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Gewusst wie

28.09.2006 | Redakteur: MM

Vergleich von Fügeverfahren für Leichtmetalle und Mischbauweisen. Im Zuge zunehmender Leichtbaubestrebungen gibt es eine verstärkte Nachfrage nach Verbindungen von Stahl mit Aluminium. Das...

Vergleich von Fügeverfahren für Leichtmetalle und MischbauweisenIm Zuge zunehmender Leichtbaubestrebungen gibt es eine verstärkte Nachfrage nach Verbindungen von Stahl mit Aluminium. Das Reibschweißen ist zur Herstellung solcher Werkstoffverbunde nicht nur besonders geeignet unter den Anforderungen nach gleichbleibend hoher Qualität in der Serienfertigung, sondern praktisch konkurrenzlos. Beim Rotationsreibschweißen werden mit drehender Relativbewegung zumeist rotationssymmetrische Rohr- oder Vollquerschnitte stumpf verbunden. Dabei werden die Werkstoffe nicht aufgeschmolzen, sondern unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums in festem, plastischem Zustand unter Krafteinwirkung gefügt. Durch die sehr kurze Prozesszeit (manchmal nur 0,3 s) gelingt es, die Bildung spröder intermetallischer Phasen auf ein unkritisches Maß zu begrenzen. Eine Reihe von Anwendungsbeispielen verdeutlicht die Möglichkeiten des Reibschweißens von Aluminium mit Stahl:- Aluminiumrohre mit 20 mm Durchmesser und 2 mm Wanddicke erhalten am Rohrende einen Sockelbolzen mit Gewindeschaft M 8 aus Stahl. Ein solches Bauteil zeichnet sich durch niedriges Gewicht bei hoher Festigkeit des Anschlusspunktes aus.- An Gelenkwellen erhielt das Stahlteil einen zusätzlichen Rohransatz, um die Verbindung aus dem Bereich großer Wanddickensprünge herauszunehmen. Ein 3 mm dickes Aluminiumrohr verbindet sich durch die Aufweitung bei der Plastifizierung vollflächig mit dem 4 mm dicken Stahlrohr.- Als Masseanschluss an eine Aluminiumkarosserie wird ein Stahlbolzen auf ein kleines, der Kraftabstützung wegen beidseitig zugängliches Aluminiumblech reibgeschweißt. Dieses Blech wird anschliessend mit einem Schmelzschweißverfahren an die Karosserie geschweißt.- Auch an Bremszylindern aus Aluminium lassen sich - wenn der Hohlkörper ausreichend formstabil ist - Gewindeanschlussstutzen aus Stahl mit Erfolg durch Reibschweißen anbringen.Eine Sonderform des Reibschweißens ist das Rührreibschweißen (friction stir welding). Bei diesem Verfahren wird ein rotierendes Werkzeug senkrecht zur Verbindungslinie entlang der Fügenaht bewegt. Die Aluminiumteile müssen dabei mit hoher Kraft fixiert werden. Da der Werkstoff nicht nach oben und nicht nach unten ausweichen kann, findet ein Fügeprozess statt. Einige Maschinen sind in Europa bereits in Betrieb - weitere Untersuchungen sollen das Verfahren zu einer breiten industriellen Anwendung führen.Die Bedeutung dieses Werkstoffes liegt in seiner Eigenschaft als kostengünstigstes Genaugießverfahren zur Fertigung von endmaßnahen Bauteilen bei mittleren und hohen Stückzahlen. Allerdings ist das Herstellen von Hohlkörpern damit nicht möglich - und dies verlangt nach einer geeigneten Fügetechnik. Schmelzschweißen kann dabei wegen des zwangsgelösten Gasgehaltes sowie des Verzugs endmaßnaher Bauteile problematisch sein. Am günstigsten schneiden dabei Strahlverfahren wie Laser- und Elektronenstrahlschweißen infolge ihres ausgeprägten Tiefschweißeffektes ab. Beim Elektronenstrahlschweißen im Vakuum wird das Schweißbad durch den niedrigen Umgebungsdruck besonders wirkungsvoll entgast, so dass sich porenarme Schweißverbindungen mit minimalem Bauteilverzug herstellen lassen.Eine uneingeschränkte Schweißeignung für Laser- und Elektronenstrahlschweißen liegt bei Wasserstoffgehalten bis 5 mg pro 100 g Aluminium vor. Bei Mischverbindungen mit wasserstoffarmen Knetlegierungen oder Strangpressprofilen werden die Legierungen durchmischt - der hierdurch reduzierte Einfluss des Wasserstoffs führt zu höherer Nahtqualität.Zum mechanisierten Schweißen wurden als Schmelzschweißverfahren das Plasmaschweißen mit Elektrode am Pluspol und das MIG-Schweißen untersucht. Ersteres ist für die industrielle Fertigung empfehlenswert, da es hochwertige artgleiche wie auch Mischverbindungen liefert, an denen Knetwerkstoffe beteiligt sind. Nach der Optimierung der Schweißparameter lagen die im Biegewechselversuch ermittelten Lebensdauerwerte geschweißter Proben nur geringfügig unter denen von ungeschweißten Proben.Beim MIG-Schweißen mit Impulslichtbogen wird die Nahtgüte an Druckguss stärker von den Schweißparametern beeinflusst als an Knetwerkstoffen. Einen großen Einfluss auf die Porosität hat die Impulsfrequenz. Zur Vorbehandlung der Fugenflanken bewähren sich mechanisches Bürsten ebenso wie Beizen.In der industriellen Fertigung mit Robotern spielt die mögliche Schweißposition eine große Rolle. Das Plasmaschweißen liefert besonders günstige Entgasungsbedingungen in steigender Position mit Steigungswinkeln von 40 bis 50° . Beim MIG-Pulsen gilt dies für steigendes Schweißen mit Steigungswinkeln zwischen 10 und 70°.Die guten Gebrauchseigenschaften von Aluminiumlegierungen sorgen für ihre zunehmende Beachtung bei Leichtbaukonstruktionen. Nachteilig sind allerdings ihre unzureichenden Verschleißeigenschaften. Diese können beispielsweise durch Pulver-Plasma-Auftragschweißen verbessert werden, wie Untersuchungen an der TH Aachen gezeigt haben.Die vor dem Auftragschweißen notwendige Beseitigung der hochschmelzenden Oxidschicht des Aluminiums geschieht bei der in Aachen entwickelten Anlage durch die dauernde Pluspolung der als Elektrode eingesetzten Plasmagasdüse. Vorteil des Verfahrens ist die Verwendung pulverförmiger Zusatzwerkstoffe, auch solcher, die nicht gegossen oder wegen ihrer Sprödigkeit nicht als Draht hergestellt werden können.Eine der möglichen Anwendungen sind im Motorenbereich Großkolben aus Aluminium, bei denen im Bereich der ersten Ringnut hochlegierte Aluminiumwerkstoffe aufgetragen wurden und deren Verschleißverhalten dadurch um den Faktor Zehn verbessert worden ist. Eine andere mögliche Anwendung ergibt sich bei Alu-Hohlblasformen für Kunststoffprodukte, bei denen in gewissen Bereichen wegen hoher Belastungen durch Druck und Temperatur bisher Stahleinsätze verwendet werden, auf die man nach dem Plasma-Pulverauftragen verzichten könnte.Magnesium rückt zunehmend in den Blickpunkt des Interesses als Leichtbauwerkstoff. Es ist 40% leichter als Aluminium und damit der bisher leichteste Strukturwerkstoff überhaupt. Entgegen landläufiger Annahme ist es als Bauteil mit hoher Wärmekapazität schwer entflammbar, nur Späne oder Staub sind flamm- und explosionsgefährdet.Am Laserzentrum Hannover (LZH) und am Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren der TH Aachen wurden umfangreiche Untersuchungen zur schweißtechnischen Verarbeitung der Magnesiumlegierungen AZ31, AZ61, AZ91 und AM50 mit Elektronenstrahl- und mit Laserstrahlschweißen ausgeführt. Den in der Praxis zu erwartenden Anforderungen entsprechend wurden die Verbindungen mit verschiedenen Nahtgeometrien untersucht. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Verbindungen lagen in der Größenordnung der Werte der Grundwerkstoffe. Die Bruchdehnungen waren jedoch niedriger; alle untersuchten Werkstoffe hatten ein sprödes Bruchverhalten. Wichtig für das Schweißergebnis ist die Nahtvorbereitung, die gewählte Spanntechnik und das Entfernen der Oxid- und Hydridschichten. Kombinationsverfahren gehört die Zukunft Beide Verfahren eignen sich für die Massenfertigung von Leichtbaukonstruktionen im Fahrzeugbau. Das Elektronenstrahlschweißen im Vakuum erzeugt schmale, saubere Nähte, die bei korrekter Einstellung der Parameter und bei gasarmen Grundwerkstoffen keine Nacharbeit erfordern. Schwerpunkt dieses Verfahrens liegt bei Blechdicken über 3 mm. Es kam nicht zu den vielfach befürchteten Problemen im Vakuum mit verdampfendem Magnesium.Bei dünnen Werkstücken ist der Laser mit der einfachen Zufuhr von Schweißzusatz zur Spaltüberbrückung oder zum Auffüllen poröser Druckgusswerkstoffe vorteilhaft. Mit zunehmender Verwendung von Magnesiumlegierungen werden auch Verbindungsschweißungen von Gussteilen mit Knetlegierungen dieser Werkstoffe erforderlich. Das Reibschweißen bietet dazu eine wirtschaftliche Möglichkeit, auch im Hinblick auf Mischverbindungen. Voraussetzungen dafür sind Reproduzierbarkeit der Verbindungsgüte, Fehlertoleranz des Prozesses, Flexibilität bei sich ändernden Aufgaben und Dokumentationsfähigkeit des Prozesses.Einerseits geben neue Verfahren der Schweißtechnik Auftrieb. Andererseits aber sind stellenweise Tendenzen zu beobachten, anstelle des Schweißens andere Fügeverfahren einzusetzen. So werden bei der neuen Corsa-Generation von Opel an zahlreichen Stellen zur Senkung der Reparaturkosten anstelle von Schweißverbindungen Schraubverbindungen verwendet werden. Der Vorteil der unlösbaren Schweißverbindung musste also einem anderen Gesichtspunkt, nämlich der kostengünstigeren Reparaturmöglichkeit weichen. So wird beispielsweise der vordere, aus einem rechteckigen Vierkammer-Aluminiumprofil gefertigte Stoßfänger-Querträger über Crashboxen mit der Karosserie verschraubt.Der Kombination verschiedener Verfahren dürfte die Zukunft gehören. Strukturelles Kleben erhöht im Automobilbau die Steifigkeit von Karosserien um 15 bis 30% und wird mit mechanischen oder schweißtechnischen Fügeverfahren kombiniert. Das ist besonders interessant, wenn an der Karosserie verschiedene Werkstoffe verwendet werden wie Stahl und Aluminium. Und schließlich soll erwähnt werden, dass Aluminium als Gusskonstruktion der Schweißtechnik laufend Aufgaben abnimmt. Das kann eine komplette Airbus-Tür aus Sandguss sein oder auch ein Druckguss-Integralträger für die C-Klasse von Mercedes, der eine Schweißkonstruktion aus 28 Einzelteilen ersetzt.

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