Neue Verfahren fügen Bleche besser zusammen

Werkstoffe 09. 09. 2016
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Wissenschaftler der Universität Stuttgart entwickelten zwei neue Verfahrensvarianten für das Rührreibschweißen. Dadurch wird es erstmals möglich, Stahl- oder Aluminiumbleche unterschiedlicher Dicke wirtschaftlich und hochfest mit dem Rührreibschweißprozess zu fügen. So lässt sich die Werkstoffausnutzung von dünnen Stahlblechen in Aluminium-Stahl-Mischkarosserien um bis zu 100 Prozent steigern. Die TLB GmbH ist im Auftrag der Universität mit der weltweiten wirtschaftlichen Umsetzung der Technologie beauftragt.

Aufgrund der unterschiedlichen Festigkeiten von Stahl und Aluminium werden diese oft in unterschiedlichen Materialstärken eingesetzt. Die hochfeste Verbindung der Werkstoffe ist daher ein elementares Problem der industriellen Fügetechnik. Bislang werden Verbindungen zwischen artfremden Materialien unterschiedlicher Stärke durch Überlappschweißen hergestellt, da mit diesem Verfahren hohe Biegemomente­ und Zugfestigkeiten erreicht werden. Dabei können jedoch störende Kanten entstehen. Darüber hinaus besteht durch die direkte Kombination von unterschiedlichen Werkstoffen und den aus der Überlappung resultierenden Spalten eine erhöhte Gefahr für Korrosion.

Mit den am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF) der Universität Stuttgart entwickel­ten Rührreibschweißverbindungen ist es möglich, Stahl- und Aluminiumbleche unterschiedlicher Dicke wirtschaftlich und hochfest zu verbinden.

Die am IMWF und der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart forschenden Ingenieure und Techniker Prof. Dr. Ing. Stefan Weihe, Martin Werz, Max Hoßfeld und Oliver Volz entwickelten zwei Verfahren, mit denen erstmals unterschiedlich dicke Bleche als Stumpfstoß hochfest verbunden werden können. Die Verbindungen weisen dabei eine sehr hohe Zug- und Schwing­festigkeit auf.

Bei dem einen Verfahren wird das Stahlblech so gefalzt, dass dessen Fügequerschnitt­ zur Anbindung an das Aluminiumblech im Bereich der Fügezone verdoppelt wird. Hierdurch wird der Querschnitt des dünneren, festeren Blechs an der Verbindungsstelle erhöht. Dadurch kann das weichere Aluminium über seine gesamte Querschnittsfläche an den Stahl angebunden werden.

Mit dem zweiten an der Universität Stuttgart entwickelten Verfahren kann in nur einem Schweißvorgang durch ein neu entwickeltes Werkzeug eine kombinierte Überlapp- und Stumpfstoßverbindung hergestellt werden. Die resultierende Anbindungsfläche wird im Vergleich zu konventionellen Stumpfstoßverbindungen mehr als verdoppelt. Die vergrößerte Anbindungsfläche und die hohe Formänderungsfestigkeit des Aluminiums führen zu exzellenten statischen und zyklischen Verbindungs­festigkeiten.

Bei der Verbindung von solchen automobiltypischen Werkstoffen werden mit den neuen Verfahren Festigkeiten der Fügestelle von bis zu 99,4 Prozent des Stahlblechs erreicht. Damit ermöglichen die neu entwickelten Schweißverbindungen die Einsparung von Werkstoffen und erhöhen gleichzeitig die Sicherheit der Fahrzeuginsassen bei Unfällen. Gerade im Schweißprozess erhöhen die neu entwickelten Verfahren dieWirtschaftlichkeit: Sie erfordern weniger Arbeitsschritte und weniger Energie.

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