Komplexe Formen – schnelle Nähte

Auch wenn in der Automobilbranche Elektrofahrzeuge immer beliebter werden: Analysten rechnen damit, dass auch bis 2025 noch mehr als zwei Drittel aller verkauften Autos ausschließlich von Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Nimmt man den Anteil der Modelle mit Hybrid-Antrieb hinzu, benötigt auch in Zukunft die große Mehrheit aller Fahrzeuge Abgaskomponenten. Grund genug, sich darüber Gedanken zu machen, wie diese am besten geschweißt werden.

Die Komponenten von Abgassystemen bestehen aus einem breiten Spektrum von Grundwerkstoffen – von niedrig- und hochlegierten Stählen bis zu Nickelbasislegierungen. Die Wanddicken reichen von wenigen Zehntelmillimetern bis zu mehreren Millimetern. Außerdem können stets Fertigungstoleranzen auftreten. Trotzdem müssen die Verbindungen hohen Qualitätskriterien entsprechen – und gleichzeitig wirtschaftlich herzustellen sein.

VIELFÄLTIGE HERAUSFORDERUNGEN – UNTERSCHIEDLICHE BAUTEILE

Abgassysteme leiten Verbrennungsgase aus dem Motor ab und reinigen diese. Dabei müssen sie hohen Temperaturen, aber auch Korrosion standhalten. Die Anforderungen an die einzelnen Komponenten bestimmen, aus welchem Werkstoff sie gefertigt werden. Der Abgaskrümmer etwa ist direkt an den Motorblock angeflanscht. Er sammelt die heißen Verbrennungsgase, die in den Zylindern entstehen, und leitet sie an das Abgassystem weiter. Hier entstehen die höchsten Temperaturen, weshalb für den Abgaskrümmer meist chromhaltige Stähle eingesetzt werden. Die Bauteilgeometrie ist komplex, mit engen Radien an vielen Stellen – eine Herausforderung für die Fügetechnik.

Automatisiertes Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG) ist der Prozess, der am häufigsten beim Fügen von Abgaskomponenten zum Einsatz kommt. Der Abgaskrümmer stellt hohe Anforderungen an den Schweißprozess: Die engen Bauteilradien zwingen den Roboter, die Schweißgeschwindigkeit zu reduzieren. Trotzdem darf nicht zu viel Energie ins Bauteil gelenkt werden, und der Schweißprozess muss stabil und reproduzierbar bleiben.

HOCHLEISTUNGS-ELEKTRONIK SCHAFFT NEUE MÖGLICHKEITEN

So wie der Abgaskrümmer bergen auch andere Komponenten ihre Tücken. Die Art und Dicke des Materials richten sich nach den Anforderungen an die jeweilige Bauteilgruppe – daher muss auch der Schweißprozess an die entsprechende Komponente angepasst sein. Fronius hat verschiedene Prozessregelvarianten zum MAG-Schweißen im Portfolio, die es ermöglichen, die komplexen Bauteile durchgängig zu schweißen. Dank der Hochleistungs-Elektronik moderner Schweißstromquellen können Anwender den Lichtbogen kontrolliert beeinflussen und erhalten so optimale Ergebnisse.

Die Prozessvariante Low Spatter Control (LSC) ist besonders gut für das Schweißen von Abgaskomponenten geeignet. Sie basiert auf dem Kurzlichtbogen, ist energiereduziert und spritzerarm. Erreicht wird das, indem das Schweißsystem den Kurzschlussfall präzise kontrolliert: Die Stromquelle erkennt exakt die Annäherung der Drahtelektrode an das Schmelzbad und steuert die Ablösung des Tropfens in das Schmelzbad so, dass sie bei geringer Leistung erfolgt. Dadurch ist der Wärmeeintrag ins Bauteil gering und es entstehen fast keine Spritzer. Das ist ideal für das Fügen geringer Wanddicken und variierender Fugen-Geometrien – wie etwa beim Abgaskrümmer. Außerdem sorgt LSC für hohe Stabilität bei den schwierigen Umorientierungen des Brenners und somit für hohe Schweißgeschwindigkeiten.

Abgassysteme bestehen aus komplexen einzelnen Bauteilen, die hohe Ansprüche an die Fügetechnik stellen.

Eine weitere Prozessvariante ist „Pulse Multi Control“, kurz PMC. Dieser modifizierte Impulslichtbogenprozess zeichnet sich durch eine fein geregelte und spritzerarme Tropfenablöse aus. PMC erzeugt einen kraftvollen, stabilen Lichtbogen und bietet etwa in Zwangspositionen hohe Abschmelzleistungen und gleichzeitig eine gute Beherrschbarkeit des Schmelzbades. Anwender können damit Unregelmäßigkeiten wie etwa Einbrandkerben vermeiden und stabil und reproduzierbar schweißen. Die Variante eignet sich besonders gut für toleranzbehaftete Bauteile mit starken Wanddickensprüngen– Bedingungen, die auf viele Abgaskomponenten zutreffen. PMC sorgt selbst hier für eine ausreichende Einbrandtiefe und eine gute Spaltüberbrückung. Automobil-Zulieferer setzen das Verfahren häufig zum Schweißen von Abgaskrümmern ein. In der Praxis ermöglicht PMC deutlich höhere Schweißgeschwindigkeiten und somit eine gesteigerte Produktivität.

HÖHER, WEITER – DÜNNER!

Zukünftige Herausforderungen in der Automobilindustrie könnten jedoch auch andere Prozessvarianten in den Fokus rücken. Ein wichtiger Trend ist die Entwicklung immer leichterer Fahrzeuge: Das geringere Gewicht vermindert den Treibstoffverbrauch, die Material-Einsparung reduziert zudem die Produktionskosten. Das hat auch Auswirkungen auf die Bauweise von Abgaskomponenten. Die erwendeten temperaturbeständigen Grund- und Zusatzwerkstoffe ermöglichen, dass Bauteile aus immer dünnerem Material gefertigt werden. Bauteile mit Wanddicken von 0,8 Millimetern könnten daher künftig zum Regelfall werden. Hier kommt das CMT-Verfahren (Cold Metal Transfer) zum Einsatz. Der Prozess kombiniert einen geregelten Kurzlichtbogen mit einer Drahtelektrode, die sich vor und zurück bewegt. Das Ergebnis: ein besonders geringer Wärmeeintrag und ein äußerst stabiler Schweißprozess, mit dem Anwender auch beim Fügen sehr dünner Bauteile optimale Ergebnisse erzielen.