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Umformen

Wie durch Umformen eine stoffschlüssige Verbindung entsteht

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Eine Alternative zum Schweißen haben Wissenschaftler aus Hannover und Clausthal entwickelt: das Verbundhybridschmieden. Denn auch beim Schmieden lässt sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen unterschiedlichen Metallen herstellen.

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Schmieden statt Schweißen: Bei diesem Versuchsbauteil wurde ein Aluminiumbolzen und ein Stahlblech durch Umformung verbunden, anschließend wurde das Blech tiefgezogen.
Schmieden statt Schweißen: Bei diesem Versuchsbauteil wurde ein Aluminiumbolzen und ein Stahlblech durch Umformung verbunden, anschließend wurde das Blech tiefgezogen.
(Bild: IPH)

Im Projekt Verbundhybridschmieden haben die Wissenschaftler des Instituts für Integrierte Produktion Hannover (IPH) und des Instituts für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der TU Clausthal einen Aluminiumbolzen und ein Stahlblech in die Schmiedepresse gelegt und den Aluminiumbolzen leicht gestaucht. Während dieses Umformprozesses geht der Bolzen eine feste Verbindung mit dem Stahlblech ein.

Für ein stabiles Umform-Füge-Verfahren benötigten die Wissenschaftler folgende Parameter:

  • eine Umformtemperatur von 350° C
  • eine Presskraft von 1.500 kN
  • eine Umformgeschwindigkeit von 26,6 mm/s
  • einen Stauchweg von mindestens 9 mm

Je länger der Stauchweg, desto besser ist tendenziell der Zusammenhalt – allerdings darf der Aluminiumbolzen auch nicht zu stark umgeformt werden, damit sich das Blech nicht ebenfalls verformt. Eine geringe Umformgeschwindigkeit ist in diesem Fall sogar günstig, da die Diffusionsprozesse dann besser ablaufen können und die Moleküle Zeit haben, sich zu verbinden. Zudem kommt es auf die Geometrie des Aluminiumbolzens an: Er sollte weder spitz zulaufen noch abgerundet sein, sondern flach, damit er möglichst großflächig auf dem Blech aufliegt.

Zink als Lotwerkstoff sorgt für belastbare Verbindung

Für eine belastbare, stoffschlüssige Verbindung sei es laut der Wissenschaftler entscheidend, dass sich Aluminium und Stahl nicht vermischen. Würde es zu einem Kontakt dieser beiden Metalle kommen, entstehen spröde intermetallische Phasen.

Die Forscher haben deshalb Zink als Lotwerkstoff eingesetzt. Das Stahlblech und der Aluminiumbolzen wurden zunächst verzinkt, denn Zink geht sowohl mit Aluminium als auch mit Stahl eine stoffschlüssige Verbindung ein, ohne dass spröde Phasen entstehen. Durch den Pressdruck beim Schmieden kommen die Zinkschichten in Kontakt, die Moleküle verbinden sich und es entsteht eine stoffschlüssige, belastbare Verbindung.

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Optimale Ergebnisse bei Umformtemperatur von 350° C

Die optimale Temperatur für das Umform-Füge-Verfahren liegt bei 350° C, da sich bei dieser Temperatur das Aluminium gut umformen lässt und das Zink noch nicht schmelzflüssig ist. Optimale Ergebnisse haben die Forscher erzielt, indem sie sowohl den Aluminiumbolzen als auch das Stahlblech vor der Umformung auf 350° C erwärmt haben.

Die stoffschlüssige Verbindung, die beim Umformen entsteht, hält Belastungen von bis zu 2,1 kN stand und ist damit genauso stabil wie eine Schweißverbindung. Auch bei einer anschließenden Umformoperation – das Blech wurde tiefgezogen – hielt die Verbindung.

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