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Hohe Festigkeit rührreibgeschweißter Stumpfstöße artfremder Materialien unterschiedlicher Stärke

Kurzfassung

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben ein Verfahren und ein Schweißwerkzeug entwickelt, mit dem rührreibgeschweißte Stumpfstoßverbindungen bei Blechen unterschiedlichen Materials und unterschiedlicher Stärke mit deutlich gesteigerten Festigkeitskennwerten realisiert werden können. Durch die Optimierung des Verbindungsquerschnitts im Fügebereich können höhere Kräfte und Biegemomente übertragen werden. Somit konnten bei einer Stahl-Aluminium-Verbindung Verbindungsfestigkeiten von bis zu 99,4 % des Stahlbleches erreicht werden.

Hintergrund

Vor allem in der Automobilindustrie wird die Aluminium-Stahl-Mischbauweise favorisiert, da die Verwendung von Aluminium eine enorme Gewichtsersparnis mit sich bringt. Das erfindungsgemäße Rührreibschweißverfahren und die zugehörigen Werkzeuge und Vorrichtungen ermöglichen es, Stahl- und Aluminiumbleche unterschiedlicher Dicke hochfest zu fügen.

Problemstellung

Herkömmlich werden Verbindungen zwischen artfremden Materialien unterschiedlicher Stärke durch Überlappschweißen hergestellt, da mit diesem Verfahren hohe übertragbare Biegemomente und Festigkeiten erreichbar sind. Nachteilig wirken sich beim Überlappschweißen aber optisch störende Kanten aus. Darüber hinaus erhöht die direkte Kombination von unterschiedlichen Werkstoffen und den aus der Überlappung resultierenden Spalten die Korrosionsempfindlichkeit stark.
Stumpfstoßverbindungen mit guten Festigkeitskennwerten sind aktuell zwar durch Rührreibschweißen zu erreichen, allerdings nur, wenn Stahl- und Aluminiumblech dieselbe Dicke haben.

Lösung

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben ein Verfahren und ein Schweißwerkzeug entwickelt, mit dem rührreibgeschweißte Stumpfstoßverbindungen bei Blechen unterschiedlichen Materials und unterschiedlicher Stärke mit deutlich gesteigerten Festigkeitskennwerten realisiert werden können.
Hierzu wird der Querschnitt des dünneren, festeren Bleches an der Verbindungsstelle lokal erhöht. Das Stahlblech wird an der Kante, die mit dem Aluminiumblech verschweißt werden soll, gefaltet, abgekantet oder Falz-gebördelt, bis die Stärke an der Verbindungsstelle der des Aluminiumbleches entspricht.
Ein nicht vollständig umgelegter Falz kann durch ein speziell geformtes oder durch Anbauteile ergänztes Rührreibschweißwerkzeug während des Schweißprozesses vollständig um- oder angelegt werden.
Die Geometrie des Schweißstiftes (Pin) ist an die Geometrie der Umlage des festeren Materials angepasst. Dadurch wird es möglich, dass das Aluminiumblech im Bereich des Falzes vollständig und hochfest an das Stahlblech angebunden wird. Verbindungsfestigkeiten von bis zu 99,4 % des Stahlbleches wurden bisher erreicht.

Schematische Darstellung des Verfahrens.
Schematische Darstellung des Verfahrens.

Vorteile

  • Rührreibschweißen von Stumpfstößen artfremder Materialien unterschiedlicher Stärke
  • Optimierter Verbindungsquerschnitt im Fügebereich
    • Höhere Kräfte
    • Höhere Biegemomente
  • Wegfall des Korrosionsproblems an der Fügestelle

Anwendungsbereiche

Hochfestes Fügen von Stahl- und Aluminiumblechen unterschiedlicher Stärke.

Exposé
Kontakt
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TLB GmbH
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76137 Karlsruhe | Germany
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Entwicklungsstand
Prototyp / TRL5
Patentsituation
DE 102013110034 A1 anhängig
US 9,849,541 B2 erteilt
Referenznummer
13/032TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Ver-wertung der Technologie beauftragt und bietet Unter-nehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.