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Literatur : [ Leichtbau | Aluminium | Schweiß-/Fügetechnik ]

Entwicklung eines lokal wirkenden Oberflächenreinigungsprozesses zur Erhöhung der Prozessfähigkeit beim Aluminiumlichtbogenbolzenschweißen


Gerson Meschut, Christian Reis: Entwicklung eines lokal wirkenden Oberflächenreinigungsprozesses zur Erhöhung der Prozessfähigkeit beim Aluminiumlichtbogenbolzenschweißen, Shaker Verlag, Aachen 2018

In der automobilen Karosserieserienfertigung werden zunehmend trockenschmierstoffbeschichtete Aluminiumbleche verarbeitet. Ein Vorteil solcher Schmierstoffe ist das gute Haftungsvermögen auf den Blechoberflächen, so dass auf weitere Beölungen im Verarbeitungsprozess der Bleche verzichtet werden kann. Parallel zum Einsatz von Trockenschmierstoffen formulieren die Hersteller den Wunsch, auf Waschprozesse, die der Rohkarosseriefertigung vorgelagert sind, zu verzichten. Die Motivation für den Verzicht ist das Ziel einer ressourcenschonenden Produktion. Das Bolzenschweißen mit Hubzündung wird als Schmelzschweißverfahren hierbei vor neue technische Herausforderungen gestellt, da es sensibel auf schwankende Oberflächenzustände reagiert, die durch variierende Schmierstoffbeschichtungsmengen verursacht werden können. Im Schweißprozess verbrennende Schmierstoffe tragen zu einer Minderung der Schweißqualität durch die Bildung von zum Beispiel Schweißporen bei.

Im Rahmen dieser Arbeit soll ein lokal wirkendes Reinigungsverfahren entwickelt und eingehend auf seine Leistung und dessen Eignung für den Einsatz in der Serienfertigung untersucht werden. Anhand von Voruntersuchungen wird ein Verfahren mit dem höchsten Potential ausgewählt und weiter eingehend analysiert. Die Eigenschaften des Verfahrens werden umfassend beschrieben und die erzielte Reinigungswirkung mittels verschiedener Analyseverfahren bewertet. Weiter erfolgt ein Vergleich der Schweißgüte konventioneller Bolzenverbindungen mit der neuen Verfahrenskombination aus Reinigen und Bolzenschweißen. Abschließend wird die Serieneignung bewertet und ein Konzept zur konstruktiven Integration des Verfahrens erstellt.

Hintergrund

Der globale Klimawandel stellt moderne Industriegesellschaften vor enorme Herausforderungen. Um dem weltweit zu beobachtenden Treibhauseffekt entgegenzuwirken, müssen zahlreiche Maßnahmen ergriffen werden. So gelten für europäische Automobilhersteller strenge gesetzliche Vorgaben zur Kohlenstoffdioxid-Flottenemission. Ab dem Jahr 2020 zum Beispiel dürfen Grenzwerte von 95 g/Km nicht mehr übrschritten werden. Gleichzeitig sind Automobilhersteller verpflichtet, Umweltmanagementsysteme zu betreiben, um ein nachhaltiges Wirtschaften, innerhalb der Wertschöpfungskette mit den darin implementierten Prozessen, zu gewährleisten. Exemplarisch sei hier das Ziel einer Reduktion des Ressourcenverbrauchs und der Emissionen je produziertem Fahrzeug von 45 Prozent bis zum Jahr 2020 im Vergleich zum Jahr 2006 aufgeführt. Der ersten Herausforderung, dem drastischen Absenken der Kohlenstoffdioxid-Emissionen, stehen die hohen Anforderungen, die an ein modernes Fahrzeug gestellt werden, entgegen. Immer weiter zunehmende Ansprüche hinsichtlich des Komforts und des Sicherheitsniveaus neu zu entwickelnder Fahrzeuge bewirken einen Anstieg des Karosseriegewichtes und somit eine stetig steigende Gewichtsspirale, die wiederum eine massivere Auslegung des Fahrwerks erfordert.

Kundengerechter Service

Der Kunde steht im Zentrum der Betrachtung.Um nun den Kundenansprüchen in Bezug auf die Fahrdynamik des Kraftfahrzeuges gerecht zu werden, müssen größere Motoren, stabilere Getriebe und letztlich Kraftstoffbehälter mit erweitertem Fassungsvermögen konstruktiv vorgesehen werden.
Die hier beispielhaft genannten Fahrzeugkomponenten belasten durch ihr gestiegenes Gewicht wiederum die Karosserie als lastaufnehmende Struktur, was eine weitere Verstärkung und somit Gewichtszunahme der Karosserie zur Folge hat. Die Gewichtsspirale beginnt somit von neuem. Damit diese ansteigende Gewichtsspirale durchbrochen werden kann, ist ein Primäreffekt notwendig, und zwar eine signifikante Reduzierung des Karosseriegewichtes. So ergibt eine Massenreduktion von 100 Kilogramm eine Verminderung der Kohlenstoffdioxid-Emission um 7,5 g/km. Die primäre Reduzierung des Karosseriegewichtes ermöglicht dann sekundäre Effekte, wie Massenreduzierungen an Fahrwerkskomponenten, Motoren und Getrieben etc., wodurch die steigende Gewichtsspirale somit umgekehrt werden kann.

Herausforderung über Herausforderung

Der zweiten Herausforderung, der ressourceneffizienten Produktion, muss durch intelligente Fertigungsabläufe, zum Beispiel innerhalb der Automobilbranche, produktive Verfahren und das ständige Bestreben, umweltschädliche Emissionen zu reduzieren, begegnet werden. Hier bietet die Automobilserienlackierung hohe Potentiale. Eine solche Serienlackierung gliedert sich in die Prozessschritte Vorbehandlung, kathodische Tauchlackierung, Unterbodenschutz, Füllerauftrag, Basislack und Klarlack auf. Ein Teil der Vorbehandlung umfasst das Entfetten der einzelnen Rohkarosseriebauteile, wie zum Beispiel Aluminiumblechformteile, die vor dem Umformvorgang als Blechplatine mit Tiefziehschmierstoffen behandelt wurden. Automobilhersteller sind bestrebt, diese dem eigentlichen Rohbau vorgelagerten Entfettungs- oder Waschprozesse zu minimieren, um Wasserverbräuche zu reduzieren oder die Menge an ölbelasteten Abwässern zu senken. Eine signifikante Reduzierung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen in der Betriebsphase wird durch den vermehrten Einsatz von Aluminiumwerkstoffen erreicht.

Als zweitwichtigster Absatzmarkt, nach der Verpackungsindustrie, ist der Bereich Transport und Verkehr mit einem Anteil von 21 Prozent bezogen auf das Jahr 2011 zu nennen. Dass der Gewichtsanteil von Aluminiumwerkstoffen kontinuierlich steigt, zeigt die Tatsache, dass im Jahr 1990 der durchschnittliche Anteil von Aluminiumwerkstoffen an einem europäischen Kraftfahrzeug 50 Kilogramm betrug, während es im Jahr 2010 schon 160 Kilogramm waren. Die Verzahnung der beiden Herausforderungen von reduzierten Vorwaschprozessen der Rohbaueinzelteile ist der Nachweis der Prozesssicherheit und Stabilität der im Karosseriebau eingesetzten Fertigungsverfahren.

Ein Zielkonflikt besteht

Schmelzschweißverfahren reagieren sehr empfindlich auf Oberflächenbeschichtungen bzw. Verunreinigungen. Die Porenbildung ist einer der häufigsten Fehler beim Schweißen von Aluminiumwerkstoffen. Poren entstehen, wenn Gasblasen während des Aufsteigens von der Erstarrungsfront überholt werden und somit in der erstarrenden Schmelze, dem Schweißgut, verbleiben. Eine Gasblasenbildung tritt verstärkt auf, wenn durch die eingebrachte Schweißwärme Öle, Fette und Anstrichstoffe, die sich auf der Werkstoffoberfläche im Bereich der Wärmeeinflusszone befinden, verdampfen oder verbrennen. Moderne Trockenschmierstoffe basieren auf Erdölverbindungen, also Kohlenwasserstoffmolekülen. Diese Verbindungen werden durch die eingbrachte Schweißenergie zersetzt, sodass Wasserstoff und Kohlendioxid freigesetzt werden. Voraussetzung für eine porenarme Aluminiumschweißverbindung sind daher saubere, fettfreie Bauteiloberflächen im Bereich der Schweißnaht. Das Verfahren des Bolzenschweißens hat sich im Serienautomobilbau seit Jahrzehnten bewährt. In modernen Karosserien sind etwa 600 Bolzen verschiedenen Typs verschweißt. Schweißbolzen erlauben es, Aggregate, Leitungen und Anbauteile sehr wirtschaftlich in Bezug auf das Verbindungsverfahren und die Montageaufgabe an der Karosserie zu befestigen. Das Bolzenschweißen erfolgt größtenteils voll automatisiert mit einer Verfügbarkeit von annähernd 100 Prozent mit Fehlerraten, die einstellige ppm-Werte erreichen können. Eine Hauptvoraussetzung zur Erzielung dieser Prozesswerte sind, wie schon dargestellt, saubere und gleichmäßige Bauteiloberflächen. Der Zielkonflikt mit der Forderung nach reduzierten Vorwaschprozessen ist demnach offensichtlich.

Im Rahmen dieser Arbeit soll der Konflikt zwischen der Forderung einer Reduzierung von Vorwaschprozessen im Karosserierohbau und der Notwendigkeit sauberer, öl- und fettfreier Bauteiloberflächen zur sicheren Erzeugung qualitativ hochwertiger Bolzenschweißverbindungen gelöst werden. Hierzu ist es erforderlich, ein Reinigungsverfahren zu entwickeln, dass unter wirtschaftlichen und technologischen Aspekten den Anforderungen der automobilen Serienproduktion gerecht wird.

Stand der Erkenntnisse: Das Bolzenschweißen, sein Ursprung und seine Entwicklung

Das Fügen von Schweißelementen, die als Schweißbolzen bezeichnet werden, auf Werkstückoberflächen durch ein Anschmelzen der Bolzenstirnfläche und ein lokales Anschmelzen der Bauteiloberfläche, kombiniert mit dem anschließenden Vereinigen der Schmelzbereiche durch geringen Kraftaufwand, wird als Lichtbogenbolzenschweißen bezeichnet. Das Verfahren ist also den Pressschweißverfahren nach DIN 1910-100 zuzuordnen. Nach der Art des Zündvorganges wird zwischen Bolzenschweißen mit Hubzündung und Bolzenschweißen mit Spritzenzündung differenziert. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt jedoch eine ausschließliche Fokussierung auf das Hubzündungsverfahren, da es sich hierbei um die etablierte Verfahrensvariante im automobilen Serienbau handelt.

Mit verschiedenen Verfahren zum Ziel

Das Verfahren Bolzenschweißen mit Spritzenzündung ist vorrangig im Bauwesen und der allgemeinen Metallverarbeitung wiederzufinden. Als Werkstoffe können die allgemeinen Baustähle, höherlegierte CrNi-Stähle, aber auch NE-Metalle wie Aluminiumlegierungen, Kupfer, Messing und Titan verschweißt werden. Durch die Entwicklung von Schweißrobotern und dem stetig zunehmenden Bedarf an Bolzenschweißanlagen für die automobile Serienfertigung wurden ab 1970 automatisierte Bolzenschweißanlagen entwickelt.

Innerhalb der Arbeit werden verschiedene Varianten des Bolzenschweißens vorgestellt, unter anderem die zwei Verfahrensgruppen "Bolzenschweißen mit Hubzündung" und "Bolzenschweißen mit Spitzenzündung" sowie unter ihnen das Verfahren "Bolzenschweißen mit Gleichstromtechnik" (siehe Kapitel 2.1.2) oder das "Bolzenschweißen mit Ringzündung" sowie deren Vor- und Nachteile vorgestellt. Letzteres ist zum Beispiel eine wenig genutzte Verfahrensvariante. Dabei ermöglicht ein mineralischer Ring das berührungslose Zünden des Lichtbogens. Der Zündring schmilzt während des Bolzenschweißprozesses und erfüllt die Funktion einer Elektrodenumhüllung. Das Aluminium-Lichtbogen-Bolzenschweißen stellt eine Verfahrenserweiterung des Bolzenschweißens mit Hubzündung und Wechselstrom durch einen näher zu erläuternden Vorprozess dar, welcher innerhalb der Arbeit als "Cleanflash" bezeichnet wird. Der Cleanflash wird dem eigentlichen Bolzenschweißprozess vorgeschaltet und dient gezielt der Oberflächenreinigung der Bauteile. Schmierstoffe, Trennmittel oder Verunreinigungen werden durch einen Reinigungslichtbogen (Cleanflash) entfernt.

Zielsetzung und Vorgehen

Um das Gewicht neu enwickelter Karosseriekonzepte zu reduzieren, werden nun auch in der Großserienfertigung vermehrt moderne Aluminiumwerkstoffe eingesetzt. So wird die bislang stetig steigende Gewichtsspirale von einer Automobilgeneration zur nächsten Generation durch einen Primäreffekt gestoppt und umgekehrt. Der zunehmende Einsatz von coilbeschichteten Aluminiumwerkstoffen und die Forderung, die im Karosserierohbau vorgelagerten Einzelteilwaschprozesse zu unterlassen, folgen der Strategie einer ressourcen- und energieeffizienten Produktion. Zahlreiche im Karosseriebau eingesetzte Fügeverfahren erfordern saubere homogene Oberflächenzustände der zu fügenden Einzelbauteile. Insbesondere die Schmelzschweißverfahren, wie zum Beispiel das in dieser Arbeit gegenständliche Aluminiumbolzenschweißen mit Hubzündung, reagieren sehr emfindlich auf verschmutzte oder schmierstoffbehandelte Oberflächen im Bereich der Fügezone. Im Schweißprozess verbrennende oder verdampfende chemische Komponenten verstärken die schon generell auftretende Porenbildung beim Schmelzschweißen von Aluminiumwerkstoffen signifikant. Quelle der Porenbildung ist in der Regel Wasserstoff, der durch die wirkende Schweißwärme infolge von Zersetzungsprozessen aufgebrachter Oberflächenschichten gebildet wird. Typische Oberflächenbeschichtungen sind u.a. Trockenschmierstoffe auf Basis von Kohlenwasserstoffverbindungen.

Motivation zu dieser Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist, ein geeignetes lokal wirkendes Oberflächenreinigungsverfahren zu entwickeln und eingehend zu untersuchen, um den Konflikt zwischen der Forderung einer Reduzierung von Vorwaschprozessen im Karosseriebau und der Notwendigkeit sauberer, öl-und fettfreier Bauteiloberflächen zur sicheren Ereugung qualitativ hochwertiger Bolzenschweißverbindungen zu lösen. Für das zu entwickelnde Verfahren muss der Nachweis erbracht werden, dass es den prozesstechnischen Anforderungen der Serienautomobilproduktion genügt. Zielführend ist die Erhöhung der Verbindungsqualität sowie der Prozessstabilität beim Aluminium-Lichtbogen-Bolzenschweißen durch den Einsatz eines neuen Reinigungsverfahrens.

Die Vorgehensweise der Arbeit besteht aus Phase 1: Voruntersuchungen, Phase 2: Untersuchungen zur Wirkung des Reinigungsverfahrens, Phase 3: Vergleich der Eigenschaften konventioneller und vorgereinigter AI-LB-Bolzenschweißverbindungen, Phase 4: Durchführung von Dauerversuchen zur Bewertung der Reinigungsanlagenverfügbarkeit sowie Phase 5: Erstellung von Konzepten zur Integration des Reinigungsverfahrens.

Fazit und Zusammenfassung

Gesetzliche Vorgaben zur Kohlenstoffdioxid- Reduktion und von den Herstellern selbst formulierte Ziele zur ressourcen- und energieeffizienten Produktion moderner Automobile unter Nutzung moderner Leichtbaustrategien stellen die gesamte Automobilindustrie vor mannigfaltige Herausforderungen. Der vermehrte Einsatz von Aluminiumwerkstoffen ermöglicht die Umkehr der aufwärtsstrebenden Gewichtsspirale innerhalb des Rohkarosseriebaus. Die ergänzende Forderung der Hersteller, bisher notwendige Vorwaschprozesse von Rohbaueinzelteilen zu vermeiden, um produktionsbedingte umweltbelastende Emissionen zu reduzieren, formuliert an moderne thermische Fügeverfahren zahlreiche technische Anforderungen.

Der Nachweis ist gelungen

Insbesondere beim Schmelzschweißen von Aluminiumwerkstoffen muss auf saubere Werkstoffoberflächen geachtet werden, um Fehler wie zum Beispiel eine Porenbildung im Schweißgut zu vermeiden. Abhilfe kann hier ein lokal wirkender Reinigungsprozess leisten, der dem eigentlichen Schweißprozess unmittelbar räumlich und zeitlich vorgelagert ist. Aufgabe der vorliegenden Arbeit war es, einen geeigneten lokalen Oberflächenreinigungsprozess zu entwickeln und auf seine Wirkung und Prozessfähigkeit zu untersuchen. Innerhalb der ersten Phase dieser Arbeit wurde an Blechproben und Karosserierohbauteilen die inhomogene Verteilung des aufgebrachten Trockenschmierstoffs nachgewiesen. Stark schwankende Beschichtungswerte verhindern eine zuverlässige prozessstabile Parameterfindung für das Aluminiumbolzenschweißverfahren mit Hubzündung. Es sollten daher geeignete Mess- und Reinigungsverfahren ausgewählt und detailliert bezüglich des Leistungsvermögens und der Serientauglichkeit untersucht werden. Als potentiell geeignete Oberfächenreinigungsverfahren wurden das Hochspannungsplasma, das Hochstromplasma und die Kohlenstoffdioxid-Schneestrahlreinigung identifiziert und im Rahmen von Voruntersuchungen näher betrachtet.

Erfolg dank des Hochstromplasmaverfahrens

Mit allen innerhalb der Vorauswahl untersuchten Oberflächenreinigungsverfahren konnten auf schmierstoffbeschichteten Blechen Bolzenschweißverbindungsqualitäten erzeugt werden, die dem Stand der Technik entsprechen, wenn saubere Blechoberflächen vor dem Bolzenschweißen vorliegen. Jedoch wurden einzig mit dem Hochstromplasmaverfahren als im Verlauf der Reinigungsdurchmesser mit einer vorab definierten Größe Erfolge erzielt. Mit der Zuhilfenahme einer Gewichtungsmatrix und der Bewertung einzelner Prozessgrößen wurde das Hochstromplasmaverfahren als geeignetes Oberflächenreinigungsverfahren ausgewählt. Die Bewertung der potentiell geeigneten Oberflächenmessverfahren war unkompliziert, da die Kontaktwiderstandsmessung keine direkte Zuordnung vom Kontaktwiderstand zur Trockenschmierstoffmenge zulässt. Die gemessenen Kontaktwiderstände können sowohl von der aufgetragenen Schmierstoffmenge als auch von anderen Einflüssen, wie zum Beispiel dem Alterungszustand des Gundmaterials, abhängen. Die Fluoreszenzmessung erlaubt eine direkte Korrelation zwischen einzelnen Messwerten und Schmierstoffauftragsmengen. Für die weiteren Untersuchungen wurde daher die Fluoreszenzmessung eingesetzt. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde der Plasmalichtbogen mit seinen Eigenschaften, der Wirkung als Reinigungsverfahren und dessen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften der gereinigten Aluminiumbleche beschrieben. Im ersten Schritt wurden Prozessparametergrenzen bestimmt. Die ermittelten Prozessgrenzen dienten als Basis für umfangreiche statistische Versuchsplanungen zur Ermittlung optimierter Plasmaeinstellungen. Im Labor wurde an Aluminiumblechproben der Temperaturverlauf im Bereich der Reinigungszone während der Plasmareinigung ermittelt. Anschließend wurden FEM-Modelle generiert, um den experimentiell gemessenen Temperaturverlauf nachzustellen. Damit konnte ein FEM-Modell erzeugt werden, dass den realen Temperaturverlauf mit hoher Genauigkeit nachbildet. Die Fluoreszenzmessungen, nach denen keine Trockenschmierstoffe mehr nach erfolgter Plasmareinigung messbar waren, wurden durch EDX und REM-Untersuchungen bestätigt. Auch der positive Einfluss der Plasmareinigung auf den folgenden Bolzenschweißprozess und die Güte der Bolzenschweißverbindung wurde im Verlauf der Untersuchungen beschrieben. Im Vergleich zum bisher genutzten Cleanflashreinigungsprozess konnte keine negative Beeinflussung der Bolzenschweißqualität mit steigender Trockenschmierstoffmenge beim Einsatz des neu entwickelten Plasmareinigungsverfahrens (CleanJet) festgestellt werden.

Mission: Ziel erreicht

Dank der Plasmareinigung, welche die Schmauch- und Spritzerentwicklung während des eigentlichen Bolzenschweißens reduziert und somit die Kontamination des Schweißkopfes durch Verbrennungsrückstände verringert, sowie der technisch hervorragend beschaffenen Plasmadüse konnten die Abmessungen des Plasmabrenners maßgeblich reduziert werden. Insgesamt wurde das Ziel, ein großseriengeeignetes, lokal wirkendes Oberflächenreinigungsverfahren zu entwickeln, das die Schweißqualität und die Prozessfähigkeit des Aluminiumbolzenschweißens mit Hubzündung entscheidend verbessert, somit vollständig erreicht.

Erhältlich bei

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