Rührreibschweißen erweitert Aluminium und Stahl im Materialmix sicher fügen

Redakteur: Peter Königsreuther

Wie das Technologie Lizenz-Büro (TLB) mitteilt, hat man zwei von der Universität Stuttgart neu entwickelte Verfahrensvarianten für das noch recht junge Rührreibschweißen, einem Presschweißvorgang, übertragen bekommen, und arbeitet nun daran, diese wirtschaftlich und weltweit in die Praxis umzusetzen. Auch artfremde Werkstoffe unterschiedlicher Dicke könnten damit jetzt sicher gefügt werden.

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Stahl und Aluminiumbleche unterschiedlicher Dicke können mit dem von der Uni Stuttgart entwickelten und bei der TLB GmbH jetzt in der Umsetzungsphase befindlichen Rührreibschweißen sicher miteinander gefügt werden.
Stahl und Aluminiumbleche unterschiedlicher Dicke können mit dem von der Uni Stuttgart entwickelten und bei der TLB GmbH jetzt in der Umsetzungsphase befindlichen Rührreibschweißen sicher miteinander gefügt werden.
(Bild: TLB)

Rührreibschweißen gilt als recht neuartiges und damit noch relativ unbekanntes Presschweißverfahren zum Fügen von flächigen Bauteilen und Halbzeugen aus Leichtmetallen. Aufgrund der hohen erzielbaren Verbindungsfestigkeit und dem damit einhergehenden Leichtbaupotential, werde der Prozess aber zunehmend in der Automobilindustrie, dem Maschinenbau und im Flugzeug- oder Schienenfahrzeugbau eingesetzt.

Drastisch verbesserte Werkstoffausnutzung

Wissenschaftler der Universität Stuttgart entwickelten nun zwei neue Verfahrensvarianten, die den Anwendungsbereich des Rührreibschweißens erheblich erweitern, wie das TLB sagt. Durch diese Verfahrensvarianten werde es erstmals möglich, Stahl- oder Aluminiumbleche unterschiedlicher Dicke wirtschaftlich und hochfest mit dem Rührreibschweißprozess zu fügen. So lasse sich die Werkstoffausnutzung von dünnen Stahlblechen in Aluminium-Stahl-Mischkarosserien um bis zu 100 % steigern.

Keine störenden Kanten mehr

Im Fahrzeugbau und im Bereich Maschinenbau werden in zunehmendem Maße die beiden Werkstoffe Stahl und Aluminium gemeinsam eingesetzt. Dadurch können die Vorteile beider Werkstoffe wie beispielsweise die hohe Festigkeit der Stähle und die geringe Dichte von Aluminium kombiniert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Festigkeiten der beiden Werkstoffe werden diese oftmals in unterschiedlichen Materialstärken eingesetzt. Die hochfeste Verbindung der Werkstoffe Stahl und Aluminium stellt deshalb ein elementares Problem der industriellen Fügetechnik dar.

Bisher werden Verbindungen zwischen artfremden Materialien unterschiedlicher Stärke durch Überlappschweißen hergestellt, weil mit diesem Verfahren hohe Biegemomente und Zug-Festigkeiten erreicht werden. Dabei können jedoch störende Kanten entstehen. Darüber hinaus besteht durch die direkte Kombination von unterschiedlichen Werkstoffen und den aus der Überlappung resultierenden Spalten eine erhöhte Gefahr für Korrosion.

Zug- und Schwingfester Verbund

Die am IMWF und der MPA Stuttgart forschenden Ingenieure und Techniker Prof. Dr. Ing. Stefan Weihe, Martin Werz, Max Hoßfeld und Oliver Volz entwickelten zwei Verfahren dafür. Mit den am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF) der Universität Stuttgart erarbeiteten Rührreibschweißverbindungen ist es möglich, Stahl- und Aluminiumbleche unterschiedlicher Dicke als Stumpfstoß wirtschaftlich und hochfest zu verbinden. Die gefügten Bauteile weisen dabei eine sehr hohe Zug- und Schwingfestigkeit auf, wie es heißt.

Bei dem einen Verfahren wird das Stahlblech so gefalzt, dass dessen Fügequerschnitt zur Anbindung an das Aluminiumblech im Bereich der Fügezone verdoppelt wird. So wird der Querschnitt des dünneren, festeren Bleches an der Verbindungsstelle erhöht. Dadurch kann das weichere Aluminium über seine gesamte Querschnittsfläche an den Stahl angebunden werden, erklären die Forscher.

Die Überlapp- und Stumpfstoß-Variante

Mit dem zweiten an der Universität Stuttgart entwickelten Verfahren kann in nur einem Schweißvorgang durch ein neu entwickeltes Werkzeug eine kombinierte Überlapp- und Stumpfstoßverbindung hergestellt werden. Die resultierende Anbindungsfläche im Vergleich zu konventionellen Stumpfstoßverbindungen mehr als verdoppelt. Die vergrößerte Anbindungsfläche und der hohe Formänderungswiderstand des Aluminiums führen zu exzellenten statischen und zyklischen Verbindungsfestigkeiten.

Bei der Verbindung solcher automobiltypischer Werkstoffe werden mit den neuen Verfahren Festigkeiten der Fügestelle von bis zu 99,4 % des Stahlbleches erreicht. Damit ermöglichen die neu entwickelten Schweißverbindungen die Einsparung von Werkstoffen und erhöhen gleichzeitig die Sicherheit der Fahrzeuginsassen bei Unfällen. Gerade im Schweißprozess erhöhen die neu entwickelten Verfahren die Wirtschaftlichkeit: sie erfordern weniger Arbeitsschritte und weniger Energie.

Nicht allein für Autobauer interessant

Außer vielen Anwendungen in der Automobilindustrie, sei das Verfahren auch für die Elektrobronche oder für die Elektromobilität interessant, weil mit dem Rührreibschweißen unter anderem auch Aluminium-Kupfer-Verbindungen herstellbar sein sollen.

Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Universität Stuttgart bei der Patentierung und Vermarktung der Innovationen. Für weitere Informationen: Dr.-Ing. Michael Ott (mott@tlb.de).

MM

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