Im Fahrzeugbau ist Leichtbau ein wichtiges Thema, um Gewicht zu reduzieren und die Effizienz zu steigern. Dazu werden dünnere Bleche mit speziellen steifigkeitserhöhenden Strukturen verwendet. Diese Strukturen, in Form von Höckern mit einer 6-Eck-förmigen bienenwabenähnlichen Grundfläche, ermöglichen eine Gewichtsreduktion bei gleichzeitig erhöhter Steifigkeit. Das Rollennahtschweißen bietet eine wirtschaftliche Verarbeitungsmethode, bei der hohe Prozessgeschwindigkeiten genutzt werden können und kein Schweißzusatzstoff erforderlich ist. Um die Versteifungswirkung der strukturierten Bleche beim Schweißen zu erhalten, wurden spezielle Elektroden entwickelt, getestet und zur Serienreife gebracht.
Inhaltsverzeichnis: Das erwartet Sie in diesem Artikel
Bauelemente mit Hohlräumen: Verbunden durch strukturierte Wabenbleche
Strukturierte Wabenbleche weisen im Vergleich zu ebenen Blechen eine deutlich höhere Steifigkeit auf. Dies ermöglicht es, die Blechdicke zu reduzieren und somit das Gewicht erheblich zu verringern. Zum Beispiel kann die Blechdicke von 0,7 mm auf 0,5 mm reduziert werden, was zu einer Masse-Reduktion von fast 30% führt. Durch das Schweißen von zwei Blechen entstehen Bauelemente mit Hohlräumen, was zu einer weiteren Gewichtsreduktion führt.
Die Verwendung von strukturierten Wabenblechen ermöglicht eine erhebliche Gewichtsreduktion von mehr als 50% bei Bauteilen, da diese eine 12-fache Steifigkeit im Vergleich zu ebenen Blechen aufweisen. Ein konkretes Beispiel dafür ist der Ersatz von 3 mm dicken Aluminiumblechen durch 2 x 0,5 mm Wabenbleche aus Stahl. Dies führt nicht nur zu einer kostengünstigeren Konstruktion, sondern auch zu einer umweltfreundlicheren Lösung. Darüber hinaus ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten, wie z.B. im Wärmetauscher- und Behälterbau, wo die Wabenbleche von Flüssigkeiten durchströmt werden können, um den Inhalt der Behälter zu temperieren.
Lösungen für das Fügen von dünnen Wabenblechen beim Rollennahtschweißen
Beim Rollennahtschweißen von strukturierten Blechen ist das Problem bekannt, dass herkömmliche Rollennaht-Elektroden die Wabenstrukturen einebnen, wodurch die versteifende Wirkung der Strukturen reduziert oder sogar vollständig aufgehoben wird. Um dieses Problem zu lösen, wurde untersucht, wie dünnen Wabenbleche optimal gefügt werden können. Die Lösung besteht in der Entwicklung spezieller Elektroden, die auf die Topologie der strukturierten Bleche abgestimmt sind und eine optimale Verbindung ermöglichen. Mit diesen Elektroden kann das Rollennahtschweißen der Wabenbleche erfolgen, ohne die versteifende Wirkung der Strukturen zu beeinträchtigen.
Erfolgreiche Zusammenarbeit ermöglicht optimales Fügen von Wabenblechen beim Schweißen
Das Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) und die BTU Cottbus haben in einer gemeinsamen Forschungsarbeit das Rollennahtschweißen von Wabenblechen optimiert. Durch die Entwicklung spezieller Elektroden konnte die versteifende Wirkung der Wabenstrukturen beim Schweißen erhalten bleiben. Diese Forschungsarbeit hat große Bedeutung für den Fahrzeugbau und andere Anwendungen im Leichtbau, da sie eine Gewichtsreduktion und eine erhöhte Steifigkeit ermöglicht.
Im Projekt wurden zwei neuartige Rollennaht-Elektroden für unterbrochene und lineare Schweißnähte entwickelt und von den Experten von TIME und BTU Cottbus-Senftenberg hergestellt. Diese Elektroden wurden ausgiebig getestet, sowohl im Labor als auch im praktischen Einsatz, und ihre Wirksamkeit wurde nachgewiesen. Dank ihrer speziellen Konstruktion ermöglichen sie ein optimales Fügen von dünnen Wabenblechen beim Rollennahtschweißen, ohne dabei die versteifende Wirkung der Strukturen zu beeinträchtigen. Die Elektroden sind mittlerweile zum Patent angemeldet.
Topologiegerechte Elektroden verhindern das Glätten von strukturierten Blechen
Um sicherzustellen, dass die Wabenstruktur nicht eingeebnet wird, wurden die Elektroden speziell auf die Topologie der strukturierten Bleche abgestimmt. Eine der Elektroden weist eine periodisch unterbrochene Profilierung auf, um unterbrochene Schweißnahtlinien zu ermöglichen. Durch laterale Unterbrechungen in der zylindrischen Kontaktfläche können die Versteifungselemente beim Abfahren der Struktur ohne Verformung übersprungen werden. Dabei erfolgt eine vertikale Übersprungung der Versteifungselemente.
Die zweite Elektrode zeichnet sich durch ihr zickzackartiges Design aus und ist speziell für konturerhaltende Dichtnahtschweißungen konzipiert. Mit dieser Elektrode können Schweißnähte entlang von Konturen präzise und zuverlässig ausgeführt werden, wodurch eine hohe Dichtheit gewährleistet wird. Darüber hinaus bieten beide Elektroden die Flexibilität, in verschiedenen Kombinationen mit konventionellen Rollengeometrien verwendet zu werden, um den spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.
Einfluss von Schweißstruktur, -pfad und -werkstoff auf Verbindungseigenschaften untersucht
Um die Verbindungseigenschaften der strukturierten Bleche zu bewerten, wurden umfangreiche Testschweißungen durchgeführt. Dabei wurden Schweißbereichsdiagramme und Prozessfenster erstellt, um die optimalen Prozessparameter zu ermitteln. Die Ergebnisse wurden durch Metallografie-, Festigkeits-, Druck- und Dichtheitsuntersuchungen bei BTU Cottbus-Senftenberg überprüft. Es wurden Unterschiede in den Prozessparametern und der Verbindungsausprägung festgestellt, abhängig von der geschweißten Struktur, dem Schweißpfad und dem Werkstoff. Durch die Optimierung der Schweißnahtqualität konnten jedoch sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Neben dem Leichtbau bieten strukturierte Bleche weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise als durchströmte Wände für Wärmetauscher. Durch die Variation der Ausrichtung der Strukturen können verschiedene hohlraumbildende Paarungen und Schweißnahtlinien realisiert werden. Die Verbindungseigenschaften der verschweißten Wabenbleche wurden gemäß DIN EN ISO 17654 umfangreich getestet und erfüllen die Anforderungen. Diese mehrschaligen Bauelemente eignen sich besonders gut für den Einsatz in Heizkörpern, temperierbaren Behältern und Wärmetauschern.
Neue Anwendungsmöglichkeiten im Fahrzeug- und Behälterbau durch strukturierte Wabenbleche
Die Forschung von TIME und BTU Cottbus hat gezeigt, dass der Einsatz von strukturierten Wabenblechen eine erhebliche Gewichtsreduktion und eine erhöhte Steifigkeit ermöglicht. Die speziell entwickelten Elektroden stellen sicher, dass die dünnen Wabenbleche beim Rollennahtschweißen optimal gefügt werden, ohne die versteifende Wirkung der Strukturen zu beeinträchtigen. Dadurch ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Fahrzeugbau, im Wärmetauscher- und Behälterbau sowie in anderen Bereichen des Leichtbaus. Die vielversprechenden Ergebnisse dieser Forschung tragen zu einer nachhaltigen und effizienten Konstruktion bei.
