Widerstandspunktschweißen partiell gehärteter Bauteile aus Al-Si-beschichtetem Vergütungsstahl

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgten Untersuchungen zum Einfluss der Oberflächenschichten an Al-Si-beschichteten Bauteilen auf deren Schweißeignung in verschiedenen Wärmebehandlungs-zuständen. Die Variationen der Schicht- und Werkstoffzustände des 22MnB5 bilden den Prozess des partiellen Presshärtens durch den Eingriff in den Ofenprozess nach. Die metallurgischen Prozesse an der Schmelzlinie einer Widerstandspunktschweißverbindung wurden experimentell und simulationstechnisch untersucht, um die Entstehungsmechanismen der Erweichungszone an der Schmelzlinie zu klären. Der Einfluss dieser Imperfektion auf die mechanischen Eigenschaften der Widerstandspunktschweißverbindungen wurde an einem partiell gehärteten Bauteil untersucht. Im Fall von Al-Si-beschichteten Proben konnte keine Korrelation zwischen dem gemessenen Übergangswiderstand und der Größe oder der Lage des Schweißbereiches festgestellt werden. Die Anwendung der Übergangswiderstände zur Abschätzung der Schweißeignung in Anlehnung an geltende Merkblätter (z. B. [1]) für Al-Si beschichtete pressgehärtete Bleche war nicht zielführend. Die Schweißeignung von Al-Si beschichteten partiell gehärteten Bauteilen konnte mit der Schichtentwicklung korreliert werden. Aus den umfangreichen metallographischen Untersuchungen und deren Abgleich mit der Literatur konnte ein Kriterium ΣBCE zur Abschätzung der Schweißeignung, welches der Anteil hochohmiger Phasen in der Oberflächenschichten berücksichtigt, alternativ zu den Widerstandsmessungen entwickelt werden. Aus dem Abgleich zwischen rasterelektronenmikroskopischen und lichtmikroskopischen Aufnahmen sowie basierend auf Ergebnissen aus der Literatur wurde eine Vorlage zur Identifikation einzelner Bereiche der Al-Si-Schichten aufgezeigt, die eine Ermittlung des vorgeschlagenen Kriteriums ΣBCE anhand der lichtmikroskopischen Untersuchungen erlaubt. Die Nutzung dieses Kriteriums ohne Notwendigkeit der ressourcenintensiven REM/EDX Untersuchungen ist vor allem für die industrielle Anwendung dieses Kriteriums von Vorteil. Generell ist die Schweißeignung des Werkstoffes gegeben, wenn die Schichten keine metallischen Al-Si-Bestandteile beinhalten und der Anteil der hochohmigen Phasen (ΣBCE) nicht den empfohlenen Wert überschreitet. Da der Anteil an hochohmigen Phasen in der Schicht mit hohen Ofentemperaturen und langen Ofenhaltezeiten zunimmt, wird aus der Sicht der Schweißeignung pressgehärteter Bauteile empfohlen, die Wärmebehandlung bei möglichst niedrigen Ofentemperaturen und mit möglichst kurzen Ofenhaltezeiten durchzuführen, jedoch unter der Berücksichtigung, dass die Anwesenheit metallischer Al-Si-Schichtbestandteile zu vermeiden ist. Generell werden pressgehärtete Bauteile in der Praxis mit verlängerten Schweißzeiten gefügt, um die Prozesssicherheit zu erhöhen. Diese Maßnahme führt zur Änderung der Wachstumskinetik einer Schmelzlinse die die Entstehung einer Erweichungszone an der Schmelzlinie (SL-EWZ) zur Folge hat. Laut Literaturrecherche sind die metallurgischen Mechanismen, die zur Entstehung dieser Zone führen, unklar. Ebenfalls unklar ist die Auswirkung, die diese Erweichungszone auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindungen hat. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde außer der klassischen erweichten Zone in der WEZ der Schweißverbindungen eine erweichte Zone an der Schmelzlinie (SL-EWZ) durch hochauflösende Härtemappings nachgewiesen. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten eine klare Korrelation zwischen dem Linsenwachstum und der Erweichung an der Schmelzlinie. Bei Verlängerung der Schweißzeiten kam es zur Stagnation des Linsenwachstums im Schweißprozess. Als Folge war eine stärker ausgeprägte Erweichungszone an der Schmelzlinie bei längeren Schweißzeiten nachzuweisen. Mithilfe eines Phasenfeldmodells wurde die Entstehung der Erweichungszone durch die Entkohlung des Werkstoffes an der Schmelzlinie abgebildet. Dies korrelierte auch mit den durchgeführten Kohlenstoffmessungen. Die Entstehung von δ-Fe in dem entkohlten Bereich an der Schmelzlinie wurde simulativ abgebildet, dessen Anwesenheit konnte im Rahmen der durchgeführten lichtmikroskopischen Untersuchungen sowie und EBSD-Messungen jedoch nicht eindeutig bestätigt werden. Weitere Untersuchungen werden benötigt, um eine eindeutige Aussage über die Anwesenheit von δ-Fe an der Schmelzlinie zu bekommen. Umfangreiche Untersuchungen der Festigkeit von Schweißverbindungen unter verschiedenen Belastungsarten und Richtungen wurden ebenfalls durchgeführt. Zum Nachweis der Auswirkungen des schweißbedingten Wärmeeintrags auf die Eigenschaften des Grundmaterials wurde eine spezielle Zugprobe mit Opferblech entwickelt. Hier zeigte sich ein zunehmender Einfluss des schweißbedingten Wärmeeintrags auf die mechanischen Verbindungseigenschaften mit zunehmender Härte des Grundmaterials. Bei Belastung der Schweißverbindung auf Kopf- und Scherzug konnte die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften mit einer stärkeren Ausprägung der Erweichungszone an der Schmelzlinie korreliert werden.

Within the scope of this dissetrtation, investigations of the surface layer influence on weldability of Al-Si-coated components in different heat treatment conditions were carried out. The variations of the layer and material conditions of the 22MnB5 simulate the process of partial hot stamping by intervention in the furnace process. Metallurgical processes at the fusion boundary of a resistance spot weld were investigated experimentally and simulatively to clarify the formation mechanisms of the softening zone at the fusion boundary. The influence of this imperfection on the mechanical properties of the resistance spot welds, made on partially hardened components was investigated. In the case of Al-Si coated samples no correlation between the measured static contact resistance and the size or position of the welding current range could be determined. Weldability of press-hardened components cannot be assessed by measuring of static contact resistance as recommended by [1] for Al-Si coated press-hardened sheets. The weldability of Al-Si coated partially hardened components could be correlated with the layer development in the furnace process. Based on the extensive metallographic investigations and their comparison with the literature, a criterion, based upon the fraction of highly resistive intermetallic phases in the layer (ΣBCE) for estimating the weldability was developed as an alternative to the contact resistance measurements. Based on the comparison between scanning electron and light microscopy images and on results from the literature, a method for the identification of individual areas of the Al-Si layers was presented, which allows the proposed criterion ΣBCE to be determined by light microscope investigations and thus allows for the industrial use of this criterion without the need for resource-intensive SEM/EDX investigations, which is particularly advantageous for the industrial application of this criterion. In general, the investigated material can be defined as joinable if the layers do not contain metallic Al-Si components and the proportion of high-resistance phases (ΣBCE) does not exceed the recommended value. Since the proportion of high-resistance phases in the layer with high furnace temperatures and long furnace holding times is increasing, from the point of view of the production of weldable press-hardened components, it can be recommended to carry out the heat treatment at the lowest possible furnace temperatures and with the shortest possible furnace holding times, nonetheless the temperature and holding time must be sufficient for avoiding the presence of metallic Al-Si components in the surface leyer. In practice, press-hardened components are generally joined with longer welding times in order to increase process window (welding current range). This measure leads to a change in the nugget growth kinetics and, as a consequence, to the formation of a softened region at the fusion boundary (SL-EWZ). Literature review has shown that the metallurgical mechanisms leading to the formation of this zone are unclear. Also unclear is the effect of this softening zone on the mechanical properties of welded joints. In addition to the classical softened zone in the HAZ of the welded joints, a softened zone at the fusion boundary (SL-EWZ) was demonstrated by high-resolution hardness mappings within the scope of the conducted investigations. A clear correlation between nugget growth and softening at the fusion boundary could be shown. When the welding times were extended, the nugget growth stagnated in the welding process, so that a more pronounced SL-EWZ at the fusion line was present for longer welding times. With the help of a phase field model, the formation of the SL-EWZ by decarburization of the material at the fusion boundary was depicted, this also correlated with the carbon measurements at the fusion boundary. The formation of δ-Fe in the decarburized area at the fusion boundary was obtained from simulation, however its presence could not be clearly confirmed using the light microscopic investigations and EBSD-measurements. The hypothesis about the δ-Fe formation at the fusion boundary and its possible role in the development of the SL-EWZ could not be confirmed or rejected. Further investigations are required to make a clear statement about the presence of δ-Fe at the fusion boundary. Extensive investigations of welded joints strength under different load types and directions were also carried out. To prove the effects of the heat input caused by welding on the properties of the base material, a special tensile test specimen, allowing for one-sided loading of a weld was developed. These investigations have shown an increasing influence of a welded joint on the mechanical properties of the welded part with increasing hardness of the base material. When the welded joint was subjected to cross tension and tensile shear tests, a drop in mechanical properties could observed, which be correlated with a more severe softening zone at the fusion boundary.