Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Neuartige Fügetechnologie zur Herstellung hybrider Bauteilstrukturen mit kurzem Flansch aus höchstfestem Stahl und Aluminium

Im Fahrzeugleichtbau werden zunehmend höchstfeste Stähle eingesetzt und diese mit Bauteilen aus Al-Legierungen kombiniert. Für diese Werkstoffkombination wurden mechanische Fügeverfahren weiterentwickelt, die jedoch grundsätzliche technologische Grenzen aufweisen und speziell im Bereich der KMU nicht so verbreitet angewendet werden wie die Widerstandsschweißtechnik. Speziell beim Fügen formgehärteter Bauteile mit dünnen Al-Blechen sind hohe Fügekräfte und kleine Toleranzfelder für einen stabilen Fügeprozess erforderlich.

Für die Realisierung eines kostenattraktiven Leichtbaus soll ein Verfahren für Mischverbindungen aus hoch- und höchstfesten Stählen mit Al-Blechen entwickelt werden, bei dem einfache kostengünstige Fügeelemente und kurze Flansche umsetzbar sind und das auch unter unterschiedlichen Produktionsrandbedingungen flexibel anwendbar ist, wie sie häufig bei KMU erforderlich sind und bei denen kurze Flansche <10mm möglich sind.

Die Technologie soll es KMU ermöglichen, ihr Knowhow aus der Widerstandsschweißtechnik zu nutzen und damit Stahl-Aluminium-Verbindungen herstellen zu können, ohne auf Niet- oder Schraubtechnik umzustellen, was mit erheblichen Investitionen in Anlagen und Mitarbeiter verbunden ist.

Die Fügeelemente sollen aus Schweißdraht hergestellt werden und in der Verbindungsebene den Werkstoffübergang von Stahl auf Aluminium bilden, ohne das intermetallische Phasen die Verbindungseigenschaften verschlechtern. Die Verbindung soll durch einen sehr kurzen Schweißprozess < 50ms erfolgen und dabei so wenig Wärme einbringen, das zusätzliches Kleben möglich ist. Die Verbindungseigenschaften werden an geeigneten Prüfkörpern ermittelt, wobei eine spezielle Mehrpunktprobe die komplexen Beanspruchungen im Produktionsprozess sowie im Betrieb nachbilden soll.

Neben den Anwendern aus dem Bereich der Komponenten- und Zuliefererindustrie sollen Hersteller von Schweißanlagen von den Ergebnissen profitieren, welche größtenteils klein und mittelständig geprägt sind.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde ein neuartiges Fügeverfahren zur Verbindung von Aluminium- mit Stahlblechen durch Buckelschweißen unter Verwendung eines drahtförmigen Schweißelements entwickelt. In einem zweistufigen Prozess wird zunächst das Drahtelement aufgeschweißt. In einem zweiten Prozessschritt erfolgt die Blechverbindung mit einer konventionellen MFDC-Schweißanlage. Der Kurzzeit-Schweißprozess erfolgt mit sehr geringem Wärmeeintrag, der auch einen überlagerten Klebstoffeinsatz erlaubt. Als geeignete Elementwerkstoffe wurden Cu- und Fe-Basis-Legierungen identifiziert. Da keine typische Ausbildung einer Schweißlinse erfolgte, wurden Qualitätskriterien zur Beurteilung der Verbindungen erarbeitet. Diese ermöglichen es Prozessparameterfenster aufzustellen. Zwei mögliche Konzepte wurden für die Drahtelementapplikation vorgeschlagen und vergleichend gegenübergestellt. Zur automatisierten Erkennung der applizierten Drahtelemente wurde die Wirbelstromprüfung erprobt. Es konnten sowohl das vorhandene Element als auch dessen Position sowie Längenabweichungen und Winkelversatz nachgewiesen werden. Abschließend wurde die Prozessfähigkeit an einem bauteilähnlichen Probekörper nachgewiesen.

Die Ergebnisse des Vorhabens sind insbesondere für KMU in der metallverarbeitenden Industrie relevant, die Mischbauweisen mit Stahl- und Aluminiumblechen für den Automobilbau-, die Luftfahrtindustrie u. ä. realisieren müssen. Die Technologie basiert auf der Weiterentwicklung der weit verbreiteten Widerstandsschweißtechnik. Neben Verarbeitern von Stahlblechen (Teile- oder Produkthersteller, Automobilzulieferer) profitieren ebenso die Hersteller von Schweißanlagen. Für die neuartige Fügetechnologie kann nach geringen Anpassungen handelsübliche Anlagentechnik genutzt werden. So können auf einer Fertigungslinie mit bereits vorhandenen Fügeeinrichtungen (RP-Anlagen) flexibel sowohl Stahl-Stahl-Verbindungen (konventionelles Widerstandspunktschweißen) als auch Stahl-Aluminium-Verbindungen gefertigt werden.