Widerstandselementschweißen

Darum stanze, was sich ewig bindet

Geringe Taktzeiten und hohe Flexibilität sind zwei wesentliche Forderungen bei der Großserienproduktion in der Automobilbranche. Zur Herausforderung wird dies, wenn herkömmliche Fügeverfahren nicht mehr kompatibel zu neuen Werkstoffkombinationen sind. So hat Arnold Umformtechnik in Zusammenarbeit mit VW ein Verfahren zum automatischen Fügen von Stahl- und Aluminiumblechen entwickelt, das hochfeste Stähle nicht nur mit Aluminium verschweißen lässt, sondern auch mit faserverstärkten oder unverstärkten Kunststoffen.

Produktion VW Passat: Beim Widerstandselementschweißen werden Aluminium und Stahl untrennbar miteinander verbunden. (Bild: Volkswagen)

Das Automobil hat mit einem großen inneren Konflikt zu kämpfen: Ständig auf Diät, nimmt es dennoch stetig zu. Grund ist die massive Zunahme an Sicherheits- und Komfortsystemen sowie die Elektrifizierung des Antriebsstranges. Eine Diätform ist die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe. Der Vorteil: Werkstoffe können entsprechend ihrer Materialeigenschaften wie Gewicht, Steifig- und Dehnbarkeit, Bruchgrenzen, Fertigungs- und Verarbeitungseigenschaften, Verfügbarkeit und Recyclingfähigkeit clever kombiniert werden. Allerdings bringt dieser Leichtbauweg manches herkömmliches Fügeverfahren an seine Grenzen. Denn nicht jede Materialkombination ist schweißbar und nicht jedes alternative Fügeverfahren ist für die automatisierte Großserienproduktion geeignet.

Das Diätprogramm der 8. Passat-Generation reduzierte das Fahrzeuggewicht im Gegensatz zum Vorgänger um bis zu 85 kg. Einen Löwenanteil daran hatten die Antriebsaggregate – die aufgeladenen Vierzylinder haben laut VW für bis zu 40 kg weniger Gewicht gesorgt. Bis zu 33 kg konnten die Entwickler bei der Ausstattung sparen, dank weiterentwickelter Materialien und einer neuen Klimaanlage. Die restlichen Kilos wurden mithilfe leichterer Materialien beim Fahrwerk, der Karosserie und der Elektrik eingespart. Dazu zählt auch die Hutablage aus Aluminium, die ein Kilogramm einspart. Mit ihr erhielt das Material Aluminium erstmals Einzug in die Karosseriestruktur des Passats.

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Die Schwierigkeit bei der Produktion der Hutablage war allerdings, ein für die Großserienfertigung geeignetes Verfahren zum Verbinden von Aluminium mit Tiefziehstählen und formgehärtetem, martensitischem Stahl zu entwickeln. Mit dem sogenannten Widerstandselementschweißen (WES) ist dies gelungen. Mit beteiligt an der Entwicklung des Verfahrens waren auch die Experten der Arnold Umformtechnik: „Wir haben die Geometrie der WES-Elemente festgelegt, den Prozess des Einstanzens mit gleichzeitigem mechanischen Verankern im Blech entwickelt und patentiert sowie die komplette Zuführ- und Verarbeitungstechnik entwickelt und gebaut, welche man braucht, um die WES-Elemente automatisiert zu verarbeiten“, fasst Uwe Wolfarth, Leiter Forschung und Entwicklung bei der Arnold Umformtechnik, das Leistungsspektrum zusammen.

51 Stahlnieten pro Hutablage

Um das Aluminiumblech mit dem Stahl in den gewohnten Fertigungsprozessen mit den vorhandenen Werkzeugen verschweißen zu können, werden metallische Widerstands-schweiß-Elemente in das Aluminiumblech eingebracht. Im Fall der VW-Hutablage werden 51 kleine Stahlnieten fest in das Aluminiumblech eingeprägt. Anschließend wird dieses Blech mit den Stahlbauteilen mit konventionellen Wider- standspunkt-Schweißzangen verschweißt und zusätzlich verklebt. Grundsätzlich handelt es sich bei dem von Arnold Umformtechnik Flexweld genannten Verfahren um ein Fixierverfahren, das sich nicht für die Verbindung crashrelevanter Teile eignet. Die ins Aluminium eingepressten und anschließend verschweißten Elemente haben lediglich die Aufgabe, die verbundenen Komponenten zu fixieren, bis der Klebstoff ausgehärtet ist.

Neben dem Vorteil, dass die gleichen Produktions- und Schweißanlagen verwendet werden können, wie sie zuvor für die reinen Stahlblechverbindungen verwendet wurden, erlaubt das neue Verfahren ebenso eine Mischproduktion, da nur eine Softwareanpassung erforderlich ist, um von einem Aluminiumblech mit Widerstandsschweißelementen zu einem Standardstahlblech zu wechseln. Zudem kann das Flexweld-Verfahren auch Kombinationen aus Stählen mit faserverstärkten oder unverstärkten Kunststoffen verbinden.

Keine Angst vor Korrosion

51 kleine Stahlnieten werden als Schweißpunkte für das Widerstandselemente-Schweißen in die Hutablage eingeprägt. (Bild: Volkswagen)

Doch bevor das Flexweld-Verfahren fit für die Serienproduktion war, galt es noch einige Hürden zu meistern. So war im Hinblick auf die Vermeidung von Korrosion im Vorfeld zu klären, in welchem Bereich die mit dem Verfahren gefügten Elemente eingesetzt werden: im Innenraum, Nassbereich oder Außenbereich der Karosserie. Vitalij Janzen, F&E, Product-, Process- and System-Development bei Arnold, hat sich im Zuge verschiedener Forschungsreihen 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 zum Beispiel die Verwendung von Sealern, ist vom Einsatzbereich abhängig und folgt den generellen Empfehlungen anderer für den Mischbau geeigneter Fügeverfahren, wie dem Flowform-Verfahren.“

Laut Janzen haben interne Untersuchungen und Ergebnisse öffentlich geförderter Forschungsprojekte gezeigt, dass bei Berücksichtigung der genannten Empfehlungen ein Korrosionseinfluss vermieden und über die Laufzeit des Fahrzeugs kein signifikanter negativer Einfluss auf die Festigkeit der Gesamtverbindung festgestellt werden könne. Des Weiteren musste im Vorfeld bedacht werden, welchen Einfluss die Fertigungstoleranzen auf das Ergebnis haben werden. Da es sich bei dem Verfahren um einen zweistufigen Prozess handelt, galt es herauszufinden, ob in der Fertigung zwischen Element und Schweißelektroden Positions- und Lageabweichungen auftreten. Und wenn ja, welchen Einfluss diese auf den Fügeprozess und die Verbindungsqualität haben können. Klar ist, dass hier der Programmierung der Roboterposition sowie der Maßhaltigkeit der Bauteile eine hohe Bedeutung zukommt.

In der Unterbaugruppenfertigung werden die Aluminiumbleche vorkonfektioniert, damit sie in der Kernlinienfertigung geklebt und verschweißt werden können. (Bild: Arnold)

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 sei beim Einpressen der Verbindungselemente in der Praxis ebenfalls kein Thema. Auch das Setzen der Elemente in Bereichen mit leichten Radien könne prozesssicher durchgeführt werden.

Tolerant bei Blechdicken

In der Unterbaugruppenfertigung werden die Aluminiumbleche vorkonfektioniert, damit sie in der Kernlinienfertigung geklebt und verschweißt werden können. (Bild: Arnold)

Auch auf die Frage, ob Schwankungen der Blechdicke einen Einfluss auf das Verbindungsverfahren haben, 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.

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 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 laut Arnold Umformtechnik kein Problem.

Karosseriestruktur der 8. Passat-Generation: Aluminium (grün) ergänzt erstmals das Konstrukt aus Stahl (grau), höchstfestem (rot) sowie warmumgeformten Stahl (lila). (Bild: Volkswagen)

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

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 beziehungsweise 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.

Somit ist das gesamte Verfahren vom Einbringen der Verbindungselemente bis hin zum Verschweißen selbst komplett automatisierbar und eignet sich deshalb besonders für die mischbaulastige Großserienfertigung. cs

Blechexpo, Halle 4 Stand 4404

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