Hochtechnologie mit Handbrenner

Schweißverbindungen in Aluminiumkarosserie des Mercedes-Benz SLS AMG: Am Standort im österreichischen Graz meistern die Füge-Experten eine ex-trem schwierige Anwendung mit der CMT Advanced-Technologie.

Der von Fronius entwickelte Schweißprozess füllt und überbrückt die bis zu mehrere Millimeter breiten Fugen (Metall berichtete darüber in der März-Ausgabe). Zum Profil der Fügeaufgaben an der Aluminiumkarosse des Premiumfahrzeuges gehören außerdem Nähte in einer Gesamtlänge von 70.000 mm. An den teilweise sehr schwer zugänglichen Stellen erweist sich die Lösung CMT im Brenner-Handbetrieb als die wirtschaftlich wie technisch günstigste.

Sonderlösung für einzelne Naht

Aus der nur 241 Kilogramm leichten, selbsttragenden Karosserie, gefügt überwiegend aus Aluminiumblechen und -profilen, besteht der Rohbau des Flügeltüren-Sportwagens. Lediglich 20 % sind Al-Gussteile; Stahl trägt mit weniger als 5 % an ausgewählten Stellen zur Festigkeit bei.

Die spezielle Naht im Grazer Anwendungsfall CMT Advanced verbindet das 1,1 mm dünne Blech der B-Säule mit dem gleich dünnen des Daches. Beide bestehen aus der AlMgSi-Legierung 6014 und sind im Überlappstoß per Kehl-naht zu schweißen. CMT Advanced erschließt dem Anwender mit gezielter Wahl der Polarität des Schweißstromes eine neue Möglichkeit, Metall mit noch geringerem Wärmeeintrag und gleichzeitig hoher Abschmelzleistung zu fügen. Die extreme Lichtbogenstabilität erhöht markant die Prozesssicherheit.

Spezialisten zum Aluminiumschweißen

Der gravierende Unterschied, der Aluminium beim schweißbedingten Erwärmen im Vergleich zu Stahl kennzeichnet, ist das auf das Dehnen folgende Schrump-fen. Kann sich das Bauteil nicht ausdehnen und anschließend wieder schrump-fen, entstehen Risse. Diese Randbedingungen stellen komplexe Anforderungen an das Qualifikationsprofil der Schweißer. Ein anderer kritischer Faktor ist die Wasserstoffempfindlichkeit der Aluminiumschmelze sowie resultierende Poren-bildung.

Prüfmerkmale wie Festigkeit und dauerhafte Haltbarkeit der Schweißnähte sind objektiv zu definieren und zu erfüllen. Der Porenanteil bzw. die Porenfreiheit beeinflussen die bei einem Fahrzeug der Premiumklasse hoch rangierende optische Qualität. Um nach dem Finish die gewünschte Haptik zu erreichen, müssen die Nähte im Sichtbereich vorher Materialüberhöhungen aufweisen – und dies ohne Nachschweißungen. Spachteln ist für diese Fahrzeugkategorie tabu.

Für die Fertigung einer Kleinserie mit 70.000 mm Schweißnahtlänge je Karos-serie bietet sich manuelles Schweißen an. Neben der geringen Stückzahl spre-chen dafür die zahlreichen, häufig kurzen und teilweise sehr schwer zugängli-chen Fügestellen. Sie verbinden 16 Guss-, 146 Profil- und 197 Blechteile. In automatisierten Prozessen würde dies einen unrealistisch hohen Vorberei-tungsaufwand und teilweise andere konstruktive Lösungen bedeuten. Damit scheiden auch Widerstands-Punktschweißverfahren aus.

Grenzen des WIG-Schweißens

Das WIG (Wolfram-Inertgas)-Schweißen mit seinem typischen hohen Wärme-eintrag in das Schweißgut verursacht Schrumpfungen bis z in den Millimeter-Bereich je Naht. Weil die Nähte sich über die gesamte Karosserie verteilen, würden die Schrumpfungen erhebliche dreidimensionale Verkürzungen erge-ben. Ihre sich überlagernden und verstärkenden Einflüsse und deren Wirkun-gen sind hoch komplex und lassen sich nicht per CAD berechnen. Im konkreten Fall würde 70.000 mm WIG-Schweißen am SLS AMG voraussetzen, alle Nähte mit entsprechenden Vorrichtungen zu schweißen, die Schrumpfung und ihre Auswirkungen zu testen und dann iterativ die Bauteile sowie die Vorrichtungen anzupassen. Bei jeder konstruktiven Änderung begänne das Procedere neu. Außerdem würde die lange Abkühlzeit der erwärmten Bauteile die Taktzeit unzulässig verlängern, oder eine parallele Linie wäre erforderlich. Magna Steyr suchte deshalb ein Schweißverfahren, das diese Nachteile vermeidet, aber trotzdem die Vorzüge des WIG-Schweißens nutzt.

Verfahrensalternativen und Lösungsansatz

Nach Ausschluss des WIG- und des Plasma-Schweißens (es zeigt vom Wär-meeintrag her ähnliche Wirkungen) blieb die Option des MIG(Metall-Inertgas)-Schweißens. Seine Produktivität zählt zu den Positivposten. Dagegen stehen auf der Minusseite: Häufig zu geringe Nahtüberhöhungen, Spritzerbildung, Rauchentwicklung und die mangelhafte Nahtoptik. In seiner Funktion als Verantwortlicher für die Produktion von Prototypen stieß Werner Karner, Leiter im Grazer Fügezentrum Versuchsbau, auf der Suche nach dem geeigneten Fügeverfahren auf das „kalte“ CMT(Cold Metal Transfer)-Verfahren von Fronius. Sein Interesse galt den CMT-spezifischen Eigenschaf-ten wie geringer Wärmeeintrag, praktische Spritzerfreiheit, gute Spaltüberbrüc-kung. Aus diesen Merkmalen resultieren sowohl geringer Verzug als auch ge-ringe Nacharbeit. Dagegen stand ein entscheidendes Manko: Im industriellen Maßstab existierten nur automatisierte Versionen. Mit ihrem Ansprechpartner von Fronius diskutierten die Projektverantwortlichen von Magna in Graz eine manuell bedienbare CMT-Version und entschieden schließlich dafür.

Start, Projektverlauf und Ziel

Den insgesamt zweijährigen Projektverlauf kennzeichnete ein intensiver Ent-wicklungsprozess: Kreieren eines Handbrenners, der den reversierenden Drahtvorschub enthält und Integrieren wesentlicher Steuerfunktionen in den Brenner. Denn sie müssen manuell direkt während des Schweißens eingestellt werden können, um die entscheidenden Vorteile des CMT-Verfahrens zu nut-zen: Flexibles und schnelles Reagieren auf unterschiedliche und sich ändernde Spaltmaße. So ergibt sich bei dieser Anwendung die klare Überlegenheit erfah-rener Schweißer im Vergleich zu einem programmierten Roboter.

Für die Bedingungen beim Aluminiumschweißen des SLS AMG entwickelte Fronius eine eigene Kennlinie. An der jeweiligen Fügestelle variieren die Schweißer situations- und bedarfsspezifisch die Stromstärke. Der Fügeexperte Karner berichtet: „Die Spaltmaße können um mehrere Millimeter differieren. Der Schweißer kompensiert dies reaktionsschnell mit ein paar Ampere mehr oder weniger. So erreichen wir die gewünschte Nahtqualität und die geforderte Wirt-schaftlichkeit.“

Rechtzeitig zum Produktionsstart im Dezember 2009 waren über 40 Systeme TransPuls Synergic 2700 CMT in den Produktionsablauf integriert. Programmmanager Karl Hartl bestätigt nach über einem Jahr Produktionser-fahrung: „Obwohl wir weltweit das erste Unternehmen sind, das CMT im ma-nuellen Betrieb einsetzt, hat es in der Produktion von Anfang an gut funktio-niert. Die ursprüngliche Herausforderungen, technische Qualität, Optik sowie eine wirtschaftliche Fertigung zu realisieren sind für uns voll umgesetzt.“