Weniger Hitze beim Schweißen dank Fronius Cold Metal Transfer

Das Schweißen unterschiedlicher Materialien ist im automobilen Leichtbau von zentraler Bedeutung. Fronius hat dazu den Cold Metal Transfer, ein Schweißverfahren mit reduziertem Wärmeeintrag, entwickelt. Magna Steyr kann damit die Fertigung von Karosserieteilen deutlich wirtschaftlicher gestalten.

Die Automobilindustrie setzt beim Karosseriebau immer mehr auf die Kombination verschiedener Werkstoffe – und das aus guten Gründen: Das Gewicht der Fahrzeuge lässt sich durch den Einsatz von Materialien wie Aluminium oder faserverstärkten Kunststoffen deutlich reduzieren, was sich unter anderem auf die Leistung und den Kraftstoffverbrauch positiv auswirkt. Moderne Fahrzeuge zeichnen sich daher durch einen bis ins kleinste Detail ausgetüftelten Materialmix aus. Jedes einzelne Teil ist auf optimale Funktion bei minimalem Gewicht ausgelegt. Die Werkstoffe, die in ihren Eigenschaften sehr unterschiedlich sind, miteinander zu verbinden, stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Fronius hat sie mit seinem „kalten“ Schweißprozess, dem Cold Metal Transfer (CMT) gelöst.

Festigkeit und Umformbarkeit eingeschränkt.

Zu den am häufigsten genutzten Kombinationen im automobilen Leichtbau zählt die Verbindung von Stahl mit Aluminium. Um Kosten zu sparen, verschweißen Hersteller Bauteile aus Aluminium im Flanschbereich mit verzinkten Stahlblechen, so dass sie in der Rohbaulinie mit dem herkömmlichen und günstigen Punktschweißverfahren gefügt werden können. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die beiden Materialien sehr unterschiedliche physische und chemische Merkmale aufweisen, zum Beispiel bei der thermischen Ausdehnung, Wärmeleitung und Korrosionsbeständigkeit. Dies wirkt sich negativ auf die Qualität und Festigkeit der Schweißverbindung aus. Auch die Umformbarkeit in anschließenden Fertigungsprozessen ist stark eingeschränkt. Der Grund dafür liegt in der sogenannten intermetallischen Phase, die sich beim Schweißen von Stahl und Aluminium an der Stelle bildet, wo sich die beiden Materialien berühren und miteinander verschmelzen. Die Schicht ist spröde sowie anfällig für Risse und Poren – das beeinträchtigt die Stabilität der Verbindung. Mit diesem Problem befasste sich auch der internationale Automobilzulieferer Magna Steyr. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Graz entwickelt und produziert Einzelkomponenten sowie komplette Fahrzeuge und setzt bei seinen Karosserien ebenfalls auf Leichtbau. Um die Kosten für die Fertigung von Stahl-Aluminium-Schweißteilen zu senken, untersuchte Magna Steyr den Fügeprozess detailliert und kam zu dem Ergebnis, dass dabei die Temperatur einen entscheidenden Einfluss auf die Nahtqualität hat.

Kalter Schweißprozess verbessert Stabilität.

Der Wärmeeintrag während des Schweißens bestimmt maßgeblich die Dicke der intermetallischen Phase. In den Versuchen der Ingenieure stellte sich heraus, dass diese idealerweise nicht mehr als zehn Mikrometer betragen sollte, um eine stabile Verbindung sicherzustellen. Dafür mussten die Experten den Temperaturverlauf optimal steuern – oberhalb der Schmelztemperatur von Aluminium, aber unter der Verdampfungstemperatur der auf den Stahlblechen aufgebrachten Zinkschicht. Bei den meisten Lichtbogenverfahren ist dies jedoch nicht umsetzbar. Die Lösung fand Magna Steyr schließlich in Cold Metal Transfer (CMT), dem von Fronius entwickelten „kalten“ Schweißprozess. Das CMT-Verfahren reduziert den Wärmeeintrag im Vergleich zu anderen MIG/MAG-Prozessen deutlich. Das Geheimnis liegt in der digitalen Prozessregelung, die Kurzschlüsse selbstständig
erkennt und durch das Rückziehen des Drahtes die Tropfenablöse unterstützt. Beim Schweißen bewegt sich der Draht vor – und sobald der Kurzschluss erfolgt, wird er wieder zurückgezogen. Dadurch wird die Lichtbogen-Brennphase sehr kurz gehalten und der Wärmeeintrag reduziert. Das Verfahren ermöglicht zudem eine stufenlose Anpassung des Energieeintrags in das zu schweißende Bauteil. Der Anwender profitiert von einem spritzerfreien Werkstoffübergang und optimalen Schweißergebnissen. CMT eignet sich damit ideal zum Schweißen von Stahlverbindungen mit CO2 und anderen Schutzgasen.

Herausragende Ergebnisse, ausgezeichneter Prozess.

Magna Steyr hat mithilfe des CMT-Schweißprozesses sowie durch eine Optimierung des Schweißdrahtes eine Technologie
entwickelt, um Stahl und Aluminium prozesssicher und effizient zu fügen. Die genau definierte Einstellung der Schweißparameter ermöglicht es, die intermetallische Phase dünner als zehn Mikrometer zu halten. Die mechanischen Eigenschaften der Verbindung entsprechen damit allen an sie gestellten Anforderungen. Im Vergleich zum bisher angewandten Verfahren bietet CMT zudem den Vorteil, dass nicht mehr beidseitig, sondern nur noch einseitig geschweißt werden muss. Das senkt die Kosten und erleichtert die Arbeit. Zusätzliche und teurere Fügeprozesse wie etwa Stanznieten können außerdem entfallen. Das erhöht die Wirtschaftlichkeit.