23.08.2011

Titelstory

Mit einer imposante Innovation hat Fronius die Grenzen des Schweißens weiter verschoben: Galten bisher Stahl und Aluminium als thermisch nicht miteinander fügbar, ist dies jetzt praxistauglich machbar. Die neue Lösung erfüllt die Visionen von Werkstoffexperten, Konstruktions- und Fertigungsingenieuren, vor allem aber Manager der Automobilindustrie wünschen sich: Festen Stahl mit leichtem Aluminium – je nach dem Beanspruchungsverlauf im Bauteil – belastungssicher thermisch zu verbinden.

Speziell der Automobilindustrie erleichtert dies, das Fahrzeuggewicht und damit den Energieverbrauch sowie die CO₂-Emissionen zu reduzieren sowie den EU-Grenzwert von 130 g/km CO₂-Ausstoß im Jahr 2012 zu erfüllen. Auch in anderen Branchen – vom Designobjekt über das Hallendach bis zur Windenergieanlage – bringen zuverlässige Leichtbaukonstruktionen ebenfalls erheblichen Nutzen.

Crashtest demonstriert Zusammenspiel

Eindrucksvoll demonstriert ein Crashtest das Zusammenspiel und den Effekt des Aluminium-Stahl-Bauteiles: Das Aluminium nimmt die Verformungsenergie auf, während der Stahl den gewünschten Abstand sicherstellt. Laut Schweiß-Lehrbuchmeinung lassen sich die in ihren physikalischen Eigenschaften wie der Schmelztemperatur (1500 versus 590 °C) dem Ausdehnungskoeffizienten (1,2 versus 2,3 mm/100 °C) oder dem elektrochemischen Potenzial sehr unterschiedlichen Metalle nicht per Lichtbogenschweißen verbinden. Dieser schweißtechnische Engpass forderte Fronius schon seit über 20 Jahren heraus. Bereits vor der CMT(Cold Metal Transfer)-Lösung entstanden erste reproduzierbare Verbindungen. Seit 2003 konkretisierte sich eine nachvollziehbare Technologie in der Zusammenarbeit mit Voestalpine. Zahlreiche Versuche belegen inzwischen die industrielle Tauglichkeit des Verfahrens und seiner Anwendungen. Aluminiumseitig liegt eine Schweißung vor, während das Stahlblech eine Lötverbindung zeigt. Beide Unternehmen erhielten für die Lösung verschiedene Patente. Gemeinsam entwickeln sie umformfähige Hybridplatinen. Als Halbzeuge lassen sie sich in Verfahren wie Abkanten, Walzen oder Tiefziehen zu Profilen oder Crashabsorbern umformen.

Technische Randbedingungen

Die Stahlbleche müssen verzinkt sein wie das im Automobilbau üblic ist. Die Aluminiumbleche sollen aus den Werkstoffreihen AW5xxx oder 6xxx stammen und als Schweiß- bzw. Lotzusatzwerkstoff ist AlSi3Mn1 vorgegeben. Die Zinkschicht auf dem Stahlblech wirkt wie ein Flussmittel und benetzt den Stahl. Entscheidend ist die intermetallische Phase (IMP). Sie soll so dünn wie möglich sein und höchstens 10 µm betragen. Dann ist die Festigkeit der Verbindung so hoch, dass bei Zerreißproben die Naht hält und das Abreißen im Aluminiumblech eintritt. Inzwischen belegen mehrjährige Tests an umgeformten Platinen, dass weder interkristalline noch Spannungs- oder Spaltrisskorrosionen auftreten, lediglich geringe Flächenkorrosionen sind nachweisbar. Für die Platinen haben sich Schweißsysteme bewährt, die mit dem CMT-Prozess beidseitig synchron senkrecht von oben nach unten schweißlöten. Das Know-how von Voestalpine betrifft die Anarbeitung der Nahtgeometrie. Die Forschung und Entwicklung von Fronius steht für den Zusatzwerkstoff und die Modifikation des ebenfalls für Fronius patentierten CMT-Systems.

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