Suchen

Fügetechnik Modifiziertes Rührreibschweißen schafft tiefziehbare Stahl-Alu-Hybridbleche

Redakteur: Peter Königsreuther

Die Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart hat auf Basis des Rührreibschweißens eine Methode entwickelt, mit der sich unterschiedlich dicke Aluminium- und Stahlbleche kombinieren lassen.

Firmen zum Thema

Auch unterschiedlich dicke Stahl- und Aluminiumbleche sicher miteinander verschweißen, und dann auch noch so, dass man das hybride Ausgangswerkstück später tiefziehen kann? – Das ist etwas, das die Spezialisten der Mateiralprüfungsanstalt der Universität Stuttgart beherrschen. Der Juni-Thinking 2019 der Landesagentur Leichtbau-BW hat sich das näher betrachtet...
Auch unterschiedlich dicke Stahl- und Aluminiumbleche sicher miteinander verschweißen, und dann auch noch so, dass man das hybride Ausgangswerkstück später tiefziehen kann? – Das ist etwas, das die Spezialisten der Mateiralprüfungsanstalt der Universität Stuttgart beherrschen. Der Juni-Thinking 2019 der Landesagentur Leichtbau-BW hat sich das näher betrachtet...
(Bild: MPA Stuttgart)

Die Naht sei so stabil, dass sich die Hybridplatinen sogar Tiefziehen ließen. Das ist eine gute Möglichkeit, um leichte und belastbare Bauteile zu fertigen, die dem Automobilbau neue Ansätze bieten, so die Forscher. Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation mit ihrem monatlichen Thinking für den Juni 2019.

Rührreibschweißen ist wie Marmorkuchenbacken

„Beim Rührreibverschweißen von Aluminium mit Stahl ist es wie beim Backen eines Marmorkuchens – der helle und der dunkle Teig sollen zwar eine Verbindung miteinander eingehen, dürfen aber nicht soweit miteinander vermischt werden, dass nur noch brauner, gemischter Teig entsteht“, erklärt Martin Werz von der Materialprüfungsanstalt (MPA) der Universität Stuttgart. Der gemischte Teig aus dem Kuchenbild wird bei Aluminium-Stahl-Verbindungen als intermetallische Phasen bezeichnet, die eigentlich spröde sind, so der Experte. Rührreibschweißen ist jedoch ein besonderer Fügeprozess, bei dem ein rotierendes Werkzeug (der „Rührer“ wenn man so will) längs des zu fügenden Spalts mit viel Kraft (daher das Reiben) entlangfährt und so die Blechplatinen miteinander verbindet.

Bildergalerie

Gleichzeitig stumpf und überlappend schweißen

Den Stuttgarter Wissenschaftler ist dazu eine Verfahrensabwandlung geglückt und die Entwicklung neuer Werkzeuge für das Rührreibschweißen, mit dem sich Aluminium- und Stahlbleche auch in unterschiedlicher Dicke miteinander hochfest verschweißen lassen, wie es weiter heißt. Schweiße man Stahl und Aluminium durch das bekannte Lichtbogenverfahren, komme es zu brüchigen intermetallische Verbindungen. „Beim Rührreibschweißen entstehen hingegen hochfeste und stabile Hybridplatinen“, präzisiert Werz. Man nennt diese auch „Hybrid Tailor Welded Blanks. Das besondere am Verfahren der MPA ist, dass man die Bleche gleichzeitig stumpf- und überlappschweißen kann und so eine größere Querschnittsfläche erzielt, die für eine höhere Festigkeit sorgt und folglich auch eine höhere Umformbarkeit ins Spiel bringt, erklärt Werz.

Schweißnaht hält auch komplexen Tiefzieheffekten stand

„Wir haben verschiedene Zugversuche gemacht. Die Schweißnaht hat gehalten und das Material der Probenstücke hat weit weg von der Naht schon vorher aufgegeben– so soll's sein“, betont Werz. Die Naht ist nachweislich so stabil, dass man die Hybridplatinen auch durch Tiefziehen umformen kann ohne dass die Naht versagt. „Auch bei komplexen Geometrien wie Rundungen hält die Schweißnaht, sagt Werz. Einen Anwendungsbereich für die hochfesten Aluminium-Stahl-Hybridstrukturen sieht der Forscher vor allem im Automobilbereich, wo man sich in einem Bauteil die Vorteile von dünnen Blechen aus hochfesten Stählen und Aluminiumblechen mit etwas höherer Dicke zunutze machen kann. „Das Endergebnis sind ressourcenschonend gefügte, wesentlich beulsteifere Bauteile“, erklärt er.

Rührreibgeschweißte Hybridbleche holen sich seltener eine Beule

Werz definiert: „Unter Beulsteifigkeit versteht man die Widerstandsfähigkeit eines Bauteils gegen eine Belastung im elastischen Bereich, die senkrecht zur Oberfläche wirkt – das heißt das Material gibt wie eine Feder nach und geht nach Ende der Beanspruchung wieder in die ursprüngliche Form zurück, ohne bleibende „Beule“.

Bisher, heißt es weiter, wird im Karosseriebau die Hybridisierung erst durch die Montage von Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen mit extra Verbindungslementen, wie etwa Niete, erreicht. Das ist zusätzlicher Material- und Zeitaufwand. Und die MPA-Entwicklung kann bereits in einzelnen Bauteilen Aluminium mit Stahl kombinieren. „So eröffnen sich zusätzliche Freiheitsgrade bei der Strukturoptimierung, die am Fahrzeug Gewicht reduzieren“, ist sich Werz sicher.

Das klappt auch mit Kupfer und Aluminium als Fügepartner

„Wir haben für unser neues Verfahren außer dem Schweißprozess auch weitere Teile der Prozesskette entwickelt“, merkt Werz an. Dazu gehöre unter anderem eine neuartige, energieeffiziente Wärmebehandlungsmethode sowie eine spezielle Umformmethode durch die der Dickenunterschied bei den rührreibgeschweißten Hybridplatinen berücksichtigt werden könne. „Außerdem könnte die von uns entwickelte Technik auch zum Schweißen von Kupfer- und Aluminiumblechen unterschiedlicher Dicke einsetzen. Das könnte zu einem neuen Ansatz werden, um Poolverbinder für die E-Mobilität anzufertigen“, stellt Werz sich vor. Der Vorteil: Man könnte sich dabei die spezifischen elektrischen Widerstände der beiden Metalle bei der Auswahl der Blechdicke zunutze machen: Beispielsweise etwas dickere, aber günstigere Aluminiumbleche mit dünneren Kupferblechen kombinieren.

Mehr zum Thema:

Ein um 10 % verringertes Rohkarosseriegewicht geschätzt

„Nach aktuellen Schätzungen ist davon auszugehen, dass durch die Anwendung entsprechender Hybridplatinen im Automobilbau das Gewicht der Rohbaukarosserien bei Beibehaltung der Sicherheit um circa 10 % gesenkt werden kann“, prognostiziert Werz. „Betrachtet man die gesamte Lebensdauer und Fahrleistung eines Pkw, reduziert das um diesen Betrag verringerte Gewicht den Treibstoffverbrauch und die Emissionen spürbar“, ergänzt Dr. Wolfgang Seeliger, Geschäftsführer der Leichtbau BW GmbH, im Rahmen des Thinking Juni 2019.

(ID:45965142)