Serienfertigung von Aluminium-Stahl-Verbindungen mit Rührreibschweißen

Mischverbindungen aus Aluminium und Stahl finden schon seit längerer Zeit insbesondere im Fahrzeugbau Anwendung, wo einerseits eine hohe Stabilität und Festigkeit gefordert ist, andererseits das Gewicht auf ein Minimum zu reduzieren ist.

Unter den vielen Möglichkeiten, beide Metalle und somit ihre positiven Werkstoffeigenschaften in einer Konstruktion zu verbinden, ist das stoffschlüssige Fügen immer problematisch. Aufgrund der weit auseinander liegenden Schmelzpunkte ist es nicht möglich, mit thermischem Schweißen feste und dichte Verbindungen herzustellen: Aluminium und seine Legierungen haben Schmelzpunkte um die 600° C, bei Stahlwerkstoffen liegt dieser zwischen 1400° C und 1500° C. Neben den stark voneinander abweichenden Schmelzpunkten unterscheiden sich Stahl- und Aluminiumwerkstoffe auch in weiteren Materialeigenschaften wie Wärmeausdehnungskoeffizient, Dichte und elektrischer Leitfähigkeit.

Die Verwendung beider Metalle in Mischbauweise wurde in der Vergangenheit meist durch kraft- oder formschlüssige Verbindungen realisiert. Auch mit stoffschlüssigen Fügeverfahren wie Lichtbogenlöten oder thermischen Schweißverfahren wie Lichtbogen- oder CMT-Schweißen ist die Herstellung von Stahl-Aluminium-Verbindungen möglich. Diese können allerdings keine hohen Ansprüche an Dichtheit und Festigkeit erfüllen. Zudem entstehen zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen intermetallische Phasen, die in ihrer metallischen Gitterstruktur nicht mit den Ausgangsmaterialien übereinstimmen und die Schweißnaht aufgrund von ungleichen Härtegraden und Dichten schwächen.

Präzisionsapparaturen müssen aber insbesondere hinsichtlich Dichtheit und Festigkeit normativen Vorgaben entsprechen. Die Medizintechnik ist eine Branche, in der die Anforderungen an Funktionalität und Fertigungsqualität besonders hoch sind. Die Fügetechnik des Rührreibschweißens kann mit ihrer minimalinvasiven Arbeitsweise diesen hohen Standards gerecht werden. Als Beispiel dafür soll hier sein Einsatz bei der Herstellung von Teilen für Röntgenbildverstärker als erfolgreich umgesetztes Projekt präsentiert werden.

Bedingung für dieses Bauteil war, dass der aus Edelstahl und Aluminium gefertigte Deckel gasdicht sein muss, um das in der Apparatur erzeugte Vakuum abzuschließen. Kraft- oder formschlüssige Fügeverfahren können solche Maßgaben naturgemäß nicht erfüllen und auch Klebetechniken konnten dies nicht leisten. Die Lösung des Problems war das Rührreibschweißen. Während das rotierende Werkzeug die Oberfläche des Edelstahlbauteils aufreibt, wird das Aluminium bis kurz unterhalb des Schmelzpunktes erwärmt. Darauf wird das plastifizierte Aluminium in die aufgeriebene Oberfläche des Edelstahlteiles gerührt und mit dem Führen des Werkzeugs durch die Fügezone bildet sich eine porenlose Naht, die gasdicht und von gleichmäßiger Festigkeit ist.
Die Vergabe von Seriennummern für unsere Teile entspricht dabei medizintechnischen Standards. Die Rückverfolgung der Produkte wird so ermöglicht und es wird eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualität sichergestellt.

Seit zwei Jahrzehnten haben wir das Verfahren des Rührreibschweißens stets verbessert und uns eine breite Palette an Anwendungsmöglichkeiten erarbeitet. Ein Alleinstellungsmerkmal ist dabei das stoffschlüssige Fügen unterschiedlicher Metalle in einer absolut dichten und festen Verbindung. Nach der erfolgreichen Fertigung der Teile für Röntgenbildverstärker sind auch Betriebe aus anderen Industriezweigen an uns herangetreten, um die Anwendbarkeit des Verfahrens für ihre Fertigung zu prüfen. Inzwischen hat sich das Rührreibschweißen als Fügeverfahren bei der Produktion einiger Prototypen für OEM der Automobilindustrie bewährt.

[Dieser Text erschien auf dem Portal: Home of welding]