Rührreibverschweißen

Nico Helfesrieder u.a./ dsc,

Leichtbau mit Tailor Welded Blanks

In der Automobilentwicklung wird dem funktionalen Leichtbau eine entscheidende Rolle für die effiziente Nutzung von Ressourcen und Energie zugerechnet.

Modell der Rührreibschweißportalanlage aus Projektspur 1. © Universität Stuttgart

Das Rührreibverschweißen von Blechen unterschiedlicher Dicken und Werkstoffe zu sogenannten Tailor-Welded Blanks (TWB) bietet hier neue Gestaltungsfreiheiten und hohes Leichtbaupotenzial für die Automobilbranche. Der Prozess unterliegt jedoch hohen Anforderungen, zum Beispiel an Anlagen- und Regelungstechnik.

Nachhaltigkeit durch funktionalen Leitbau

Der Verkehr auf Deutschlands Straßen verursacht jährlich rund 160 Millionen Tonnen CO2 und damit etwa 20 % des gesamten CO2-Ausstoßes der Bundesrepublik. Eine wirkungsvolle Maßnahme, diesen Wert zu reduzieren, ist die Reduktion des Fahrzeuggewichts durch funktionalen Leichtbau. Neben entsprechenden Leichtbauwerkstoffen sind vor allem beanspruchungsoptimierte Tailor-Welded Blanks (TWB) eine vielversprechende Technologie für die leichtbaugerechte Karosserieproduktion.

Das sind Platinen, die bereits vor der Umformung aus unterschiedlichen Werkstoffgüten und Blechdicken maßgeschneidert zusammengefügt werden. Weiteres Leichtbaupotential bietet die Mischbauweise aus Aluminium und Stahl, durch die sich die positiven Eigenschaften der beiden Werkstoffe, wie hohe Festigkeit des Stahls und das geringe Gewicht des Aluminiums, in positiver Weise kombinieren lässt.

Anzeige

Forschungsvorhaben CO2-HyChain

Die Automobilindustrie ist bestrebt, diese Maßnahmen in Form von hybriden Aluminium-Stahl-TWB  zu verknüpfen, um so das Fahrzeuggewicht weiter senken zu können. Im Rahmen des Forschungsvorhabens CO2-HyChain werden dazu an der Materialprüfungsanstalt der Universität Stuttgart unter Laborbedingungen entwickelte Lösungen zum Fügen von Blechplatinen aus Aluminium und Stahl durch Rührreibschweißen im interdisziplinären Forschungsverbund weiterentwickelt, skaliert und in die industrielle Praxis transferiert.Das Rührreibschweißverfahren bietet dabei gegenüber klassischen Schmelzschweißverfahren wesentliche Vorteile.

Beim Schweißvorgang wird durch ein rotierendes Werkzeug, über Reibung und plastische Verformung, Wärme in die Fügestelle eingebracht. Dadurch erweichen die Fügepartner lokal und werden in diesem Zustand verrührt. Dabei wird jedoch zu keinem Zeitpunkt die Schmelztemperatur der Fügepartner erreicht. Bei herkömmlichen Schmelzschweißverfahren wird die Schweißnaht durch das Erstarren eines flüssigen Schmelzbades gebildet, wobei durch Ausscheidungsauflösung und Kornwachstum bis zu 70 % der Festigkeit verloren gehen kann.

Hochfeste Aluminiumlegierungen fügen

Im Gegensatz dazu ermöglicht das Rührreibschweißen das Fügen hochfester Aluminiumlegierungen durch das Vermeiden der flüssigen Phase nahezu ohne Festigkeitsverluste. Ebenso lassen sich andere Leichtbaulegierungen wie Magnesium oder auch hybride Mischverbindungen wie die hier beschriebene Verbindung aus Aluminiumlegierung und Stahl verschweißen. Zwar entstehen beim Fügen von Aluminium und Stahl mittels Rührreibschweißen intermetallische Phasen, die sehr spröde sind und daher die Festigkeit und Umform- barkeit limitieren. Diese Einschränkung kann allerdings durch eine anschließende Wärmebehandlung nahezu vollständig behoben werden.

Eine Herausforderung beim Rührreibschweißen sind die hohen Prozesskräfte im kN-Bereich, die eine Spanntechnik zum Verhindern des Auseinanderdrückens der Bleche sowie einen Gegenhalter zum Aufnehmen der Axialkräfte nötig machen. Der Rührreibschweißprozess unterliegt, insbesondere bei hybriden Schweißungen, hohen Anforderungen an die Auswahl und Einhaltung der Prozessparameter. In Kombination mit verhältnismäßig großen Toleranzfeldern der verwendeten Halbzeuge ergeben sich herausfordernde Anforderungen an die gesamte Anlagentechnik und die verwendete Steuerungstechnik.

Diesen Fragestellungen zu begegnen hat sich das vom BMWK geförderte Verbundprojekt CO2-HyChain unter Beteiligung der Universität Stuttgart sowie einem breiten Konsortium an Industriepartnern zum Ziel gemacht. Im Projekt werden zwei hocheffiziente Produktionsanlagen zur Herstellung von hybriden TWBs sowie Tailor-Welded Coils (TWC) entwickelt, experimentell erprobt sowie deren Weiterverarbeitung bis zur Anwendungsreife abgesichert, um eine entsprechenden Prozesssicherheit und damit Qualität der gefügten Platinen bzw. Coils sicherzustellen.

Drei Projektspuren

In der ersten von drei Projektspuren wird eine Portalanlage zur wirtschaftlichen, stückweisen Herstellung großformatiger hybrider Aluminium-Stahl TWBs entwickelt und in Betrieb genommen. Bisherige Rührreibschweißanlagen sind entweder nur für sehr spezifische Anwendungsfälle wie zum Beispiel die Herstellung sehr langer Kranträger optimiert oder aber es handelt sich bei den Anlagen um Anpassungskonstruktionen von 5-Achs-Fräsmaschinen. Zur Herstellung von TWB ist jedoch prinzipiell eine 2,5D-Bearbeitung ausreichend. Die Bearbeitung benötigt dafür eine verhältnismäßig große Arbeitsfläche mit signifikant unterschiedlichen Kraftkollektiven, als sie beim Fräsen erforderlich sind. Für die Rührreibschweißportalanlage wird an der Universität Stuttgart unter anderem eine Anstellkinematik zur Anstellung des Werkzeuges in der Fügeebene entwickelt und steuerungstechnisch implementiert.

Ziel der parallel laufenden zweiten Projektspur ist die Entwicklung, Inbetriebnahme und Validierung einer Durchlaufanlage für die quasikontinuierliche Herstellung von hybriden Aluminium-Stahl- TWCs. Dabei handelt es sich um einen Ansatz, der großes Potential für eine besonders wirtschaftliche Fertigung hybrider Blechverbunde bietet. Die fortlaufende Bewegung der Blechbänder stellt eine Herausforderung für die Einspannung und den Gegenhalter dar und erfordert neuartige Lösungskonzepte. Aufgrund der hohen Vorschubgeschwindigkeiten und der anspruchsvollen Aluminium-Stahl-Schweißnaht bestehen hohe Anforderungen an die Steuerungs- und Regelungsstrategien der Anlage.

Weil Rührreibschweißnähte neue Freiheitsgrade für den Produktentwicklungsprozess erlauben, werden in der dritten Projektspur Methoden entwickelt, um optimale Schweißnahtverläufe zu ermitteln und dann die Herstellbarkeit durch numerische Prozesssimulation nachzuweisen. Im Kontext zur heute in der Industrie eingesetzten rechnergestützten Prozessauslegung ist es vorgesehen, die Bauteilkonstruktion, den Umformprozess und die Bewertung der erzielbaren Bauteileigenschaften weitestgehend virtuell und damit kosten- und zeitsparend darzustellen. Dies schließt auch die Entwicklung, Konzeption und Konstruktion der erforderlichen Umformwerkzeuge mit ein. Besondere Beachtung findet hierbei die Wechselwirkung der Platinengeometrie und somit dem Verlauf der Schweißnaht mit dem Werkzeug.

Regelung der Prozesstemperatur

Den Rührreibschweißprozess sicher in den Griff zu bekommen, um gleichbleibend hohe Schweißqualität zu gewährleisten, ist eine wichtige Anforderung für dessen industriellen Serieneinsatz. Eine konventionell positionsgeregelte Werkzeugmaschine kann dies nur bedingt leisten. Die unnachgiebige Regelung der Eintauchtiefe des Werkzeuges kann aufgrund von Bauteiltoleranzen zu stark variierenden Anpresskräften und somit zu unkontrollierten Temperaturverteilungen führen.

Diesem Problem wird im Stand der Technik meist mit einer Kraftregelung der Werkzeugachse begegnet, womit bereits deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden können. Da die Kraftregelung allerdings die Geometrie der Platine beziehungsweise der Schweißnaht nicht berücksichtigt, kann es bei engen Radien sowie an Außenkanten der Platinen zu einem Wärmestau kommen. In der Folge kann das Bauteil erweichen, was in Verbindung mit der Kraftregelung zu einem zu tiefen Eintauchen führt. Neben schlechter Nahtqualität können hieraus auch Beschädigungen des Werkzeuges, des Gegenhalters oder der Spannvorrichtung resultieren, die wiederum Stillstandszeiten und Produktionsausfälle zur Folge haben.

Sicherer Prozess mit gleichbleibender Qualität

Aus diesem Grund soll im Projekt die Schweißtemperatur überwacht und durch Anpassung der Drehzahl geregelt werden, um einen sicheren Prozess mit gleichbleibender Qualität zu gewährleisten. Die entwickelte Forschungsanlage soll zu diesem Zweck mit zusätzlicher Temperatur-Sensorik ausgestattet werden. Die teils hohen Zusatzkosten und der Integrationsaufwand solcher Sensorik ist im industriellen Einsatz aufgrund mangelnder Wirtschaftlichkeit meist nicht erwünscht. Daher wird ergänzend ein Prozessmodell entwickelt, das die Temperatur auf Basis von Materialkennwerten sowie Messdaten der realen Maschine abbildet.

Mit Messdaten erster Schweißversuche liefert das entwickelte Prozessmodell bereits plausible Temperaturverläufe. In zusätzlichen Schweißversuchen an der MPA sollen nun auch die Temperaturverläufe beim Rührreibschweißen messtechnisch erfasst werden, um das Prozessmodell validieren zu können. Zukünftig soll es anhand des Modells möglich sein, die Schweißtemperatur auf Basis der Maschinendaten zur Laufzeit zu beobachten und zu regeln, ohne zusätzliche Temperatursensorik einzusetzen.

Autoren: Nico Helfesrieder, Dr.-Ing. Armin Lechler, Prof. Dr.-Ing. Alexander Verl, Fabian Fritsche, Robin Göbel, Dominik Walz, Dr.-Ing. Martin Werz, Prof. Dr.-Ing. Stefan Weihe

Universität Stuttgart, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW), www.isw.uni-stuttgart.de

Universität Stuttgart, Materialprüfungsanstalt (MPA), www.mpa.uni-stuttgart.de

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige