Stabile Verbindungen

Das thermische Fügen unterschiedlicher Materialien wie Stahl und Aluminium ist im automobilen Leichtbau wichtig. Allerdings ist es nicht ganz einfach, stabile Ergebnisse zu erzielen. Die Lösung bietet ein Schweißverfahren mit reduziertem Wärmeeintrag wie der CMT-Prozess von Fronius.

27. August 2018
Mit dem CMT-Schweißprozess von Fronius lassen sich Stahl und Aluminium prozesssicher und effizient fügen. (Bild: Fronius)
Bild 1: Stabile Verbindungen (Mit dem CMT-Schweißprozess von Fronius lassen sich Stahl und Aluminium prozesssicher und effizient fügen. (Bild: Fronius))

Die Automobilindustrie setzt beim Karosseriebau immer mehr auf die Kombination verschiedener Werkstoffe – und das aus guten Gründen: Das Gewicht der Fahrzeuge lässt sich durch den Einsatz von Materialien wie Aluminium oder faserverstärkten Kunststoffen reduzieren, was sich positiv auf die Leistung und den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Die Werkstoffe, die in ihren Eigenschaften sehr unterschiedlich sind, miteinander zu verbinden, ist jedoch eine große Herausforderung.

Festigkeit und Umformbarkeit eingeschränkt

Zu den am häufigsten Kombinationen im automobilen Leichtbau zählt die Verbindung von Stahl mit Aluminium. Um Kosten zu sparen, verschweißen Hersteller Bauteile aus Aluminium im Flanschbereich mit verzinkten Stahlblechen, sodass sie in der Rohbaulinie mit dem Punktschweißverfahren gefügt werden können.

Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die beiden Materialien sehr unterschiedliche physische und chemische Merkmale aufweisen, zum Beispiel bei der thermischen Ausdehnung, Wärmeleitung und Korrosionsbeständigkeit. Das wirkt sich auf die Qualität und Festigkeit der Schweißverbindung negativ aus. Auch die Umformbarkeit in anschließenden Fertigungsprozessen ist stark eingeschränkt.

Der Grund dafür liegt in der sogenannten intermetallischen Phase, die sich beim Schweißen von Stahl und Aluminium an der Stelle bildet, wo sich die beiden Materialien berühren und miteinander verschmelzen. Die Schicht ist spröde sowie anfällig für Risse und Poren – das beeinträchtigt die Stabilität der Verbindung.

Mit diesem Problem befasste sich auch der internationale Automobilzulieferer Magna Steyr. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Graz entwickelt und produziert Einzelkomponenten sowie komplette Fahrzeuge und setzt bei seinen Karosserien ebenfalls auf Leichtbau. Um die Kosten für die Fertigung von Stahl-Aluminium-Schweißteilen zu senken, untersuchte Magna Steyr den Fügeprozess und kam zu dem Ergebnis, dass die Temperatur einen entscheidenden Einfluss auf die Nahtqualität hat.

Kalter Schweißprozess verbessert die Stabilität

Der Wärmeeintrag während des Schweißens bestimmt die Dicke der intermetallischen Phase. In den Versuchen stellte sich heraus, dass diese idealerweise nicht mehr als zehn Mikrometer betragen sollte, um eine stabile Verbindung sicherzustellen. Dafür mussten die Experten den Temperaturverlauf optimal steuern – oberhalb der Schmelztemperatur von Aluminium, aber unter der Verdampfungstemperatur der auf den Stahlblechen aufgebrachten Zinkschicht. Bei den meisten Lichtbogenverfahren ist das aber nicht umsetzbar.

Die Lösung fand Magna Steyr schließlich in Cold Metal Transfer (CMT), dem von Fronius entwickelten „kalten“ Schweißprozess. Das CMT-Verfahren reduziert den Wärmeeintrag im Vergleich zu anderen MIG/MAG-Prozessen deutlich. Das Geheimnis liegt in der digitalen Prozessregelung, die Kurzschlüsse selbstständig erkennt und durch das Rückziehen des Drahtes die Tropfenablöse unterstützt.

Beim Schweißen bewegt sich der Draht vor – und sobald der Kurzschluss erfolgt, wird er wieder zurückgezogen. Dadurch wird die Lichtbogen-Brennphase sehr kurz gehalten und der Wärmeeintrag reduziert. Das Verfahren ermöglicht eine stufenlose Anpassung des Energieeintrags in das zu schweißende Bauteil.

Der Anwender profitiert von einem spritzerfreien Werkstoffübergang und optimalen Schweißergebnissen. CMT eignet sich damit ideal zum Schweißen von Stahlverbindungen mit CO2 und anderen Schutzgasen. Auch für das Fügen von Stahl mit Aluminium ist es prädestiniert, weil das Stahl-Grundmaterial bei diesen Schweißlötungen nicht aufgeschmolzen, sondern nur benetzt wird.

Herausragende Ergebnisse

Magna Steyr hat mithilfe des CMT-Schweißprozesses sowie durch eine Optimierung des Schweißdrahtes eine Technologie entwickelt, um Stahl und Aluminium prozesssicher und effizient fügen. Die genau definierte Einstellung der Schweißparameter ermöglicht es, die intermetallische Phase dünner als zehn Mikrometer zu halten. Die mechanischen Eigenschaften der Verbindung entsprechen damit allen Anforderungen.

Im Vergleich zum bisherigen Verfahren bietet CMT zudem den Vorteil, dass nicht mehr beidseitig, sondern nur noch einseitig geschweißt werden muss. Das senkt die Kosten und erleichtert die Arbeit. Zusätzliche und teurere Fügeprozesse wie das Stanznieten sind nicht mehr nötig – das erhöht die Wirtschaftlichkeit.