Hybrid compound forging for joining aluminum bulk elements and steel sheet metals

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens; Professor Dr.-Ing. Volker Wesling
• Subject Area: Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing ; Production Automation and Assembly Technology
• Term: from 2017 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 340490925

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Ziel des Forschungsprojektes war die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung von Stahlblechen und Aluminiummassivteilen über eine Zinkzwischenschicht durch einen Warmumformprozess. Zur Erreichung dieses Ziels wurden die Aluminiummassivteile zuerst mit einer Zinkschicht versehen, anschließend wurde der Fügeprozess in Modellversuchen im Hinblick auf die Einflussgrößen untersucht, bevor die erreichten Teilergebnisse unterstützt durch simulative Ansätze in einen einsatzfähigen Prozess überführt wurden. Die Applikation der Zinkschicht auf dem Aluminium hat dabei die Funktion eines niedrigschmelzenden Zusatzwerkstoffes. Hierdurch sollten zum einen die Oxidschicht beseitigt und zum anderen die charakteristischen intermetallischen Sprödphasen vermieden werden. Die Entwicklung des Verzinkungsprozesses gestaltete sich durch die hochschmelzende Oxidschicht des Aluminiums als schwierig, da sich weder durch Flussmittel noch durch Beizen oder umfangreiche, vor- und nachgelagerte Wärmebehandlungsprozesse eine geeignete Schichthaftung mit reinem Zink erreichen ließ. Letztendlich wurden die Aluminiummassivteile in eine Zink-Aluminium-Schmelze eingetaucht und bei definierter Temperatur für eine definierte Zeit im Ofen ausgelagert. Es konnte nachgewiesen werden, dass an der Oberfläche die Oxidschicht des Aluminiums aufgelöst wurde und eine rund 150 Mikrometer dicke Zinkschicht abgeschieden wurde. Um den Prozess in eine spätere industrielle Anwendung überführen zu können, wurde ein Modell zur Analyse der Einflussgrößen im Fügeprozess aufgestellt. Durch Variation der Prozesseinflussgrößen Umformgeschwindigkeit, Temperatur des Blechs, Temperatur des Aluminiummassivteils, Umgebungstemperatur, Umformweg und Umformkraft, konnten die Randbedingungen für die Simulationsmodelle identifiziert werden. Hierbei zeigte sich ein Einfluss der Zinkschichten der verwendeten Stahlbleche auf die Verbindungsfestigkeit. Bei elektrolytisch verzinkten Blechen wurde aufgrund der Zinkschichtdicke kein Stoffschluss erzielt. Die stoffschlüssige Verbindung mit Zink-Magnesium beschichteten Blechen erwies sich als sehr spröd. Bei reinem Zink konnte jedoch eine Verbindungsfestigkeit von 120°MPa erreicht werden. Die metallographische Analyse der Verbindungszone zeigte lokale Einlagerungen von intermetallischen Phasen aus den Elementen Eisen, Aluminium und Zink. Durch das Zink konnte die Härte im Vergleich zu reinen Eisen-Aluminium Phasen deutlich reduziert werden. Die Untersuchungen des Spannungszustands zeigten jedoch relativ hohe Eigenspannungen. Aufbauend auf diesen Teilergebnissen und simulativen Untersuchungen wurden Schmiedeversuche mit deutlich höherer Umformgeschwindigkeit und Umformkraft sowie größeren Probengeometrien durchgeführt. Dabei zeigte sich eine bessere Verbundfestigkeit bei langsameren Umformgeschwindigkeiten. Auch das Oberflächenprofil der Massivteile im Bereich der Fügezone wurde variiert. Hierbei zeigten sich Unterschiede zwischen Proben mit verrundetem Oberflächenprofil und Proben mit flachem Oberflächenprofil. Die Festigkeitswerte der verrundeten Proben streuten stärker als die der Proben mit flacher Oberfläche. Beim Fügen der Aluminiummassivteile mit dem Blech traten Verformungen im Blech auf. Es entstand eine Falte, die sich zylindrisch um die Fügezone ausbreitete. Weiterhin wurde das Blech in der Fügezone stark ausgedünnt. Diese Probleme konnten durch konstruktive Anpassungen des Werkzeugs und Verringerung des Umformwegs beseitigt werden. Es wurden unterschiedliche Umformwege hinsichtlich der damit erreichbaren Verbundfestigkeit untersucht. Dabei war zu erkennen, dass die Bauteile mit längerem Umformweg eine größere Festigkeit aufwiesen. Die gefügten Bauteile wurden anschließend einem Tiefziehprozess unterzogen. Die Hybridteile wurden durch den Tiefziehprozess nicht getrennt. Auch nach der Umformung des Blechs blieb die Verbindung zwischen Aluminiummassivteil und Stahlblech erhalten.

Publications

• Characteristics of joining and hybrid composite forging of aluminum solid parts and galvanized steel sheets”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (373), 2018
  Wesling, V.; Treutler, K.; Bick, T.; Stonis, M.; Langner, J.; Kriwall, M.
  
• Das Beste aus zwei Stoffen: fest und leicht zugleich. In: phi – Produktionstechnik Hannover informiert, Newsletter Nr. 20 / September 2018, ISSN: 2198-1922
  Kriwall, M.
  
• Erzeugen stoffschlüssiger Verbindungen an Aluminiummassivteilen und verzinktem Stahlblech mittels Hybridverbundschmieden“, DVS-Berichte Band 344, S. 490–496, 2018
  Wesling, V.; Wiche, H.; Treutler, K.; Bick, T.; Langner, J.; Kriwall, M.
  
• Neues Verbundschmiede-Verfahren für den Leichtbau. In: UMFORMtechnik, Meisenbach Verlag GmbH , 52. Jg. (2018), H. 3, S. 14-16
  Kriwall, M.; Langner, J.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.
  
• Charakterisierung der Verbindungseigenschaften hybrid verbundgeschmiedeter Stahl Aluminium Mischverbindungen in Abhängigkeit der Zinkschichtzusammensetzung“, DVS-Berichte Band 356, S.113-120, 2019
  Bick, T.; Treutler, K.; Wesling, V.
  
• Hybridschmieden artungleicher Werkstoffe. In: lightweight.design, SpringerVieweg, 2 (2019), S. 12-17
  Seif, E.; Kriwall, M.; Langner, J.; Stonis, M.; Behrens, B.-A.
  
• Characterization of Influences of Steel-Aluminum Dissimilar Joints with Intermediate Zinc Layer. In: Metals 2020,10, 442
  Bick, T.; Heuler, V.; Treutler, K.; Wesling, V.
  
• Dependence of the Joint Strength on Different Forming Steps and Geometry in Hybrid Compound Forging of Bulk Aluminum Parts and Steel Sheets. In: Procedia Manufacturing, Volume 47, 2020, Pages 356-361
  Kriwall, M.; Stonis, M.; Bick, T.; Treutler, K.; Wesling, V.