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Alu-Schweißen mit Robotern : Mach aber mal nen Punkt

  • -Aktualisiert am

Kluger Kopf: Die Alu-Spatz+ getaufte Schweißzange Bild: Matuschek Messtechnik GmbH

Ein neues Verfahren ermöglicht Punktschweißen von Serienteilen aus Aluminium, durch Roboter und ohne lange Rüstzeiten. Das kann den Einsatz des leichten Metalls wirtschaftlich machen.

          3 Min.

          Es könnte so einfach sein: Nicht nur im Fahrzeugbau ist es üblich, Teile aus Stahlblech im Nu miteinander zu verbinden, indem sie zusammengepresst und von Robotern mittels Zangen elek­trisch mit Schweißpunkten aneinandergeheftet werden. Der Strom erhitzt das Material, bis es verschmilzt. Das Verfahren nennt sich Widerstandspunktschweißen. Es geht schnell, hält gut und ist in der Serienproduktion die kostengünstigste Möglichkeit. Stahl ist in dieser Hinsicht ein dankbarer Werkstoff. Nur wird für Autos zunehmend Aluminium eingesetzt, weil Sicherheitsanforderungen, Komfortansprüche und die Verbreitung des batterieelektrischen Antriebs das Gewicht in die Höhe treiben und deshalb dort, wo es geht, leichteres Material eingesetzt werden soll.

          Der Haken dabei ist, dass Aluminium sich bisher den Bemühungen widersetzt, es wie den Stahl einfach mit Schweißpunkten zu verbinden. Die Hersteller und Zulieferer suchen also nach Möglichkeiten, wie es dennoch funktionieren könnte. Matuschek, ein mittelständisches Unternehmen aus der Um­gebung von Aachen und Spezialist für Widerstandspunktschweißen, hat dazu ein Verfahren entwickelt, mit dem die Probleme anscheinend gelöst werden können.

          Für die Serienproduktion lange ungeeignet

          Sie stecken in den Eigenschaften des Metalls. Alu hat im Vergleich zu Stahl einen viel niedrigeren Schmelzpunkt, aber eine höhere elektrische und thermische Leitfähigkeit. Außerdem bildet sich rasch eine Oxidschicht auf der Oberfläche, die wiederum den elektrischen Widerstand ändert. Die Folge sind ein hoher Strombedarf, unsaubere Schweißverbindungen und Spritzer, die nachbearbeitet werden müssen. Außerdem verschleißen die kupfernen Kappen der Schweißzangen, die auf das Werkstück gepresst werden, viel zu schnell. Deshalb werden in der Serienproduktion lieber andere Verfahren zur Materialverbindung eingesetzt. Eine teu­re Methode, die sich vor allem für die Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe eignet, ist das Verkleben. Dazu muss freilich die Form geeignet sein, und eine anschließende Überprüfung, ob es auch, wie vorgesehen, hält, ist schwierig. Für Aluminium wird Kleben zusätzlich zu anderen Fügeverfahren eingesetzt. Im Fahrzeugbau sind das Hohlstanznieten, sie durchbohren aber das Material, und das Nieten ist ebenfalls teuer.

          Testreihe: Schweißpunkte auf einem Alublech, die zur Prüfung wieder zerstört wurden.
          Testreihe: Schweißpunkte auf einem Alublech, die zur Prüfung wieder zerstört wurden. : Bild: F. Pfaffendorf, Magna International Stanztechnik GmbH

          Es habe immer wieder Versuche ge­geben, das Punktschweißverfahren einzusetzen, erklärt Alexander Dumpies, der Fachbereichsleiter Pressschweißen des Branchen-Forschungsinstituts SLV in Halle. Es sei das führende Verfahren im Fahrzeugbau für die Verbindung gleicher Werkstoffe. Die für den Crashtest sicherheitsrelevanten Teile seien durchweg verschweißt. Ein Anbieter ha­be vor einigen Jahren eine Art Tape entwickelt, das beim Schweißen mitläuft, das habe sich aber als anfällig erwiesen. Andere hätten mit verschiedenen Le­gierungen für die Schweißkappen experimentiert.

          Die Investitionskosten sind hoch

          Matuschek wählt einen anderen Weg. Kernelement des Alu-Spatz+ getauften Systems ist eine oszillierende Schleifeinheit. Sie hält den einstellbaren Ra­dius und die definierte Oberflächenrauigkeit der kugelförmigen kupfernen Elektrodenkappen an der Schweißzange konstant, sie reinigt und formt sie während der laufenden Produktion nach Bedarf. Die Details des patentierten Verfahrens verrät Matuschek nicht. Die raue Oberfläche durchdringe die Oxidschicht, sagt Gregor Hau, Fachmann für Widerstandspunktschweißen im Unternehmen. Je nach Legierung ließen sich in der Produktion 100 bis 150 Schweißpunkte setzen, bevor die Kappen geschliffen werden. Dabei werde nur wenig Material abgetragen. Etwa 180 mal ließen sich die Kappen bearbeiten, bis sie getauscht werden müssen. So seien rund 20.000 Schweißpunkte je Kappe möglich – bei Stahl sind es nur etwa 4000, weil das Blech meist verzinkt ist. Nachteile des Verfahrens gibt es auch. Hau sagt, die Investitionskosten seien höher; allerdings seien die Ge­samtkosten des Verfahrens niedriger.

          Schweißroboter bei der Arbeit: Alu-Punktschweißen eines Audi-Unterbodens bei Zulieferer Snop in Gent
          Schweißroboter bei der Arbeit: Alu-Punktschweißen eines Audi-Unterbodens bei Zulieferer Snop in Gent : Bild: G. Hau, Matuschek Messtechnik GmbH

          Trotzdem ist das Verfahren selbst in der Branche noch nicht allzu bekannt, obwohl die Anfänge schon aus dem Jahr 2015 datieren. Eingesetzt wird es von Ja­guar Land Rover, das Unternehmen hat seit dem Zweiten Weltkrieg Erfahrung im Einsatz von Aluminiumteilen für den Fahrzeugbau. Außerdem gibt es eine Reihe von Zulieferern für deutsche Autohersteller, die den Alu-Spatz+ nutzen.

          Ein Überwachungstool ist eingebaut

          Die wichtigsten Parameter erkennt die elektronische Schweißsteuerung an­hand der Rückmeldung von Sensoren. Danach werden die Stromstärke, die Schweißzeit und der Anpressdruck für einen Punkt eingestellt. Die adaptive Steuerung erkenne Störungen wie Blechaufsprünge oder Elektrodenschiefstellungen und kompensiere schwan­kende Prozessbedingungen, er­klärt Hau. Wichtig sei auch die Qualitätskontrolle. Die Überwachung, ob ein Punkt den Anforderungen entspricht oder nicht, sei eingebaut. Zerstörung oder andere Prüfverfahren seien drastisch reduziert.

          Die Methode von Matuschek sei schlüssig, urteilt Dumpies. Der Einsatz eines oszillierenden Schleifkopfs sei technologisch naheliegend, bisher aber in der Serienfertigung noch nicht umgesetzt worden. Und die Kombination aus adaptiver Prozessregelung und inte­griertem Überwachungstool habe es nach seiner Kenntnis beim Widerstandspunktschweißen von Aluminium noch nicht gegeben.

          Dennoch musste bisher vor dem Produktionsstart eines neuen Teils die Schweißzange grundlegend eingestellt werden, die Produktionslinie dafür aufgebaut sein. Das kostet Zeit, führt an­fangs vermehrt zu Fehlern und damit zu Ausschuss. Matuschek hat deshalb vor Kurzem eine Software entwickelt, die schon vor dem Start die optimale Einstellung ermittelt und die Anlage auf mögliche Abweichungen vorbereitet. Das gibt es für Stahl schon lange, für Aluminium laut Hau aber bisher noch gar nicht. Anhand von Erfahrungen seien Referenzkurven ermittelt worden. Jeder Kunde kann sich darauf aufbauend eine Programmbibliothek für seine Anwendungen anlegen. Das senkt die Kosten und könnte für eine weitere Verbreitung des Aluschweißens sorgen.

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