Aluminium und Stahl verbinden

SWOPtec (Steel Welded Opposed Plug) ist ein Fügeverfahren für das Verbinden von Aluminium mit Stahlwerkstoffen. Das Besondere daran ist, dass die Anlagen, die üblicherweise für das klassische Widerstandspunktschweißen genutzt werden, hier auch verwendet werden können. Die Kernkompetenzen beim SWOPtec liegen dabei bei der Herstellung des Verbindungselementes. Dr.-Ing. Vitalij Janzen, arbeitet seit etwa fünf Jahren bei der ARNOLD UMFORMTECHNIK GmbH & Co. KG im Bereich Forschung und Entwicklung. Als Spezialist für das Widerstandselementschweißen will er nun auch SWOPtec weiter voranbringen. Er beschreibt, wie SWOPtec entwickelt wurde: „Die Initialzündung kam von der Firma Benteler Automobiltechnik GmbH. 2018 kam die Firma auf uns zu. In einem Entwicklungsprojekt wurde über 1,5 Jahre eine Verfahrenslösung erarbeitet, die Mitte 2019 präsentiert werden konnte. Verbunden damit war ein exklusives Nutzungsrecht von SWOPtec für Benteler“, blickt er auf die Anfänge zurück. Doch mit dem ursprünglichen Swoptec-Verbindungselement konnten nicht alle Anforderungen der ARNOLD-Kunden abgedeckt werden. Weitere Entwicklungen und Anwendungsbereiche folgten. Eine erste Serienanwendung in mehreren Modellreihen bei der Hyundai Motor Company in Korea konnte auf den Weg gebracht werden.

Verarbeitungstechnik kann an Kundenanforderungen angepasst werden

Prinzipiell kann das Verfahren sowohl im Presswerk eingesetzt werden, als auch am C-Bügel im Karosserierohbau. Die C-Bügel-Anwendungen sind dabei in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Zum einen als stationäre Anlagen, bei denen das Bauteil mit einem Roboter gehandelt wird. Zum anderen gibt es Anlagen, bei denen der C-Bügel mit einem Roboter gehandelt und das Bauteil beispielsweise mit einem zweiten Roboter gehalten wird. Die Verarbeitungstechnik kann flexibel ausgelegt werden. So sind beispielsweise verschiedene C-Bügel-Größen möglich. Außerdem sind verschiedene Optionen für die Zuführung umsetzbar. Momentan werden bei ARNOLD UMFORMTECHNIK Systeme aufgebaut, bei denen mit einem C-Bügel verschiedene Elementlängen verarbeitet werden können. Hierbei wird ein C-Bügel von mehreren Zufuhrschläuchen angesteuert.

Know-how steckt in der Herstellung der Swoptec-Elemente

Grundsätzlich sollen mit dem Swoptec-Verfahren Aluminiumbauteile (Al-Guss-, Al-Strangpress- oder Al-Blechbauteile) an Stahlbauteile unter Nutzung der Punktschweißtechnik angebunden werden. Bei SWOPtec handelt es sich dabei um ein zweistufiges Verfahren. In der ersten Stufe wird das Verbindungselement eingestanzt. Das mit Verbindungselementen konfektionierte Bauteil wird dann der Kernlinie zugeführt und in der zweiten Stufe geschweißt. „Die Elementefertigung erfordert viel Know-how, beispielsweise die Herstellung der Nut. Auch die präzise Zuführung in der Verarbeitung ist durch die Geometrie des Elementes eine Herausforderung“, weiß Vitalij Janzen. Das Verbindungselement selbst hat einen relativ großen Durchmesser: 12 mm Kopf- und 10,5 mm Schaftdurchmesser. Zudem ist es relativ flach, um Blechanwendungen von 1,15 mm bis 4,5 mm Dicke abzudecken. Das Swoptec-Element hat am Schaft eine umlaufende Nut, welche dafür sorgt, dass beim Einstanzen Aluminium in die Nut fließt und ein kleiner Hinterschnitt entsteht. So kann das Element nicht aus dem Blech fallen, wenn Bauteile transportiert werden. Beim Elementwerkstoff handelt es sich um einen gut schweißbaren Mangan-Bor-Stahl 20MnB4. Die Beschichtung der Elemente kann den Kundenanforderungen angepasst werden. Die Standardbeschichtung ist galvanisch verzinkt − mit einer Dicke von mindestens 8 μm.

„Die Elemente-Fertigung erfordert viel Know-how, beispielsweise die Herstellung der Nut. Auch die präzise Zuführung in der Verarbeitung ist durch die Geometrie des Elementes eine Herausforderung“, sagt Vitalij Janzen, Research & Development Fastening Systems bei ARNOLD UMFORMTECHNIK.

Widerstands- und Reibelementschweißen sowie Swoptec

Ob Flexweld^® (ARNOLD-Bezeichnung für Widerstandselementschweißen mit T-förmingen Verbindungselementen), Flowweld^® (ARNOLD-Bezeichnung für Reibelementschweißen) oder SWOPtec (Steel Welded Opposed Plug)  das Ziel der drei Verfahren ist ganz allgemein betrachtet das gleiche: Aluminium soll mit Stahlblechen verbunden werden. „Jeder Kunde hat seine eigene Philosophie und seine eigenen Randbedingungen. Das lässt sich nicht mit nur einem Verfahren abdecken“, sagt Dr.-Ing. Janzen, der zum Widerstandselementschweißen promoviert hat. Zudem habe natürlich jedes der drei ähnlichen Verfahren seine ganz spezifischen Eckdaten. So können mit SWOPtec höhere Verbindungskräfte übertragen und größere Positionstoleranzen ausgeglichen werden. Außerdem liegt das Swop-Element blecheben auf der Oberfläche. Das ist insbesondere dann interessant, wenn im Nachgang beispielsweise Abdichtungen aufgebracht werden müssen. Das Swop-Element ist jedoch im Vergleich zu den Flexweld^®- und Flowweld^®-Elementen schwerer und größer und benötigt so etwas mehr Platz auf dem Blech für die Einbringung. Um welches der drei Elemente es sich auch immer handelt: Ziel des Forchtenberger Verbindungselementherstellers ist es, für jedes Kundenbauteil eine anwendungsgerechte Lösung zu entwickeln.

Vorhandene Anlagentechnik kann genutzt werden

Der Kunde kann mit SWOPtec sehr flexibel agieren. Auf einer Fertigungslinie können sowohl Stahl-Stahl-Verbindungen als auch Stahl-Aluminium-Komponenten gefertigt werden. Dadurch können sehr viele Modellvarianten mit den gleichen Schweißanlagen hergestellt werden. „Gerade asiatische Kunden sind nach wie vor sehr punktschweißlastig unterwegs. Dort hat sich das Widerstandsschweißen über viele Jahre bewährt und ist etabliert. Außerdem können die vorhandenen Anlagen beim Einsatz von SWOPtec weiter genutzt werden. Die Anschaffung neuer Anlagentechnik ist in Asien aus Platzgründen oft ein deutlich größeres Problem als beispielsweise in Deutschland“, beschreibt Janzen die Situation. Entsprechend werde SWOPtec in Asien auch gänzlich neuen Verfahren oft vorgezogen. Und auch in den USA seien die Unternehmen noch punktschweißlastig unterwegs.

Vielfältige Anwendungsbereiche und Perspektiven für SWOPtec 

Der Fokus für die Swoptec-Anwendungen liegt auf der Automobilindustrie, sowohl auf den OEMs als auch auf deren Zulieferern. Das Verfahren, welches ursprünglich von der Benteler Automobiltechnik entwickelt und patentiert wurde, ist dabei breit einsetzbar und für alle Bauteilverbindungen geeignet, bei denen Aluminium mit Stahl verbunden werden soll. Das sind im PKW beispielsweise die A-Säule, die B-Säule, Sitzquerträger oder Dachquerträger. Der erste Serieneinsatz von SWOPtec war Mitte 2021. Zwischenzeitlich laufen mehrere Anwendungen bei der Hyundai Motor Company und auch in China wird es ab 2023 Anwendungen geben. „Im asiatischen Raum ist das Interesse an den Swoptec-Anwendungen groß. Doch auch die Anfragen aus den USA und Europa nehmen zu“, sagt Dr.-Ing. Janzen. Vorzugsweise kommen die Anfragen von den Unternehmen, bei denen Punktschweißen eine hohe Relevanz hat. Außerdem wird das Verfahren von ARNOLD UMFORMTECHNIK stetig weiterentwickelt. So wird an verschiedenen Zuführkonzepten gearbeitet und auch die Geometrie der Swop-Elemente wird kontinuierlich angepasst.

Über ARNOLD UMFORMTECHNIK

Die ARNOLD GROUP, international bekannt für innovative Verbindungstechnik, hat sich aufgrund ihres umfangreichen Know-hows in der Produktion von intelligenten Verbindungselementen zu einem führenden Anbieter und Entwicklungspartner von komplexen Verbindungssystemen entwickelt. Unter dem Dach der „BlueFastening Systems“ positioniert sich das Unternehmen als umfassender Anbieter für Engineering, Verbindungselemente, Funktionsteile sowie Zuführsysteme und Verarbeitungstechnik. Diese ganzheitliche Kombination aus Erfahrung und Know-how bietet effiziente, nachhaltige Lösungen auf internationaler Ebene. Seit 1994 gehört ARNOLD zur Würth Gruppe.