PresseKat - Fertigung von geschweißten Aluminium-Stahl-Verbindungen in Serie

Mischverbindungen aus Aluminium und Stahl sind bereits seit längerem bekannt. Jedoch gab es kein optimales Schweißverfahren, dass die beiden Materialien fest und gasdicht verschweißt - bis jetzt!

(firmenpresse) - Mischverbindungen aus Aluminium und Stahl sind bereits seit längerem bekannt. Besonders in der Automobilindustrie werden die beiden Metalle in Mischbauweise verwendet, um das Gewicht von Fahrzeugen zu verringern.

Es gibt vielfältige Fügeverfahren, die für die Verbindung von Stahl und Aluminium in Frage kommen.
Jedoch gab es bislang noch kein optimales Schweißverfahren, das die beiden Materialien fest und gasdicht verschweißt.

Das Zusammenführen von Aluminium und Stahl mittels einer stoffschlüssigen Verbindung ist nämlich keine Selbstverständlichkeit.
Mit 660°C für Aluminium und etwa 1500°C für Stahl haben die Metalle weit auseinanderliegende Schmelzpunkte – thermische Fügeverfahren gestalten sich daher als schwierig. Auch hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeausdehnung und Dichte unterscheiden sich Aluminium und Stahl.

Durch Schweißverfahren wie dem CMT-Schweißen, Lichtbogenschweißen oder dem Schweißlöten können zwar Stahl-Aluminium-Verbindungen erzielt werden, jedoch steht die Dichtheit der Schweißnaht hier meist nicht im Vordergrund. Bei herkömmlichen thermischen Schweißverfahren entstehen intermetallische Phasen zwischen den Metallen. Diese schwächen aufgrund unterschiedlicher Härtegrade und Dichte die Schweißnaht.

Während für manche Anwendungen dieser Nachteil in Kauf genommen werden kann, ist genau das für andere Produkte ein Ausschlusskriterium.

Gerade in der Medizintechnik werden hohe Anforderungen an Qualität und Funktion gestellt. Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften kommen hier viele verschiedene Metalle zum Einsatz – auch Mischverbindungen von Stahl und Aluminium erfreuen sich großer Beliebtheit.
Edelstahl ist rostfrei und leicht zu reinigen, während Aluminium als strahlungsdurchlässigeres Metall bei Röntgengeräten zum Einsatz kommt und eine klare Bildgebung gewährleistet.

Die Röntgenbildverstärker von Meomed (Tochtergesellschaft von Meopta, s.r.o und Siemens AG) bestehen daher neben dem Gehäuse aus Edelstahl aus einem gewölbten Aluminiumdeckel, durch den die Röntgenstrahlung in den Bildverstärker eingeht. Um mit dem Gehäuse verbunden werden zu können, wird der Aluminiumdeckel zunächst durch das Aufschweißen auf einen Edelstahlring zu einem sogenannten Verbundfenster gefertigt.

Doch wie lassen sich Deckel und Ring nun bestmöglich verbinden?

Da innerhalb des Röngtenbildverstärkers ein Vakuum erzeugt wird, muss die Naht eine hohe Dichtheit aufweisen und allen Belastungen standhalten. Durch die Naht dürfen keineswegs Gase von außen eindringen, damit das Vakuum aufrechterhalten werden kann.

Konventionelle Fügeverfahren scheiden daher aufgrund dieser Anforderung aus, auch das Kleben ist nicht geeignet.

Als einziges Fügeverfahren bietet das Rührreibschweißen eine optimale Lösung für die Serienproduktion der Verbundfenster.

Bei dem Rührreibschweißen werden die Metalle im Nahtbereich nicht angeschmolzen, sondern unter hohem Druck in einander gerührt um eine Verbindung zu erzielen.
Nachdem die Bauteile sicher übereinander gespannt werden, setzt ein rotierendes Werkzeug an den Fügestellen an. Durch den Druck entsteht Reibungswärme, die das Aluminium bis kurz unter seinen Schmelzpunkt aufheizt und plastifiziert macht. Die Rotation reibt zudem die Oberfläche des Edelstahls auf, sodass Aluminium und Stahl sich dort nun zu einer festen Naht verbinden können, die keinerlei Einschlüsse oder ungleichmäßige Festigkeit entlang der Verbindung aufweist.

Dadurch ist die entstandene Naht absolut dicht und kann ein Vakuum problemlos aufrechterhalten.

Schon seit 2012 lässt Meomed die Verbundfenster für Röntgenbildverstärker bei der RRS Schilling GmbH anfertigen.
Das mittelständische Schweißunternehmen in der Nähe von Hamburg wurde 2011 von Dipl.-Ing. (FH) Christoph Schilling gegründet und wendet das Rührreibschweißen auf Aluminiumbauteile für die Industrie an. Der Unternehmensleiter selbst arbeitet schon seit 1999 an der Anwendung und Weiterentwicklung des Schweißverfahrens.

Neben dem eigentlichen Schweißprozess erfüllt der Betrieb auch kundenspezifische Qualitätsanforderungen wie die Vergabe von Seriennummern zur Sicherstellung der Rückverfolgbarkeit der Rohteile. Dadurch wird gewährleistet, dass medizintechnische Standards hinsichtlich der Beschaffung und Verarbeitung der Einzelteile eingehalten werden.

„Es ist nicht selbstverständlich, dass ein junger Betrieb schon so kurz nach der Gründung für ein medizintechnisches Unternehmen wie Meomed in Serie produzieren kann“, äußert sich Schilling. „Umso mehr freuen wir uns über die Zusammenarbeit.“

Nach diesem Auftrag traten auch Firmen aus anderen Industrien an die RRS Schilling GmbH heran, um das Rührreibschweißen auf ihre Bauteile anzuwenden oder in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen neue Anwendungsbereiche für den Schweißprozess zu finden.
So erfolgten beispielsweise mehrere Prototypenfertigungen für OEM aus der Automobilindustrie um die Eignung des Rührreibschweißens zu untersuchen.