Wirtschaftliches Fügen von Stahl und Aluminium

Pettenbach/Wels (Österreich) - Das thermische Fügen unterschiedlicher Materialien wie Stahl und Aluminium ist im automobilen Leichtbau von zentraler Bedeutung. Die verschiedenen physischen und chemischen Eigenschaften der Werkstoffe machen diesen Prozess zur besonderen Herausforderung: Hochwertige und stabile Ergebnisse zu erzielen ist schwierig und die weitere Verarbeitung der Halbfertigteile deutlich eingeschränkt. Die Lösung bietet ein Schweißverfahren mit reduziertem Wärmeeintrag – der von Fronius entwickelte Prozess Cold Metal Transfer (CMT). Die geringe Spritzerbildung sowie der gleichbleibende und besonders stabile Lichtbogen ermöglichen optimale Ergebnisse. Der internationale Automobilzulieferer Magna Steyr hat damit eine Technologie entwickelt, mit der es möglich ist, die Fertigung von Karosserieteilen deutlich wirtschaftlicher zu gestalten und Gewichtseinsparungen zu erzielen.

Die Automobilindustrie setzt beim Karosseriebau immer mehr auf die Kombination verschiedener Werkstoffe. Das Gewicht der Fahrzeuge lässt sich durch den Einsatz von Materialien wie Aluminium oder faserverstärkten Kunststoffen deutlich reduzieren, was sich auf die Leistung und den Kraftstoffverbrauch positiv auswirkt. Auch die immer strengeren Abgasvorschriften könnten ohne die Fortschritte im Leichtbau nur schwer eingehalten werden. Moderne Fahrzeuge zeichnen sich daher durch einen bis ins kleinste Detail ausgetüftelten Materialmix aus, jedes einzelne Teil ist auf optimale Funktion bei minimalem Gewicht ausgelegt. Die Werkstoffe, die in ihren Eigenschaften sehr unterschiedlich sind, miteinander zu verbinden, stellt jedoch eine große Herausforderung dar.

Festigkeit und Umformbarkeit eingeschränkt

Zu den am häufigsten genutzten Kombinationen im automobilen Leichtbau zählt die Verbindung von Stahl mit Aluminium. Um Kosten zu sparen, verschweißen Hersteller Bauteile aus Aluminium im Flanschbereich mit verzinkten Stahlblechen, so dass sie in der Rohbaulinie mit dem herkömmlichen und günstigen Punktschweißverfahren gefügt werden können. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die beiden Materialien sehr unterschiedliche physische und chemische Merkmale aufweisen, zum Beispiel bei der thermischen Ausdehnung, Wärmeleitung und Korrosionsbeständigkeit. Dies wirkt sich auf die Qualität und Festigkeit der Schweißverbindung negativ aus. Auch die Umformbarkeit in anschließenden Fertigungsprozessen ist stark eingeschränkt.

Der Grund dafür liegt in der sogenannten intermetallischen Phase, die sich beim Schweißen von Stahl und Aluminium an der Stelle bildet, wo sich die beiden Materialien berühren und miteinander verschmelzen. Die Schicht ist spröde sowie anfällig für Risse und Poren – das beeinträchtigt die Stabilität der Verbindung. Mit diesem Problem befasste sich auch der internationale Automobilzulieferer Magna Steyr. Das Unternehmen mit Hauptsitz im österreichischen Graz entwickelt und produziert Einzelkomponenten sowie komplette Fahrzeuge und setzt bei seinen Karosserien ebenfalls auf Leichtbau. Um die Kosten für die Fertigung von Stahl-Aluminium-Schweißteilen zu senken, untersuchte Magna Steyr den Fügeprozess detailliert und kam zu dem Ergebnis, dass dabei die Temperatur einen entscheidenden Einfluss auf die Nahtqualität hat.

„Kalter“ Schweißprozess verbessert die Stabilität

Der Wärmeeintrag während des Schweißens bestimmt maßgeblich die Dicke der intermetallischen Phase. In den Versuchen der Ingenieure stellte sich heraus, dass diese idealerweise nicht mehr als zehn Mikrometer betragen sollte, um eine stabile Verbindung sicherzustellen. Dafür mussten die Experten den Temperaturverlauf optimal steuern – oberhalb der Schmelztemperatur von Aluminium, aber unter der Verdampfungstemperatur der auf den Stahlblechen aufgebrachten Zinkschicht. Bei den meisten Lichtbogenverfahren ist dies jedoch nicht umsetzbar. Die Lösung fand Magna Steyr schließlich in Cold Metal Transfer (CMT), dem von Fronius entwickelten „kalten“ Schweißprozess.

Das CMT-Verfahren reduziert den Wärmeeintrag im Vergleich zu anderen MIG/MAG-Prozessen deutlich. Das Geheimnis liegt in der digitalen Prozessregelung, die Kurzschlüsse selbstständig erkennt und durch das Rückziehen des Drahtes die Tropfenablöse unterstützt. Beim Schweißen bewegt sich der Draht vor – und sobald der Kurzschluss erfolgt, wird er wieder zurückgezogen. Dadurch wird die Lichtbogen-Brennphase sehr kurz gehalten und der Wärmeeintrag reduziert. Das Verfahren ermöglicht zudem eine stufenlose Anpassung des Energieeintrags in das zu schweißende Bauteil. Der Anwender profitiert von einem spritzerfreien Werkstoffübergang und optimalen Schweißergebnissen. CMT eignet sich damit ideal zum Schweißen von Stahlverbindungen mit CO2 und anderen Schutzgasen. Auch für das Fügen von Stahl mit Aluminium ist es prädestiniert, weil das Stahl-Grundmaterial bei diesen Schweißlötungen nicht aufgeschmolzen, sondern nur benetzt wird. Somit bietet es für den Einsatz in der Automobilindustrie die perfekten Voraussetzungen.

Quelle und Foto: Fronius International GmbH, Business Unit Perfect Welding