01. OKTOBER 2016

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Aluminium-Bauteile thermisch fügen


Wirtschaftliche Schweißverfahren für jeden Anwendungsfall

Mit der Zunahme von Aluminium-Bauteilen in vielen Anwendungsgebieten geht die Weiterentwicklung verbindungstechnischer Verfahren einher. Fortschritte beim Schweißen ermöglichen es, die vorteilhaften Eigenschaften des Leichtmetalls in immer mehr Produktbereichen zu nutzen. Mit der steigenden Verwendung von Aluminium in vielen Bereichen gewinnen auch Schweißkonstruktionen aus dem Leichtmetall immer stärker an Bedeutung. Denn auch bei geschweißten Konstruktionen kann der Werkstoff seine Vorteile ausspielen: Aluminium ist leicht, korrosionsbeständig und Recycling fähig und gilt deshalb in vielen Branchen als Werkstoff der Zukunft. Vor allem die Automobil- und Zulieferindustrie, der Schienenfahrzeugbau sowie die Luftfahrt schätzen in wachsendem Maß die Vorzüge geschweißter Aluminium-Bauteile. Aber auch im Schiff-, Metall- und Behälterbau nehmen die Anwendungen zu.

Lichtbogenschweißen: vielseitig und automatisierbar
Aluminium wird heute hauptsächlich mit den Lichtbogenschweißverfahren MIG und WIG geschweißt, zunehmend auch mit Plasma- und Laserverfahren. Für Aluminium grundsätzlich geeignet sind auch das Elektronenstrahl-, Widerstands- und Beispiel von der Blechdicke, der Fügeaufgabe oder der Stückzahl. Dr.-Ing. Emil Schubert, Leiter Entwicklung und Konstruktion bei der Abicor Alexander Binzel Schweißtechnik GmbH & Co. KG in Buseck, sieht für das Schutzgasschweißen gegenüber anderen Verfahren immer noch einige Vorteile: „MIG/WIG-Schweißanlagen sind kostengünstig, robust und lassen sich an gegebene Toleranzfelder einfach anpassen& uot;. Demgegenüber habe der Laser beispielsweise Probleme mit Spaltweiten über 3 mm, wenn ohne Zusatzdraht gearbeitet wird. Außerdem liegen die Investitionskosten für Laseranlagen meist um Größenordnungen über denen von MIG/WIG-Anlagen.

Die Entwicklung beim automatisierten, großserienmäßigen Schweißen von Aluminium-Bauteilen ist für das Aluminium-Schweißen insgesamt von großer Bedeutung, meint Dr.-Ing. Emil Schubert, weil sich dabei zeigt, dass auch im Dünnblechbereich reproduzierbare, stabile Ergebnisse in der Großserie erzeugt werden können. „Dies wird sich auf andere Automobilkomponenten (Karosserie, Antriebsstrang) und auch auf weitere Aluminium-Anwender in der Verkehrstechnik (Automobilzulieferer, Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeugbau, Luftfahrt und Schiffsbau) ausweiten& uot;. Zudem ist, so Dr.-Ing. Emil Schubert „der Nachweis der Großserienfähigkeit auch für Branchen außerhalb der Verkehrstechnik wichtig, wo Aluminium eingesetzt wird, beispielsweise im allgemeinen Maschinenbau, bei Haushaltsgeräten oder in der Medizintechnik& uot;.
Die Anforderungen an die Schweißausrüstungen ergeben sich aus den werk-stoffspezifischen Eigenschaften: Dazu zählt Dr.-Ing. Emil Schubert die Oxidhaut auf dem Werkstoff, die Porenbildungsgefahr durch Aufnahme von Wasserstoff (aus Draht, Feuchtigkeit etc.), die hohe Wärmeleitfähigkeit sowie die von der Legierungszusammensetzung abhängige Heißrissanfälligkeit. Zu berücksichtigen sind außerdem die weichen Zusatzdrähte sowie die niedrige Viskosität der Schmelze, die das Schmelzbad leicht durchfallen lässt. Daraus resultieren nach Dr.-Ing. Emil Schubert verschiedene Ansprüche an die Schweißausrüstung:
- Die Oxydhaut muss (mit speziellen Schweißprogrammen) aufgerissen werden.
- Der Draht muss trocken zugeführt werden (zum Beispiel über beheizte Gehäuse).
- Der Draht darf nur minimal zugbeansprucht werden und es sollten möglichst wenig Abriebmöglichkeiten vorhanden sein.
- Zur kontrollierten Energieeinbringung ist das gepulste Schweißen vorteilhaft (wenig Verzug, kein Durchfallen der Naht auch im Dünnblechbereich).
Entsprechend diesen Anforderungen wurden beispielsweise in enger Zusammenarbeit mit der Audi AG in Neckarsulm komplette, digital geregelte Einheiten zum automatisierten Aluminiumschweißen entwickelt, deren Komponenten elektronisch und mechanisch genau aufeinander abgestimmt sind. Sie gewährleisten die kontinuierliche und schonende Drahtförderung ebenso wie eine höchste Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit. Die positiven Erfahrungen in der Produktion des Audi A8 führten zur Einbindung des Systems in die Serienfertigung des neuen Audi A2.

Automatisierte MIG-Schweißverfahren sind besonders für Einsatzbereiche gedacht, für die sich der Laser weniger eignet. Der MIG-Kopf ist kleiner und handlicher als die Lasereinheit und eignet sich deshalb vor allem für verwinkelte Bereich und Ecken mit eingeschränkter Zugänglichkeit und für komplexe Geometrien. Einsatzschwerpunkte sind vor allem größere Wanddicken ab etwa 1,5 mm, obwohl man auch bis 0,8 mm herunter arbeiten kann. Das MIG-Schweißen wird im Fahrzeugbau vor allem für Verbindungen an den Gussbauteilen sowie im Bereich der Bodengruppe eingesetzt. Neue Space-Frame-Konzepte kommen übrigens ohne Gußknoten aus. Die Profile werden hier direkt miteinander verschweißt.

Für das MIG-Schweißen spricht, dass kein Pulver nötig ist, weniger Spritzer entstehen und in allen Positionen geschweißt werden kann. Der konzentrierte Lichtbogen zum Beseitigen der Oxidschichten, hohe Schweißgeschwindigkeiten sowie ein tiefer Einbrand und eine schmale Wärmeeinflusszone sind weitere Vorteile. Inverterstromquellen gewährleisten speziell beim Schweißen von Aluminium durch ihre guten dynamischen Eigenschaften die erforderliche Stabilität des Lichtbogens. Digitale Schweißstromquellen zum Lichtbogenschweißen mit einem so genannten Aluminium-Startprogramm verhindern Kaltstellen bei Schweißbeginn, indem zu Beginn eine höhere Schweißleistung abgerufen wird.

Zum Lichtbogenschweißen von Aluminiumbauteilen wird als Schutzgas Argon, Helium oder ein Gemisch beider Gase verwendet. Freilich hat sich gezeigt, dass winzige Stickstoffzusätze zu Argon oder Argon-Helium-Gemischen die Qualität beim Aluminiumschweißen spürbar verbessern und die Produktionsleistung erhöhen können. Ein Zusatz von nur 0,015 Prozent Stickstoff hilft, den Lichtbogen zu stabilisieren und einen erhöhten Energieeintrag zu erzielen. Weitere Vorteile: erhöhte Porensicherheit, gutes Nahtbild, tieferer Einbrand, geringe Spritzerneigung und konzentrierte Wärmeeinbringung. Dadurch lassen sich Sicherheit und Qualität bei geringeren Kosten steigern und auch Anwendungen mit höheren Qualitätsansprüchen schweißen.

Aluminium mit dem Laser flexibel und produktionssicher schweißen
Innovative Konzepte für das Aluminiumschweißen setzen auf die Lasertechnik. Allerdings muss das Lasersystem hohe Ansprüche erfüllen, um die genaue Fokusführung und einen kontinuierlichen, gleichbleibenden Prozess zu gewährleisten.
Gut verwendbar sind beim Aluminiumschweißen C02-Laser mit K-Werten über 0,8. Dabei können Legierungsbestandteile im Werkstück den Einsatz von Schweißdraht erforderlich machen, um Risse oder anderen Beschädigungen zu vermeiden. Für hohe Ansprüche an die Qualität, wie zur Serienfertigung von Aluminium-Lenkspindeln, wurde die Doppelfokustechnik mit nur einer Laserquelle entwickelt und damit der Schweißprozess optimiert.

Die Zufuhr von drahtförmigen Zusatzwerkstoffen kann beim Schweißen geometrisch anspruchsvoller Konturen allerdings zu Problemen bei der Bauteilzugänglichkeit führen. Eine Alternative ist das Laserstrahl-Pulverschweißen, bei dem der Zusatzwerkstoff als Pulver über eine speziell geformte Düse bis zur Bearbeitungsstelle geführt wird. Ein Schutzgas umströmt koaxial den Pulverstrom, sorgt für die Fokussierung des Pulverstrahls und schützt gleichzeitig die Bearbeitungsstelle vor Oxidation. Im Leichtbau hat dieses Verfahren bereits Anwendung gefunden, zum Beispiel bei der Radioblende für den Audi TT - einem Bauteil aus einer Aluminiumlegierung mit sehr kurzen Nähten, die darüber hinaus noch relativ schwer zugänglich sind.

Festkörperlaser mit hohem Wirkungsgrad
Geeignete Werkzeuge, um im Karosseriebau Aluminiumlegierung mit Stählen im Dünnblechbereich rein thermisch zu fügen sind Nd:YAG- und Hochleistungs-Diodenlaser, die eine gezielte Wärmeinbringung erlauben. Die so hergestellten Verbindungen haben neben guten statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften auch ein zufriedenstellendes Umformverhalten. Im Karosseriebau ist die Technik zum Herstellen von Tiefziehplatinen und von dreidimensionalen Konstruktionen verwendbar. Laserstrahlgefügte Aluminium-Stahl-Platinen eignen sich unter anderem für großformatige Strukturen wie Klappen, Deckel, Türen und Dächer, aber auch für nichtlineare Verbindungen.

Für diodengepumpte Nd:YAG-Hochleistungslaser sprechen nach Ansicht von Schweißexperten der hohe Wirkungsgrad, eine gute Strahlqualität, lange Wartungsintervalle sowie hohe Schweißgeschwindigkeiten bei verbesserten Rauhigkeitswerten der Schnittflächen und reduzierten Wärmeeinflusszonen. Voraussetzungen für das Laserschweißen sind geringe Spaltmaße der Karosserie von maximal 1 mm, weil die Toleranzen des Schweißprozesses eng sind und der Brennpunkt des Laserstrahls einen geringen Durchmesser aufweist. Mit Nd:YAG-Festkörperlasern mit 3 kW Leistung erreicht man Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 6 m/min. Wichtiger Vorteil der Lasernaht ist die gegenüber dem sonst üblichen Punktschweißen deutlich höhere Festigkeit und Steifigkeit der Karosserie.

Mit einer auf 6 kW erhöhten Leistung der Festkörperlaser lassen sich beim Schweißen von Aluminiumlegierungen die Prozessgeschwindigkeit, Schweißnahttiefe und Prozesssicherheit, vor allem aber der Prozesswirkungsgrad weiter steigern. Ab 6 kW Leistung werden mit dem Festkörperlaser außerdem nicht nur Produktionsmöglichkeiten erschlossen, die vorher nur eingeschränkt mit dem C02-Laser möglich waren, sondern auch weitere Potenziale zur Produktionssteigerung und Kostensenkung.

Plasmaschweißen mit verschiedenen Stromarten
Wie das Laserschweißen gewinnt das Plasmaschweißen durch innovative Weiterentwicklung auf in der Geräte- und Verfahrenstechnik an Bedeutung. Moderne Plasmaschweißanlagen gewährleisten einen reproduzierbaren Schweißprozess, der zunehmend zum Fügen von Bauteilen aus Aluminium eingesetzt wird. Beim Plasmaschweißen bringt der durch Einschnürung entstehende, strahlartige Lichtbogen die Schweißenergie sehr konzentriert zum Werkstück. Daraus ergeben sich gerade bei Aluminium mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung Vorteile. Die geringe Strahldivergenz toleriert Abstandsänderungen und Kantenversatz besser als der WIG-Lichtbogen.

Bekannt ist das Plasmaschweißen von Aluminium mit der Stromart Gleichstrom am Pluspol schon seit Beginn der achtziger Jahre. Problematisch war beim manuellen Schweißen jedoch der schwere Handbrenner. Eine gute Reinigungswirkung und hohe Nahtqualität zeichnet das Pluspolschweißen aus. Eine andere Charakteristik hat die weniger genutzte Variante mit dem Plasmabrenner am Minuspol. Hier fehlt die Reinigungswirkung und die Qualität der Nahtoberfläche ist schlechter, doch sind die mechanisch-technologischen Gütewerte der Schweißverbindung sehr gut. Die Lichtbogensäule hat eine sehr hohe Energiedichte und führt zu tiefem Einbrand, der sich bei der Stichlochtechnik in hohe Schweißgeschwindigkeiten umsetzen lässt.

Ein guter Kompromiss ist das Plasmaschweißen mit Wechselstrom. Es verbindet ausreichende Reinigungswirkung während der Plusphase mit der sehr hohen Energiedichte in der Minusphase. Allerdings tritt hierbei eine Halbwellenverschiebung auf. Erst moderne elektronische Stromquellen erlauben es, über die so genannte Balance-Einstellung die Größe von positiver und negativer Halbwelle vorzugeben. Kleine handliche Brenner ermöglichen heute das manuelle Pluspolschweißen von Aluminium bis etwa 3 mm Blechdicke als 1-Naht einlagig mit Strömen bei etwa 35 A. Mit Wechselstrom werden Blechdicken bis etwa 4 mm mit etwa 65 A geschweißt. Das Minuspolschweißen ist dickeren Blechen vorbehalten.

Elektronenstrahlschweißen bei Atmosphärendruck
Beim Elektronenstrahlschweißen unter Atmosphärendruck (NV-EBW für Non Vacuum Electron Beam Welding) konnten durch den Wegfall der Vakuumkammer die Bauteilbeschränkungen, die den Einsatz des Elektronenstrahlschweißens oft unwirtschaftlich macht, überwunden werden. Erforderlich ist nur noch eine Abschirmung rund um die Bearbeitungsstelle als wirksamer Schutz gegen die entstehende Röntgenstrahlung. Das Anfang der sechziger Jahre in Deutschland entwickelte Verfahren wurde jedoch schon nach kurzem Einsatz in der nordamerikanischen Automobilindustrie von der Laserstrahltechnik ersetzt. Die durch den Leichtbautrend zunehmende Verwendung von Aluminium belebt die Nachfrage wieder. Nachdem bisher üblicherweise mit Taktanlagen gearbeitet wurde, denken man derzeit an die Integration des NV-EBW als Durchlaufverfahren, um die enormen Schweißgeschwindigkeiten effektiv zu nutzen. Beim Schweißen von Leichtmetall-Feinblechen konnten Geschwindigkeiten von über 20 m/min erzielt werden. Die hohen erzielbaren Geschwindigkeiten ohne typische Nahtfehler wie Randkerben und Schmelzbadauswurf machen das NV-EBW nach Ansicht von Fachleuten zu einer universell verwendbaren Alternative zum Laserstrahlschweißen. Die gute Spaltüberbrückbarkeit bietet darüber hinaus Vorteile hinsichtlich der Fugenvorbereitung. Dabei sind dem NV-EBW keine Grenzen durch das entstehende Plasma oder die Reflexionseigenschaften des Werkstoffs gesetzt.

Nicht nur in der Großserienfertigung, sondern auch im allgemeinen Maschinenbau mit Klein- und Mittelserien kann es zu einem vielseitig einsetzbaren Fertigungswerkzeug mit hoher Leistungsreserve werden. Wirtschaftliche Vorteile des NV-EBW im Vergleich zu Hochleistungslasern sind vor allem die niedrigeren Betriebskosten bei vergleichbaren, zum Teil geringeren Investitionskosten sowie der höhere Wirkungsgrad bei der Strahlerzeugung, was sich in günstigeren Fertigungskosten widerspiegelt. So lässt sich ein Elektronenstrahl mit einer Leistung von 50 kW mit einem Wirkungsgrad über 95 Prozent erzeugen, die Energieausnutzung der gesamten Schweißanlage liegt bei etwa 65 Prozent.

Widerstands- und Ultraschweißen
Auch das Widerstandsschweißen eignet sich für Aluminium-Bauteile. Einige Automobilhersteller gehen allerdings derzeit dazu über, das Punktschweißen durch andere Fügeverfahren zu ersetzen. Unter anderem für Drahtwaren empfiehlt ein Schweißanlagenhersteller das Mittelfrequenz-Widerstandsschweißverfahren. Damit lassen sich durch Umwandlung des Schweißstroms auf eine Frequenz von 1000 Hz und sekundärseitige Gleichrichtung die kapazitiven und induktiven Blindwiderstände erheblich senken. MF-Widerstandschweißmaschinen ermöglichen sehr kurze Schweißzeiten und hohe Leistungen, was die zu fügenden Bauteile und die Schweißelektroden schont und beim Verbinden von Aluminium vorteilhaft ist.

Die Ultraschall-Metallschweißtechnik ist ein molekulares Kaltschweissverfahren, bei dem die zu verbindenden Teile unter Druckeinwirkung zusammengepresst werden. Gleichzeitig wird durch intensives Reiben mit hoher Frequenz an dein Schweißstellen die Oxidhaut aufgebrochen. Man unterscheidet das lineare Verfahren für punktförmige und geradlinige Verbindungen sowie die torsionale Technik. Mit der Ultraschall- Torsionsschweißtechnik lassen sich bei tiefgezogenen Behältern oder Dosen in kurzer Zeit (Hundertstel- bis Zehntelsekunden-Bereich) überlappende, heliumdichte Ringnahtschweißverbindungen ohne Dichtungselemente, Zusatzwerkstoffe und Schutzgas realisieren. Beim Aufschweißen der Deckel treten weder im Werkstoffgefüge der Dosen noch im Inhalt nachteilige Veränderungen auf. Minimale elektrische und thermische Übergangswiderstände in der Schweißstelle eröffnen zudem vielseitige Anwendungen in der Medizintechnik, in der Elektro- und Elektronikindustrie. Die Automatisierbarkeit des Prozesses und ein geringer Energieverbrauch sind weitere Vorteile.

Reibschweißen verbindet auch artfremde Werkstoffe
Mit dem Reibschweißen, bei dem der Werkstoff nicht aufgeschmolzen, sondern unter Krafteinwirkung gefügt wird, können auch artfremde Werkstoffe wie Aluminium und Stahl miteinander verbunden werden. Dies ist mit automatisierten Reibschweißmaschinen sowohl im flexiblen Einsatz bei Kleinserien aber auch bei hohen Stückzahlen in der Großserie wirtschaftlich realisierbar. Bei Stahl-Aluminium-Reibschweißverbindungen wird mit sehr kurzen Prozesszeiten gearbeitet. Zum Teil beträgt die Reibzeit effektiv nur etwa 0,3 s bzw. nur 1 bis 4 Bauteilumdrehungen. Das Beispiel Aluminium-Stahl-Gelenkwellen zeigt, dass bei vergleichbarer Festigkeit gegenüber einer herkömmlichen Stahl-Gelenkwelle neben einer verbesserten Laufruhe eine Gewichtsersparnis von 20 Prozent realisiert werden kann.

Geeignet für Stumpfschweißverbindungen bei Aluminium und anderen NE-Metallen ist das Rührreibschweißen. Dabei wird mittels eines speziell geformten Stiftes, der mit hoher Drehzahl in der Stoßfuge rotiert, über den teigigen, nicht schmelzflüssigen Zustand die Naht erzeugt.

Im Schienenfahrzeugbau zeigten sich bei vergleichbaren mechanisch-technologischen Werten flachere und glattere Nahtformen und Oberflächen als bei herkömmlichen MIG-Schweißungen. Die höhere Schweißgeschwindigkeit halbiert in etwa die reinen Prozesskosten. Die maximale Spaltüberbrückbarkeit beträgt 2 mm. Das hochproduktive und einfach zu automatisierende Verfahren erfordert keine speziellen Vorbereitungen oder Nachbearbeitungen der Naht, Zusatzwerkstoffe und Schutzgase. Eine Umweltbeeinträchtigung durch Rauch, Staub oder Gas tritt nicht auf und selbst schwer verschweißbare Legierungen können gefügt werden.



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