IFU Stuttgart

Höchstfeste Tailor-Welded-Blanks für die Aluminium-Stahl-Mischbauweise

| Autor / Redakteur: Martin Werz, Philipp Schmid, Florian Panzer und Phuc Lanh Nguyen / Frauke Finus

Rührreibgeschweißte Aluminium-Stahl-Verbindung: Die Verbindungskonfiguration wird durch Beilegen eines 1 mm dicken Aluminiumstreifens zu den beiden Grundblechen erzeugt.
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Rührreibgeschweißte Aluminium-Stahl-Verbindung: Die Verbindungskonfiguration wird durch Beilegen eines 1 mm dicken Aluminiumstreifens zu den beiden Grundblechen erzeugt. (Bild: MPA Universität Stuttgart)

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Tailored-Blanks sind aus verschiedenen Materialien und Dicken zusammengesetzte Bleche, die nach dem Umformen unter anderem in Pkw-Türen eingesetzt werden. Eine Herausforderung dabei ist die Verbindungstechnik. Durch an der Universität Stuttgart entwickelte Verbindungskonfigurationen und Prozessabwandlungen beim Rührreibschweißen lassen sich jetzt erstmals Aluminium- und Stahlbleche mit unterschiedlichen Dicken miteinander verbinden.

Die wirtschaftliche Herstellung von Leichtbaustrukturen basiert in zunehmendem Maße auf der Kombination unterschiedlicher metallischer Hochleistungswerkstoffe. So werden zum Beispiel in modernen Automobilkarosserien höchstfeste Stähle und Aluminiumlegierungen im Verbund eingesetzt. Dadurch kann bei komplexen Bauteilen an unterschiedlichen Stellen der jeweils geeignetste Werkstoff eingesetzt und damit der Werkstoffverbrauch signifikant reduziert werden. Tailored-Blanks sind aus verschiedenen Materialien und Dicken zusammengesetzte Bleche, die nach dem Umformen unter anderem in Pkw-Türen, Radhäusern oder Karosserieböden eingesetzt werden. Eine der Kernherausforderungen bei der Herstellung von Tailored-Blanks aus Aluminium und Stahl ist die Verbindungstechnik. Mithilfe des Rührreibschweißens [1] [2] als Solid-State-Fügeverfahren lassen sich Bauteile verschweißen, ohne die Werkstoffe dabei in die flüssige Phase überführen zu müssen. Daher eignet sich das Rührreibschweißen vor allem zum Verbinden von höchstfesten Aluminiumlegierungen sowie auch zur Herstellung von Aluminium-Stahl-Verbunden [3] [4]. Grund dafür sind die Prozesstemperaturen unterhalb des Schmelzpunktes, wodurch die Bildung spröder intermetallischer Phasen im Vergleich zu Schmelzschweißverfahren weitestgehend verhindert wird. Durch an der Universität Stuttgart entwickelte Verbindungskonfigurationen und Prozessabwandlungen des Rührreibschweißens lassen sich erstmals Aluminium- und Stahlbleche mit unterschiedlichen Dicken höchstfest miteinander verbinden [5].

Gute mechanische Eigenschaften

Es kann durch ein mehrfach gestuftes Rührreibschweißwerkzeug in einem Schweißvorgang eine kombinierte Überlapp- und Stumpfstoßverbindung erzeugt werden. Dazu werden das Stahl- und Aluminiumblech bündig aneinander gelegt, der Dickenunterschied wird durch das Beilegen eines Aluminiumstreifens auf den Stahl ausgeglichen. Das sich drehende Werkzeug taucht so in die Bleche ein, dass die untere Stufe des Werkzeuges den Stahl HC340 LAD+Z oben und seitlich berührt. Nach einer kurzen Verweilzeit zur Plastifizierung der Werkstoffe fährt das Werkzeug die Schweißnaht entlang und fügt durch seine Drehbewegung alle drei Teile. Der Stahl wird dabei an zwei Stellen an das Aluminium angebunden. Durch den großen lokalen Verbindungsquerschnitt und die geringe thermische Werkstoffbeanspruchung während des Schweißprozesses ergeben sich herausragende mechanische Eigenschaften. In ersten Versuchen im Labormaßstab wurde die Verbindungskonfiguration an automobiltypischen Aluminium- und Stahlwerkstoffen und Blechdicken erprobt. Unter Laborbedingungen konnten beim Fügen eines 1 mm dicken mikrolegierten Stahls (HC340LA) mit einer 2 mm dicken aushärtbaren Aluminiumlegierung (EN-AW-6016T4) bei statischer Belastung Verbindungsfestigkeiten von bis zu 90 % der Festigkeit des Aluminiumgrundwerkstoffes erreicht werden. Bei schwingender Belastung wurden Verbindungsfestigkeiten von bis 83 % des Aluminiumgrundwerkstoffes (bei 2*106 Lastwechseln) erreicht [5].

In einer interdisziplinären Arbeitsgruppe bestehend aus dem Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF), der Materialprüfungsanstalt (MPA) sowie dem Institut für Umformtechnik (IFU), alle an der Uni Stuttgart, wird derzeit im Rahmen eines gemeinsamen Projektes an der Weiterentwicklung und Erprobung dieser neuartigen Schweißverbindung geforscht. Das Projekt wird im Rahmen des Themenfelds „Technologischer Ressourcenschutz“ durch das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft des Landes Baden-Württemberg gefördert.

Im Rahmen dieses Vorhabens werden mehrere Fragestellungen untersucht. Zuerst wird die Schweißgeschwindigkeit auf ein industrierelevantes Niveau von mindestens 2 m/min gesteigert. Da sich die Schweißverbindung aufgrund ihrer Eigenschaften zur Verwendung in Tailor-Welded-Blanks anbietet, wird das Umformverhalten unter anderem mit Nakajima-Versuchen für unterschiedliche Lagen der Schweißnaht bezüglich der Pressenrichtung ermittelt. Weiterhin werden die Prozessparameter für das Schweißen von verzinkten Stahlblechen sowie hochfesten Dualphasenstählen angepasst. Abschließend wird die Eignung des Gesamtprozesses durch die Herstellung von Demonstratorbauteilen unter Beweis gestellt. Der Dank der geförderten Institute gilt dem Ministerium für Finanzen und Wirtschaft des Landes Baden-Württemberg, der Voestalpine AG und der Hydro Aluminium Rolled Products GmbH.

Quellen:

[1] W. Thomas, E. Nicholas, J. Needham, M. Murch, P. Templesmith und C. Dawes.Great Britain Patent G.B. Patent Application No. 9125978.8, December 1991.

[2] C. Dawes, W. Thomas, „Friction stir joining of aluminium alloys,“ TWI Bulletin 6, Great Britain, December 1995.

[3] H. Uzun, C. Dalle Donne, A. Argagnotto, T. Ghidini und C. Gambaro, „Friction stir welding of dissimilar Al 6013-T4 to X5CrNi18-10 stainless steel,“ Materials & Design (Materials & Design) 26, p. 41–46, 2005.

[4] T. Watanabe, H. Takayama und A. Yanagisawa, „Joining of aluminum alloy to steel by friction stir welding,“ Journal of Materials Processing Technology 178, pp. 342-349, 2006.

[5] M. Werz, M. Seidenfuß, „High-Strength Friction Stir Welds for Joining Aluminum and Steel with Dissimilar Sheet Thicknesses,“ 11th International Symposium on Friction Stir Welding, Cambridge, 2016.

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