Schweißen Reibelementschweißen für den automobilen Leichtbau

Ein Gastbeitrag von Annedore Bose-Munde

Die zunehmende Verwendung sowohl von Leichtmetallen als auch von verschiedenen Hochleistungs-Stahlsorten stellt die Verbindungstechnik vor neue Herausforderungen. Das Reibelementschweißen gewinnt vor diesem Hintergrund zunehmend an Bedeutung.

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Arnold Umformtechnik hat für das Reibelementschweißen ein eigenes Verbindungselement entwickelt, welches sich durch charakteristische konstruktive Merkmale auszeichnet.
Arnold Umformtechnik hat für das Reibelementschweißen ein eigenes Verbindungselement entwickelt, welches sich durch charakteristische konstruktive Merkmale auszeichnet.
(Bild: Arnold)

Gerade im Karosseriebau werden verstärkt Hochleistungswerkstoffe eingesetzt. Neben einer optimierten Materialauswahl und -mischung liegt der Fokus auch auf der Verbindungslösung  insbesondere dann, wenn es darum geht, Aluminium und hochfesten Stahl mit einer Zugfestigkeit von >1000 MPa zu verbinden. Ein Verfahren zum Verbinden beider Materialien ist das Reibelementschweißen. Die Arnold Umformtechnik GmbH & Co KG aus Forchtenberg nutzt dieses Fügeverfahren für den Multimaterialmix zunehmend. „Wir erweitern damit unser Produktportfolio und möchten so auf allen Ebenen des Karosseriebaus für die Kunden Leistungen anbieten können  auch wenn es darum geht, Leichtmetallblech mit hochfestem Stahl zu verbinden“, sagt Emanuel Heinle, Mitarbeiter im Bereich Research & Development Fastening Systems bei Arnold Umformtechnik. Er ist seit 2016 im Unternehmen und Spezialist für das Reibelementschweißverfahren.

Hohe Verbindungsperformance durch stoffschlüssige Verbindung

Beim Reibelementschweißen werden beispielsweise ein Aluminiumblech und ein hochfestes Stahlblech mithilfe eines Reibschweißelements miteinander verbunden. Grundlage für das Verfahren ist dabei ein Wärmeprozess, der sich durch das Aufeinanderreiben des Reibschweißelements mit dem hochfesten Stahlblech entwickelt.

Der Prozess ist in vier Schritte unterteilt. Im ersten Schritt setzt der Niederhalter auf der Baugruppe auf und drückt die Bleche zusammen. Die Elementspitze sitzt auf dem Aluminiumdeckblech. In der zweiten Phase erfolgt das Durchdringen dieses Blechs: Das Verbindungselement wird mit einer definierten Drehzahl und Axialkraft beaufschlagt und durchdringt so das Aluminiumdeckblech. Es wird erwärmt und plastifiziert dadurch. Gleichzeitig verdrängt das Verbindungselement das Deckblechmaterial entgegen der Fügerichtung. Hat das Verbindungselement das Deckblech komplett durchdrungen und kontaktiert das hochfeste Stahlblech, beginnt die dritte Phase des Prozesses: das Reiben. Hierbei wird die Oberfläche des Stahlblechs mechanisch bereinigt. Das Verbindungselement reibt auf dem Stahlblech und durch die Reibung wird die Fügezone erwärmt. Stahlblech und Verbindungselement plastifizieren. Dabei erfolgt eine Verkürzung des Verbindungselements. Bei ausreichender Verkürzung setzt die letzte Stufe des Prozesses ein: das Stauchen. Dabei wird die Drehzahl auf null reduziert und die Fügestelle mit hoher Axialkraft gestaucht, wobei diese abkühlt. Stahlblech und Verbindungselement gehen eine stoffschlüssige Verbindung ein und das Deckblech wird form- und kraftschlüssig zwischen Stahlblech und Elementkopf gehalten.

„Das größte Alleinstellungsmerkmal des Reibelementschweißens ist das Einsatzgebiet des Verfahrens für hochfeste Bleche mit einer Festigkeit von über 1000 MPa. Es gibt wenige universell einsetzbare Lösungen, die sich im Automobilbau etabliert haben, um ein hochfestes Stahl- und ein Aluminiumblech zu fügen“, sagt Heinle. Auch beim Stahlwerkstoff gebe es keine Grenze hinsichtlich der Festigkeit. Lediglich bei der jeweiligen Blechdicke müsse sichergestellt werden, dass beim Reibprozess eine verlässliche Plastifizierung erfolgen kann. Zudem, so Heinle, sei eine beidseitige Zugänglichkeit erforderlich. Da die Fügerichtung immer von Aluminium nach Stahl ist, muss das Verbindungselement auf der Seite des Aluminiumblechs eingebracht werden. „Prinzipiell ist das Verfahren für das Verbinden von Leichtmetallen auf hochfestem Stahl geeignet. Es ist kein Vorlochen erforderlich und es wird eine sehr hohe Verbindungsfestigkeit realisiert“, fasst Heinle die Vorteile zusammen.

Anwendung für Bauteile mit hoher Crashbeanspruchung

Geeignet ist das Reibelementschweißen beispielsweise für die Herstellung von Fahrzeugbaugruppen wie der Fahrgastzelle, die im Ernstfall einer hohen Crashbeanspruchung ausgesetzt ist und somit eine hohe Bauteilsteifigkeit gewährleisten muss.

Gefügt werden immer ein Grund- beziehungsweise Basisblech, welches aus hochfestem Stahl besteht und ein Deckblech, welches aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetallwerkstoff besteht. Verwendet werden können hochfeste Stähle wie etwa warmumgeformter Stahl 22MnB5. Die Blechdicken des Grundblechs umfassen eine Spanne von zirka 0,80 mm bis 2,00 mm und die des Aluminiumblechs 1,00 mm bis 3,00 mm.

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Geometrie des Verbindungselements für verlässlichen Prozess

Arnold Umformtechnik hat in Zusammenarbeit mit der BMW AG für das Reibelementschweißen ein eigenes Verbindungselement entwickelt, welches sich durch verschiedene charakteristische konstruktive Merkmale auszeichnet:

  • - Der Antrieb ist so ausgelegt, dass die Axialkraft und die Drehzahl optimal übertragen werden können.
  • - Der Elementflansch garantiert eine Kopfauflage, damit die Fügestelle eine möglichst geringe Angriffsstelle für Korrosion bietet.
  • - Die Unterkopfauskehlung gibt für das vom Deckblech aufsteigende Material Platz, damit der Elementkopf auf dem Blech aufliegen kann.
  • - Der Schaft bietet genug Material, um das Deckblech zu durchdringen und um beim Reiben eine Schweißverbindung zu erzeugen.
  • - Die Spitzengeometrie ist gekennzeichnet von wellenartigen Vertiefungen, die für eine notwendige Prozessstabilität sorgen und die Axialkraft reduzieren.

Anlagentechnik auf den Verarbeitungsprozess zugeschnitten

Die Verarbeitungstechnik wurde speziell für dieses Verfahren von Harms & Wende GmbH & Co. KG aus Hamburg in Zusammenarbeit mit BMW entwickelt. Durch eine Kooperation von Arnold Umformtechnik mit Harms & Wende vermarkten nun beide Firmen diese Technologie gemeinsam. Für den Forchtenberger Verbindungselementespezialisten bedeutet die Kooperation auch, dass für das Reibelementschweißen ein komplettes System inklusive Service für die Kunden angeboten werden kann.

Die Anlage selbst besteht aus einer Zuführeinheit, einer Fügeeinheit und dem Schaltschrank für die Steuerung. Gegenüber Wettbewerbsprodukten unterscheidet sich das System durch eine höhere Variabilität der Fügeparameter. Diese sind die Niederhalterkraft, die Axialkraft und die Drehzahl, wobei die Niederhalterkraft bis zu 4 kN betragen kann, die Axialkraft bis zu 10 kN und die Drehzahl bis zu 25.000 1/min.

Geprüft werden können die Verbindungen sowohl durch zerstörende als auch durch zerstörungsfreie Prüfmethoden. Zur schnellen Prüfung werden die Meißelprüfung mit Gabelmeißel und die anschließende Bewertung des Bruchbilds eingesetzt. Um Aussagen über die Festigkeit zu treffen, werden Scherzug- und Kopfzugkräfte genutzt. Und im metallografischen Schliffbild kann durch Ätzen der Schlifffläche die Schweißlinse als wichtiges Bewertungskriterium sichtbar gemacht werden.

Konkrete Kundenprojekte sprechen für Vorteile des Verfahrens

Dass das Reibschweißverfahren im automobilen Leichtbau seine Berechtigung hat, zeigen erste Kundenprojekte. So soll das Verfahren erstmalig 2021 in der Serienproduktion bei BMW eingesetzt werden. Zudem laufen Laborversuche mit weiteren Automobilherstellern. Und nicht zuletzt sind Zulieferer an der Technologie interessiert.

Für die Kunden von Arnold Umformtechnik hat der Einsatz des Verfahrens eine Vielzahl von Vorteilen. So erfüllt der Material-Mix hohe Ansprüche an die Stabilität und Verbindungsfestigkeit der Karosserie. Es sind keine vorbereitenden Prozessschritte wie Entschichten, Reinigen oder Vorlochen nötig. In dem spanlosen Prozess können auch schmale Flanschbreiten verarbeitet werden. Und nicht zuletzt zeichnet sich das Reibelementschweißen durch kurze Taktzeiten, eine geringe Komplexität des Fügeprogramms und ein breites Prozessfenster aus.

Arnold Umformtechnik erweitert mit dem Reibelementschweißen seine Lösungen für komplexe Fügeanwendungen. Durch die globale Aufstellung von Arnold Umformtechnik in Europa, Asien und Amerika können Kunden weltweit von diesem Fügeverfahren profitieren.

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