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Ausgewählte Ausgabe: 11-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Thermisches Fügen von Stahl und Aluminium

Aufgrund moderner Leichtbaukonzepte in der Automobilindustrie hat das thermische Fügen von Stahl und Aluminium in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. In diesem Zusammenhang wurden vermehrt Prozessentwicklungen im Bereich des MSG-Schweißlötens in Kombination mit einem Aluminiumzusatzwerkstoff vorangetrieben. Nachteilig bei dieser Fügestrategie ist die Bildung eines intermetallischen Phasensaums im Bereich der Fügezone aufgrund der sehr unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften von Stahl und Aluminium. Dieser Saum ist sehr spröde und kann bei einer überkritischen Ausbildung zu einem frühzeitigen Versagen der Verbindung von Stahl und Aluminium führen.


Bild 1.  Innovative Hybridkarosserie am Beispiel der „C-Klasse“ von Mercedes-Benz.

Bild 1.
Innovative Hybridkarosserie am Beispiel der „C-Klasse“ von Mercedes-Benz.

Um den Herausforderungen beim Fügen zu begegnen, wurde bei der Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft Fügetechnik GmbH (FEF) in Kooperation mit dem Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen (ISF) eine Fügestrategie entwickelt, welche gezielt die Bildung spröder intermetallischer Phasen im Bereich der Fügezone in Kauf nimmt, wobei deren negativer Einfluss auf die Festigkeitseigenschaften der Verbindung verringert wird. Um dies möglich zu machen, wurde ein niedrigenergetischer Kurzlichtbogenprozess mit einem niedrigschmelzenden Zinkbasislot verwendet.

Ausgangssituation

Aktuelle Leichtbaustrategien zeigen, dass Aluminiumwerkstoffe aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts immer häufiger in modernen Automobilkarosserien eingesetzt werden und somit konventionelle Stähle substituieren, Bild 1.
Beim thermischen Fügen von Werkstoff-Mischverbindungen werden in verschiedenen Anwendungsfällen Zusatzwerkstoffe eingesetzt, welche möglichst artgleich mit einem der beiden Fügepartner sind. In diesem Zusammenhang wird auch beim Fügen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen der Ansatz verfolgt, einen aluminiumbasierten Draht zu verwenden. Dabei wird der Aluminiumwerkstoff aufgeschmolzen, während der Stahlwerkstoff durch das Schmelzbad – ähnlich einer Lötung – lediglich benetzt wird.
Da es bei dieser „Schweißlötung“ dennoch zum Anschmelzen des Stahlblechs kommen kann und die Elemente Eisen und Aluminium bei Raumtemperatur nicht in Lösung gehen, entsteht ein intermetallischer Phasensaum (IMP). Im Fall des Phasensystems Fe-Al bestehen die IMP aus chemischen Verbindungen der Elemente Eisen und Aluminium. Die IMP unterscheiden sich aufgrund ihrer Bindungsarten von gewöhnlichen Metallen in ihren physikalischen und mechanischen Eigenschaften [1].
Die Bildung der IMP kann bei Lichtbogenprozessen nicht verhindert werden, da sie immer auftritt, sobald Fe und Al im schmelzflüssigen Zustand vorliegen, was beim Schweißlöten zu einem gewissen Anteil immer der Fall ist. Diese Phasen haben eine hohe Härte, was gleichzeitig eine geringe Zähigkeit zur Folge hat. Dies führt zu einer Verringerung der Festigkeitseigenschaften der Verbindung [2].
Intermetallische Phasen bilden sich vorwiegend als zusammenhängender Saum an der Oberseite des Stahlblechs. Aufgrund der spröden Struktur können sich Risse schnell entlang dieses Phasensaums verbreiten, sodass Stahl-Aluminium-Mischverbindungen beim Einsatz von Aluminiumzusatzwerkstoffen bereits unter geringen mechanischen Belastungen schlagartig versagen, Bild 2.

Bild 2.  St-Al-Mischverbindung mit Aluminiumzusatzwerkstoff sowie Riss in der intermetallischen Phase.

Bild 2.
St-Al-Mischverbindung mit Aluminiumzusatzwerkstoff sowie Riss in der intermetallischen Phase.

Um eine weniger spröde Stahl-Aluminium-Mischverbindung zu erzeugen, wird in [3] eine Phasensaumdicke unter 10 μm empfohlen, wobei der Grad der Ausbildung direkt von der Energieeinbringung durch das Fügeverfahren in die Prozesszone abhängt.

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Autoren

Dipl.-Ing. Matthias Angerhausen

Jahrgang 1983, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen. Seit Januar 2017 ist er als Vertriebsleiter bei der Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft Fügetechnik  GmbH  (FEF)  in Aachen tätig.

Dipl.-Ing. Christoph Geffers

Jahrgang 1977, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen. Seit Oktober 2012 ist er als Leiter Industrial Services and Solutions bei der FEF tätig.

Dipl.-Ing. Alexandros Pipinikas

Jahrgang 1976, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen und ist als Projektleiter bei der FEF tätig.

M.Sc. Thorsten Twiehaus

Jahrgang 1991, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen und ist als Projektleiter bei der FEF tätig.

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