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INNOVATION

Innovationen verbinden

DELTASPOT®-

PUNKTSCHWEISSEN VON HOCHFESTEN

AMAG TOPFORM®UHS BLECHEN

Die hochfesten

AlZnMg(Cu)-Legie-

rungen der 7xxx-Serie

sind in Luftfahrt-

Produkten und in Sportartikeln

fest etabliert. Auch die Automo-

bilindustrie hat das Leichtbau-

Potenzial dieser Legierungsklasse

mit einer Zugfestigkeit von bis zu

700 MPa erkannt und evaluiert,

ob diese in Fahrzeugkarosserien

in reiner Aluminiumbauweise, in

Materialmischbauweise oder in

Leichtmetalltüren und -klappen

einsetzbar sind.

Die AMAG weist seit Jahrzehn-

ten eine sehr hohe Kompetenz

auf dem Gebiet der hoch- und

höchstfesten Aluminiumlegie-

rungen auf und hat sich zum Ziel

gesetzt, einen wichtigen Beitrag in

der Entwicklung von Legierungen

und Prozessen zu leisten, damit

Legierungen der 7xxx-Familie mit

ihrem hohen Leichtbaupotential

auch in der Automobilbranche

Anwendung finden.

Damit die Konstrukteure beden-

kenlos Legierungen dieser Legie-

rungsfamilie einsetzen, müssen

einige werkstoffbedingte Pro-

zessanpassungen vorgenommen

werden. Die hohe Festigkeit dieser

Legierungen geht einher mit

geringerem Umformvermögen bei

Raumtemperatur als bei Legierun-

gen der 5xxx- oder 6xxx-Serie. Die

üblichen Verfahren und Schichten

zur Oberflächenpassivierung von

Struktur- und Außenhautblechen

können nicht eingesetzt werden.

Üblicherweise sind auch Maßnah-

men zum Korrosionsschutz und

neue Lösungen für die Fügetech-

nik nötig.

AMAG forscht gemeinsam mit

Partnern an all diesen &emen

und hat auch schon über Ergeb-

nisse aus den Entwicklungsarbei-

ten und konkrete Lösungsvor-

schläge berichtet. Beispielsweise

kann das Halbwarmumformen

von 7xxx-Legierungen bei etwa

200°C als besonders geeignete

Herstellroute von Umformtei-

len eingestuft werden [1]. Das

Blech wird dabei ausgehend

vom höchstfesten T6-Zustand

umgeformt und erhält die hohe

Festigkeit auch nach der Formge-

bung noch weitgehend.

Im vorliegenden Beitrag soll

speziell auf das �ema „metall-

urgisches Fügen“ durch Punkt-

schweißen eingegangen werden.

Bislang wurden in Fahrzeugkaros-

serien bei Struktur- und Anbau-

teilen bevorzugt Legierungen

der naturharten 5xxx- und der

aushärtbaren 6xxx-Legierungsfa-

milien eingesetzt. Bei reiner Alu-

miniumbauweise waren bis vor

kurzem hauptsächlich die Verfah-

ren Laserschweißen, Flow-Drill-

Schrauben, MIG-Schweißen, Voll-

stanznieten, Halbhohlstanznieten

und Kleben im Serieneinsatz.

Kleben wird bevorzugt auch in

Mischbauweisen genutzt, um eine

galvanische Trennung z. B. ge-

genüber Stahl zu bewirken. Beim

fertigungstechnisch interessanten

Aluminiumpunktschweißen traten

bisher aber einige Herausforde-

rungen bezüglich Prozessstabilität

und Qualität auf, nämlich die

geringere Widerstandserwärmung

wegen der hohen elektrischen

Leitfähigkeit der Aluminiumle-

gierungen sowie die variierenden

Oberflächenzustände der Alumi-

niumbauteile in Abhängigkeit von

Oxidschicht oder Oberflächenbe-

handlung. Besonders die Neigung

der Kupferelektroden, rasch an

den Kontaktstellen mit Alumini-

um Anlegierungserscheinungen

zu zeigen, sorgte für schwankende

Qualität der Schweißlinsen sowie

oberflächliche Schweißspritzer

und ließ einen wirtschaftlichen

Einsatz des Punktschweißens in

einer Großserie kaum zu. Dazu

kam auch die bei den mittel- und

hochfesten Aluminiumlegierun-

gen bekannte Rissgefahr, die nur

mittels speziell abgestimmter

Elektrodenkraft-Zeit-Verlauf-Re-

gelung und dem entsprechender

Anlagen zu beherrschen ist.

Nun reiht sich das Widerstands-

punktschweißen in die genannte

Reihe der Aluminium-Serien-

fügetechniken ein: DeltaSpot®

von Fronius kommt bei Audi in

den Modellen TT Roadster und

TT Coupé, bei Hyundai in den

Modellen Equus und Genesis und

bei Porsche im Modell Panamera

zum Einsatz [2, 3]. Auch Tesla

Motors nutzt bei der Fertigung

der Limousine Model S das

moderne DeltaSpot® Widerstands-

punktschweißverfahren, um 2- und

3-lagige Verbindungen zwischen

Aluminiumblechen, -profilen und

-guss in großer Anzahl herzu-

stellen [4]. Elektrisches Wider-

standspunktschweißen, wie es

auch in sehr großem Ausmaß in

konventionellem Stahlrohbau von

PKW Anwendung findet, zeichnet

sich durch ebene Fügestellen und

Verzicht auf Fügehilfsmittel aus,

wie es beim Durchsetzfügen oder

Stanznieten Standard ist. Beim

Einsatz von Nieten und Schrauben

in Aluminiumblechbauweisen

stellen sich aber auch Fragen der

Kontaktkorrosion und Rezyklier-

barkeit, was auch in der Gesamt-

kostenbilanz mit zu betrachten ist.

Alle genannten Serienanwendun-

gen betreffen jedoch etablierte

AlMg- und AlMgSi-Knetlegierun-

gen sowie AlSiMg-Druckgusslegie-

rungen [4].

Nun haben sich die Firmen AMAG

und Fronius gemeinsam mit dem

Entwicklungspartner Leichtme-

tallkompetenzzentrum Ranshofen

(LKR) das Ziel gesetzt, das Punkt-

schweißverfahren DeltaSpot® auch

auf die höchstfesten Legierungen

der AlZnMgCu-Familie anwendbar

zu machen. Diese Legierungen gel-

ten bei Anwendung konventionel-

ler Schmelzschweißverfahren wie

MIG oder WIG als eingeschränkt

schweißbar, weil das große Erstar-

rungsintervall und der Kupferanteil

üblicherweise hohe Rissanfälligkeit

und großen Festigkeitsabfall in der

Naht bewirken.

DeltaSpot® Widerstands-Punkt-

schweißverfahren

Als offensichtlichstes Merkmal

zum Überwinden der typischen

Schwierigkeiten des Widerstands-

schweißens verwendet Fronius

bei DeltaSpot® das umlaufende

Prozessband (Abb. 1), um mehrere

Vorteile gleichzeitig zu generie-

ren: Jeder Punkt wird quasi mit

einer unverbrauchten Elektrode

geschweißt, da typische Anlage-

rungen der Bauteiloberflächen

nicht wie herkömmlich auf der

Elektrodenkappe, sondern auf

dem punktweise weitergeförder-

tem Prozessband stattfinden.

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Somit werden außergewöhnlich

hohe Reproduzierbarkeit und Pro-

zesssicherheit erreicht und damit

Oberflächenspritzer zum größten

Teil verhindert.

Das metallische Prozessband kann

auch in Hinblick auf Werkstoff,

Dicke und Beschichtung variiert

werden, um den Wärmeeintrag so

zu steuern, dass es trotz ver-

gleichsweise geringerer Strom-

stärken und auch bei starken

Bauteildickenunterschieden zu

anforderungsgerechter Linsenaus-

bildung und damit Tragfähigkeit

der Verbindung kommt. Dabei

können mit einem Satz Elektroden

und Prozessband zwischen 5000

und 10.000 Punkte ohne Unter-

brechung gefertigt werden, was

mit herkömmlicher Technologie

weder bei Aluminium noch ver-

zinktem Stahl selbstverständlich

ist. Auf Elektrodenkappenfräsen

kann gänzlich verzichtet werden.

Weitere Besonderheiten des

DeltaSpot®-Systems sind für das

Aluminium-Punktschweißen

ebenfalls besonders vorteilhaft:

der servomotorische Haupt-

antrieb, der sanftes Aufsetzen,

schnelles Nachsetzverhalten und

eine Steuerung der Kraft während

des Schweißprozesses ermöglicht

und damit beiträgt, Risse und

Poren zu verhindern. Durch Wahl

von Gleichstrom mit geringer

Welligkeit wird schnelles Regel-

verhalten und großer Energieein-

trag bei gleicher Schweißzeit er-

reicht, was weitere Pluspunkte für

stabile und kompakte Schweiß-

prozessfenster ergibt.

Schweißpunkteigenschaften

Um die grundlegenden Eigen-

schaften von Punktschweißungen

an AMAG TopForm® UHS Ble-

chen in der Ausführung AA7075-

T6 zu ermitteln, wurden mehrere

Serien von Scherzugproben und

Ausknöpfmuster auf ebenen,

unbeschichteten und gereinigten

Probenblechen mit 2 mm Dicke

mittels DeltaSpot® hergestellt

und ausgewertet. Dabei wurden

die Schweißparameter so lange

variiert, bis optimale Ergebnisse

vorlagen. Somit konnten Punkt-

durchmesser über den für 2 mm

Wandstärken erforderlichen

Mindestgrößen von 7,8 mm und

Scherzugkräfte im statischen

Zugversuch im Bereich 7-9 kN

erreicht werden. Direkt vergleich-

bare Daten aus der Literatur sind

nicht bekannt; als Anhaltspunkt

sollen hier die Scherzugfestigkei-

ten an gebürsteten, 2 mm dicken

mittelfesten AA6082-T6 Blechen

dienen, die mit frischen Elekt-

rodenkappen knapp über 10kN

erreichen, aber bereits nach 700

Schweißpunkten nur mehr unter

7kN Scherzugkraft aufweisen [5].

Mit DeltaSpot® kann über eine

viel größere Standmenge eine

gleichmäßige Schweißpunktquali-

tät gewährleistet werden.

In analogen Versuchsreihen wur-

den auch Mischverbindungen der

zuvor verwendeten 2 mm dicken

AA7075-T6 Bleche mit solchen

aus 1,5 mm dicken AA6016-T4

hergestellt [Abb. 2]. Damit können

auch Aussagen zu solchen Alu-

miniumkombinationen gegeben

werden, in denen AA7075 zur lo-

kalen Verstärkung von bekannten

Karosserieblechen der 6000-Serie

eingesetzt und bündige Verbin-

dungsstellen benötigt werden.

Zusätzlich zu den Scherzugversu-

chen und Meißelproben wurden

auch metallografische Schliffe

angefertigt, um die Kriterien be-

züglich Poren, Lunker und Rissen

zu überprüfen. Dabei traten keine

einschränkenden Auffälligkeiten

auf. Die Untersuchungen an der

Paarung AA7075-T6 mit AA6016-

T4 lieferten je nach Prozesspara-

metern Punktdurchmesser von 6,8

bis 8,5 mm (mindestens verlangt:

6,75 mm) bzw. Scherzugkräfte von

3,5 bis ca. 6 kN – meist unter Auf-

treten der bevorzugten Bruchart

Ausknöpfen. Damit kann ein

industriell gut nutzbarer Schweiß-

bereich aufgespannt werden [6].

AMAG TopForm® UHS ent-

spricht formal der hochfesten

Aluminium-Normlegierung

7075 und wurde speziell für

die Herstellung von hochfesten

Bauteilen mittels Halbwarmum-

formung optimiert. Dies zeigt

sich in guter Verformbarkeit

bei moderaten Temperaturen

und einer geringen Neigung zu

thermisch bedingter Überalte-

rung. Die Umformung erfolgt

im hochfesten Anlieferzustand

typisch im Temperaturbereich

um 200°C mit Umformge-

schwindigkeiten entsprechend

konventioneller Kaltumformung.

Auch ohne weitere Wärmebe-

handlung nach der Umformung

ergibt sich somit eine spezifi-

sche Festigkeit im Bauteil, die

an der Spitze aller Konstrukti-

onsmetalle steht. Zielanwen-

dungen sind somit in erster Li-

nie hochfeste Bauteile, die z. B.

in Automobilen die strukturelle

Integrität der Überlebenszelle

im Crashfall sicherstellen.

AMAG TopForm® UHS

LITERATURVERZEICHNIS

[1] „Hochfeste Aluminiumbleche der 7xxx-Serie für den Automobil-Leichtbau“ AluReport 03.2012

www.amag.at

[2] A. Kreuzwieser: Einsatz der DeltaSpot Technologie beim Audi TT, 3. Internationale Konferenz – Füge-

technische Herausforderungen im modernen Automobilbau, Sattledt, 10-11/10.2012, www.fronius.com

[3] „Innovation im Widerstands-Punktschweißen bewährt sich bei Anwendern“ ALUMINIUM Vol. 87,

12-2011, Giesel Verlag

[4] D. Reckhorn: „Weld Challenges at the production of the Tesla Model S“, 3. Internationale Konferenz -

Fügetechnische Herausforderungen im modernen Automobilbau, Sattledt, 10.-11.10.2012

www.fronius.com

[5] L. Dorn: Resistance Welding, TALAT Lecture 4500, EAA - European Aluminium Association www.

alueurope.eu/talat (1994) p.19

[6] R. Gradinger, N. Sotirov, G. Rettenbacher, D. Uffelmann, C. Melzer, C. Pangerl, P. Dörner, S. Minichs-

hofer, A. Becirovic „Untersuchungen zur Schweißeignung von höherfesten AA-7075 Blechen mittels

DeltaSpot®-Widerstandspunktschweißverfahren“, Tagungsband der 7. Ranshofener Leichtmetalltage

2012, www.lkr.at

Ausblick

Weitere Untersuchungen zum

DeltaSpot®-Punktschweißen an

AA-7075-T6 Blechen werden ak-

tuell durchgeführt, um auf weitere

Aspekte, wie z. B. den Einfluss

von Korrosionsschutzbeschich-

tungen auf die Schweißeignung

und das resultierende Korrosions-

verhalten, eingehen zu können.

AluReport wird darüber berichten.

Abb. 2: Querschliff durch eine Punktschweiß-

linse mit überlagertem Mikrohärteverlauf

(oben 1,5 mm AA6016, unten 2 mm AA7075)

INNOVATION

Abb. 1: Umlaufendes Prozess-

band bei DeltaSpot®-Widerstands-

Punktschweißverfahren