Efforts to reduce vehicle weight and improve crash performance have resulted in increased application of advanced high strength steels (AHSS) and a recent focus on the weldability of these alloys. Resistance spot welding (RSW) is the primary sheet metal welding process in the manufacture of automotive assemblies. Integration of AHSS into the automotive architecture has brought renewed challenges for achieving acceptable welds. The varying alloying content and processing techniques has further complicated this initiative. The current study examines resistance spot welding of high strength and advance high strength steels including high strength low alloy (HSLA), dual phase (DP) and a ferritic-bainitic steel (590R). The mechanical properties and microstructure of these RSW welded steel alloys are detailed. Furthermore a relationship between chemistries and hardness is produced. The effect of strain rate on the joint strength and failure mode is also an important consideration in the design of welded structures. Current literature, however, does not explain the effects of weld microstructure and there are no comprehensive comparisons of steels. This work details the relationship between the joint microstructure and impact performance of spot welded AHSS. Quasi-static and impact tests were conducted using a universal tensile tester and an instrumented drop tower, respectively. Results for elongation, failure load and energy absorption for each material are presented. Failure modes are detailed by observing weld fracture surfaces. In addition, cross-sections of partially fractured weldments were examined to detail fracture paths during static loading. Correlations between the fracture path and mechanical properties are developed using observed microstructures in the fusion zone and heat-affected-zone. Friction stir spot welding (FSSW) has proven to be a potential candidate for spot welding AHSS. A comparative study of RSW and FSSW on spot welding AHSS has also been completed. The objective of this work is to compare the microstructure and mechanical properties of Zn-coated DP600 AHSS (1.2mm thick) spot welds conducted using both processes. This was accomplished by examining the metallurgical cross-sections and local hardnesses of various spot weld regions. High speed data acquisition was also used to monitor process parameters and attain energy outputs for each process.

With increasing fuel costs and the current drive to reduce greenhouse gas emissions and fuel consumption, a need to reduce vehicle weight is apparent. Weight reduction can be achieved by replacing conventionally stamped structural members with hydroformed parts. The weight reduction can be further enhanced by reducing the thickness of the hydroformed members through the use of advanced high strength steel (AHSS). A primary limitation in hydroforming AHSS, is the limited ductility or formability of these materials. This limitation becomes acute in multi-stage forming operations in which strain path changes become large making it difficult to predict formability. Thus, the focus of the current work is to study the effects of pre-bending on the subsequent hydroformability of Dual-Phase DP600 steel tubes. As part of this effort, the effect of key bending and hydroforming process parameters, bending boost and hydroforming end-feed, have been studied in a parametric fashion. <br /><br /> Multi-step pre-bending and hydroforming experiments were performed on 76. 2 mm (3. 0") OD tubes with a wall-thickness of 1. 85mm (DP600). Experiments were also performed on 1. 74mm Interstitial Free (IF) steel tube, which provided a low strength, high formability baseline material for comparison purposes. A fully instrumented servo-hydraulic mandrel-rotary draw tube bender was used in the pre-bending experiments in which various levels of boost were applied. The results showed that increased boost reduced the major (tensile) strain and thinning at the outside of the bend. At the inside of the bend, the compressive minor strain became larger and thickening increased. <br /><br /> Hydroforming of the straight and pre-bent tubes was conducted using various levels of load-control end-feed (EF). For both straight and pre-bend tube hydroforming, an increase in hydroforming EF resulted in increased burst pressure and corner-fill expansion (CFE). The effect of bending boost on CFE was also measured. For a given hydroforming EF case, a tube bent with greater boost achieved a higher burst pressure and consequently a greater CFE which increased the hydroformability of the material. Pre-bending was shown to consume a considerable amount of the formability of the tube in the hydroforming experiments. For the same EF case, the pre-bent tubes could only achieve a fraction of the straight tube CFE at burst. <br /><br /> The pre-bending and hydroforming experiments were complimented by finite element simulation in the hope of providing additional insight into these processes. The finite element (FE) models were able to accurately predict the strain and thickness changes imposed during pre-bending. The models were able to accurately predict the CFE, EF displacement, and strain and thickness distributions after hydroforming. <br /><br /> The extended stress-based forming limit curve (XSFLC) failure criterion was applied to predict failure (onset of necking) during hydroforming, which was measured as the burst pressure in the experiments. For straight tube hydroforming, the XSFLC predicted the correct failure pressure versus hydroforming EF load trend, but over predicted the failure pressures. In pre-bend hydroforming, the models were able to capture the effect of bending boost and hydroforming EF on the hydroformability of the tubes. The XSFLC was able to capture the drop in formability for bending versus straight tube hydroforming, but was unable to capture the failure pressure versus hydroforming EF load trend or magnitude. Further work is required to make the XSFLC applicable to straight and pre-bend hydroforming.

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Roofs are the most vulnerable part of the building envelope that often get damaged when subjected to hurricane winds. Damage to the roofs has a devastating impact on the entire structure, including interior losses and service interruptions. This study aimed at the development of a novel light-weight composite flat roof system for industrial, commercial and multi-story residential buildings to withstand Category 5 hurricane wind effects based on the Florida Building Code requirements for hurricane-prone regions, the strictest wind design code in the United States. The proposed roof system is designed as a combination of two advanced materials: ultra-high performance concrete (UHPC), reinforced with high strength steel (HSS). The novel combination of these two materials in a specially designed cross section led to a lightweight low-profile ultra-thin-walled composite roof deck, with only 17 pounds per square foot self-weight, 4-inch overall depth and only ¾-inch thick flanges and webs, with no shear reinforcement or stirrup. Two groups of specimens, single-cell and multi-cell, were fabricated and tested in four-point flexure to determine the ultimate bending capacity and ductility of the system. Each group of specimens included two short-span (9 ft.) samples (due to the laboratory constraints) -- one specimen subjected to positive bending and the other one subjected to negative bending, representing the critical loading conditions including the effects of wind pressures. All specimens exhibited pure flexural failure in a ductile behavior and with no sign of shear failure. Finite element models of laboratory specimens were also developed and calibrated based on experimental data in order to project the performance of the system for larger and more realistic spans. The experimental work and the finite element analyses showed that the proposed roof system with its given section has adequate flexural and shear strength, and also meets serviceability requirements for a 20-foot long span. Moreover, connections for the roof system were proposed, including panel-to-panel connections and roof-to-wall connections. In addition to safety, the other advantages of the proposed roof system in comparison to the equivalent reinforced concrete roofs include a three-fold reduction in self-weight, a three-fold reduction in overall profile height, and a five-fold reduction of steel reinforcement. Together, these advantages may lead to an increased span length beyond what is typically feasible for the conventional reinforced concrete slabs. All these features translate the proposed deck to a sustainable roof system.

Above ground steel storage tanks are used worldwide for the storage of various liquids. EN 14015:2005, which has traditionally been used to design the tanks, does not necessarily fulfil the requirements of the Swedish Building Code. This has been underlined by hand calculation models in EN 1993-1-6:2007, EN 1993-4-2:2007 and numerical analysis using Finite Element Method (FEM). Therefore, this thesis investigates the differences between these design models and, preliminarily, the use of high-strength steel in tank shells. A 10600 m3 cylindrical steel tank of diameter 26 m and height of 21 m located in Gothenburg, Sweden is studied. The study is limited to the assessment of the stress in the shell courses due to the hydrostatic pressure from the fluid action of a filled tank, and the buckling behaviour of the shell courses of an empty tank subjected to self-weight, snow and wind loads. Particularly, models of the tank shell with a yield strength of 355 MPa are investigated in detail, while the results of the 700 MPa model are considered as preliminary study, since the material is currently not used for tank shells. An analysis of the fluid action on the tank shell courses in each of the three hand calculation models, showed that the EN 14015 model utilizes thicker courses than both Eurocodes. One benefit of the Eurocode models is that they do not limit the thickness of the shell courses, but it is still necessary to have thicker courses in the upper part of the tank in order to achieve sufficient resistance against buckling. EN 14015:2005, on the other hand, limits the minimum thickness to 6 mm for the investigated tank. Furthermore, only EN 1993-1-6 is applicable to the models with a yield strength of 700 MPa as per EN 1993-1-12 and this resulted in a uniform shell thickness of 6 mm. However, an increase in yield strength has no buckling benefits whatsoever.  Buckling is the most critical aspect as observed in this study. EN 14015 has no specific buckling calculations but uses the approach of determining the number of stiffening rings which are deemed adequate against buckling. In this study, 3 secondary stiffening rings were found to be adequate. In comparison, the results of EN 1993-4-2 are very conservative and lead to a very high and uneconomical number of stiffening rings, ranging from 30 to 52 stiffening rings depending on the reliability class. EN 1993-1-6 resulted in 6-17 stiffening rings, for reliability classes 1-3 and fabrication classes A-C. Therefore, the so-called analytical models in the Eurocodes result in a much denser spacing of stiffening rings than 14015:2005.  The buckling stresses due to the design loads were found to be lower than the yield strength of the tank shells for both hand calculation and FEM models. This means that the tank shells failed in buckling before the yield strength of the material was reached. Based on the parametric study of the EN 1993-1-6 (355 MPa) model regarding reliability class 1 and fabrication class A using FEM, the spacing of the stiffening rings can be increased up to 60 % (from 3825 mm to 6120 mm) with the variable loads also increased simultaneously up to 3.8 times before the shell buckles. Therefore, the design of future tanks using numerical analysis guarantee’s more reliability than all the aforementioned standards.  The design for buckling according to EN 14015 is only valid for a design snow load and under-pressure ≤ 1.2 KN/m2. However, according to the standard itis possible to agree to use it for larger actions or use another design model for buckling.

In der Arbeit werden spezielle Kupferlote im MIG- und Laserlötverfahren an Stählen mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten untersucht. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, den Lötprozess durch den Einsatz spezieller Kupferbasislote zu optimieren und durch reduzierten Energieeintrag ein homogeneres Eigenschaftsfeld im Bereich der Fügestelle zu erzeugen. Den Verarbeitern dieser Werkstoffe soll die Möglichkeit gegeben werden, diese Werkstoffe rationeller und mit höherer Effektivität zu verarbeiten. Im Ergebnis der Arbeit sollen Verbesserungen der Eigenschaften der Lötnähte erzielt werden, die besonders in der Dünnblechverarbeitung mit Schwerpunkt Karosseriebau Anwendung finden. Wesentliche Ziele sind die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften, eine Erhöhung der Fügegeschwindigkeit, die Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens sowie eine Reduzierung der eingebrachten Wärmeenergie. Die Vielfältigkeit dieser Anforderungen macht es notwendig, die Versuche sowohl im Laser- als auch im MIG-Lötverfahren durchzuführen. Die Lötverfahren werden in der Praxis für unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Karosserie eingesetzt. Das Fügen von hochfesten Strukturelementen oder Außenhautbauteilen erfordert in Abhängigkeit von den Anforderungen die Verwendung ausgewählter Zusatzwerkstoffe. Die Vielfältigkeit der Werkstoffe und der Anforderungen spiegelt sich in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wieder. Für weitergehende Untersuchungen, speziell im hochfesten Blechbereich, soll die Arbeit entsprechende Grundlagen bieten. Als Vorlage für die Erarbeitung von experimentellen und theoretischen Methodiken der Prozessbetrachtung werden neben typischen Kupferloten neu entwickelte Lotlegierungen verwendet. Bei der Betrachtung der Kupferlegierungen werden die unterschiedlichen Einflüsse auf den Fügeprozess definiert und beschrieben. Es wird festgestellt, dass niedrig schmelzende Lote mit ausgewählter Legierungszusammensetzung im Gegensatz zu Eisenbasis-Schweißdrähten einen geringeren negativen Einfluss auf das Gefüge der Bleche im Nahtbereich ausüben. Um die thermische Beanspruchung, besonders in der Wärmeeinflusszone, während des Fügeprozesses gering zu halten, kann zusätzlich eine geeignete Stromquellentechnik zum Einsatz kommen. Mit Hilfe des „kalten“ Lichtbogens ist es möglich, die eingebrachte Streckenenergie weiter zu reduzieren. Faktoren, die den Energieeintrag beeinflussen, werden in der vorliegenden Arbeit in experimentellen und theoretischen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Festigkeitsverhalten betrachtet. Es werden durch geeignete Legierungskombinationen die Einflüsse auf die Steigerung der Lötgeschwindigkeit und auf eine Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern die Informations- und Beweisbasis für die erarbeiteten Legierungssysteme und ermöglichen es, den optimierten Lötprozess an hochfesten Stahlblechen wissenschaftlich zu betrachten. Die Auswertung der wissenschaftlichen Experimente, dargestellt in den angefügten ausführlichen Tabellen, stellen die Zusammenhänge zwischen der Legierungsauswahl und der eingebrachten Streckenenergie dar. Die Erkenntnisse aus der vorliegenden Arbeit sollen für das Fügen von hochfesten Blechen die Entscheidung über die Auswahl geeigneter Zusatzwerkstoffe erleichtern. Die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen anhand mathematischer Modelle zur Beschreibung der physikalischen Prozesse der Wärmezufuhr durch Verwendung eines ausgewählten Lotes in Kombination mit geeigneter Stromquellentechnologie sind die Grundlage für die Optimierung des Lötprozesses. Die vorgeschlagenen Modelle zur Entwicklung und Optimierung von Lichtbogenlötprozessen mit neu entwickelten Lotlegierungen wurde im Rahmen der vorgelegten Arbeit an realen Blechqualitäten angewendet und überprüft. In den Ergebnissen hat sich bestätigt, dass die Verwendung spezieller Kupferlote zu verbesserten Verarbeitungseigenschaften führen, und damit Konzepte zum wirtschaftlich verbesserten Fügen angeboten werden.:Inhalt 1. Einleitung. Kritische Bewertung der Literatur und Problemanalyse. 11 Perspektiven 1.1. Bedeutung des Lichtbogenlötens an höherfesten Stahlblechen 11 1.2. Entwicklungsstand bei höherfesten Dünnblechen und geeigneten 12 Lotwerkstoffen 1.3. Lichtbogenlöten an höherfesten Stahlblechen und Verfahrensgrenzen 15 2. Wissenschaftliche Problemstellung und Lösungsmöglichkeiten 16 2.1. Problemdarstellung 17 2.1.1. Problematik hochfester Grundwerkstoff 18 2.1.2. Löten vs. Schweißen 18 2.2. Lösungsstrategien und angestrebte Lösungswege 20 3. Theoretische Herleitung eines Mehrphasenmodells auf Kupferbasis 22 mit erhöhten Festigkeitseigenschaften 3.1. Voraussetzungen für die Legierungsbildung in Kupfer 22 3.2. Einfluss wesentlicher Legierungselemente auf die Eigenschaften von 26 Kupferlegierungen 3.2.1. Silizium 26 3.2.2. Aluminium 28 3.2.3. Mangan, Nickel, Zinn, Silber, Mikrolegierungselemente 29 3.3. Ermittlung optimierter Legierungen 30 3.4. Gieß- und ziehtechnische Einschränkungen 33 4. Versuchsdurchführung und Untersuchungsmethoden 34 4.1. Laserlöten 34 4.1.1. Grundwerkstoffe 34 4.1.2. Lote 34 4.1.3. Versuchsaufbau 36 4.1.4. Festlegung der Prozessdaten 37 4.1.5. Versuchsdurchführung 39 4.1.5.1. Bördelnaht DX54D+Z100 39 4.1.5.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 40 4.1.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel bei unterschiedlichen 41 Lötgeschwindigkeiten 4.1.5.4. Korrosionsverhalten 43 4.2. MIG-Löten 44 4.2.1. Grundwerkstoffe 44 4.2.2. Lote 44 4.2.3. Versuchsaufbau 45 4.2.4. Messdatenerfassung 47 4.2.5. Versuchsdurchführung 48 4.2.5.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 48 4.2.5.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 49 4.2.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel 49 4.2.5.4. Untersuchung des Wärmeeintrages 50 4.2.5.5. Phosphatierungsverhalten 51 5. Versuchsauswertung 52 5.1. Laserlöten 52 5.1.1. Visuelle Prüfung 52 5.1.1.1. Bördelnaht DX54D+Z100 52 5.1.1.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 55 5.1.2. Statische Zugversuche 56 5.1.2.1. Bördelnaht DX54D+Z100 57 5.1.2.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 58 5.1.3. Mikroskopische Untersuchungen 60 5.1.3.1. Bördelnaht DX54D+Z100 60 5.1.3.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 63 5.1.4. Benetzungsverhalten 65 5.1.5. Beurteilung des Korrosionsverhaltens 67 5.2. MIG-Löten 69 5.2.1. Visuelle Prüfung 69 5.2.1.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 69 5.2.1.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 71 5.2.2. Statische Zugversuche 73 5.2.2.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 73 5.2.2.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 75 5.2.3. Härteverläufe 80 5.2.3.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 80 5.2.3.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 82 5.2.4. Mikroskopische Untersuchungen 83 5.2.4.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 83 5.2.4.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 86 5.2.5. Benetzungsverhalten 87 5.2.6. Schutzgas 89 5.2.7. Thermische Untersuchung 90 5.2.8. Phosphatierungsverhalten 92 6. Betrachtung von Optimierungskriterien 94 6.1. Werkstofftechnische Betrachtungen 95 6.1.1. Legierungssysteme 95 6.1.2. Einfluss von Oberflächenbeschichtungen 96 6.1.3. Streckenenergiebetrachtungen 96 6.2. Betrachtung des Einflusses von Nahtgeometrie, Schutzgas und 96 Gerätetechnik 6.2.1. Nahtgeometrie 96 6.2.2. Gerätetechnik 97 7. Übertragung der Ergebnisse auf andere hochfeste Stähle 97 8. Erprobung unter seriennahen Bedingungen 99 9. Zusammenfassung und Ausblick 101 10. Anhang 104

In der Arbeit werden spezielle Kupferlote im MIG- und Laserlötverfahren an Stählen mit unterschiedlichem Festigkeitsverhalten untersucht. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, den Lötprozess durch den Einsatz spezieller Kupferbasislote zu optimieren und durch reduzierten Energieeintrag ein homogeneres Eigenschaftsfeld im Bereich der Fügestelle zu erzeugen. Den Verarbeitern dieser Werkstoffe soll die Möglichkeit gegeben werden, diese Werkstoffe rationeller und mit höherer Effektivität zu verarbeiten. Im Ergebnis der Arbeit sollen Verbesserungen der Eigenschaften der Lötnähte erzielt werden, die besonders in der Dünnblechverarbeitung mit Schwerpunkt Karosseriebau Anwendung finden. Wesentliche Ziele sind die Erhöhung der Festigkeitseigenschaften, eine Erhöhung der Fügegeschwindigkeit, die Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens sowie eine Reduzierung der eingebrachten Wärmeenergie. Die Vielfältigkeit dieser Anforderungen macht es notwendig, die Versuche sowohl im Laser- als auch im MIG-Lötverfahren durchzuführen. Die Lötverfahren werden in der Praxis für unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Karosserie eingesetzt. Das Fügen von hochfesten Strukturelementen oder Außenhautbauteilen erfordert in Abhängigkeit von den Anforderungen die Verwendung ausgewählter Zusatzwerkstoffe. Die Vielfältigkeit der Werkstoffe und der Anforderungen spiegelt sich in den Untersuchungen der vorliegenden Arbeit wieder. Für weitergehende Untersuchungen, speziell im hochfesten Blechbereich, soll die Arbeit entsprechende Grundlagen bieten. Als Vorlage für die Erarbeitung von experimentellen und theoretischen Methodiken der Prozessbetrachtung werden neben typischen Kupferloten neu entwickelte Lotlegierungen verwendet. Bei der Betrachtung der Kupferlegierungen werden die unterschiedlichen Einflüsse auf den Fügeprozess definiert und beschrieben. Es wird festgestellt, dass niedrig schmelzende Lote mit ausgewählter Legierungszusammensetzung im Gegensatz zu Eisenbasis-Schweißdrähten einen geringeren negativen Einfluss auf das Gefüge der Bleche im Nahtbereich ausüben. Um die thermische Beanspruchung, besonders in der Wärmeeinflusszone, während des Fügeprozesses gering zu halten, kann zusätzlich eine geeignete Stromquellentechnik zum Einsatz kommen. Mit Hilfe des „kalten“ Lichtbogens ist es möglich, die eingebrachte Streckenenergie weiter zu reduzieren. Faktoren, die den Energieeintrag beeinflussen, werden in der vorliegenden Arbeit in experimentellen und theoretischen Untersuchungen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Festigkeitsverhalten betrachtet. Es werden durch geeignete Legierungskombinationen die Einflüsse auf die Steigerung der Lötgeschwindigkeit und auf eine Verbesserung des Phosphatierungsverhaltens untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen liefern die Informations- und Beweisbasis für die erarbeiteten Legierungssysteme und ermöglichen es, den optimierten Lötprozess an hochfesten Stahlblechen wissenschaftlich zu betrachten. Die Auswertung der wissenschaftlichen Experimente, dargestellt in den angefügten ausführlichen Tabellen, stellen die Zusammenhänge zwischen der Legierungsauswahl und der eingebrachten Streckenenergie dar. Die Erkenntnisse aus der vorliegenden Arbeit sollen für das Fügen von hochfesten Blechen die Entscheidung über die Auswahl geeigneter Zusatzwerkstoffe erleichtern. Die Ergebnisse der theoretischen Untersuchungen anhand mathematischer Modelle zur Beschreibung der physikalischen Prozesse der Wärmezufuhr durch Verwendung eines ausgewählten Lotes in Kombination mit geeigneter Stromquellentechnologie sind die Grundlage für die Optimierung des Lötprozesses. Die vorgeschlagenen Modelle zur Entwicklung und Optimierung von Lichtbogenlötprozessen mit neu entwickelten Lotlegierungen wurde im Rahmen der vorgelegten Arbeit an realen Blechqualitäten angewendet und überprüft. In den Ergebnissen hat sich bestätigt, dass die Verwendung spezieller Kupferlote zu verbesserten Verarbeitungseigenschaften führen, und damit Konzepte zum wirtschaftlich verbesserten Fügen angeboten werden.:Inhalt 1. Einleitung. Kritische Bewertung der Literatur und Problemanalyse. 11 Perspektiven 1.1. Bedeutung des Lichtbogenlötens an höherfesten Stahlblechen 11 1.2. Entwicklungsstand bei höherfesten Dünnblechen und geeigneten 12 Lotwerkstoffen 1.3. Lichtbogenlöten an höherfesten Stahlblechen und Verfahrensgrenzen 15 2. Wissenschaftliche Problemstellung und Lösungsmöglichkeiten 16 2.1. Problemdarstellung 17 2.1.1. Problematik hochfester Grundwerkstoff 18 2.1.2. Löten vs. Schweißen 18 2.2. Lösungsstrategien und angestrebte Lösungswege 20 3. Theoretische Herleitung eines Mehrphasenmodells auf Kupferbasis 22 mit erhöhten Festigkeitseigenschaften 3.1. Voraussetzungen für die Legierungsbildung in Kupfer 22 3.2. Einfluss wesentlicher Legierungselemente auf die Eigenschaften von 26 Kupferlegierungen 3.2.1. Silizium 26 3.2.2. Aluminium 28 3.2.3. Mangan, Nickel, Zinn, Silber, Mikrolegierungselemente 29 3.3. Ermittlung optimierter Legierungen 30 3.4. Gieß- und ziehtechnische Einschränkungen 33 4. Versuchsdurchführung und Untersuchungsmethoden 34 4.1. Laserlöten 34 4.1.1. Grundwerkstoffe 34 4.1.2. Lote 34 4.1.3. Versuchsaufbau 36 4.1.4. Festlegung der Prozessdaten 37 4.1.5. Versuchsdurchführung 39 4.1.5.1. Bördelnaht DX54D+Z100 39 4.1.5.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 40 4.1.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel bei unterschiedlichen 41 Lötgeschwindigkeiten 4.1.5.4. Korrosionsverhalten 43 4.2. MIG-Löten 44 4.2.1. Grundwerkstoffe 44 4.2.2. Lote 44 4.2.3. Versuchsaufbau 45 4.2.4. Messdatenerfassung 47 4.2.5. Versuchsdurchführung 48 4.2.5.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 48 4.2.5.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 49 4.2.5.3. Ermittlung der Benetzungswinkel 49 4.2.5.4. Untersuchung des Wärmeeintrages 50 4.2.5.5. Phosphatierungsverhalten 51 5. Versuchsauswertung 52 5.1. Laserlöten 52 5.1.1. Visuelle Prüfung 52 5.1.1.1. Bördelnaht DX54D+Z100 52 5.1.1.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 55 5.1.2. Statische Zugversuche 56 5.1.2.1. Bördelnaht DX54D+Z100 57 5.1.2.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 58 5.1.3. Mikroskopische Untersuchungen 60 5.1.3.1. Bördelnaht DX54D+Z100 60 5.1.3.2. Überlappnaht DX54D+Z100 / HC180BD 63 5.1.4. Benetzungsverhalten 65 5.1.5. Beurteilung des Korrosionsverhaltens 67 5.2. MIG-Löten 69 5.2.1. Visuelle Prüfung 69 5.2.1.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 69 5.2.1.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 71 5.2.2. Statische Zugversuche 73 5.2.2.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 73 5.2.2.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 75 5.2.3. Härteverläufe 80 5.2.3.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 80 5.2.3.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 82 5.2.4. Mikroskopische Untersuchungen 83 5.2.4.1. Überlappnaht 22MnB5+AS 83 5.2.4.2. Überlappnaht HCT780XD Z70 (DP 800), HCT690T Z100 (TRIP700) 86 5.2.5. Benetzungsverhalten 87 5.2.6. Schutzgas 89 5.2.7. Thermische Untersuchung 90 5.2.8. Phosphatierungsverhalten 92 6. Betrachtung von Optimierungskriterien 94 6.1. Werkstofftechnische Betrachtungen 95 6.1.1. Legierungssysteme 95 6.1.2. Einfluss von Oberflächenbeschichtungen 96 6.1.3. Streckenenergiebetrachtungen 96 6.2. Betrachtung des Einflusses von Nahtgeometrie, Schutzgas und 96 Gerätetechnik 6.2.1. Nahtgeometrie 96 6.2.2. Gerätetechnik 97 7. Übertragung der Ergebnisse auf andere hochfeste Stähle 97 8. Erprobung unter seriennahen Bedingungen 99 9. Zusammenfassung und Ausblick 101 10. Anhang 104

Purpose: The purpose of this study has been to investigate the essentials of being able to incorporate high-strength steels (460 MPa and beyond) for structural elements in buildings. As of late, structural steels with a yield point of 355 MPa have been considered standard and have been for the past decade. One of the problems that occur with an increased yield point, is that deflection of structural elements increases, as the Young’s modulus does not increase with increasing yield point. Welding, stability, behavior during fire, and fatigue are also subjects of interest. Method: The study was conducted through several courses of action: a literature review covering the latest research of high-strength steels within the sought-after area of interest, followed by calculations of a truss resting on two columns, being subject to bending moment and compressive force, in both 355 MPa and 700 MPa, in order to review the differences that occur and how they can be counteracted. Lastly, interviews were carried out, where structural engineers gave their thoughts and experiences on the matter at hand. Results: The results show that welding is one of the largest hurdles with being able to utilize high-strength structural steels, though there are newer, more promising methods of welding which can be used, such as electron beam welding. Regarding structural integrity and buckling of structural elements, high-strength steel can be used for trusses, where the structural members are mainly being pulled, opposed to being subject to compressive force. This was shown with the performed calculations, during the interviews, and by the literature overview. Conclusions: The general conclusions of the study is that for welding, further research, education, and training is required for all concerned parts, such as the structural engineers and the on-site welders, which will increase the knowledge regarding how welding of high-strength steels should be performed, but also raise awareness about newer and more modern methods. Fire behavior for high-strength steels are a higher risk factor that should be treated and executed with higher degrees of caution by engineers. Reduction factors for fire affected steel construction elements should be corrected to fit the behavior for high-strength steels as well, as they differ from the current Eurocode 3 for lower class steels. Problems with instability can be counteracted by utilizing the steel in pulled structural members, such as trusses and struts. Lastly, for high-strength steels to be used more widely, structural engineers and manufacturers need to work together for any of the two to profit, as low production rates are costly.

Friction bit joining (FBJ) is a new method that enables lightweight metal to be joined to advanced high-strength steels. Weight reduction through the use of advanced high-strength materials is necessary in the automotive industry, as well as other markets, where weight savings are increasingly emphasized in pursuit of fuel efficiency. The purpose of this research is twofold: (1) to understand the influence that process parameters such as bit design, material type and machine commands have on the consistency and strength of friction bit joints in dissimilar metal alloys; and (2) to pioneer machine and bit configurations that would aid commercial, automated application of the system. Rotary broaching was established as an effective bit production method, pointing towards cold heading and other forming methods in commercial production. Bit hardness equal to the base material was found to be highly critical for strong welds. Bit geometry was found to contribute significantly as well, with weld strength increasing with larger bit shaft diameter. Solid bit heads are also desirable from both a metallurgical and industry standpoint. Cutting features are necessary for flat welds and allow multiple material types to be joined to advanced high-strength steel. Parameters for driving the bit were established and relationships identified. Greater surface area of contact between the bit and the driver was shown to aid in weld consistency. Microstructure changes resulting from the weld process were characterized and showed a transition zone between the bit head and the bit shaft where bit hardness was significantly increased. This zone is frequently the location of fracture modes. Fatigue testing showed the ability of FBJ to resist constant stress cycles, with the joined aluminum failing prior to the FBJ fusion bond in all cases. Corrosion testing established the use of adhesive to be an effective method for reducing galvanic corrosion and also for protecting the weld from oxidation reactions.

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