Forschung und Entwicklung : Neues Verfahren zur Verbindung von Blechen aus Alu und Stahl

Die Wissenschaftler aus Stuttgart haben eine Verfahrensabwandlung und neue Werkzeuge für das Rührreibschweißen entwickelt, mit dem sich Aluminium- und Stahlbleche unterschiedlicher Dicke miteinander hochfest verschweißend kombinieren. Rührreibschweißen ist ein besonderer Schweißprozess, bei dem rotierendes Werkzeug längs des zu fügenden Spalts mit viel Kraft entlangfährt und so Blechplatinen miteinander verbindet. „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. Das Besondere am Verfahren der MPA: Die Bleche können gleichzeitig stumpf und überlapp verschweißt werden. So wird eine größere Querschnittsfläche erzielt, die wiederum eine höhere Festigkeit und folglich eine höhere Umformbarkeit gewährleistet.

Es wurden verschiedene Zugversuche gemacht. Die Schweißnaht hat gehalten, während das Material der Probenstücke weit weg von der Naht schon vorher aufgegeben hat. Die Naht ist so stabil, dass man die Hybridplatinen auch durch Tiefziehen umformen kann, ohne dass die Naht aufbricht. „Selbst bei komplexen Geometrien wie Rundungen hält unsere Schweißnaht“, sagt Werz stolz. Einen Anwendungsbereich für die hochfesten Aluminium-Stahl-Hybridstrukturen sieht Martin Werz vor allem im Automobilbereich: „„So kann man sich in einem Bauteil 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 kombiniert“, erklärt er. Bislang wird im Karosseriebau die Hybridisierung erst durch die Montage von Bauteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen erreicht. Die neue Entwicklung der MPA der Universität Stuttgart ermöglicht es, bereits in einzelnen Bauteilen Aluminium und Stahl zu kombinieren. Das eröffnet zusätzliche Freiheitsgrade bei der Strukturoptimierung, die zur Gewichtsreduzierung genutzt werden können.

Die Wissenschaftler aus Stuttgart haben für ihr Verfahren, neben dem Schweißprozess zur Erzeugung der Hybridisierung, auch weitere Teile der Prozesskette entwickelt. Dazu gehört, unter anderem, eine neuartige, energieeffiziente Wärmebehandlungsmethode sowie eine spezielle Umformmethode. Damit kann der Dickenunterschied bei Hybridplatinen berücksichtigt werden. „Außerdem könnte die von uns entwickelte Technologie auch zur Verbindung von zum Beispiel Kupfer- und Aluminiumblechen unterschiedlicher Dicke eingesetzt werden. Dies könnte man etwa zur Herstellung von Poolverbindern für die E- Mobilität nutzen“, meint Werz. Der Vorteil hierbei wäre, dass man Kupfer und Aluminium unterschiedlicher Dicke miteinander verschweißen und sich dabei die spezifischen Widerstände bei der Auswahl der Blechdicke zunutze machen könnte.

„Nach aktuellen Schätzungen ist davon auszugehen, dass durch die Anwendung entsprechender Hybridplatinen im Automobilbau das Gewicht der Rohbaukarosserien bei Beibehaltung der Sicherheit um circa zehn Prozent gesenkt werden kann“, sagt Werz. Betrachtet man die gesamte Lebensdauer und Fahrleistung eines PKWs, reduziert das niedrigere Gewicht den Treibstoffverbrauch und die Emissionen.

https://youtu.be/WHsSTNFHTlA Mit dem neuen Verfahren, das an der Universität Stuttgart entwickelt wurde, entstehen leichte und belastbare Bauteile, die etwa im Automobilbereich zum Einsatz kommen können.