%)12110 (6,6%)12160 (11,6%)12250 (1%)14120 (6,6%)14180 (4%)14260 (0,9%)16130 (8,2%)16190 (12,1%)16280 (1,7%)Versuchsnummer [-] (Varriationskoeffizient)Z u g k r a f t [k N ]kein Spritzer im Gewinde, leicht gängigSprizer im Gewinde, aber noch gängigGewindeeinlauf i.O., aber nicht gängigBeim Parametersatz: "Gewindeeinlauf i.O., aber nichtgängig" wurden nur 3 Proben gezogen.CP800 -4kM8Martensit und BainitKopfzugkräfte Blechwerkstoff CP800, Mutter 4kM84kM8 / Trip 700F EL = 6,0 kNWS = 1400 J (ca33,9 kA)tS= 13,3 ms7,204,624,524,353,603,153,1110,7812,1111,6611,4511,528,156,6012,4712,8613,2612,4714,3212,978,050,002,004,006,008,0010,0012,0014,004080 (21,3%)4120 (8,9%)4170 (4%)6090 (3,9%)6140 (5,5%)6180 (3,5%)8100 (4,5%)8150 (2,6%)8190 (0,7%)10110 (9,3%)10160 (4,5%)10200 (1,8%)12120 (4,2%)12200 (10,5%)12260 (1,4%)14130 (7,9%)14210 (10,9%)14270 (5,4%)16140 (5%)16220 (6%)16280 (5,5%)Versuchsnummer [-] (Varriationskoeffizient)Z u g k r a f t [k N ]kein Spritzer im Gewinde, leicht gängigSprizer im Gewinde, aber noch gängigGewindeeinlauf i.O., aber nicht gängigBeim Parametersatz: "Gewindeeinlauf i.O., aber nicht gängig"wurden nur 3 Proben gezogen.Trip700 -4kM8Kopfzugkräfte Blechwerkstoff TRIP700, Mutter 4kM822MnB5 / 4kM8F EL = 6,0 kNWS = 2000 WsI S = 40,4 kA, tS= 15 msFZ= 12 kN, Variationskoefizient: 5,5% Bruchlage Buckel100,0150,0200,0250,0300,0350,0400,0450,0500,0550,0600,0-2,0-1,5-1,0-0,50,00,51,01,52,02,53,03,54,04,55,05,56,06,5Abstand von der Fügeebene [mm]H är t e [H V 1]TRIP700, 4k-M8 / Versuchsnr: 8150Härteverlauf CD-Schweißung 4kM8 auf TRIP700AC-Schweißen 4kM-M80510152012141618202224I S [kA ]F Z [k N ]H420CP800TRIP800Gewinde nicht gängigSchweißbereicheUntere QualitätsgrenzeSchweißparameter F EL = 6,0 kN t S = 100 ms t SA = 40 ms I S = variabelAC-Schweißen RdM-M805101520141618202224262830I S [kA]F Z [k A ]Schweißparameter F EL = 6,0 kN t S = 100 ms t SA = 40 ms I S = variabelSchweißbereicheH420CP800TRIP800Gewinde nicht gängigWiderstandsschweißmutternan höher-bis höchstfesten Werkstoffen4kM8 / TRIP800F EL = 6,0 kNt S = 40 msIS= 20,7 kAZugversuch Bruchlage: Bl/BuFz= 11,8 kNVk= 19%kurze Stromzeit11,8413,4912,359,3715,9612,1910,39246810121416182060420,7 (19%)61020 (15,9%)61018,8 (12,6%)61020 (11,4%)61019,6 (4,4%)61021 (13,4%)31016 (4,4%)Versuchsnummer [5140] (Varriationskoeffizient)F Z [k N ]4kM8RdM8Limbach M8TRIP 800CP 800H 42022MnB5Kurze Stromzeiten !100150200250300350400450500550-2,00-1,000,001,002,003,004,00Abstand vom Schweißmittelpunkt [mm]H är t e [H V ]TRIP 800, 4kM-M8 / Versuchsnr:Blech:Mutter:max.:min.:HV1HV1HV1HV1428233515202Seriennahe Erprobung der neuen MutterngeometrieBlechdicke 1,6 bis 1,4 mm , verzinkt Zø F [kN]13,69min [kN]:12,90max [kN]:14,46+0,77-0,79Standardabw.:0,38Varianz:2,79%Statis tik:4kM8 neu, Probenzahl 30Trip 8001,6mmø F [kN]11,34min [kN]:10,03max [kN]:12,08+0,74-1,31Standardabw.:0,59Varianz:5,24%Statis tik:H420 LAD 1,6mmø F [kN]13,58min [kN]:12,78max [kN]:15,05+1,47-0,80Standardabw.:0,56Varianz:4,15%Statistik:CP 8001,6mm ø F [kN]11,39min [kN]:10,88max [kN]:12,05+0,66-0,51Standardabw.:0,43Varianz:3,74%Statis tik:DP 6001,5mm ø F [kN]8,30min [kN]:7,48max [kN]:8,78+0,48-0,82Standardabw.:0,48Varianz:5,78%Statis tik:DX541,4mmSchweißparameter:Stromart: MF I S = 21 kA t S = 20 ms F EL = 3 kN13,6911,3413,5811,398,3012345678910111213141516F Z [k N ]TRIP800H420CP800DP600DX54Kopfzugkräfte der neuen BuckelgeometrieBruchverhalten bei seriennaher ErprobungTrip 8001,6mmH420 LAD 1,6mm CP 8001,6mm DP 6001,5mm DX541,4mmAlle Schweißungen knöpfen aus !5,758,376,7112345678910F Z [k N ]CP800DP600DX54Neue Geometrie auch für dünne Blech geeignet.Neue 4kM8 für weiche Tiefziehstählevollständig ausgeknöpftfehlerfreie Schweiß-verbindungNeue Geometrie auch für weiche Tiefziehstähle geeignetSeriennahe Erprobung der neuen MutterngeometrieRdM8 neu, Probenzahl 30RdM8 neu / CP800Bruchbild Makroschliffvollständig ausgeknöpft Fehlerfreie SchweißverbindungZusammenfassung Werkstoffe H420•Für fast alle Elemente hohe Kräfte und Drehmomente •Gewinde bei max. Festigkeiten besser gängig•im Vergleich großes Parameterfenster für AusknöpfbrücheTrip700•sehr häufig Mischbruch•Gewinde bei max. Festigkeiten schlechter gängig als bei H420•im Vergleich zu H420 kleineres Parameterfenster für Ausknöpfbrüche •Aufhärtungen von bis zu 520 HV1, Gefüge aus Martensit und Bainithäufig Bindefehler in der Fügezone CP800•Max. Bruchkraft und Drehmoment über Trip, häufiger Mischbruch •Gewinde bei max. Festigkeiten häufig gängig •im Vergleich zu H420 kleineres Parameterfenster •Aufhärtungen von bis zu 450 HV1, Gefüge aus BainitUsibor1500•Mit MF bei Kurzzeitschweißen bessere Verbindungen möglich •Bindefehler, wenig Energieeinbringung im Grundblech。