Werkstoffe

Neutronen als Wegweiser zu crashtoleranten Fahrzeugen

Pressgehärteter Stahl ist ein ultrahochfester Stahl, der in vielen Branchen Verwendung findet, insbesondere in der Automobilindustrie. Hersteller nutzen Bor-Stahl für strukturelle Komponenten und Aufprallschutz-Systeme in Fahrzeugen, da er eine hohe Festigkeit bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis bietet.

Bor-Stahl undter Beschuss: Die Experimente wurden von einem Team der WMG am Strahlplatz SALSA (Stress Analyser for Large-Scale engineering Applications) des ILL durchgeführt.

Allerdings beeinflusst das Punktschweißen die Mikrostruktur des Bor-Stahls in der Fügezone, was die Materialhärte heruntersetzen kann.  Die Korrelation zwischen Punktschweißung und Eigenspannungen in Bor-Stahl wurde jetzt erstmals mit Hilfe von Neutronenbeugung am Institut Laue-Langevin (ILL) experimentell bestimmt.

Widerstandspunktschweißen, oder kurz Punktschweißen, ist die meistverwendete Technik zum Zusammenfügen von Fahrzeugkomponenten. Beim Punktschweißen wird der Stahl direkt unterhalb der Schweißelektrode in Sekundenbruchteilen auf Temperaturen oberhalb seines Schmelzpunktes erhitzt und kühlt danach sehr rasch wieder ab, wobei er erhärtet. Dies erzeugt eine wärmebeeinflusste Zone in der sich das Material nicht nur zusammenzieht, sondern auch seine Mikrostruktur ändert. Da die Materialhärte in einer wärmebeeinflussten Zone abnehmen kann, was unter anderem zu einer Lebensdauerverkürzung führt, ist es von entscheidender Bedeutung, die Einflüsse des Punktschweißens auf Bor-Stahl genau zu verstehen.

Im Rahmen einer jüngsten Zusammenarbeit untersuchten das ILL, die WMG (Warwick Manufacturing Group) der Universität Warwick und Tata Steel, gefördert durch das „Engineering and Physical Science Research Council“ (EPSRC), die Korrelation zwischen Härtegrad und Eigenspannungen in Bor-Stahl. Die Experimente wurden von einem Team der WMG am Strahlplatz SALSA (Stress Analyser for Large-Scale engineering Applications) des ILL durchgeführt. Tata Steel lieferte die Borstahl-Bleche. Die Herausforderung war, dass die Messungen an genau der gleichen Punktschweißung vorgenommen werden muss. Deswegen sollte das Messen der Eigenspannungen zerstörungsfrei erfolgen, um danach dieselbe Schweißstelle den Härtetests zu unterziehen. Zu den zerstörungsfreien Methoden gehören Elektronen-, Röntgen- und Neutronenbeugung. Von diesen Verfahren wurde letzteres gewählt, weil die spezielle Messgeometrie der Neutronenbeugungsmethode bei den hier untersuchten Proben die beste räumliche Auflösung bietet.

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Neben der guten räumlichen Auflösung war es die hohe Durchdringungsfähigkeit der Neutronen, die vor allem bei so dichten Materialien wie Bor-Stahl von Vorteil ist, die die Neutronenbeugung zur Methode der Wahl für diese Studie machte. Anschließend an die Neutronenmessungen wurden die Härteprofile an genau den gleichen Schweißstellen gemessen.

Diese Studie bestimmte erstmals experimentell die starke Korrelation zwischen verringerter Härte in den wärmebeeinflussten Zonen der Bor-Stahl-Punktschweißungen und erhöhter Eigenspannungen. Die Ergebnisse zeigen, dass neue Schweißverfahren entwickelt werden müssen, die wesentlich weniger schädigenden Einfluss auf die Materialeigenschaften haben als Punktschweißen. Das ist umso wichtiger, da es keine Möglichkeit gibt die negativen Auswirkungen des Punktschweißens auf die Materialhärte des Bor-Stahls zu vermeiden.

„Unsere weiteren Arbeiten werden sich auf zwei Verfahren konzentrieren, die dieses Problem umgehen können: magnetisch pulsierendes Schweißen, das nicht mit Hitze arbeitet und als solches daher keine wärmebeeinflusste Zone verursacht, sowie Wärmebehandlung nach dem Schweißen. Letztere soll die durch das Punktschweißen verursachte Härtereduzierung umkehren", erläutert Dr. Neill Raath, Forschungsstipendiat am WMG und Untersuchungsleiter dieser Studie. cs

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