083-Rührreibschweißen
Die Episode
Transkript
Die Taktzeiten in der modernen Automobilproduktion sind eng bemessen. Auch bei der Fertigung von Batteriewannen für Elektrofahrzeuge. Aus Gründen der Gewichtsreduktion bestehen diese Bauteile primär aus Aluminium. Die technischen Anforderungen sind hoch: Neben der mechanischen Crashsicherheit muss eine absolute Gas- und Wasserdichtigkeit gewährleistet sein. Dringt Feuchtigkeit in die Batteriezellen ein, drohen ein Kurzschluss oder das thermische Durchgehen. Die fertigungstechnische Herausforderung liegt nun darin, die Bodenplatte aus Aluminiumguss stoffschlüssig mit den Strangpressprofilen des Rahmens zu verbinden. Der Einsatz konventioneller Schmelzschweißverfahren, wie Laser- oder Schutzgasschweißen, stößt bei diesem Werkstoff jedoch schnell auf verfahrenstechnische Grenzen.
Die Ursache dafür liegt in der Thermodynamik des Werkstoffs. Aluminium besitzt eine natürliche Oxidschicht, deren Schmelzpunkt bei über 2.000 Grad Celsius liegt. Das darunterliegende Grundmaterial verflüssigt sich jedoch bereits bei 660 Grad. Bringt man nun ausreichend Energie ein, um diese harte Oxidschicht aufzubrechen, schmilzt das Aluminium darunter unkontrolliert auf. Das führt zu einem stark instabilen Schweißprozess.
Dazu kommt ein werkstoffspezifisches Problem: Die Aluminiumschmelze weist eine hohe Wasserstofflöslichkeit auf. Sie nimmt Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft auf. Beim Abkühlen und Erstarren der Schmelze sinkt die Löslichkeit rapide, das Gas will entweichen und bildet mikroskopische Poren in der Schweißnaht. Während diese Porosität bei Standardbauteilen oft tolerierbar ist, führt sie bei einer Batteriewanne zum Verlust der geforderten Dichtigkeit. Begleitet wird dieser Prozess oft von Heißrissen und einem signifikanten thermischen Verzug durch den hohen Wärmeeintrag, was unweigerlich zum Ausschuss des Bauteils führt.
Wie verbinden wir die Wanne dennoch gasdicht und hochfest? Die Antwort liefert uns die Mechanik. Wir nutzen das Rührreibschweißen oder auch Friction Stir Welding, kurz FSW. Das Werkzeug beim FSW ist ein massiver, hochverschleißfester Metallzylinder. An der flachen Unterseite dieses Zylinders, der sogenannten Schulter, ragt ein kleinerer, profilierter Stift heraus, der Pin. Das Besondere: Es gibt keinen Lichtbogen, keinen Funkenflug und kein Schutzgas.
Der Prozess startet rein mechanisch. Das Werkzeug wird in Rotation versetzt und dann mit immenser Kraft exakt auf den Fügespalt der beiden Aluminiumbleche gepresst. Der rotierende Pin bohrt sich in das Material, bis die flache Schulter plan auf der Bauteiloberfläche aufliegt. Jetzt passiert der physikalisch entscheidende Schritt: Durch die Reibung zwischen der rotierenden Werkzeugschulter und dem Aluminium entsteht enorme Wärme. Dies treibt die Temperatur lokal auf etwa 500 Grad Celsius.
Das ist der kritische Punkt. Wir bleiben bewusst knapp unter der Schmelztemperatur von 660 Grad. Das Aluminium wird nicht flüssig. Es wird plastifiziert. Es erreicht einen teigigen Zustand, vergleichbar mit sehr zäher Knetmasse. Während das Werkzeug nun an der Naht entlangfährt, passieren zwei Dinge: Der rotierende Pin rührt das teigige Material der beiden Bleche mechanisch ineinander.
Gleichzeitig presst die Schulter das Material unter enormem Druck nach unten. Die Fügepartner werden im Grunde genommen warmverschmiedet. Sobald das Werkzeug weiterfährt und das Material abkühlt, hinterlässt es eine hochfeste Verbindung.
Das wichtige: Da wir den flüssigen Zustand komplett umgangen haben, gibt es keine wasserstoffbedingte Porosität. Es gibt keine Heißrisse. Der thermische Verzug, also die Verformung durch thermische Bearbeitung, der Batteriewanne ist daher auch gering.
Das Ergebnis ist eine gas- und wasserdichte Naht, deren Festigkeit fast an das ungeschweißte Grundmaterial heranreicht. Damit ist das prozesstechnische Problem der E-Auto-Wanne gelöst.
Allerdings gibt es in der Realität keine perfekten Prozesse, sondern immer nur physikalische Kompromisse. Auch das FSW Verfahren hat massive Haken und diese heißen: Prozesskräfte.
Wir erinnern uns: Wir schmelzen das Material nicht auf, sondern pressen lediglich einen massiven Stahlstift in festes bzw. plastisches Aluminium und rühren es durch. Die mechanischen Kräfte, die dafür notwendig sind, sind wirklich groß. Wir sprechen hier von mehreren Tonnen Druck (naja, Presskraftäquivalent), die konstant auf das Bauteil wirken.
Was bedeutet das für den Maschinenbau? Man kann für diesen Prozess keine Standard-Industrieroboter einsetzen. Man benötigt für das FSW-Verfahren extrem steife, tonnenschwere Maschinen. Das treibt die Investitionskosten für eine solche Anlage in die Höhe. Und auch das Bauteil selbst wird zum Problem. Drücken wir mit drei Tonnen Kraft auf unsere Aluminiumwanne, würde das Blech sofort einknicken. Das heißt, die Bauteile müssen extrem aufwendig in massiven Vorrichtungen eingespannt werden. Unter der Schweißnaht ist zwingend ein massiver Stahl-Gegenhalter nötig, der den Druck abfängt. Dazu kommt, dass die Rüstzeiten lang sind. Die Vorrichtungen alleine kosten ein Vermögen und die Flexibilität in der Produktion geht gegen Null.
Und zu guter Letzt gibt es noch ein physikalisches Restrisiko: das Endloch. Wenn wir am Ende der Naht angekommen sind und das Werkzeug aus dem Material ziehen, bleibt zwangsläufig ein tiefes Loch im Bauteil zurück; exakt in der Form unseres Pins. Für eine wasserdichte Wanne ist das fatal. Man muss also mit zusätzlichen Opferblechen arbeiten, in die man am Ende hineinfährt und die man später abschneidet. Die Alternative sind hochkomplexe, fehleranfällige Werkzeuge mit einziehbaren Pins.
Das Rührreibschweißen ist also kein Allheilmittel. Es ist teuer, unflexibel und schwerfällig. Aber für sicherheitskritische Strukturen, bei denen Porosität oder Verzug das Ende des Bauteils bedeuten würden, ist es aktuell eine gute prozesstechnische Lösung.
Kehren wir zum Abschluss noch einmal zurück zu unserer Batteriewanne für das Elektroauto. Die massiven Investitionskosten für die steife Portalmaschine und die starren Spannvorrichtungen haben sich für den Automobilzulieferer längst amortisiert. Der Grund ist simpel: Die Ausschussquote bei der Dichtigkeitsprüfung geht gegen Null. Jede einzelne Schweißnaht ist gasdicht, porenfrei und nahezu verzugsfrei. Es müssen keine undichten Wannen teuer nachgearbeitet oder verschrottet werden. Und das Wichtigste: Das Risiko eines katastrophalen Kurzschlusses in der Batteriezelle durch eindringende Feuchtigkeit ist gebannt.
Das Rührreibschweißen beweist damit eine der schönsten Regeln der Produktionstechnik: Manchmal löst man ein komplexes chemisches oder metallurgisches Problem nicht durch noch mehr Chemie oder noch teurere Laser, sondern durch intelligent eingesetzte Mechanik.
geschrieben von Marvin Gürntke
gesprochen von Benjamin Remmers
