Optimierung der Prozesskette:

Stahl mit Aluminium verbinden

Einzelne Flexweld®-Elemente können über einen C-Bügel (Bild 4a) oder mehrere direkt beim Umformprozess des Bauteils eingebracht werden (Bild 4b). Verschweißt wird dann klassisch per Schweißzange. Quelle: Arnold Umformtechnik

Geringe Taktzeiten und hohe Flexibilität sind zwei wesentliche Forderungen bei der Großserienproduktion in der Automobilbranche. Das hat neben aktuellen Trends am Markt natürlich auch Einfluss auf die eingesetzten Fertigungs- und Fügeverfahren. Ein Trend geht in Richtung Leichtbau. Um Gewicht einzusparen, setzt man vermehrt auf Werkstoffkombinationen aus hoch- und höchstfesten Stählen und Aluminium. Hierbei stoßen herkömmliche Fügeverfahren an ihre Grenzen. Nun aber die komplette Produktion umzustellen, um innovative Fügekonzepte zu implementieren, ist in den wenigsten Fällen sinnvoll. Dank einer neuen Technologie lässt sich jetzt das Fügen diese Materialien in den herkömmlichen Fertigungsprozess implementieren. Der Beitrag erklärt die Hintergründe.

Flexweld® ist ein neues Fügeverfahren zum Widerstandselementschweißen von Stahl und Aluminium oder Kunststoff. Dazu werden ins Aluminium bzw. den Kunststoff so genannte Flexweldelemente eingebracht, die sich mit herkömmlicher Schweißanlagentechnik verschweißen lassen. Bild: Arnold Umformtechnik

Flexweld® ist ein neues Fügeverfahren zum Widerstandselementschweißen von Stahl und Aluminium oder Kunststoff. Dazu werden ins Aluminium bzw. den Kunststoff so genannte Flexweldelemente eingebracht, die sich mit herkömmlicher Schweißanlagentechnik verschweißen lassen.

Das bislang einzigartiges Fügeverfahren Flexweld® kann per Widerstandselementschweißen (WES) Aluminium mit Tiefziehstählen und formgehärtetem, martensitischem Stahl verbinden. Dazu werden in das Aluminiumblech sogenannte Flexweld®-Elemente, bestehend aus einer gut schweißbaren Stahlgüte, eingestanzt. Das Aluminiumblech kann nun mit dem Stahl per Widerstandspunktschweißen in den gewohnten Fertigungsprozessen mit den vorhandenen Werkzeugen „verschweißt“ werden. Ebenso lassen sich auch Kombinationen aus Stählen mit faserverstärkten oder unverstärkten Kunststoffen verbinden. Entwickelt haben das Verfahren die Verbindungsexperten der Arnold Umformtechnik GmbH & Co. KG in Zusammenarbeit mit der Volkswagen AG.

Keine Angst vor Korrosion

Dipl.-Wirt.-Ing. Vitalij Janzen, F&E, Product- Process- and System- Development hat sich im Zuge verschiedener Forschungsreihen sehr ausführlich auch mit den Verbindungseigenschaften dieser Materialien beschäftigt und welchen Einfluss diese Mischbauverbindungen auf die Stabilität von Leichtbaukarosseriestrukturen haben. Bild: Arnold Umformtechnik

Dipl.-Wirt.-Ing. Vitalij Janzen, F&E, Product- Process- and System- Development hat sich im Zuge verschiedener Forschungsreihen sehr ausführlich auch mit den Verbindungseigenschaften dieser Materialien beschäftigt und welchen Einfluss diese Mischbauverbindungen auf die Stabilität von Leichtbaukarosseriestrukturen haben.

Im Hinblick auf die Vermeidung von Korrosion ist es wichtig, vor Einsatz des Verfahrens zu klären, in welchem Bereich die mit dem Verfahren gefügten Elemente eingesetzt werden: im Innenraum, Nassbereich oder Außenbereich der Karosserie. So werden von Fall zu Fall verschiedene Maßnahmen notwendig. Grundsätzlich handelt es sich bei Flexweld® um ein Fixierverfahren, das sich naturgemäß nicht für die Verbindung crash-relevanter Teile eignet. Für das Verfahren haben die ins Aluminium eingepressten und anschließend verschweißten Elemente lediglich die Aufgabe, die verbundenen Komponenten zu fixieren bis der Klebstoff ausgehärtet ist. Dipl.-Wirt.-Ing. Vitalij Janzen, F&E, Product- Process- and System- Development bei Arnold, hat sich im Zuge verschiedener Forschungsreihen sehr ausführlich mit den Eigenschaften der Verbindungen beschäftigt und welchen Einfluss diese Mischbauverbindungen auf die Stabilität von Leichtbaukarosseriestrukturen haben. Er erklärt: „Um Korrosion zu vermeiden ist es einerseits wichtig, ausreichend Klebstoff zu verwenden und für den Karosseriebau typische kathodische Tauchlackierung einzusetzen. Andererseits ist das eingepresste Element zum Korrosionsschutz beschichtet. Weitere Maßnahmen, wie z.B. ob man Sealer verwendet, ist vom Einsatzbereich abhängig und folgt den generellen Empfehlungen anderer für den Mischbau geeigneter Fügeverfahren, wie z.B. dem Flowform®-Verfahren. Interne Untersuchungen und Ergebnisse öffentlich geförderter Forschungsprojekte haben gezeigt, dass bei Berücksichtigung der o.g. Empfehlungen ein Korrosionseinfluss vermieden und über die Laufzeit des Fahrzeugs kein signifikanter negativer Einfluss auf die Festigkeit der Gesamtverbindung festgestellt werden kann.“

Einfluss von Fertigungstoleranzen

Bei dem Verfahren handelt es sich um einen zweistufigen Prozess. Zuerst werden die Elemente eingepresst und dann in einem weiteren Arbeitsschritt

Die Verbindungselemente werden mit sechs verschiedenen Schaftlängen angeboten, um Blechpakete mit Gesamtdicken zwischen 0,7 und 3,0 mm zu verbinden. Bild: Arnold Umformtechnik

Die Verbindungselemente werden mit sechs verschiedenen Schaftlängen angeboten, um Blechpakete mit Gesamtdicken zwischen 0,7 und 3,0 mm zu verbinden.

verschweißt. Daher stellt sich die Frage: Treten also in der Fertigung zwischen Element und Schweißelektroden Positions- und Lageabweichungen auf? Und wenn ja, haben sie Einfluss auf den Fügeprozess und die Verbindungsqualität? Hier kommt der Programmierung der Roboterposition sowie der Maßhaltigkeit der Bauteile eine hohe Bedeutung zu. Janzen macht jedoch deutlich, dass auch dabei keine ernstzunehmenden Probleme bestehen: „Höhere Abweichungen könnten in der Tat zu einseitigen Aluminiumaufschmelzungen und einer Schiefstellung des Elementkopfes während der Verschweißung führen. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Flexweld® maximale Abweichungen von ±2 mm in der Ebene problemlos wegstecken kann.“ Ein Winkelversatz von Setzwerkzeug und Bauteil bis zu einem gewissen Maß ist beim Einpressen der Verbindungselemente in der Praxis ebenfalls kein Thema. Auch das Setzen der Elemente in Bereichen mit leichten Radien kann prozesssicher durchgeführt werden.

Schließlich stellen potentielle Anwender immer wieder die Frage, ob Schwankungen der Blechdicke einen Einfluss auf das Verbindungsverfahren haben. Auch hier geben die Experten Entwarnung. Die Verbindungselemente werden mit verschiedenen Schaftlängen angeboten, um Aluminiumdicken zwischen 0,7 und 3,0 mm einsetzen zu können. Da Schwankungen in der Dicke des Aluminiumbauteiles normalerweise im geringen Zehntelmillimeterbereich liegen, haben die einzelnen Elemente in der Länge jeweils einen ausreichenden „Puffer“ zur Kompensation der Blechdickenschwankungen.

Breites Einsatzspektrum

Damit wird deutlich: Dem neuen Verfahren eröffnet sich ein breites Einsatzspektrum, denn sowohl bei den eingesetzten Stählen als auch beim verwendeten Aluminium ist das Verbindungsverfahren sehr flexibel. Sämtliche widerstandspunktschweißgeeignete Stähle können genutzt werden. Insbesondere eignet sich das Verfahren für höchstfeste Stähle mit Festigkeiten jenseits von 1000 MPa. Denn eine Umformbarkeit des Stahlwerkstoffes ist nicht nötig. Das Verfahren eignet sich auch für die unterschiedlichsten Oberflächenbeschichtungen. Lediglich die Dicke der eingesetzten Stähle hat Einfluss auf die Verbindung. Geeignet sind Materialdicken zwischen 0,7 und 3 mm. Auch bei der eingesetzten Aluminiumgüte bestehen von stranggepressten über gewalzte bis hin zu gegossenen Materialien unterschiedlichster Festigkeit keine Beschränkungen. Gusswerkstücke sind beispielsweise sehr spröde und neigen beim Umformen zu Rissbildungen. Da die Flexweld®-Elemente jedoch eingestanzt werden und das Material nicht umformen, ist auch das kein Problem.

In vielen Fahrzeugen wird heute zudem auch Kunststoff verbaut, vor allem in Design-Elementen . Da diese keine crash-relevanten Komponenten sind, eignet sich auch hier das Verbindungsverfahren mit den eingepressten Fügeelementen. Janzen gibt in diesem Zusammenhang aber einen Hinweis: „Um thermische Beschädigungen des Kunststoffes zu vermeiden, ist es natürlich wichtig, dass man beim Schweißen seine Prozessparameter im Griff hat.“

Integration in automatisierte Fertigungsprozesse

Einzelne Flexweld®-Elemente können über einen C-Bügel (Bild 4a) oder mehrere direkt beim Umformprozess des Bauteils eingebracht werden (Bild 4b). Verschweißt wird dann klassisch per Schweißzange. Quelle: Arnold Umformtechnik

Einzelne Flexweld®-Elemente können über einen C-Bügel (Titelbild) oder mehrere direkt beim Umformprozess des Bauteils eingebracht werden. Verschweißt wird dann klassisch per Schweißzange.

Nicht nur das Verschweißen der einzelnen Komponenten lässt sich dank dem neuen Verfahren also in den vorhandenen Fertigungsprozess integrieren. Auch die Verbindungselemente selbst können in einem vollautomatisierten Prozess in die Aluminiumbleche eingestanzt werden. Sie können entweder mit stationärem bzw. robotergeführtem C-Bügel oder direkt beim Umformprozess des Bauteils eingebracht werden. Der Vorteil dieser Presswerklösung ist, dass sich mehrere Elemente gleichzeitig einbringen lassen, was nochmals eine Zeitersparnis bringt. Verschweißt wird dann klassisch per Schweißzange.

Die Verbindungsexperten von Arnold liefern Anwendern sowohl die Verbindungselemente als auch das notwendige Equipment fürs Zuführen und Einstanzen. Gleichzeitig beraten sie im Vorfeld einer möglichen Serienanwendung umfangreich und beantworten Fragen. Dabei geben sie zum Beispiel auch Richtwerte für Schweißparameter weiter oder ähnliches. Das gesamte Verfahren vom Einbringen der Verbindungselemente bis hin zum Verschweißen selbst ist dann komplett automatisierbar und eignet sich deshalb besonders für die mischbaulastige Großserienfertigung. Man darf gespannt sein, welche Anwendungsbereiche es sich in den kommenden Jahren erschließen wird.

 

Die Arnold GROUP – BlueFastening Systems
Arnold steht international für innovative Verbindungstechnik auf höchstem Niveau. Auf der Basis des langjährigen Know-hows in der Produktion von intelligenten Verbindungselementen und hochkomplexen Fließpressteilen hat sich die Arnold GROUP seit mehreren Jahren bereits zu einem umfassenden Anbieter und Entwicklungspartner von komplexen Verbindungssystemen entwickelt. Mit der Positionierung „BlueFastening Systems“ wird diese Entwicklung nun unter einem einheitlichen Dach kontinuierlich weitergeführt. Engineering, Verbindungselemente und Funktionsteile sowie Zuführsysteme und Verarbeitungstechnik aus einer Hand bilden eine einmalige Kombination aus Erfahrung und Know-how – effizient, nachhaltig und international. Arnold gehört seit 1994 zur Würth Gruppe.

Alle Bilder: Arnold Umformtechnik

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Dipl.-Betriebswirtin Sibylle Beck

Event & PR Manger ARNOLD UMFORMTECHNIK

Nora Crocoll

Nora Crocoll

Studium Technische Redaktion, Praxis in der Elektronik-Industrie. Diplomarbeit in der Softwareentwicklung (XML-basierte Arbeitsumgebung für Redaktionsleitfaden). Seit 2005 als Autorin beim Redaktionsbüro Stutensee.

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