Innenhochdruckumformen laserstrahlgelöteter Tailored Hybrid Tubes aus Stahl/Aluminium-Mischverbindungen für den automobilen Leichtbau
Verfasser:
Dr.-Ing. Stefan Kaierle, Dipl.-Ing. Sarah Nothdurft, Dr.-Ing. André Springer, Laser Zentrum Hannover e. V. - Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dr.-Ing. Jan Langner, M.Sc. Jonathan Ross, Dr.-Ing. Malte Stonis, Institut für integrierte Produktionstechnik Hannover gGmbH
82 Seiten - 64,00 EUR (sw, 50 teils farbige Abb., 7 Tab.)
ISBN 978-3-86776-511-4
Zusammenfassung
Das Ziel des Projekts „IHU-THT" ist die Verbesserung des Leichtbaupotenzials von Blechbauteilen mit Fokus auf den Automobilbau. Dieses Ziel soll durch die Kombination von werkstoffseitigem Leichtbau durch Stahl-Aluminium-Mischverbindungen und konstruktivem Leichtbau, durch geschlossene Hohlprofile erreicht werden. Die hybriden Rohrstrukturen werden mittels Laserstrahllöten hergestellt. Zur Fertigung der geschlossenen Hohlprofile kommt das Verfahren der Innenhochdruckumformung zum Einsatz.
In der Projektlaufzeit wurden zunächst Untersuchungen zum Laserlöten mit unterschiedlichen Werkstoffen (HCT600X, DC 05, EN AW-6082 und EN AW-7075) und verschiedenen Blechstärken (1 mm und 2 mm) an Flachmaterial im Stumpfstoß durchgeführt.
Hierfür wurde im Vorfeld ein modularer Prozesskopf entsprechend den speziellen Anforderungen an den Laserlötprozess entwickelt. Weiterhin wurden FEM-Simulationen des einstufigen Innenhochdruckumformprozesses als explizites Schalenmodell in LS-DYNA durchgeführt.
Für eine Auswahl der oben genannten Materialkombinationen wurden zudem Zugversuche, Erichsentests sowie hydraulische Tiefungsversuche durchgeführt. Die dabei gewonnen Materialdaten wurden anschließend in die FEM-Simulation integriert. Zusätzlich wurden im realen Lötversuch der Einfluss der Kantenqualität auf die Verbindungsqualität sowie Möglichkeiten zur Verbesserung der Benetzung beim Löten höherer Materialstärken untersucht.
Nachdem der Fügeprozess charakterisiert werden konnte, wurde die Übertragung der zweidimensionalen Geometrie auf dreidimensionale Rohrgeometrien vorgenommen und Innenhochdruckumformversuche an den erzeugten Stahl-Aluminium-Rohren durchgeführt. Dabei konnte eine Umformung sowohl im Aluminium- als auch im Stahlteil erzeugt werden. Dies zeigt die Machbarkeit der gemeinsamen Innenhochdruckumformung von laserstrahlgelöteten Stahl-Aluminium-THTs.
Die Umformung eines Demonstratorbauteils wurde mithilfe des Simulationsmodells untersucht, ebenso konnte in Studien mit dem Simulationsmodell gezeigt werden, dass die Anpassung der Rohrwandstärken eine Angleichung des Umformverhaltens ermöglicht.
Als Zusammenfassung der gewonnen Erkenntnisse werden zusätzlich zum Abschlussbericht zwei Anwenderleitfäden nach Art eines Whitepapers zu den Themen IHU von THT und Laserstrahllöten von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen veröffentlicht.
Das IGF-Vorhaben „Innenhochdruckumformen laserstrahlgelöteter Tailored Hybrid Tubes aus Stahl/Aluminium-Mischverbindungen für den automobilen Leichtbau" wurde unter der Fördernummer AiF 18028N von den Forschungsvereinigungen Automobiltechnik e.V. FAT und EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 461 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The aim of the project "IHU-THT" is to improve the lightweight potential of sheet metal parts focusing automobile manufacturing. This objective shall be achieved by a combination of weight-reduction on the one hand based on material and on the other hand based on design. Steel and aluminum are used for the first approach. These hybrid tubes semi-products are being manufactured by laser soldering and laser brazing. The closed hollow profiles are produced by using tube hydroforming.
In the project time, the first investigations were carried out on different sheet materials (HCT600X, DC 05, EN AW-6082 and EN AW-7075) and different thicknesses (1 mm and 2 mm). For this purpose, a process head was developed in accordance to the special requirements of the laser soldering and laser brazing processing. The FEA simulation of the single-stage hydroforming process was set up using the explicit shell model in LS-DYNA.
Hydraulic bulge testing, tensile testing as well as Erichsen testing was performed for specimens of steel-aluminum joints. The resulting material data were subsequently integrated into the FEA simulation. Additionally the impact of the edge preparation on the joint quality was investigated, as well as options for improving the solder coverage at higher material thicknesses.
After characterizing the joining process by laser brazing and laser soldering, the transfer of the two-dimensional geometry to three-dimensional hollow profiles was executed and hydroforming test were being performed on the steel-aluminum Tailored Hybrid Tubes. In these tests a deformation in both the aluminum and the steel part was successfully generated in a single-step forming process. This demonstrates the feasibility of joint process of hydroforming of laser soldered and laser brazed steel-aluminum Tailored Hybrid Tubes (IHU-THT-process). Aided by the simulation model, the forming process of a sample part was investigated.
Additionally to the final report, two user guides are free for download as white papers concerning the topics of hydroforming of Tailored Hybrid Tubes and laser soldering and laser brazing of steel-aluminum hybrid parts.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Fügen von Werkstoffen zu Tailored Hybrid Blanks
2.2 Innenhochdruckumformung
2.3 Alternative Umformverfahren gegenüber IHU-Prozessen zur Herstellung rohrförmiger Bauteile
2.4 Tailored Forming
2.4.1 Tailored Blanks
2.4.2 Tailored Tubes
3 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen
3.1 Forschungsziel
3.2 Angestrebte Teilergebnisse und im Projekt erzielte Forschungsergebnisse
3.3 Laserstrahllötprozess
3.4 Innenhochdruckumformungsprozess
4 Erzielte Ergebnisse
4.1 AP 1 Erstellung von Anforderungsprofilen für Lotwerkstoffe (LZH, IPH)
4.2 AP 2 Aufbau eines Prozesskopfes zum Laserlöten mit variablen Temperaturregimen (LZH)
4.3 AP 3 Prozessentwicklung zum Laserstrahllöten an Flachmaterial mit und ohne Einsatz von Flussmittel (LZH)
4.3.1 Lötversuche
4.3.2 Optimierung
4.3.3 Einflussgrößen
4.3.4 Bewertung des ermittelten besten Parametersatzes
4.4 AP 4 Umformversuche an laserstrahlgelötetem Flachmaterial (IPH)
4.4.1 Hydraulische Tiefungsversuche der einzelnen Werkstoffe
4.4.2 Lokale Temperierung des Umformwerkzeugs
4.4.3 Zugversuche mit Hybridproben
4.4.4 Erichsenprüfung mit Hybridproben
4.4.5 Hydraulische Tiefungsversuche mit Hybridproben
4.5 AP 5 Metallographische Analyse der Fügeergebnisse und Analyse der Versagensbilder umgeformter Proben (LZH, IPH)
4.6 AP 6 Aufbau einer Spanntechnik für das Laserstrahllöten von Tailored Hybrid Tubes (LZH)
4.7 AP 7 Modellaufbau und Simulation des IHU-Prozesses (IPH)
4.7.1 Entwicklung des Simulationsmodells
4.7.2 Parameterstudie FEM-Simulation
4.8 AP 8 Laserstrahllöten von Tailored Hybrid Tubes (LZH)
4.9 AP 9 IHU von Tailored Hybrid Tubes (IPH)
4.10 AP 10 Validierung des Umformens von Tailored Hybrid Parts (LZH & IPH)
4.11 AP 11 Erarbeitung eines Anwenderleitfadens (LZH, IPH)
5 Wissenschaftlich-technischer Nutzen
6 Einschätzung zur Realisierbarkeit des Transferkonzepts
7 Literatur
