Reibelementschweißen – eine Fügetechnik für den automobilen Misch- und Leichtbau

Autor / Redakteur: Philipp Unger / Dietmar Kuhn

Das Spektrum potenzieller Einsatzgebiete, in dem Leichtbau-Materialien eingesetzt werden, ist in den letzten Jahren kontinuierlich angestiegen. Insbesondere in der Automobilindustrie finden sich zunehmend Anwendungen aus Leichtbau-Werkstoffen. Deshalb hält die Leicht- und Mischbauweise mittlerweile Einzug in nahezu alle Baugruppen zukünftiger Fahrzeugmodelle.

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Die modular aufgebaute Anlagentechnik sorgt für eine maximale Flexibilität beim Schweißen.
Die modular aufgebaute Anlagentechnik sorgt für eine maximale Flexibilität beim Schweißen.
(Bild: Ejot)

Besonders der in Multimaterial-Bauweise ausgeführte Karosserierohbau zeichnet sich durch eine Vielzahl eingesetzter Materialien und Werkstoffe aus. Neben verschiedensten Stahl- und Aluminiumsorten sind hier insbesondere moderne Usibor®-Stähle der Güte 22MnB5 zu nennen, die für Struktur- und Sicherheitsbauteile in Fahrzeugen eingesetzt werden. Diese verfügen über eine sehr gute Crashsicherheit und bieten ein Gewichtseinsparpotenzial von circa 30 bis 50 % im Vergleich zu herkömmlichen, kaltumgeformten Stahlgüten.

Eine innovative Option für das Fügen unterschiedlicher Materialien und Halbzeugarten ist das sogenannte „Reibelementschweißen“, das der Verbindungstechnik-Spezialist Ejot unter dem Markennamen Ejoweld® vermarktet. Diese neue Entwicklung bietet dem verbindungstechnischen Anwender erstmalig die Möglichkeit, mit einem robotertauglichen Reibelement-Setzgerät Mischverbindungen, insbesondere Leichtbauwerkstoffe und höchstfeste Stähle, die unter dem Handelsnamen Usibor® bekannt sind, zu fügen. Beim Ejoweld®-Verfahren durchdringt ein rotierendes, axialkraftbeaufschlagtes Reibelement das Bauteil aus Leicht- beziehungsweise Nichtmetall und verschweißt sich mit dem Bauteil aus höchstfestem Werkstoff. Die Verschweißung erfolgt durch den reibungsinduzierten Wärmeeintrag, einhergehend mit der hohen Flächenpressung in der Fügestelle. Bei diesem Prozess wird kein Vorloch benötigt und es entstehen hochfeste und hoch belastbare Fügepunkte. Mit Ejoweld® ist die Fügeoperation ohne Vorbehandlung der Fügepartner schnell, automatisiert, mit hoher Festigkeit und reproduzierbar realisierbar.

Das Reibelementschweißen von Ejot ist als System ausgelegt und umfasst das eigentliche Reibelement, den Fügeprozess, eine automatische Zuführung sowie ein robotertaugliches Reibelementsetzgerät. Diese Anlagentechnik ist modular aufgebaut und erlaubt eine maximale Flexibilität zur Anpassung an die Fügeaufgabe.

Das innovative Fügeverfahren Ejoweld® eröffnet verbindungstechnischen Anwendern den Einsatz neuer Materialien und Materialdickenkombinationen, von denen sie bisher noch Abstand nehmen mussten. Damit besteht insbesondere für Karosserieentwickler die Möglichkeit, metallurgisch unterschiedliche Werkstoffe mit hoher Festigkeit reproduzierbar zu fügen. Dabei kann mit lediglich zwei bis drei Arten von Verbindungselementen eine große Anzahl der in der Automobilindustrie üblichen Materialkombinationen für Mischbauweise gefügt werden, vor allem Aluminiumgusswerkstoffe. Dadurch können Prozessschritte eingespart werden, was letztlich zu Kostensenkungen in der Produktion führt.

Die Online-Prozesskontrollestellt eine hohe Qualitätsrate sicher

Anwender profitieren darüber hinaus von der kurzen Prozesszeit (etwa 2 s pro Fügepunkt), der leichten Adaptierbarkeit an unterschiedliche Werkstoffe und Werkstoffdicken der Fügepartner sowie von der hohen Energieeffizienz gegenüber hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch betriebenen Fügeverfahren. Weitere Vorteile ergeben sich aus der masse- und störkantenoptimierten Bauart des robotertauglichen Reib-elementsetzgerätes, die den Einsatz am Roboter und in beengten Karosseriestrukturen ermöglicht. Da das Gesamtpaket aus Fügetechnologie, Reibelement, automatischer Reibelementzuführung und Reibelementsetzgerät im System angeboten wird, verkürzen sich die Kommunikations- und Reaktionszeiten für den Kunden.

Die Online-Prozesskontrolle, mit einer sehr hohen Abtastrate von Messwerten, ermöglicht ein dynamisches Steuerungs- und Regelungskonzept, welches eine Qualitätsrate größer 99,995 % sicherstellt. Bestimmte Umschaltpunkte im Fügeverlauf werden so ausgewertet, dass alle Einflüsse detektiert werden. Die Verbindungstechnik-Spezialisten von Ejot haben zur Bewertung der gesamten Mischbauverbindung einen sogenannten „Verbindungsgütefaktor“ entwickelt, anhand dessen die Gebrauchswert-eigenschaften der Fügestelle einer Validierung unterzogen werden können. Als zerstörungsfreie Prüfmethode kann auch die Ultraschallprüftechnik angewendet werden, wie sie beispielsweise für Widerstandspunktschweiß-Verbindungen eingesetzt wird.

Ejoweld® ist primär auf den Herstellungsprozess von Bauteilen beziehungsweise Baugruppen für die Automobilindustrie ausgerichtet; das Verfahren kann aber selbstverständlich auch für andere Blech verarbeitende Betriebe von Interesse sein, in denen Potenziale für eine Optimierung der Wertschöpfungskette ausgenutzt werden sollen. Eine besondere Anwendungsmöglichkeit für Ejoweld® besteht darüber hinaus in Produktionsprozessen, in denen eine energieeffiziente Fügetechnik notwendig ist, da mit dem Reibelementschweißen für 1000 Fügepunkte lediglich die elektrische Energie von einer Kilowattstunde benötigt wird.

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