P 778 - Bemessung von ermüdungsbeanspruchten Bauteilen aus hoch- und ultrahochfesten Feinkornbaustählen im Kran- und Anlagenbau

P 777 - Thermisches Fügen von dünnwandigen Strukturbauteilen mit niedrig schmelzenden Zusatzwerkstoffen Leichtbaubestrebungen sowie der Erhalt von metallischen Beschichtungen als Basis der Korrosionsbeständigkeit in der Automobilindustrie erfordern neue Fügeverfahren. Ein Weg, diesen Bestrebungen zu entsprechen, ist die Nutzung niedrig schmelzender Zusatzwerkstoffe. Eine Reduzierung des Energieeintrages gegenüber Kupferlötungen wird durch die Anwendung von Zink-Basis-Loten erzielt. Es entstehen artgleiche Verbindungen mit den Vorteilen des geringen Verzuges sowie dem Erhalt der Beschichtung und somit der Korrosionsbeständigkeit. Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand darin, dass MIG-Löten mit Zinkbasisloten (ZnAl4, ZnAl15 und ZnAl4Cu1,5) für unlegierte Tiefziehstähle mit verschiedenen Beschichtungen sowie für hochlegierte Cr-Ni-Stähle zu qualifizieren. Der Lichtbogenprozess war dahingehend zu optimieren, auch dünne Bleche (d=0,5 mm) bei Erhalt der Beschichtung prozesssicher zu fügen. Hierzu wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zum Benetzungsverhalten an unterschiedlichen Beschichtungen (feuerverzinkt, elektrolytisch verzinkt), dem Festigkeitsverhalten und dem Korrosionsverhalten an Überlappverbindungen und Bördelnähten durchgeführt. Der Schwerpunkt lag bei der Analyse der Wechselwirkungen unterschiedlicher Lichtbogenarten auf dem Benetzungsverhalten der Lote und deren Auswirkungen auf die Festigkeit der Verbindung sowie auf der Beschreibung von Oberflächen nahen Reaktionen. Es konnten so an den unlegierten Tiefziehstählen (DX56D+Z100; HP260P) Verbindungen im Blechdickenbereich von d= 0,5 mm bis 1,5 mm hergestellt werden, welche die Grundwerkstoffeigenschaften erreichen. Des Weiteren konnten im Rahmen des Forschungsvorhabens an den hochlegierten Stählen (X5CrNi18-10; X2CrTiNb18; X6Cr17) Lötverbindungen mit einem guten Benetzungsverhalten hergestellt werden. Zusätzlich wurden Verbindungen an Stahl-Sandwichblechen sowie zwischen diesen und Tiefziehstählen gelötet. Es wurden hoch genaue Strom-Spannungs-Zeit-Messungen durchgeführt, so dass die Lötparameter reproduzierbar vorliegen. Die gewonnenen Daten sind eine Grundlage für die Ermittlung des spezifischen Energieeintrags. Für die untersuchten Lichtbogenarten erfolgten Temperatur-Zeit-Messungen. Alle Projektergebnisse sind in einem Datenbanksystem zusam-mengefasst. Dem Nutzer stehen die Ergebnisse in Form einer Verfahrensanweisung zur Verfügung. Die Übernahme und Anwendung der Ergebnisse wird somit erleichtert. Die erreichten Forschungsergebnisse verbessern das Verständnis zum MIG-Löten mit Zinkbasisloten und verdeutlichen das Anwendungspotential für Verbindungen an dünnen beschichteten sowie korrosionsbeständigen Bauteilen. Es liegt ein Beitrag zum Leichtbau mit allen damit in Verbindung stehenden Vorteilen vor. Die Korrosionsschutzwirkung der auf den Tiefziehstählen sowie auf dem Sandwichblech vorhandenen Beschichtung wird infolge des Fügeprozesses nicht beeinflusst. Sie bleibt erhalten und wird in der Fügezone verstärkt. Das Forschungsvorhaben wurde am Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung, Jena und der Hochschule Lausitz (FH), Senftenberg, mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Unterstützung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, aus den Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt Autoren: R. Winkelmann, T. Ebersbach, R. Salomon Veröffentlichung: 2010

P 779 - Sandwichbauweise mit Energie-Akkumulation, Energieverteilung und Dämmung Durch die Aufklebung von Trapezblechen auf die metallische Deckschicht von industriell gefertigten Sandwichelementen mit Polyurethan-Hartschaumkern, entsteht ein Solarkollektor, mit dem Energie an Fassaden und Dachflächen in Form von erwärmter Luft durch Sonneneinstrahlung gewonnen werden kann. Diese Sandwichbauweise mit Energie-Akkumulation, Energieverteilung und Dämmung lässt sich abkürzend mit „SEA“ bezeichnen. Vor diesem Hintergrund war im vorliegenden Forschungsprojekt die Zielstellung, mit Hilfe des beschriebenen SEA-Kollektors die praktisch gewinnbaren Energiemengen für ein ganzes Jahr zu ermitteln. Dazu wurde eine Messzelle gebaut, in die 2,0 - 4,7 m lange SEA-Kollektoren an der Südfassade und auf dem Dach integriert wurden. In der Messzelle befand sich für jeden SEA-Kollektor ein Luftsammler mit angeschlossenem Gebläse, welches einen Luftvolumenstrom von 10 bis 170 m³/h erzeugen konnte. Die Messzelle war unverschattet der Sonnenstrahlung und den natürlichen Wetterbedingungen für ein Jahr ausgesetzt. Die Messungen erbrachten grundlegende Zusammenhänge über die Betriebsparameter des SEAKollektors. Die anfänglich prognostizierten Energiegewinne konnten deutlich übertroffen werden. So wiesen die SEA-Kollektoren Energieerträge von ca. 160 kWh/(m² a) auf. Aus den Messwerten wurde die Wirkungsgradkennlinie für den SEAKollektor bestimmt, um für beliebige  Standorte und Ausrichtungen den im Mittel zu erwartenden Energieertrag berechnen zu können. Bei einer typischen Industriehalle reduziert die direkte Nutzung der erwärmten Luft als Frischluft den Energieverlust um 15%; alternativ oder auch zusätzlich ist eine indirekte Nutzung möglich. Es zeigte sich außerdem, dass der bereits gute Energieertrag des Kollektors durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft nochmals deutlich verbessert werden kann. Der SEA-Kollektor kombiniert eine einfache, kostengünstige Bauweise mit Standardsandwichelementen und Trapezprofilen. Es bietet sich eine Nutzung für große Wand- und Dachflächen in Industriehallen an. Damit werden Grundlagen zu einem neuen Stahlleichtbauprinzip für die Sandwichbauweise geschaffen und ein Beitrag zur Erhöhung der Energieeffizienz von industriellen Gebäuden in unterschiedlichen klimatischen Regionen geleistet. Das Forschungsvorhaben wurde vom Forschungsinstitut für Wärmeschutz e.V., München und von Engineering R. Koschade, Deggendorf mit fachlicherBegleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. Autoren: J. Cammerer, M.H. Spitzner, S. Wagener, W. Brunner, R. Koschade, D. Greiner, M. Koschade Veröffentlichung: 2014

P 774 -Ermittlung der Einsatzpotenziale und -grenzen des adiabatischen Trennens für Schneid- und Lochoperationen Das Hochgeschwindigkeitsscherschneiden (HGSS), dessen industrielles Anwendungsspektrum sich derzeit vorwiegend auf das Trennen von Stangenmaterial beschränkt, soll in Zukunft auch für den Bereich der Blechbearbeitung nutzbar gemacht werden. Ausgangspunkt des Forschungsvorhabens waren die bekannten Vorteile des HGSS gegenüber konventionellen Schneidprozessen. Die Anwendung von hohen Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht eine deutliche Verbesserung des Schneidergebnisses: - hohe Maßhaltigkeit und geringe Bauteildeformation, - gratarme, ebene Trennfläche mit überwiegendem Bruchzonenanteil (mit besonders feinkörniger Oberfläche), - Verringerung der Verformungszone, gleichmäßigere Härteverteilung, - Werkstoffeinsparung durch geringe Stegbreiten, - schmiermittelfreier Schneidprozess sowie - Einsparung von Nacharbeitsschritten. Die Zielstellung des Forschungsvorhabens bestand darin, basierend auf einer wissenschaftlichen Analyse des Verfahrens, die Einsatzfelder des HGSS auf das Schneiden und Lochen von Rohren und flächigen Bauteilen unterschiedlicher Festigkeit und Blechdicke zu erweitern. Nach Konzeptionierung, Konstruktion, Herstellung, Erprobung und Optimierung geeigneter Versuchseinrichtungen erfolgten diesbezüglich umfangreiche experimentelle Untersuchungen, bei denen der Werkstück-Werkstoff, die Blechdicke, der Schneidspalt, die Schneidgeschwindigkeit und die Stempelkontur variiert wurden.  Anschließend wurden die erzielten Schnittergebnisse in Abhängigkeit der Einfluss nehmenden Schneidparameter analysiert, d. h., die Trennflächenqualität an den erzeugten Schnittteilen untersucht. Nachfolgend werden die wesentlichen Ergebnisse auszugsweise wiedergegeben. Wie beim NGSS ist auch beim HGSS die Werkzeugauslegung (Schneidspalt und Schneidkantengeometrie) entscheidend für das Schneidergebnis. Für eine hohe Schnittflächenqualität haben sich kleine bezogene Schneidspalte bis u/s = 2…3 % sowie ein vollkantiger Schnitt als optimal erwiesen. Bei den Stempelausführungen Schräg- und Hohlschliff traten sowohl Deformationen an den Schnittteilen als auch deutliche Abweichungen von der Rechtwinkligkeit auf. Während das NGSS meist auf einen hohen Glattschnittanteilabzielt, ist beim HGSS das Gegenteil der Fall. Die HGSS-Trennflächen bestehen überwiegend aus Bruchfläche, die eine wesentlich feinkörnigere Oberfläche aufweist als konventionell erzeugte Bruchflächen. Der nichtrostende Stahl X5CrNi18-10 zeigte beispielsweise eine besonders feinkörnige Bruchfläche, was sich in einer überwiegend geringeren Rauheit der Bruchfläche im Vergleich zur  Glattschnittfläche äußerte. Anhand der Kanteneinzugshöhen zeigte sich deutlich die Einflussnahme von Werkstück-Werkstoff und bezogenem Schneidspalt, innerhalb der jeweiligen Blechwerkstoffvariante verhielt sich dieser  Trennflächenanteil insgesamt bei gleichem Schneidspalt annähernd konstant. Die mittels HGSS erzeugten Trennflächen wiesen nur geringen bzw. keinen Schnittgrat auf. Zum Teil konnte tendenziell eine Reduzierung des Schnittgrats mit Verringerung des bezogenen Schneidspaltes festgestellt werden. Die Stahlsorte X5CrNi18-10 zeichnete sich auch durch nahezu rechtwinklige Trennflächen aus, die maximal ein Grad von der Idealkontur abwichen. Art und Umfang der schneidprozessbedingten Verfestigung des schnittnahen Randbereichs, insbesondere die Breite dieser beeinflussten Randzone, lässt sich anhand der Mikrohärtekartographie mit höherer Genauigkeit bestimmen als anhand der  Gefügeaufnahmen. Dabei wurden in Abhängigkeit vom Versuchswerkstoff vergleichbare Randverfestigungstiefen an den Flachproben und an den Rohrabschnitten ermittelt. Bei den Versuchen zum HGSS von Rohren mit Innendorn traten die maximalen Form- und Lageabweichungen in Schnittrichtung auf. Abschließend erfolgte ein qualitativer Vergleich des NGSS und HGSS hinsichtlich der erzielbaren Schnittqualität. Das IGF-Vorhaben 15319 BG der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. wurde an den Fraunhofer- Instituten für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) in Chemnitz und für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart durchgeführt und über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen  Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Autoren: R. Neugebauer, P. Weigel, E. Westkämper, A. Verl, F. Eicher, R. Salomon Veröffentlichung: 2010

P 773 - Vollstanznietkleben von Stahlwerkstoffen mit Zugfestigkeiten von 800 MPa bis 1600 MPa Das Vollstanznietkleben stellt eine Verfahrenskombination dar, die sich unter anderem in Hinsicht auf das Fügen von hochfesten Werkstoffen durch besonderes Potential von einer Vielzahl alternativer Fügetechniken abhebt. Mit dem Ziel, ein wirtschaftliches Verfahren zum Fügen von Feinblechhalbzeugen aus unterschiedlich beschichteten, hochfesten Stahlwerkstoffen mit Zugfestigkeiten von 800 MPa bis 1600 MPa für die praktische Anwendung zu qualifizieren, wurden im  Rahmen dieses Forschungsvorhabens Untersuchungen zu den elementaren Verfahren Vollstanznieten und Kleben sowie zur kombinierten Anwendung dieser Fügetechniken durchgeführt. Aus den erlangten Erkenntnissen wurden Ansätze zur  Verfahrensoptimierung abgeleitet, deren Auswirkungen auf die Verbindungsausbildung und das Tragverhalten der Verbindungen im Rahmen der Projektbearbeitung durch Versuche überprüft und zur Weiterentwicklung des Verfahrens genutzt wurden. Im vorliegenden Bericht wird durch eine Darstellung der verfahrensspezifischen Eigenschaften von elementaren klebtechnischen und mechanischen Fügeverfahren die Ausgangssituation beschrieben und das besondere Potential sowie der Entwicklungsbedarf der hybriden Vollstanznietklebtechnik zum Fügen von hoch- bis höchstfesten Stahlwerkstoffen hervorgehoben. Durch die Ermittlung der Einsatzgrenzen beim elementaren Vollstanznieten wird daraufhin eine  Erkenntnisgrundlage gebildet, die die Leistungsfähigkeit des betrachteten Verfahrens abbildet und gleichzeitig den Ansatzpunkt und die Referenz für Untersuchungs- und Optimierungsmaßnahmen darstellt. Um geeignete Ansätze zur Erweiterung des möglichen Anwendungsspektrums herauszuarbeiten, wurden unterschiedliche Wirkzusammenhänge untersucht. Betrachtet wurden in diesem Zusammenhang zum Beispiel die Einflüsse von modifizierten Nietgeometrien auf die Fügekräfte beim elementaren Vollstanznieten. Durch Untersuchungen zum Einfluss der Nietkopfendlage auf das Trag- und Versagensverhalten von Vollstanznietverbindungen hochfester Stahlbleche wurden wesentliche Erkenntnisse  gewonnen, die zu Optimierungen geführt haben, durch die das Tragverhalten der Verbindungen verbessert wurde. Zu den Inhalten zählen auch der Nachweis der Verbindungsschädigung durch wasserstoffbeladene Fügeteile sowie Stichuntersuchungen zum Vollstanznieten 3-lagiger Mischbauverbindungen mit hochfesten Stahlblechen. Hier wurde gezeigt, wie sich durch die Wahl der optimalen Fügerichtung deutliche Steigerungen der Verbindungsfestigkeit erzielen ließen. Bei der Betrachtung elementar geklebter unterschiedlich beschichteter Fügeteile aus 22MnB5 zeigten sich unterschiedliche Versagensmechanismen. Mittels Untersuchungen zur Verfahrensverträglichkeit beim Vollstanznietkleben wurde das Optimierungspotential beim Vollstanznietkleben höchstfester Stahlwerkstoffe aufgezeigt. Auf Basis der so gewonnenen Erkenntnisse schlossen sich weitere Arbeitsschritte zur Verfahrensoptimierung an. Dabei wurden durch Versuche mit geometrisch variierten Stanznietwerkzeugen, modifizierten Klebstoffen und einem abgewandelten Stanznietverfahren verschiedene Ansätze zur Optimierung der Vollstanznietklebtechnik verfolgt und Verbesserungen in der Verbindungsausbildung erzielt. Die Leistungsfähigkeit der optimierten Fügetechnik wird anschließend in Form von Untersuchungen zum Tragverhalten elementar- sowie hybridgefügter Verbindungen unter statischer und dynamischer Krafteinleitung, sowie zum Verhalten unterschiedlich beschichteter Probekörper unter korrosiver Beanspruchung dargestellt. Aus den erlangten Erkenntnissen werden abschließend Empfehlungen zur konstruktiven und fertigungstechnischen Handhabung des Verfahrens hergeleitet. Autoren: O. Hahn, C. Schübeler Veröffentlichung: 2010