Als leichtester metallischer Konstruktionswerkstoff eröffnet Magnesium ein enormes Leichtbaupotenzial. Dabei rücken aus Walzhalbzeugen in Zerspan-, Umform- und Schmiedeprozessen hergestellte Bauteile immer mehr in den Fokus. Für deren Verbindung zu kompletten Strukturen oder Komponenten stehen unterschiedliche Fügeverfahren zur Verfügung.
Die Entwicklung innovativer Bandgussverfahren ermöglicht es inzwischen, Magnesiumwalzhalbzeuge zu Preisen herzustellen, die keinen Vergleich mit dem rund ein Drittel schwereren Aluminium zu scheuen brauchen. In einer solchen Technologie fertigt die LMpv Leichtmetall Produktion & Verarbeitung GmbH aus der Standard-Knetlegierung AZ31 sowie weiteren Magnesiumlegierungen Platten, Blöcke und Bleche, aus denen in Umform-, Zerspan- und Schmiedeprozessen ultraleichte Bauteile entstehen. Sie zeichnen sich neben geringem Gewicht durch hohe Festigkeit und Steifigkeit sowie eine gute Recycelfähigkeit aus. Allerdings lassen sich die Bauteile aufgrund der eingeschränkten Umformbarkeit von Magnesium bei Raumtemperatur mit einigen kalten Fügeverfahren nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand verbinden. Dies trifft jedoch nicht auf das Schrauben, Kleben, Schweißen und Reibrührschweißen zu – damit ist es auch möglich, tragfähige Multimaterialverbindungen herzustellen. Über die Möglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Fügeverfahren informierte das Oranienbaumer Unternehmen in einem Workshop.
Text zum Titelbild: Aus den in innovativen Bandgussverfahren hergestellten Platten, Blöcken und Blechen lassen sich in Umform-, Zerspan- und Schmiedeprozessen ultraleichte Bauteile fertigen, die in verschiedenen Fügeverfahren verbunden werden können (Bildquelle: LMpv)
Optimal geschraubt – metrisch oder gewindefurchend
Soll die Verbindung wieder lösbar sein, ist das mechanische Schrauben bevorzugtes Fügeverfahren. Dabei werden je nach Einsatz unterschiedlich hohe Anforderungen gestellt, die sich sowohl mit metrischen als auch mit gewindefurchenden Schrauben erfüllen lassen. Um ein ungewolltes Lockern oder Lösen, beispielsweise durch statische und dynamische Belastungen wie Erschütterungen und Vibrationen, zu verhindern, gelten bei der Auslegung von Schraubverbindungen für das Fügen von Magnesiumbauteilen identische Voraussetzungen wie bei anderen metallischen Werkstoffen. Wesentliche Kriterien sind die geeignete Berechnung und Gestaltung der Verbindung, beispielsweise nach VDI 2230.
Um beim Einsatz metrischer Schrauben eine ausreichende dynamische Sicherheit zu gewährleisten, stehen diese mechanischen Verbindungselemente auch mit integrierter Klebesicherung zur Verfügung. Alternativ kann die Schraubverbindung mit gewindefurchenden Schrauben hergestellt werden. Diese Verbindungselemente sind als unterschiedliche Systeme verfügbar, beispielsweise das spezielle für das Fügen von Leichtmetallen entwickelte Altracs Plus von Ejot. Diese Schrauben formen beim Eindrehen in die Kernlöcher des Magnesiumbauteils ein metrisches Muttergewinde selbst ein. Dabei ergibt sich durch die Kaltverformung der Materialstruktur eine höhere Stabilität und Festigkeit der Verbindung, so dass auf zusätzliche Sicherungselemente verzichtet werden kann. Einsparpotenzial bieten gewindefurchende Schrauben darüber hinaus durch die reduzierte Anzahl der Arbeitsschritte – Bohren des Mutterngewindes und Gewindeschneiden entfallen – beim Herstellen der Verbindung.
Kontaktkorrosion – ein Thema das beim Verschrauben von Magnesiumbauteilen mit Stahlschrauben stets genannt wird – lässt sich durch entsprechende konstruktive Maßnahmen und die Verwendung beschichteter Verbindungselemente verhindern. Beispiele dazu finden sich insbesondere in der Automobilindustrie, etwa die Verbindung des Frontends beim Porsche Panamera.
Bei der Entfettung von Magnesiumbauteilen vor dem Verkleben bietet die Laserstrahlreinigung Vorteile: Durch die kurzfristige Überschreitung der Schmelztemperatur im oberflächennahen Bereich (1 µm bis 5 µm) kommt es zu einer hohen KorrosionsstabilitätBildquelle: Clean Laser
Mit Klebstoff auf dauerhaften Halt ausgelegt
Leichtbau und Kleben – eine Verbindung, die auch beim Fügen von Magnesium- und Hybridbauteilen Vorteile bietet. So stellt beispielsweise beim direkten Verbund von Magnesium und Stahl der Klebstoff nicht nur die mechanische Verbindung der Werkstücke her, sondern sorgt auch für eine elektrochemische Trennung der Oberflächen und verhindert dadurch Kontaktkorrosion. Außerdem lassen sich dem Klebstoff durch Zusatzstoffe optische, thermische oder elektrische Eigenschaften beimischen. Die für die Verbindungen optimal geeigneten Klebstoffe werden dabei von Herstellern, wie beispielsweise Delo, auf Fügepartner abgestimmt.
Entscheidenden Einfluss auf die Langzeitstabilität von Klebeverbindungen hat die Art der Beanspruchung, wobei hauptsächlich zwischen Scher-, Druck-, Zug- und Schälbelastung unterschieden wird. Um bei der Bauteilkonstruktion das Risiko eines späteren Spannungsversagens der Klebung zu minimieren, sollte diese in einem Bereich vorgesehen werden, in dem sie nur Druck- und/oder Scherbelastungen ausgesetzt ist. Gründe dafür sind: Klebstoffe besitzen üblicherweise nur eine geringe Zugfestigkeit. Bei einer Schälbeanspruchung wird die Belastung lediglich vom offenen Kleberrand aufgenommen, was zu einem Aufreißen führen kann.
Ein weiteres wesentliches Kriterium ist die Vorbehandlung der Oberfläche. Das Entfetten zählt dabei zu den wichtigsten Schritten, da nur fettfreie Oberflächen eine einwandfreie Benetzung ermöglichen. Bewährt hat sich dabei die Laserstrahlreinigung, bei der Verunreinigungen durch eine thermisch-physikalische Verdampfung abgetragen werden. Mit diesem Verfahren lassen sich nicht nur Restfett- und Oxidschichten von Magnesiumbauteilen entfernen, durch die kurzfristige Überschreitung der Schmelztemperatur im oberflächennahen Bereich (1 µm bis 5 µm) kommt es zu einer hohen Korrosionsstabilität und damit zu einer langzeitbeständigen Klebevorbehandlung.
Lichtbogenschweißen – besser ohne Zusätze
Eine optimale Nahtvorbereitung ist auch Voraussetzung für dauerhaft beständige Schweißverbindungen, ebenso wie konstruktive Überlegungen zur Auslegung der Schweißnaht, die sich jedoch nicht von anderen Werkstoffen unterscheiden.
Magnesium lässt sich mit allen gängigen Lichtbogenschweißverfahren fügen, je nach eingesetzter Schweißtechnologie mit spezifischen Vor- und Nachteilen. So ermöglicht manuelles oder automatisiertes MIG-Schweißen bei mittlerem Investitionsaufwand artgleiche Verbindungen. Außerdem ist dafür ein Schweißzusatz erforderlich, der aufgrund der bisher eher geringen Nachfrage mit hohen Kosten zu Buche schlägt. Beim lediglich manuell handhabbaren WIG-Schweißen lassen sich auch Bauteile aus unterschiedlichen Materialien mit und ohne Zusatz herstellen. Der Investitionsaufwand für dieses Verfahren hält sich ebenfalls in Grenzen. Das Laserstrahlschweißen, das ebenfalls mit oder ohne Zusatz erfolgen kann, ist nur automatisiert möglich. Aufgrund der enormen Schweißgeschwindigkeit eignet sich dieses Verfahren für die Großserienproduktion, nicht zuletzt auch durch die erforderlichen Investitionen.
Entsprechende Technik für das Schweißen von Magnesiumbauteilen ist für alle drei Verfahren auf dem Markt verfügbar.
Bauteile aus Magnesiumlegierungen können mit allen gängigen Lichtbogenschweißverfahren gefügt werdenBildquelle: Stolfig
Das Fügeverfahren Reibrührschweißen oder Friction Stir Welding wurde für die Verbindung von schwer zu schweißenden Leichtmetallwerkstoffen entwickeltBildquelle: Helmholtz-Zentrum Gesthaacht
Schweißen mit Reibung
Das Reibrührschweißen oder Friction Stir Welding (FSW) ist im Vergleich zum Laserstrahlschweißen ein junges Verfahren. Es benötigt weder eine Schutzgasatmosphäre noch Schweißzusätze. FSW wurde für das Fügen von schwer zu schweißenden Leichtmetallwerkstoffen entwickelt und eignet sich insbesondere für die Verbindung artungleicher Werkstoffe, zum Beispiel Magnesium und Aluminium.
Im Schweißprozess wird ein rotierender Stift mit großer Kraft in die Nahtstelle von zwei Bauteilen eingebracht und entlang der Fügelinie bewegt. Dabei entsteht durch die Reibung Wärme, wodurch das Material plastifziert, um den Stift transportiert und verdichtet wird. Beim Abkühlen bildet es dann eine feste, reproduzierbare Verbindung. Im Einsatz ist FSW unter anderem im Automobilbau, in der Luftfahrtindustrie sowie der Medizintechnik. Darüber hinaus arbeitet das Institut für Werkstoffforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht derzeit an der Entwicklung eines Punktschweißverfahrens auf Basis des FSW. In einem weiteren Projekt beschäftigen sich die Wissenschaftler damit, die Gefügestruktur der Magnesiumlegierung AZ31 durch das Friction Stir Processing so zu verändern, dass eine umformfähige Struktur entsteht.
