Unzertrennliche Hybride
Verfahrenskombination als wirtschaftliche Alternative zur Verbindung von Stahl und Aluminium.
Das stoffschlüssige Verbinden verschiedenartiger Metalle ist für Leichtbaukonstruktionen sehr wichtig, aber schwierig in der Umsetzung. Die anlagen- und prozesstechnischen Entwicklungen am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben einen Stand erreicht, der eine erfolgreiche Umsetzung metallischer Mischbauweisen in der Realität ermöglicht. Auf der EuroBlech in Hannover haben die IWS-Experten eine Kombination zwischen Laserstrahlschweißen und Laserinduktionswalzplattieren (LIWP) präsentiert. „Mit den beiden Verfahren lassen sich gänzlich verschiedene Metalle in hoher Qualität miteinander verbinden“, sagt Prof. Dr. Berndt Brenner von der Abteilung „Randschicht- und Fügetechnologien“ am Fraunhofer IWS. „Die Vereinigung der beiden Verfahren eröffnet vor allem für Werkstoffkombinationen aus Stahl und Leichtmetallen neue Anwendungsmöglichkeiten“, so Brenner.
Konventionelle thermische Fügeverfahren, wie z. B. Schweißen, sind dafür oft unbrauchbar, weil sie breite Zonen an intermetallischen Phasen erzeugen, die spröde sind. Dem IWS ist es nun gelungen, Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften herzustellen. Im Vergleich zu herkömmlichen thermischen Fügeverfahren würden die erzeugten Verbindungen eine deutlich höhere Duktilität aufweisen, zudem seien die Verbindungen umformbar und damit vor allem für Leichtbaukonstruktionen im Fahrzeugbau geeignet, erklärt Brenner. Da es sich um linienförmige Verbindungen handelt, treten hier die für punktförmige Verbindungen typischen ungewollten Spannungsspitzen nicht auf. Die Verfahrenskombination stelle somit laut IWS eine wirtschaftliche Alternative zum Widerstandspunktschweißen, Clinchen oder Nieten dar.
Zweistufiger Prozess
Um Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften zu erzielen, bedarf es eines zweistufigen Prozesses. Im ersten Schritt, dem Laserinduktionswalzplattieren, erfolgt zunächst die Herstellung eines Bimetallbandes aus der gewünschten Materialkombination. Dazu werden die zwei bandförmigen Ausgangsmaterialien induktiv vorgewärmt, mit einem speziell geformten Laserstrahl partiell auf Fügetemperatur gebracht und mittels Walzplattieren flächig miteinander verbunden. Dabei entsteht eine sehr feste und zugleich duktile Fügezone, die nahezu frei von spröden intermetallischen Phasen ist.
Band mit Eigenschaften
Schon das durch Laserinduktionswalzplattieren hergestellte Band eignet sich für verschiedene Anwendungen. In der Starkstromtechnik beispielsweise werden Kupfer- und Aluminiumbänder miteinander gefügt, für die Gleitlagerfertigung sind Verbindungen aus Stahl und Bronze oder Messing interessant. Das Verfahren wurde vom Fraunhofer IWS Dresden patentiert und die Anlagentechnik bereits bis zur Serienreife optimiert.
Beim Verbinden von Blechen aus Aluminium einerseits und Stahl andererseits dient das geometrisch an die Verbindungsstelle angepasste Bimetallband als Bindeglied (Transition Joint) zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien. Die jeweils artgleichen Verbindungen zwischen Blech und Transition Joint werden vorteilhaft durch Laserstrahlschweißen hergestellt, das Prozessgeschwindigkeiten von 5 m/min und mehr ermöglicht. Der dabei auftretende lokal begrenzte Energieeintrag beeinträchtigt die Eigenschaften des Bimetallbandes kaum. Neben Überlapp- und Eckstößen können auch echte Stumpfstöße erzeugt werden, wie sie bisher nur in der Tailored-Blank-Fertigung bekannt sind.
Mehrere wissenschaftliche Arbeiten belegen bereits die ausgezeichnete Umformbarkeit in Biege-, Crash- und Tiefziehversuchen. Axel Jahn, Leiter der Gruppe „Bauteilauslegung“ am Fraunhofer IWS, führte erfolgreiche Umformversuche mit herkömmlichen Tiefziehwerkzeugen durch und zeigte damit auch, dass die Einführung der Multimaterialbauweise keine große Hürde darstellt. Mit seinen Mitarbeitern realisierte Jahn außerdem ein belastungsangepasstes Kastenprofil aus Stahl und Aluminiumblechen. Gegenüber herkömmlichen punktgeschweißten Stahlprofilen mit den gleichen Außenabmessungen ergibt sich eine beachtliche Massereduktion von 30 Prozent bei gleicher Festigkeit. [red/iws]
