Geschweißte Stahl-Aluminium-Mischverbindung lässt sich sogar umformen

Laser fügen Stahl- und Alu-Blech

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Schweißen | Ganz ohne Stahl geht es auch im Leichtbau nicht – etwa dort, wo höhere Festigkeiten gefordert sind. Um Stahl und Aluminium zu fügen, haben Fraunhofer-Institute zwei neue Methoden entwickelt.

Werden – wie beim Automobil – an bestimmten Stellen besondere Anforderungen an Festigkeit und Verformbarkeit gestellt, müssen Aluminiumlegierungen oft passen. Dort ist dann Stahl gefragt. Doch zum Verschweißen beider Blechwerkstoffe braucht es meist größere Überlappungen. Um den Leichtbau-Vorteil dennoch auszuschöpfen, hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen ein zweistrahliges Laserverfahren entwickelt, das feste und qualitativ hochwertige Verbindungen zwischen Stahl und Aluminium herstellt: durch Bördelnähte oder kleinere Überlappungen.

Nach Angaben von Sascha Frank, Leiter des Forschungsprojektes, ist das zweistrahlige Fügeverfahren besonders für Blechverbindungen geeignet, bei denen es auf eine qualitativ hochwertige Nahtoberfläche mit minimalem Nachbearbeitungsaufwand und starker Festigkeit ankommt. Auch thermische Schädigungen oder Verzug bleiben geringer als bei herkömmlichen Verfahren, da der gesamte Laserprozess bei niedriger Temperatur abläuft. Die hohe Prozessgeschwindigkeit des Zweistrahlverfahrens qualifiziere das Fügeverfahren für einen automatisierten Serieneinsatz, betont Frank.
Das vom IPT entwickelte Verfahren kombiniert zwei Laserstrahlen: einen gepulsten mit einem kontinuierlichen. Der kontinuierliche Laserstrahl erwärmt – wie beim klassischen Laserlötprozess – beide Werkstoffe. Dann zerstört der zweite, gepulste Laser die dichte, hitzebeständige Oxidschicht des Aluminiums und ermöglicht die Benetzung. So gelingt es, das Alu-Blech bei besonders geringer Temperatur schnell und ohne umweltschädliche Flussmittel mit dem Stahl zu verbinden.
Auch spröde intermetallische Phasen, die bei zu hohen Prozesstemperaturen entstehen, lassen sich vermeiden. Im Gegenteil: Die Festigkeit der Verbindung könne mit dem Zweistrahlverfahren sogar höher sein als die des Ausgangsmaterials. Zusätzlich zugeführte Zink- oder Aluminiumdrähte unterstützen die Bildung einer guten Naht.
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden geht einen anderen Weg. Es produziert ein hochbelastbares Zwischenstück zwischen Stahl- und Alu-Blech und kombiniert dafür zwei Fügeverfahren, das Laserstrahlschweißen und das Laserinduktionswalzplattieren (LIWP). „Mit den beiden Verfahren lassen sich gänzlich verschiedene Metalle in hoher Qualität miteinander verbinden“, erklärt Professor Berndt Brenner vom Fraunhofer IWS Dresden. In seiner Abteilung „Randschicht- und Fügetechnologien“ werden die beiden Verfahren seit Jahren untersucht und weiterentwickelt.
„Die Vereinigung der beiden Verfahren eröffnet vor allem für Werkstoffkombinationen aus Stahl und Leichtmetallen neue Anwendungsmöglichkeiten“, führt Prof. Brenner weiter aus. „Im Vergleich zu herkömmlichen thermischen Fügeverfahren weisen die Verbindungen eine deutlich höhere Duktilität auf, sind umformbar und damit prädestiniert für Leichtbaukonstruktionen im Fahrzeugbau und für potenziell crashbelastete Zonen.“ Da es sich auch hier um linienförmige Verbindungen handelt, treten die für punktförmige Verbindungen typischen ungewollten Spannungsspitzen nicht auf. Die Verfahrenskombination präsentiert sich somit als wirtschaftliche Alternative zum Widerstandspunktschweißen, Clinchen oder Nieten, heißt es aus dem IWS.
Für Stahl-Alu-Mischverbindungen mit solchen guten mechanischen Eigenschaften bedarf es eines zweistufigen Prozesses: Im ersten Schritt, dem Laserinduktionswalzplattieren, entsteht ein Bimetallband aus der gewünschten Materialkombination. Dazu werden die zwei bandförmigen Ausgangsmaterialien induktiv vorgewärmt, mit einem speziell geformten Laserstrahl partiell auf Fügetemperatur gebracht und mittels Walzplattieren flächig miteinander verbunden. Es bildet sich eine sehr feste und zugleich duktile Fügezone, die nahezu frei von spröden intermetallischen Phasen ist, wie die Dresdener Wissenschaftler erklären.
Bereits das so hergestellte Band eignet sich für verschiedene Anwendungen. Beispielsweise in der Starkstromtechnik werden Kupfer- und Aluminiumbänder miteinander gefügt. In der Gleitlagerfertigung sind Verbindungen aus Stahl und Bronze oder Messing interessant. Das Fraunhofer IWS Dresden hat das Verfahren patentieren lassen. Die notwendige Anlagentechnik wurde mit Partnern aus der Industrie entwickelt, im IWS erprobt und bis zur Serienreife optimiert.
Beim Fügen von Blechen aus Aluminium einerseits und Stahl andererseits dient das geometrisch an die Verbindungsstelle angepasste Bimetallband als Bindeglied (Transition Joint) zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien. Es folgt der zweite Prozessschritt: Die jeweils artgleichen Verbindungen zwischen Blech und Transition Joint entstehen durch Laserstrahlschweißen, das Prozessgeschwindigkeiten von 5 m/min und mehr ermöglicht. Der dabei auftretende, lokal begrenzte Energieeintrag beeinträchtigt die Eigenschaften des Bimetallbandes nahezu nicht.
Neben Überlapp- und Eckstößen können auch echte Stumpfstöße erzeugt werden, wie sie bisher nur in der Tailored-Blank-Fertigung bekannt sind. Die anlagen- und prozesstechnischen Entwicklungen sind nach Angaben des IWS Dresden inzwischen auf einem Stand, der metallische Mischbauweisen in Realbauteilen möglich macht, beispielsweise für Karosserien. Mehrere wissenschaftliche Arbeiten belegten die sehr gute Umformbarkeit in Biege-, Crash- und Tiefziehversuchen, heißt es.
Metallische Mischbauweisen in bestehenden Produktionslinien möglich
Dr. Axel Jahn, Leiter der Gruppe „Bauteilauslegung“ am Fraunhofer IWS, führte erfolgreich Umformversuche mit herkömmlichen Tiefziehwerkzeugen durch. Damit sei gezeigt, dass die Einführung von Multimaterialbauweisen in bestehende Produktionslinien keine große Hürde mehr darstellt, teilt er mit. Mit seinen Mitarbeitern realisierte Jahn außerdem ein belastungsangepasstes Kastenprofil aus Stahl und Aluminiumblechen. Gegenüber herkömmlich punktgeschweißten Stahlprofilen mit denselben Außenabmessungen ergebe sich dabei eine Massereduktion von 30 % bei gleichem Crashverhalten.
Das Fraunhofer IWS bietet die kundespezifische Anpassung aus einer Hand an, von der belastungsgerechten Auslegung der Hybridbauteile über die Anpassung der Fügeprozesse bis hin zur Bauteilprüfung. (os) •
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