Leichtbau BW GmbH/MPA

Gerührt, nicht geschüttelt

| Redakteur: Birgit Rüdel

Das neue Rührreibschweißverfahren verbindet Aluminium- und Stahlbleche unterschiedlicher Dicke hochfest miteinander
Das neue Rührreibschweißverfahren verbindet Aluminium- und Stahlbleche unterschiedlicher Dicke hochfest miteinander (Bild: MPA Stuttgart)

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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 eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Die Naht sei so stabil, dass sich die Hybridplatinen sogar Tiefziehen lassen. So können leichte und belastbare Bauteile entstehen, die etwa im Automobilbereich zum Einsatz kommen.

„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 lassen. Beim „normalen“ Lichtbogenschweißen von Stahl und Aluminium kommen sonst laut Werz brüchige intermetallische Verbindungen zustande. Beim Rührreibschweißen entstünden hingegen hochfeste und stabile Hybridplatinen. Man nennt diese auch „hybrid Tailor Welded Blank“. Das besondere am Verfahren der MPA ist, dass die Bleche gleichzeitig stumpf- und überlappend verschweißt werden können und so eine größere Querschnittsfläche erzielt wird. Dies hat eine höhere Festigkeit und somit eine höhere Umformbarkeit zur Folge.

Stabile Naht im Zugversuch

Die Nähte sind laut Werz so stabil, dass man die Hybridplatinen auch durch Tiefziehen umformen kann, ohne, dass die Naht aufbricht. Das gilt auch für komplexe Geometrien wie Rundungen. Im Automobilbereich ließen sich 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 kombiniere.

Bislang wird im Karosseriebau die Hybridisierung erst durch die Montage von Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen erreicht .

Weitreichende Bearbeitungsformen

Eine neuartige, energieeffiziente Wärmebehandlungsmethode sowie eine spezielle Umformmethode, mit denen der Dickenunterschied bei Hybridplatinen berücksichtigt werden können, wurden zur Optimierung der Prozesskette entwickelt. Die neue Technologie lässt darüber hinaus auch die Verbindung von zum Beispiel Kupfer- und Aluminiumblechen unterschiedlicher Dicke zu. Dies ermögliche beispielsweise die Herstellung von Poolverbindern für die E-Mobilität. Dadurch lassen sich Kupfer und Aluminium unterschiedlicher Dicke miteinander verschweißen und der Einsatz von spezifischen Widerstände abhängig von der Blechdicke wird möglich.

Vorteile des Verfahrens

Die Stttgarter Forscher gehen davon aus, dass durch die Anwendung entsprechender Hybridplatinen im Automobilbau das Gewicht der Rohbaukarosserien bei Beibehaltung der Sicherheit um circa zehn Prozent gesenkt werden kann. Auf die gesamte Lebensdauer und Fahrleistung eines Pkw runtergebrochen, reduziere das niedrigere Gewicht den Treibstoffverbrauch und die Emissionen.

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