Serienfertigung von Aluminium-Stahl-Verbindungen mit Rührreibschweißen

Mischverbindungen aus Aluminium und Stahl werden schon seit längerer Zeit angewendet, insbesondere im Fahrzeugbau, wo einerseits eine hohe Stabilität und Festigkeit gefordert ist, andererseits aber das Gewicht auf ein Minimum reduziert werden muss. Die Verwendung beider Metalle in Mischbauweise wurde in der Vergangenheit meist durch kraft- oder formschlüssige Verbindungen realisiert. Auch mit stoffschlüssigen Fügeverfahren wie dem Lichtbogenlöten oder thermischen Schweißverfahren wie Lichtbogen- oder CMT-Schweißen ist die Herstellung von Stahl-Aluminium-Verbindungen grundsätzlich möglich. Allerdings können diese Verbindungsarten keine hohen Ansprüche an Dichtheit und Festigkeit erfüllen. Zudem entstehen zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen intermetallische Phasen, die in ihrer metallischen Gitterstruktur nicht mit den Ausgangsmaterialien übereinstimmen und die Schweißnaht aufgrund von ungleichen Härtegraden und Dichten schwächen.

Unter den vielen Möglichkeiten, beide Metalle und somit ihre positiven Werkstoffeigenschaften in einer Konstruktion zu verbinden, ist das stoffschlüssige Fügen auch aus anderen Gründen immer problematisch: Aufgrund der weit auseinander liegenden Schmelzpunkte ist es nicht möglich, durch das thermische Schweißen feste und dichte Verbindungen herzustellen: Aluminium und seine Legierungen haben Schmelzpunkte um die 600° C, bei Stahlwerkstoffen liegt dieser zwischen 1400° C und 1500° C. Neben den stark voneinander abweichenden Schmelzpunkten unterscheiden sich Stahl- und Aluminiumwerkstoffe auch in weiteren Materialeigenschaften wie Wärmeausdehnungskoeffizient, Dichte und elektrischer Leitfähigkeit. Mit dem Rührreibschweißen, das nicht zu den thermischen Schweißverfahren zählt, lassen sich diese Schwierigkeiten umgehen. Denn beim Rührreibschweißen wird mmer mit Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes sowie mit einem verschleißfesten, rotiereden Werkzeug gearbeitet.

Bedingung für dieses Bauteil war, dass der aus Edelstahl und Aluminium gefertigte Deckel gasdicht sein muss, um das in der Apparatur erzeugte Vakuum abzuschließen. Kraft- oder formschlüssige Fügeverfahren können solche Maßgaben naturgemäß nicht erfüllen und auch Klebetechniken konnten dies nicht leisten. Die Lösung des Problems bot das Rührreibschweißen: Während das rotierende Werkzeug die Oberfläche des Edelstahlbauteils aufreibt, wird das Aluminium bis kurz unterhalb des Schmelzpunktes erwärmt. Darauf wird das plastifizierte Aluminium in die aufgeriebene Oberfläche des Edelstahlteiles gerührt und mit dem Führen des Werkzeugs durch die Fügezone bildet sich eine porenlose Naht, die gasdicht und von gleichmäßiger Festigkeit ist. Die Vergabe von Seriennummern für diese Teile entspricht dabei medizintechnischen Standards. Das ermöglicht zum einen das Rückverfolgen der Produkte und zum anderen eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualität sichergestellt.