Leichtbau ist bei Fahrzeugen ein wichtiges Thema. Für einen optimierten Leichtbau ist in der Regel ein Patchwork aus verschiedenen Metallen nötig. Dazu muss beispielsweise Stahl mit Aluminium gefügt werden. Das erfordert nach dem Umformen einen weiteren Prozessschritt. »Das neue Verfahren erlaubt es nun, Alubauteile und Stahlblechen in einem kombinierten Umform- und Fügeschritt zu verbinden und gleichzeitig die Vorteile von Blech- und Massivbauteilen zu kombinieren«, berichtet Mareile Kriwall, Projektingenieurin am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) der TU Hannover.

Das Verfahren eignet sich damit für viele Komponenten, die leicht und robust zugleich sein müssen. Die Umformgeschwindigkeit von 26,6 Millimetern pro Sekunde entspricht den im industriellen Bereich üblichen Umformgeschwindigkeiten. Das Forschungsprojekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren der TU Clausthal realisiert und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Belastbare Verbindung

Das Verbundhybridschmieden macht den zusätzlichen Fügeschritt überflüssig und die Produktion kosteneffizienter. Das stoffschlüssige Verbinden eines Aluminiumbolzens mit Stahlblech geschieht hier allein durch die Presskraft. Die Verbindung ist dabei so stabil, dass das Blech anschließend tiefgezogen werden kann.

Im Projekt »Verbundhybridschmieden« haben die Forscher dazu einen Aluminiumbolzen und ein Stahlblech in die Schmiedepresse gelegt und den Aluminiumbolzen leicht gestaucht. Der Bolzen bestand aus der Legierung AlMg4,5Mn, das Stahlblech war ein verzinktes DX54D-Blech. Während des Umformprozesses verbindet sich der Bolzen fest mit dem Stahlblech.

Damit eine belastbare Verbindung entsteht, muss man den direkten Kontakt zwischen Aluminium und Stahl vermeiden. Denn wenn sich diese Metalle vermischen, entstehen spröde, intermetallische Phasen. Die Forscher haben deshalb Zink als Lotwerkstoff eingesetzt, da Zink mit Aluminium wie auch mit Stahl eine stoffschlüssige Verbindung eingeht, ohne dass spröde Phasen entstehen. »Durch den Pressdruck beim Schmieden kommen die Zinkschichten miteinander in Kontakt, verbinden sich und es entsteht eine stoffschlüssige, belastbare Verbindung,« so Mareile Kriwall.

Zink als Korrosionsschutz

Das bietet sich auch deshalb an, weil Stahlbleche wegen Korrosionsschutz standardmäßig verzinkt, also zum Verfahren passend geliefert werden. Das Aluminium-Massivteil musste man an der Fügestelle mit Zink beschichten. Das Zink wurde durch Heißtauchverfahren auf das Aluminium aufgebracht. Die Dicke der Beschichtung liegt im Bereich zwischen 50 bis 150 Mikrometer.

Durch die Bestimmung der Zusammenhänge zwischen Fügeparametern und den Verbindungseigenschaften konnte die Festigkeit einer bestimmten Fügegeometrie so eingestellt werden, dass sie das Niveau herkömmlicher Fügetechniken erreicht.

Die optimale Temperatur für das Umform-Füge-Verfahren liegt bei 350 Grad Celsius, da sich bei dieser Temperatur das Aluminium gut umformen lässt und das Zink noch nicht schmelzflüssig ist. Optimale Ergebnisse haben die Forscher erzielt, indem sie sowohl den Aluminiumbolzen als auch das Stahlblech vor der Umformung auf 350 Grad Celsius erwärmt haben.

Genauso stabil wie eine Schweißverbindung

Die stoffschlüssige Verbindung, die beim Umformen entsteht, hält Belastungen von 2,1 Kilonewton stand und ist damit genauso stabil wie eine Schweißverbindung. Auch bei einem anschließenden Umformprozess – das Blech wurde tiefgezogen – hielt die Verbindung. Da Zink bei rund 400 Grad Celsius schmilzt, muss die Umformung allerdings bei relativ niedriger Temperatur stattfinden.

Das Umform-Füge-Verfahren ist stabil bei einer Umformgeschwindigkeit von 26,6 Millimetern pro Sekunde und einem Stauchweg von mindestens neun Millimetern. Je länger der Stauchweg, desto besser ist der Zusammenhalt – allerdings darf der Aluminiumbolzen nicht zu stark umgeformt werden, damit sich das Blech nicht verformt. Eine geringe Umformgeschwindigkeit ist zuträglich, weil die Diffusionsprozesse dann besser ablaufen können und die Moleküle mehr Zeit haben, sich zu verbinden. Zudem kommt es auf die Geometrie des Aluminiumbolzens an: Er sollte weder spitz zulaufen, noch abgerundet sein, sondern flach, damit er möglichst großflächig auf dem Blech aufliegt.

Machbarkeit ermitteln

Für die Schmiedeversuche wurden Aluminiumteile mit einem Durchmesser von 50 Millimetern und einer Höhe von 70 Millimetern verwendet. Durch die Variation der Geometrie des Aluminiumbolzens kann der Umformgrad in der Fügezone beeinflusst werden. Der Umformgrad muss ausreichend groß sein, um ein Aufreißen der Zinkoxidschicht, die sich auf dem Zink bildet, zu ermöglichen. Jedoch darf die Umformung nicht so groß sein, dass die Zinkschicht vollständig abreißt und Aluminium und Stahlblech in direkten Kontakt treten.

In einem nächsten Schritt wurde das Hybridelement weiter umgeformt, mit einer Umformgeschwindigkeit von fünf Millimetern pro Sekunde und einer Kraft von 1.500 Kilonewton bei einer Temperatur von 25 Grad Celsius. Die Umformung war falten- und rissfrei.

»In dem von der DFG geförderten Projekt sollte erst einmal die Machbarkeit ermittelt werden. Ob jetzt darauf aufbauende Forschung erfolgen wird, ist in der Diskussion«, berichtet Mareile Kriwall.

Dr. Barbara Stumpp