P 1358 - Tragfähigkeit geschweißter Platten aus höherfesten Stählen S460 und S690 mit Steifen

P 1350 - Einseitiges Widerstandselementschweißen für die stahlintensive Mischbauweise Vor dem Hintergrund knapper werdender Ressourcen und der Erreichung klimapolitscher Ziele zur Verringerung von CO2-Emissionen mittels gesetzlicher Vorgaben, sind die Fahrzeughersteller bestrebt, den Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch ihrer Neufahrzeuge trotz steigender Kundenforderungen nach Sicherheit, Komfort, Qualität und Langlebigkeit deutlich zu senken. Dabei besitzt die Fahrzeugkarosserie in vielen Fällen das höchste Gewichtseinsparpotential. Die Mittel zur Gewichtsreduzierung können sowohl die Werkstoffauswahl als auch konstruktive Maßnahmen umfassen. Die Anwendung von ultrahochfesten Stählen bzw. pressharten Stählen im Karosserierohbau hat in den vergangenen Jahren stetig zugenommen. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit ermöglichen speziell die ultrahochfesten Stähle eine Anwendung dünnerer Blechdicken und tragen damit zur Gewichtsreduktion bei. Neben der konventionellen, automobilen Blech-Schalenbauweise mit höchstfesten Stahlgüten existiert u.a. das Konzept des Formleichtbaus mit Hohlprofilen aus warmumformbaren Stählen mit hoher Torsionssteifigkeit. Bei dieser Karosserie-Bauweise muss die Fügetechnik eine ausreichend hohe Verbindungsfestigkeit bei einer einseitigen Zugänglichkeit zur Fügestelle gewährleisten. Das Widerstandsschweißen stellt aufgrund seiner hohen Wirtschaftlichkeit eine insbesondere bei den KMU aus den Bereichen der Blech- und Profilverarbeitung sehr verbreitete Fügetechnik dar. Das Forschungsprojekt befasste sich mit der Untersuchung und Qualifizierung des Widerstandselementschweißens (WES) bei einseitiger Zugänglichkeit zur Fügestelle. In einer numerischen und experimentellen Analyse zum einseitigen Schweißprozess wurden die entstandenen Verbindungen bzgl. ihrer Eigenschaften untersucht sowie die Prozessgrenzen ermittelt. Hierzu wurden die Verfahrensgrundlagen dahingehend erarbeitet, dass der einseitige Fügeprozess sowie die mechanischen und technologischen Eigenschaften der Verbindungen charakterisiert wurden. Die Entwicklung und Optimierung der erforderlichen Anlagentechnik und Hilfsfügeelemente sowie die Ermittlung von signifikanten Einflussfaktoren und optimalen Prozessparamatern ermöglichen es dem Anwender, die Potentiale des einseitigen Widerstandselementschweißens (eWES) voll auszuschöpfen. Die Umsetzung der gewonnenen Ergebnisse markiert einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung des WES und der wirtschaftlichen Herstellung zukünftiger stahlintensiver Leichtbaustrukturen bei nur einseitiger Zugänglichkeit zur Fügestelle, wie z.B. die Profilbauweise im Multi-Material-Design. Veröffentlichung: Juli 2022 Autoren: Univ.-Prof. Dr.-Ing. U. Reisgen, Dr.-Ing. A. Schiebahn, M.Sc. M. Epperlein, Prof. Dr.-Ing. G. Meschut, M.Sc. V. Haak

P 1315 - Steuerung des Wärmeeintrages beim MSG Dickdrahtschweißen am Beispiel von Feinkornbaustählen Das MSG-Dickdrahtschweißen mit Drahtdurchmessern bis d = 4,0 mm ist ein vielversprechendes Hochleistungsschweißverfahren, welches jedoch noch keine reproduzierbaren und wirtschaftlichen Verbindungsschweißungen langer Schweißnähte ermöglichte. Auch die Anwendbarkeit des  ochleistungsschweißprozesses im Bereich temperatursensibler, hochfester Feinkornbaustähle war bisher unbekannt. Im durchgeführten Forschungsvorhaben wurde dazu das neuartige Schweißverfahren hinsichtlich der Eignung für die werkstoffgerechte Bearbeitung von Feinkornbaustählen im  Dickblechbereich (t ? 10 mm) analysiert und validiert. Als Referenzwerkstoff für die Gruppe der hochfesten Feinkornbaustähle kam der Grundwerkstoff S690Q (1.8931) innerhalb der Verfahrensqualifizierung zum Einsatz. In Vorversuchen erfolgte eine thermophysikalische Werkstoffcharakterisierung an einem Dilatometer, wodurch die kritischen Grenzbereiche der Abkühlzeiten t8/5 definiert und bestätigt wurden (5 s ? t8/5 ? 15 s). Innerhalb des Projektes wurden systematische Schweißversuche zur Analyse des Einflusses verschiedener Drahtdurchmesser auf das Schweißverhalten und das Schweißergebnis an der technischen Versuchsobergrenze beim MSG-Dickdrahtschweißen durchgeführt. Dazu wurden Massivdrähte des Typs G69 mit Durchmessern von d = 2,4; 3,0; 3,2 und 4,0 mm verwendet. Die Lösungsansätze zur Steuerung des Energieeintrages in den Grundwerkstoff zielten dabei auf eine Erweiterung der ermittelten technischen Versuchsgrenze im oberen eistungsbereich. So bewirkte eine vorgelagerte Drahterwärmung, welche durch die Erhöhung des Kontaktrohrabstandes (?s = 30 mm) erreicht wurde, eine Senkung des absoluten Schweißleistungsbedarfes um bis zu 20 %. Bei dem Massivdraht konnten somit Abschmelzleistungen von annähernd MR = 20 kg/h erreicht werden. Dies entsprach einer Steigerung der Abschmelzleistung um ca. 30 %. Weiterhin beeinflusste der Einsatz eines basischen Fülldrahtes mit einem Durchmesser von d = 3,0 mm wiederrum das Schweißverhalten positiv und lies dabei Abschmelzleistungen bis ca. MR = 30 kg/h zu. Eine separate Kaltdrahtzuführung während des Schweißprozesses in die Schmelze ermöglichte, die Abschmelzleistung des Dickdrahtprozesses um bis zu 60 % zu steigern. Mithilfe der gezielten Verfahrensanpassung waren alternativ deutlich verminderte Abkühlzeiten t8/5 realisierbar: - Einsatz von Fülldraht - 35 % - erhöhter Kontaktrohrabstand - 25 % - Kaltdrahtzuführung - 10 % Dies ermöglichte neben der direkten Steuerung des Energie- bzw. Wärmeeintrages in den Grundwerkstoff eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch eine Steigerung der Abschmelzleistung beim MSG-Dickdrahtschweißen. Bei der Verfahrenskombination von Fülldraht, erhöhtem Kontaktrohrabstand und Kaltdrahtzuführung wurden maximale Abschmelzleistungen im Projekt von ca. MR = 45 kg/h erreicht, was den derzeitigen Maximalwert des MSG-Dickdrahtschweißens darstellt. Die Impuls- und Wechselstromtechnologien wurden hinsichtlich einer Verringerung der Energieeinbringung für den MSG-Dickdrahtschweißprozess als nicht zielführend betrachtet. Vergleichend zum UP-Schweißen wurden Potentiale des MSG-Dickdrahtschweißens in Bezug auf Schweißparameter und wirtschaftlichen Kenngrößen, sowie mechanischtechnologische Gütewerte an Verbindungsschweißungen von Feinkornbaustählen ermittelt. Hierbei wurden t = 20 mm dicke Bleche der Güte S690Q, unter Einsparung der Pulverkosten und des Pulverhandlings, in nur 70 % der Zeit und mit 60 % der Gesamtkosten des UP-Schweißverfahrens bei Verwendung des MSGDickdrahtschweißens qualitativ gleichwertig miteinander verschweißt. Zudem sind mittels MSG-Dickdrahtschweißen Verbindungsschweißungen bis t = 25 mm mit nur zwei Schweißraupen möglich. Aus der Verfahrensqualifizierung (Zugversuche, Härtemessungen, Kerbschlagversuche und Biegeprüfungen) ergab sich im betrachteten Fall keine negative Beeinträchtigung der mechanisch-technologischen Gütewerte des verwendeten hochfesten Feinkornbaustahls (S690Q) hinsichtlich der Abkühlzeiten t8/5 und der Bearbeitung mittels MSG-Dickdrahtschweißen. Es war reproduzierbar und wirtschaftlich möglich den Versagensort des geschweißten hochfesten Bauteils außerhalb der Schweißnaht sowie der  Wärmeeinflusszone zu legen. Veröffentlichung: 2021 Autoren: Prof. Dr.-Ing. J. Hensel, Dr.-Ing. M. Kusch, Dr.-Ing. A. Hälsig, ]}, M. Sc. J. Kimme

P 1314 - Raumbildende Tragstrukturen aus Sandwichelementen (Stahl-) Sandwichelemente besitzen neben ihrer herausragenden raumabschließenden Funktion und Wärmedämmeigenschafen lastabtragende Eigenschaften, die einen Lastabtrag in und aus ihrer Ebene ermöglichen. Eingeschossige Bauwerke, beispielsweise kleine Lagerhallen Tankstellenshops und -waschhallen, können daher unter Verzicht auf zusätzliche tragende Rahmenunterkonstruktionen nur mit Sandwichelementen gebaut werden. Hierfür fehlen Nachweisverfahren, insbesondere zur Lasteinleitung, die diese wirtschaftliche Bauweise ermöglichen würden. Ziel des Forschungsvorhabens war es, vorhandene Berechnungsansätze zur Trag- und Gebrauchstauglichkeit und die Detaillösungen zur Lasteinleitung und –verteilung anhand von experimentellen Untersuchungen zu validieren und ggf. weiterzuentwickeln. Die gewonnenen Erkenntnisse aus der ganzheitlichen Betrachtung der Bauweise sollen dann als Grundlage für den Erwerb einer bauaufsichtlichen Zulassung dienen. Zur Erreichung dieser Ziele wurde zunächst eine selbsttragende Konstruktion aus Sandwichelementen als Beispielobjekt entworfen. Hierzu wurden alle notwendigen Konstruktionszeichnungen und Detaillösungen zur Ausbildung der Lasteinleitungsstellen und Stoßpunkte ausgearbeitet und für diese Anwendung festgelegt. Anhand einer im Forschungsantrag festgelegten Versuchsmatrix wurden experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten einer selbsttragenden Konstruktion aus Sandwichelementen durchgeführt. Die umfangreichen lokalen und globalen axialen Druckversuche wurden an Versuchskörper unter Berücksichtigung einer praxisnahen und anwendungsbezogenen Ausbildung der Lasteinleitungsstellen durchgeführt. Dabei wurden die Verformungen und die maximalen Traglasten gemessen. Danach wurden die gemessenen Traglasten statistisch ausgewertet und die tatsächliche lokale und globale Tragfähigkeit sowie das Versagensverhalten der selbsttragenden Konstruktion aus Sandwichelementen analysiert. Als Bezug wurden analytisch ermittelten Traglasten im Grenzzustand der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit herangezogen. Es stellte sich heraus, dass die experimentell ermittelten Traglasten weit über den analytisch berechneten Werten liegen. Somit wurde gezeigt, dass eine Bemessung der Konstruktion mit den vorhandenen Bemessungsansätzen konservative Ergebnisse liefert und damit auf der sicheren Seite liegt. Auch die Bemessung der Lasteinleitungskonstruktion für abhebende Kräfte konnte durch einen vorgestellten Bemessungsansatz sichergestellt werden. Um die ganzheitliche Betrachtung der Konstruktion zu gewährleisten, wurde eine wirtschaftliche und ökologische Betrachtung der Bauweise vorgenommen. Bei der wirtschaftlichen Betrachtung wurde gezeigt, dass selbsttragende Konstruktionen aus Sandwichelementen ohne eine Stahl-Unterkonstruktion eine Einsparung der Investitionskosten von ca. 9% sowie der Heizkosten von ca. 10% aufweisen. Auch bei der Ökobilanz wurde gezeigt, dass die Bauweise Emissions- und Energieeinsparungen mit sich bringt und umweltschonender ist. Insgesamt liefert der Forschungsbericht fundierte wissenschaftlich-technische Grundlagen für den Entwurf, den Bau und die Bemessung von selbsttragenden Konstruktionen aus Sandwichelementen sowie die notwendigen Versuchsergebnisse und -auswertungen für den Erwerb einer bauaufsichtlichen Zulassung. Veröffentlichung: September 2022 Autoren: Univ.-Prof. Dr.-Ing. D. Ungermann, M.Sc. G. A. Eseme

P 1313 - Bimodales Zähigkeitsverhalten von höchstzähen Rohrleitungsstählen - skalenübergreifende Ursachenanalyse und angepasste Bewertungskonzepte Bereits seit vielen Jahrzehnten erfolgt der Transport von fossilen Brennstoffen durch kilometerlange Pipelines. Auch in Zukunft ist der Bedarf eines zuverlässigen Rohrleitungstransportnetzes unabdingbar, um neben fossilen Brennstoffen auch Wasserstoff als Energieträger den Endverbrauchern zur  Verfügung zu stellen. Die zum Um- und Ausbau des Versorgungsnetzes benötigten Rohrleitungsstähle wurden in den letzten ahren durch starke Anstrengungen der Stahl- und Pipelineindustrie kontinuierlich verbessert. Aufgrund von thermo-mechanischen Walzstrategien und einer Erhöhung des Reinheitsgrades der Stähle konnten schädigungstolerante Mikrostrukturen entwickelt werden, welche zu einer Steigerung von Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften führte. Diese exzellenten Werkstoffeigenschaftsprofile bieten großes ressourcenschonendes Leichtbaupotential für zukünftige Anwendungen. Allerdings treten in diesen modernen Pipelinestählen bisher nicht ausreichend erforschte Versagensphänomene bei der Zähigkeitsprüfung auf. Dazu zählt das inverse Bruchverhalten, die Bruchflächenaufreißungen oder das gestauchte bzw. überlappende Übergangsverhalten. Letzteres ist charakterisiert durch eine Überschneidung der Tieflagen- und Hochlagenäste über einen 10-30°C umfassenden Temperaturbereich im Kerbschlagarbeits-Temperatur-Schaubild, was wiederum zu Unsicherheiten in der Bauteilauslegung und damit verbundenen Einsatzhemmungen führt. Im Rahmen dieses Projektes wurde dahingehend ein bainitischer Pipelinewerkstoff der Güte X65, welche ein überlappendes Zähigkeitsverhalten aufweist, umfangreich charakterisiert. Titannitride (TiN) und Kalziumsulfide (CaS) wurden als rissinitiierende Gefügebestandteile sowohl für sprödes als auch duktiles  Werkstoffversagen identifiziert. Anhand von Mikrostruktursimulationen konnte nachgewiesen werden, dass je nach Position, Größe und Verkippung des Einschlusses die lokalen Spannungs- und Dehnungskonzentrationen im Gefüge stark variieren. Die höchste Spannungskonzentration konnte bei einem 6µm großen TiN-Einschluss mit 45° Verkippung nachgewiesen werden. Die Entwicklung einer skalenübergreifenden Simulationsmethodik ermöglichte es anschließend, den Einfluss unterschiedlicher Einschlusskonfigurationen auf das Werkstoff- und Bauteilverhalten zu bewerten. Die in der Simulation von repräsentative Volumenelemente (RVE) abgeleiteten, mikrostrukturbezogenen Parametersätzen wurden im makroskopischen Schädigungsmodell genutzt, um das Werkstoffverhalten im Kerbschlagbiegeversuch abzubilden. Anhand dieser Methodik konnte das gestauchte Übergangsverhalten numerisch beschrieben und das Modell auf Rohrleitungsanwendungen übertragen werden. In den Bauteilsimulationen tritt im Pipelinerohr abhängig vom gewählten mikrostrukturbasierten Parametersatz sprödes oder duktiles Bauteilversagen auf. Ein Gefüge mit kritischem Einschluss führt zu sprödem Bauteilversagen und einer höheren Rissausbreitungsgeschwindigkeit, während ein Gefüge ohne kritischen Einschluss duktiles Bauteilversagen hervorruft. Der entwickelte skalenübergreifende Simulationsansatz zur mikrostrukturbasierten Bauteilbewertung kann zukünftig auf weitere Werkstoffkonzepte und Anwendungsgebiete übertragen werden. Dies ermöglicht es einerseits unterstützend bei der Aufklärung materialphysikalischer Phänomene  mitzuwirken und andererseits integratives Werkstoff- und Bauteildesign für ressourcenschonenden Leichtbau zu beflügeln. Veröffentlichung: 2021 Autoren: Prof. Dr.-Ing. S. Münstermann, M.Sc. Y. Sparrer