Für die Fertigung von Batteriewannenkomponenten bietet das Laser-Hybrid-Schweißen gegenüber dem Rührreibschweißen entscheidende Vorteile: Stumpf- und Kehlnähte können in einem Arbeitsgang geschweißt werden.

Die Alu Menziken Euromotive GmbH entwickelt und produziert in Ranshofen Aluminium-Leichtbaukomponenten und -systeme für die Automobil- und Luftfahrtindustrie. Typische Komponenten und Baugruppen sind Crash-Management-Systeme, Sitzstrukturen, Überrollsysteme und Batterieboxen. Die Automobilhersteller schätzen neben der Erfahrung, Flexibilität und Entwicklungskompetenz vor allem die Fertigungstiefe und das hohe Fertigungs-Know-how. Bevor bei Alu Menziken die Prototypen von Batteriewannenelementen entstehen, werden sämtliche Konstruktionszeichnungen auf ihre Machbarkeit hin überprüft und der Prozessablauf simuliert. Es wird getestet, ob alle Teile schweiß- und fügetechnisch realisierbar sind und bei Bedarf werden Korrekturen wie die Vergrößerung eines Radius oder die Änderung eines Steges vorgeschlagen.

Die Automobilbranche fordert nahezu ebene und verzugsfreie Schweißergebnisse. Gleichzeitig werden die Komponenten immer großflächiger und sind deshalb schwieriger in reproduzierbarer Qualität zu schweißen. Noch bevor Batteriewannen millimetergenau in die Chassis der Fahrzeuge eingepasst werden, sind sie einer Dichtheitsprüfung zu unterziehen. Der Grund: Sämtliche Batteriewannen müssen nicht nur luftdicht, sondern auch spritzwassergeschützt sein. Dies macht das Schweißen zu einer Herausforderung.

Wegen der hohen Anforderungen an Oberflächenbeschaffenheit, Wärmeleitfähigkeit oder Sauberkeit ist das Schweißen von Aluminium besonders anspruchsvoll. Es erfordert nicht nur umfangreiches Wissen in Bezug auf die Nahtvorbereitung oder das Erstellen der Schweißparameter, sondern auch auf die richtige Schweißreihenfolge, die verhindern soll, dass sich einzelne Wannenelemente verformen.

Derzeit bevorzugt die Automobilindustrie noch das Rührreibschweißen. Dieses Verfahren verbraucht weder Gas noch Zusatzwerkstoffe und schweißt wegen der relativ geringen Temperaturen – bei Aluminium etwa 550 °C – nahezu verzugsfrei. Dabei taucht ein rotierendes Werkzeug – der sogenannte Pin – mit hoher Kraft in den Fügespalt ein. Er erwärmt die Schweißzone innerhalb weniger Sekunden bis kurz unter den Schmelzpunkt. Sobald der Werkstoff zu erweichen beginnt, setzt die Vorwärtsbewegung des Pins ein, der nun mit hoher Anpresskraft entlang der Fügelinie rotiert. Das um den Pin herum schmelzende Aluminium verbindet sich und bildet in der Folge die stoffschlüssige Verbindung. Zum Schluss stoppt die Vorwärtsbewegung und das sich drehende Werkzeug wird aus der Schweißzone gezogen. Doch genau diese Bewegung beinhaltet einen wesentlichen Nachteil des Rührreibschweißens: Wo das Rotationswerkzeug den Grundwerkstoff verlässt, entsteht ein Loch.

Der Konstrukteur muss einen sogenannten Bauteil-Überstand einplanen, der nach dem Schweißvorgang zu entfernen ist. Ein weiterer Nachteil: Rührreibschweißen ist nicht für das Schweißen von Kehlnähten geeignet. Stumpf- und Kehlnähte erfordern immer zwei separate Arbeitsgänge, da sie nicht mit demselben Schweißkopf geschweißt werden können. Beim Laser-Hybrid-Schweißen in PA- und PB-Position ist das hingegen möglich.

Alu Menziken setzt gezielt auf das Laser-Hybrid-Schweißen. Das Verfahren erlaubt das Schweißen von Kehlnähten und vermeidet unnötige Auslaufbereiche. Laser-Hybrid kombiniert einen Laserstrahl mit einem MIG-Schweißprozess in einer gemeinsamen Prozesszone. Der stark gebündelte, auf die Schweißnaht gerichtete Lichtstrahl besitzt eine sehr hohe Energiedichte. Dadurch verdampft das Aluminium und dringt tief in den Grundwerkstoff ein. Der dem Laser folgende MIG-Prozess dient zum Füllen der Naht und bewirkt eine optimale Flankenanbindung. Die zusätzlich eingebrachte Wärme gibt dem Material Zeit zum Ausgasen und vermindert somit die Porenanfälligkeit im Vergleich zum reinen Laserschweißen.

Zwei Schweißverfahren in einem Prozess

Das Batteriewannen-Projekt wurde partnerschaftlich ab­gewickelt: Maschinenbau und Schweißtechnik kamen von Fronius Welding Automation, Roboter und Faserlaser von Fanuc. So schweißte Fronius noch bevor die neue Roboterschweißzelle konzipiert war, die ersten Versuche in Thalheim. Nach zufriedenstellenden Ergebnissen wurde die Anlage entworfen und gefertigt. Im nächsten Schritt stellte Alu Menziken eine Schweißvorrichtung mit Nullpunkt-Spannsystem für weitere Versuche und Parameter-Ermittlungen zur Verfügung. Anschließend wurde die Roboterschweißzelle samt H-Positionierer in Ranshofen aufgebaut. Für die Automatisierung des Schweißsystems entschied sich Alu Menziken bewusst für Fanuc: Der Spezialist lieferte nicht nur den Roboter, sondern auch die Laserquelle. Ein Vorteil, der sich in der optimalen Synchronisation von Robotergeschwindigkeit und Laserleistung widerspiegelt. Weitere Pluspunkte waren die Bedienerfreundlichkeit und die einfache Programmierbarkeit des Roboters.

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Bis zu einer bestimmten Baugruppengröße können nun verschiedene Strangpressteile geschweißt werden, wobei der maximale Schweißbereich 2800 mm x 2000 mm und das Bauteilgewicht pro Positioniererseite 500 kg betragen.

Der Fertigungsprozess läuft teilautomatisiert: Nachdem der Werker die Aluminium-Bauteile auf einem H-Positionierer platziert hat, aktiviert er den durch eine Sicherheits-Lichtschranke abgesicherten automatischen Spannprozess. Anschließend schwenkt der H-Positionierer in die Laserschutzkabine und der Schweißroboter fährt in Startposition. Das Schweißprogramm läuft automatisch ab, wie auch die Brennerreinigung nach vorgegebenen Reinigungszyklen. Nach Beendigung bewegt sich der Roboter in Warteposition und der H-Positionierer dreht das fertig geschweißte Bauteil aus der Kabine. Zum Schluss wird das Werkstück automatisch entspannt und kann entnommen werden.

Der Beitrag erschien zuerst auf Konstruktionpraxis

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