Aluminiumfügen im Karosserie- bau

Der Einsatz von Aluminium im Karosserieleichtbau steht und fällt mit geeigneten Fügekonzepten. Laserbasierende Schweißtechnologien sorgen sowohl im Außenhautbereich als auch an Strukturbauteilen für signifikante Verbesserungen. Sie verbessern nicht nur die Nahtqualität, sondern erhöhen auch die Prozessgeschwindigkeit.

16. Februar 2019
Aluminiumfügen im Karosserie- bau
Scansonic-ALO3- Löt-Optik mit Laserline-Triple-Spot-Modul (OR-Spot-Modul). (Bild: Laserline)

Zu den größten Herausforderungen des Automobilbaus zählt heute die Gewichtsreduktion. Hochleistungsantriebe und komplexe Bordelektronik, modernste Sicherheitssysteme und Komfortkomponenten lassen vor allem Fahrzeuge der Oberklasse immer schwerer werden – was sich schnell negativ auf Kraftstoffverbrauch und Fahrdynamik auswirken könnte. Der Trend zur Elektromobilität wird diese Problematik weiter verschärfen, da die neue Batterie- und Antriebstechnik das durchschnittliche Fahrzeuggewicht zusätzlich erhöht. Bei dem Versuch, diese Gewichtszuwächse zu kompensieren, fällt der Blick immer häufiger auf Leichtbaukonzepte.

Wurden Karosserien in der Vergangenheit primär aus Stahlbauteilen konstruiert, greifen die Fahrzeughersteller inzwischen verstärkt auch zu Faserverbundstoffen und Leichtmetallen. In der Serienfertigung hat sich da vor allem Aluminium durchgesetzt. Es ist deutlich günstiger als beispielsweise Carbon, lässt sich gut verarbeiten und überzeugt ebenfalls hinsichtlich des optischen Aspekts.

Flexible und wirtschaftliche Fügetechnologien unverzichtbar

Flexible und wirtschaftliche Fügetechnologien unverzichtbar

Einer der Schlüssel zum verstärkten Einsatz von Aluminiumbauteilen sind flexible und wirtschaftliche Fügetechnologien. Da Aluminium nicht so tiefziehbar ist wie Stahl und dementsprechend nur geringere Bauteilgrößen erlaubt, erhöht sich die Gesamtzahl der Karosseriebauteile und damit auch die Anzahl der Fügungen. Den Hauptanteil machen dabei Schweißverbindungen aus. Sie werden heute vorrangig durch Laserschweißen mit taktiler Nahtführung realisiert – ein Fügeverfahren, das mit 1,2 bis 1,6 Millimeter dicken Zusatzdrähten aus Aluminium-Silizium- oder Aluminium-Magnesium-Legierungen arbeitet und diese Drähte zugleich als mechanische Taster nutzt. Als Strahlquellen werden bevorzugt Diodenlaser eingesetzt. Sie sind weniger reflexionsempfindlich als andere Lasertypen; ihre Ausgangsleistung bleibt trotz der hohen Reflexivität von Aluminium konstant, sodass der Prozess nicht durch Leistungsschwankungen beeinträchtigt wird. Hinzu kommt, dass Diodenlaser sehr ruhige Schmelzbäder generieren und einen sehr hohen Steckdosenwirkungsgrad (bis 50 Prozent) besitzen.

Zum Laserschweißen mit taktiler Nahtführung werden überwiegend Laser mit Ausgangsleistungen von 4 bis 6 Kilowatt eingesetzt. Ihre Fokussierung auf das Werkstück erfolgt über Bearbeitungsoptiken wie etwa ALO3 von Scansonic, die eigens für dieses taktile Verfahren konzipiert sind. Die Führung der Optik wird vom Zusatzdraht übernommen, der vom Laser unter einem Schutzgasmantel abgeschmolzen wird und Füllmaterial für die Naht bereitstellt. Der Draht wird kontinuierlich in den Fügestoß gefördert und passt durch mechanische Rückmeldung die Bewegung des Bearbeitungskopfes mittels einer zusätzlichen Schwenkachse genau an den Stoßverlauf an. Darüber hinaus verbessert der Zusatzdraht die metallurgische Zusammensetzung der Naht und reduziert so die Heißrissempfindlichkeit. Ergebnis sind exakt justierte, hochstabile Nähte, die Lötnähten ähneln und kaum Heißrisse aufweisen.

Multi-Spot-Module optimieren das Laserschweißen mit taktiler Nahtführung

Obwohl das Laserschweißen mit taktiler Nahtführung schon vielfach erfolgreich eingesetzt wurde, ist die standardisierte Konfiguration dieses Verfahrens nicht bei allen Schweißungen die optimale Lösung. Bei Bördelnähten im Bereich der Karosserieaußenhäute etwa werden mit diesem Verfahren teilweise Nähte mit rauer Oberfläche oder welligen Rändern generiert, die zwar sehr stabil sind, aber ästhetisch nicht vollständig überzeugen. Das stellt vor allem in den unmittelbar sichtbaren Karosseriebereichen ein Problem dar. Ursache dieser optisch unbefriedigenden Nahtqualität ist oft ein überhöhter Wärmeeintrag. Aluminium kann aufgrund seiner Reflexivität nur bei einer sehr hohen Leistungsdichte aufgeschmolzen werden. Der Laserspot wird daher klein, mit einem Durchmesser von etwa 0,6 Millimetern, gewählt. Dieser Durchmesser stellt einen Kompromiss dar: Er sollte möglichst klein sein, um Einschweißtiefe und Wärmeeintrag einfach zu regeln, und gleichzeitig möglichst groß, um die Spaltüberbrückbarkeit im Schweißprozess zu erhöhen. Beides gelingt daher nur bedingt. Aufgrund unzureichender Wärmekontrolle kommt es zu Durchschweißungen im Unterblech, die zu stärkerem Verzug führen, und aufgrund von Spalten kann es zu Poren oder Anbindefehlern kommen. Verbesserungen lassen sich hier vor allem durch die Substitution der herkömmlichen Single-Spot-Konfiguration erreichen. Eine Alternative, die aktuell bereits von mehreren Automobilherstellern für neue Serienanwendungen qualifiziert und auch schon beauftragt wurde, bieten die von Laserline entwickelten Multi-Spot-Module mit Spot-in-Spot-Design. Mit diesen Modulen, die sich problemlos in ALO3-Optiken integrieren lassen, werden auffallend glatte Nähte mit präzise konturierten Randbereichen erzeugt, bei denen gleichzeitig der Wärmeeintrag und die Einschweißtiefe besser geregelt werden können.

Das Multi-Spot-Konzept beruht auf der Grundidee, den kollimierten Laserstrahl auf mehrere Spots aufzuteilen, die auch nach ihrer Aufteilung noch immer in Größe, Intensität und Position modifiziert werden können. Beim speziell für Tiefschweißprozesse entwickelten Spot-in-Spot-Design wird ein größerer Außenspot von einem kleineren Innenspot überlagert, der das eigentliche Tiefschweißen übernimmt und bei Bedarf in Vorschubrichtung verlagert werden kann. Durch diese Konfiguration lassen sich die Vorteile des Tiefschweißens (hohe Einschweißtiefe und Prozessgeschwindigkeit) mit denen des Wärmeleitschweißens (glatte Nahtoberfläche und geringe Spritzerbildung) kombinieren. Zudem verbessert der größere Außenspot die Spaltüberbrückbarkeit des Prozesses und damit das Prozessfenster. Durch gezielte Anpassung von Spotgröße und Leistungsverteilung kann der Nahtquerschnitt optimiert und ein Durchschweißen konsequent verhindert werden. Das Ergebnis sind optisch überzeugende Schweißnähte mit sehr geraden Nahträndern ohne Randkerben. Aufgrund des sehr effizienten und dem Prozessergebnis angepassten Wärmeeintrags kann auch die Prozessgeschwindigkeit erhöht werden. Diese Prozessverbesserungen werden sowohl bei 6000er-Aluminium-Legierungen mit AlSi-Zusatzdraht als auch bei 5000er-Legierungen mit AlMg-Zusatzdraht erzielt.

Ein weiterer Anwendungsbereich, der gegenüber dem standardisierten Laserschweißen mit taktiler Nahtführung Verbesserungspotenzial aufweist, ist das Kehlnahtschweißen von Strukturbauteilen. Grundidee ist hier eine deutliche Reduzierung des aufgeschmolzenen Materials – mit dem Ziel, Eigenspannungen nach dem Schweißprozess so weit zu senken, dass auch ohne Zusatzdraht und dementsprechend ohne Auflegierung der Schmelze keine Heißreißrisse entstehen. Die Reduzierung der eingebrachten Energie erfolgt wiederum durch Verkleinerung des Spotdurchmessers.

Infobox

Zahlen & Fakten

Laserline wurde 1997 von Dr. Christoph Ullmann und Volker Krause gegründet. Die beiden Technologie-Pioniere waren davon überzeugt, auf Basis der seit 1960 bekannten Laserdiode eine alternative Strahlquelle für die industrielle Lasermaterialbearbeitung entwickeln zu können – den Diodenlaser. Anfangs wurde das Projekt kaum ernst genommen, denn die Einzeldiode schien als Baustein eines Industrielasers viel zu schwach zu sein. Die beiden Erfinder aber hielten an ihrer Vision fest. Und nur binnen weniger Jahre entwickelten sie ein Werkzeug, das ganze Industriezweige eroberte. Dass die leistungsstarken Laser von Laserline inzwischen fest in vielen Produktionsketten verankert sind, verdankt das Unternehmen seiner unerschöpflichen Pionierarbeit, für die es bereits mehrfach ausgezeichnet wurde.

Was mit kleinem Team im Technologiezentrum Koblenz begann, gilt heute als Inbegriff industrieller Lasertechnologie. Seit 2002 sitzt die Laserline mit einem eigenen etwa 15.000 Quadratmeter großen Gelände in Mülheim-Kärlich, fertigt in hochmodernen Produktionsstätten, tüftelt in innovativen Entwicklungslabors, ist mit sechs internationalen Niederlassungen, zum Beispiel in den USA, Brasilien, Japan, China und Südkorea, vertreten und arbeitet mit Vertriebspartnern in Europa (Frankreich, Italien, Großbritannien) und im asiatisch-pazifischen Raum (Indien, Taiwan, Australien) zusammen. Heute sind mehr als 300 Menschen im Unternehmen beschäftigt.

Remote-Schweißen als neuer Ansatz bei Strukturbauteilen

In diesem Fall wird dann die Nahtbreite nicht – wie oben beschrieben – durch Überlagerung mit einem größeren Spot (›Spot-in-Spot-Modul‹), sondern durch Oszillieren des Spots 1D quer zur Vorschubrichtung erzeugt. Gleichzeitig werden Laserleistung und Geschwindigkeit des scannenden Spiegels angepasst, um wiederum den Querschnitt der Schweißnaht zu optimieren. Erstmalig wurde dieses Verfahren 2014 von Audi in der Serie getestet und vorgestellt (Dr. Jan-Philipp Weberpals, Audi, EALA 2014) und im Anschluss in einer sehr großen Anzahl von neuen Audi-Modellen in der Serienfertigung weltweit eingeführt.

Bei diesem sogenannten ›Kleinfeld‹-Remote-Prozess wird der Spot verkleinert und das bei einem gleichzeitig vergrößerten Arbeitsabstand. Die Strahlqualität des Lasers muss deshalb deutlich höher sein als bei den bisherigen taktilen Prozessen. Audi setzt daher Laserline-LDF-4000-6-Diodenlaser mit Strahlkonverter ein. Als Bearbeitungsoptik wird der Precitec Scantracker verwendet. Mittels einer optischen Kantenerkennung, die auf dem Prinzip der Lasertriangulation basiert und genauso präzise arbeitet wie die mechanische Rückmeldung einer taktilen Optik, gibt er zusätzlich Impulse zur Oszillation des Bearbeitungsspots. Darüber hinaus ermöglicht der hochfrequent oszillierende Scannerspiegel eine Anpassung der Scanamplitude bei erhöhten Fügespalten. Auf diese Weise werden zu jedem Zeitpunkt des Fügeprozesses eine optimale Spaltüberbrückung sowie – durch adäquaten Wärmeeintrag – eine wunschgemäße Einschweißtiefe sichergestellt.

Im Vergleich zum Laserschweißen mit taktiler Nahtführung führt dieses neue Verfahren nach Angaben von Audi zu einer Zeitersparnis von 53 Prozent. Die Prozessgeschwindigkeit konnte deutlich erhöht werden. Außerdem kann der Scantracker bei Steppnähten als ›fliegende Optik‹ berührungsfrei über Spannstellen fahren, während taktile Optiken zeitaufwendig aus- und einfahren müssen. Aufgrund des geringeren Wärmeeintrags und einer Reduzierung des geschmolzenen Volumens um etwa 50 Prozent im Querschnitt nennt Audi eine Senkung des CO2-Ausstoßes um 24 Prozent. Die Betriebskosten des neuen Verfahrens liegen sogar um 95 Prozent (!) niedriger als beim Laserschweißen mit taktiler Nahtführung. Diese auffällige Senkung der Betriebskosten geht ganz wesentlich auf das Entfallen von Zusatzdraht und Schutzgas zurück; zudem sind die Bearbeitungsoptiken durch den größeren Arbeitsabstand besser vor Schmauch und Spritzern geschützt und Schutzgläser müssen seltener ausgetauscht werden.

Multi-Spot-Module mit Spot-in-SpotDesign im Automobilbau.

Fügetechnik entscheidet

Mit den neuen Aluminiumschweißprozessen stehen Anwendern heute Fügeverfahren zur Verfügung, die den Aluminiumeinsatz im Karosseriebau hervorragend unterstützen und damit wesentlich zur konsequenten Umsetzung moderner Leichtbaukonzepte beitragen. Bei Bördelnähten in sichtbaren Außenhautbereichen optimieren Spot-in-Spot-Module das etablierte Laserschweißen mit taktiler Nahtführung und sorgen für optisch überzeugende Schweißnähte – bei gleichzeitig deutlicher Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit und Prozessrobustheit (Spaltüberbrückung und Reduzierung der Einschweißtiefe).

Beim Fügen von Strukturbauteilen wird durch das neu entwickelte Aluminium-Remote-Schweißen eine signifikante Verbesserung beim Kehlnahtschweißen erreicht. Das unterstreichen nicht zuletzt die Zahlen aus der Serienproduktion des Audi A8: Neben einer Halbierung der Prozesszeit und einer deutlichen Reduktion des CO2-Ausstoßes wird eine Senkung der prozesseigenen Betriebskosten um 95 Prozent erreicht.

Sämtliche Optiken und Laser stehen im Laserline-Anwendungslabor bereit, um diese neuen Prozesse zu testen und weiterzuentwickeln. Spot-in-Spot-Module werden auch schon in fliegenden Optiken ohne Drahtzufuhr eingesetzt, zudem werden ganz neue asymmetrische Spots verwendet. Die beschriebenen Vorteile sind überdies nicht nur im Karosseriebau bedeutsam, sondern lassen sich auch auf andere Bereiche wie Tailored Welded Blanks, Getrieberäder und E-Mobility-Anwendungen übertragen.

Erschienen in Ausgabe: 01/2019