ThinKing Juni 2019: Gerührt, nicht geschüttelt - neues Verfahren verbindet Bleche aus Aluminium und Stahl zu hochfesten Hybridteilen

06.06.2019

 

Mit den hybriden Bauteilen kann man das Gewicht einer Karosserie um etwa zehn Prozent senken.

Die Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart hat auf Basis des Rührreibschweißens ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Aluminium- und Stahlbleche hochfest miteinander verschweißen lassen. Die Bleche können dabei auch unterschiedlich dick sein. Die Naht ist so stabil, dass sich die Hybridplatinen sogar Tiefziehen lassen. So können leichte und belastbare Bauteile entstehen, die etwa im Automobilbereich zum Einsatz kommen.

Die Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg präsentiert diese Innovation mit ihrem ThinKing im Juni 2019. Mit diesem Label gibt die Leichtbau BW GmbH monatlich innovativen Produkten oder Dienstleistungen im Leichtbau aus Baden-Württemberg eine Plattform.

Auf einen Blick:
Hochfeste Verbindungen zwischen Stahl und Alu
• die hybriden Blechplatinen lassen sich Tiefziehen
• Anwendungsfelder: Karosseriebau → 10 Prozent niedrigeres Karosseriegewicht (weniger Kraftstoffverbrauch/ Emissionen) oder Poolverbinder für die E-Mobilität → günstigeres Aluminium anstelle von Kupfer einsetzen
• Zum Video geht's hier: https://youtu.be/WHsSTNFHTlA

„Beim Rührreibverschweißen von Aluminium mit Stahl ist es wie beim Backen eines Marmorkuchens – der helle und der dunkle Teig sollen zwar eine Verbindung miteinander eingehen, dürfen aber nicht soweit miteinander vermischt werden, dass nur noch brauner, gemischter Teig entsteht. Der gemischte Teig aus dem Kuchenbild entspricht bei Aluminium-Stahlverbindungen sogenannten intermetallischen Phasen, die spröde sind“, erklärt Martin Werz von der Materialprüfungsanstalt (MPA) der Universität Stuttgart. Rührreibschweißen ist ein besonderer Schweißprozess, bei dem ein rotierendes Werkzeug (Rühren) längs des zu fügenden Spalts mit viel Kraft (Reiben) entlangfährt und so die Blechplatinen miteinander verbindet.

Die Stuttgarter Wissenschaftler haben eine Verfahrensabwandlung und neue Werkzeuge für das Rührreibschweißen entwickelt, mit dem sich Aluminium- und Stahlbleche unterschiedlicher Dicke miteinander hochfest verschweißen kombinieren. Beim „normalen“ Lichtbogenschweißen von Stahl und Aluminium kommen sonst laut Werz brüchige intermetallische Verbindungen zustande. „Beim Rührreibschweißen entstehen hingegen hochfeste und stabile Hybridplatinen“, sagt Werz. Man nennt diese auch „hybrid Tailor Welded Blanks“. Das besondere am Verfahren der MPA: „Wir können die Bleche gleichzeitig Stumpf- und Überlapp verschweißen und so eine größere Querschnittsfläche erzielen, die wiederum eine höhere Festigkeit und folglich auch eine höhere Umformbarkeit gewährleistet“, erklärt Werz.

Die Naht gibt im Zugversuch nicht auf

„Wir haben verschiedene Zugversuche gemacht. Die Schweißnaht hat gehalten und das Material der Probenstücke hat weit weg von der Naht schon vorher aufgegeben“, erklärt Werz. Die Naht ist so stabil, dass man die Hybridplatinen auch durch Tiefziehen umformen kann, ohne, dass die Naht aufbricht. „Selbst bei komplexen Geometrien wie Rundungen hält unsere Schweißnaht“, sagt Werz stolz. Einen Anwendungsbereich für die hochfesten Aluminium-Stahl-Hybridstrukturen sieht Werz vor allem im Automobilbereich. „So kann man sich in einem Bauteil die Vorteile von dünnen Blechen aus hochfesten Stählen und Aluminiumblechen mit etwas höherer Dicke und der daraus resultierenden, höheren Beulsteifigkeit zunutze machen, indem man beide Werkstoffe ressourcenschonend miteinander kombiniert“, erklärt er. Unter Beulsteifigkeit versteht man die Widerstandsfähigkeit eines Bauteils gegenüber einer elastischen Belastung senkrecht zur Oberfläche – das heißt das Material gibt wie eine Feder nach und geht nach Ende der Beanspruchung wieder in die ursprüngliche Form zurück, ohne ein „Beule“ davongetragen zu haben.

„Bislang wird im Karosseriebau die Hybridisierung erst durch die Montage von Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen erreicht. Durch unsere Entwicklungen ermöglichen wir bereits in einzelnen Bauteilen Aluminium und Stahl zu kombinieren. So eröffnen sich zusätzliche Freiheitsgrade bei der Strukturoptimierung, die zur Gewichtsreduzierung genutzt werden können“, meint Werz.

Eigene Prozesskette

„Wir haben für unser neues Verfahren neben dem Schweißprozess zur Erzeugung der Hybridisierung auch weitere Teile der Prozesskette entwickelt“, sagt Werz. Dazu gehöre unter anderem eine neuartige, energieeffiziente Wärmebehandlungsmethode sowie eine spezielle Umformmethode mit denen der Dickenunterschied bei Hybridplatinen berücksichtigt werden könne, so Werz. „Außerdem könnte die von uns entwickelte Technologie auch zur Verbindung von zum Beispiel Kupfer- und Aluminiumblechen unterschiedlicher Dicke eingesetzt werden. Dies könnte man etwa zur Herstellung von Poolverbindern für die E-Mobilität nutzen“, meint Werz. Vorteil hierbei: Man könnte Kuper und Aluminium unterschiedlicher Dicke miteinander verschweißen und sich dabei die spezifischen Widerstände bei der Auswahl der Blechdicke zunutze machen. „Man könnte beispielsweise etwas dickere, aber kostengünstigere Aluminiumbleche mit dünneren Kupferblechen verschweißen“, sagt er.

Plus für die Umwelt: Weniger Kraftstoffverbrauch und reduzierte Emissionen

„Nach aktuellen Schätzungen ist davon auszugehen, dass durch die Anwendung entsprechender Hybridplatinen im Automobilbau das Gewicht der Rohbaukarosserien bei Beibehaltung der Sicherheit um circa zehn Prozent gesenkt werden kann“, sagt Werz. „Betrachtet man die gesamte Lebensdauer und Fahrleistung eines Pkw, reduziert das niedrigere Gewicht den Treibstoffverbrauch und die Emissionen“, erklärt Dr. Wolfgang Seeliger, Geschäftsführer der Leichtbau BW GmbH.