Im Bereich des Fahrzeugbaus spielt der Leichtbau eine bedeutende Rolle, um Gewicht zu reduzieren und die Effizienz zu steigern. Dünnere Bleche mit steifigkeitserhöhenden Strukturen, wie 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 erreicht werden können und kein Schweißzusatzstoff benötigt wird. Speziell entwickelte Elektroden gewährleisten die Versteifungswirkung der strukturierten Bleche beim Schweißen und wurden erfolgreich getestet.
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Strukturierte Wabenbleche für leichtere und steifere Konstruktionen
Durch den Einsatz von strukturierten Wabenblechen anstelle von ebenen Blechen kann die Steifigkeit um das Dreifache gesteigert werden. Dadurch ist es möglich, 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 eine Masse-Reduktion von fast 30% ergibt. Durch das Schweißen von zwei Blechen entstehen Bauelemente mit Hohlräumen, was zusätzlich zu einer Gewichtsreduktion führt.
Durch den Einsatz von strukturierten Wabenblechen kann das Gewicht von Bauteilen um mehr als 50% reduziert werden, da sie eine 12-fache Steifigkeit im Vergleich zu ebenen Blechen aufweisen. Ein anschauliches Beispiel dafür ist die Möglichkeit, 3 mm dicke Aluminiumbleche durch 2 x 0,5 mm Wabenbleche aus Stahl zu ersetzen. Dies führt nicht nur zu einer kostengünstigeren Konstruktion, sondern auch zu einer umweltfreundlicheren Lösung. Darüber hinaus eröffnen sich neue Anwendungsfelder, wie z.B. im Wärmetauscher- und Behälterbau, wo die Wabenbleche von Flüssigkeiten durchströmt werden können, um den Inhalt der Behälter zu temperieren.
Vermeidung der Einebnung von Wabenstrukturen beim Rollennahtschweißen
Beim Rollennahtschweißen von strukturierten Blechen tritt das Problem auf, dass herkömmliche Rollennaht-Elektroden die Wabenstrukturen einebnen und dadurch die versteifende Wirkung reduzieren oder aufheben. Um dieses Problem zu lösen, wurde untersucht, wie dünnen Wabenbleche optimal gefügt werden können. In Zusammenarbeit mit der BTU Cottbus wurden spezielle Elektroden entwickelt, die auf die Topologie der strukturierten Bleche abgestimmt sind und eine optimale Verbindung ermöglichen. Diese Elektroden ermöglichen das Fügen der dünnen Wabenbleche beim Rollennahtschweißen, ohne die versteifende Wirkung der Strukturen zu beeinträchtigen.
Wabenbleche werden durch spezielle Elektroden beim Rollennahtschweißen erfolgreich verbunden
Die Experten des Technologie-Instituts für Metall & Engineering (TIME) und der BTU Cottbus haben in einem DVS-Forschungsprojekt das Rollennahtschweißen von Wabenblechen untersucht und optimiert. Durch den Einsatz spezieller Elektroden konnte die versteifende Wirkung der Wabenstrukturen beim Schweißen erhalten bleiben. Diese Forschungsarbeit eröffnet neue Möglichkeiten im Fahrzeugbau und anderen Bereichen des Leichtbaus, da sie eine Gewichtsreduktion und eine erhöhte Steifigkeit ermöglicht.
Im Zuge des Projekts wurden zwei innovative Rollennaht-Elektroden für unterbrochene und lineare Schweißnähte entwickelt und hergestellt. Die Experten von TIME und BTU Cottbus-Senftenberg haben diese Elektroden umfangreichen Tests unterzogen und ihre Funktionalität sowohl im Labor als auch im Praxisbetrieb nachgewiesen. Dank ihrer speziellen Bauweise 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.
Spezial-Elektroden ermöglichen das Schweißen von strukturierten Wabenblechen ohne Verformung
Die Elektroden wurden gezielt entwickelt, um die Wabenstruktur nicht zu nivellieren. Eine der Elektroden weist eine periodisch unterbrochene Profilierung auf, um unterbrochene Schweißnahtlinien zu erzeugen. 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 besitzt eine zickzackförmige Struktur, die speziell für konturerhaltende Dichtnahtschweißungen entwickelt wurde. Mit Hilfe dieser Elektrode ist es möglich, präzise Schweißnähte entlang von Konturen zu erzeugen, während gleichzeitig eine hohe Dichtheit gewährleistet wird. Darüber hinaus bieten beide Elektroden die Flexibilität, in verschiedenen Kombinationen mit konventionellen Rollengeometrien eingesetzt zu werden, um den individuellen Anforderungen gerecht zu werden.
Vergleich der Verbindungsausprägung bei verschiedenen Prozessparametern und Werkstoffen
Die Verbindungseigenschaften der strukturierten Bleche wurden durch umfangreiche Testschweißungen untersucht. Dabei wurden Schweißbereichsdiagramme und Prozessfenster erstellt, um die optimalen Prozessparameter zu bestimmen. Die Ergebnisse wurden durch Metallografie-, Festigkeits-, Druck- und Dichtheitsuntersuchungen bei BTU Cottbus-Senftenberg verifiziert. 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.
Strukturierte Bleche finden nicht nur im Leichtbau Verwendung, sondern bieten auch weitere Anwendungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel als durchströmte Wände in Wärmetauschern. 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 ausgiebig getestet und erfüllen die Anforderungen. Diese mehrschaligen Bauelemente eignen sich ideal für Heizkörper, temperierbare Behälter und Wärmetauscher.
Verbesserte Verbindungstechnologie für dünne Wabenbleche beim Rollennahtschweißen
Die Forschung von TIME und BTU Cottbus hat gezeigt, dass der Einsatz von strukturierten Wabenblechen eine erhebliche Gewichtsreduktion und eine erhöhte Steifigkeit ermöglicht. Dank der speziell entwickelten Elektroden können die dünnen Wabenbleche beim Rollennahtschweißen optimal gefügt werden, ohne dass die versteifende Wirkung der Strukturen beeinträchtigt wird. Dies eröffnet zahlreiche 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.
