SB_22700LP

2024
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Widerstandspunktschweißen
von Aluminiumdruckgusslegierungen
und
Aluminiumknetlegierungen

Widerstandspunktschweißen von
Aluminiumdruckgusslegierungen
und Aluminiumknetlegierungen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 22.700 N
DVS-Nr.: 04.3645
RWTH Aachen Institut für Schweißtechnik
und Fügetechnik (ISF)
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 22.700N / DVS-Nr.: 04.3645 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2024 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 614
Bestell-Nr.: 170724
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 30.05.2025
zum IGF-Vorhaben 01IF22700N
Thema
Widerstandspunktschweißen von Aluminiumdruckgusslegierungen und Aluminiumknetlegierungen
Berichtszeitraum
01.12.2023 bis 30.11.2024
Forschungsvereinigung
DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.
Aachener Straße 172
40223 Düsseldorf
Forschungseinrichtung(en)
RWTH Aachen University
Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF)
Pontstraße 49
52062 Aachen
IGF-VORDRUCK DLR-PT Stand: Januar 2025

Inhaltsverzeichnis
1 Förderhinweis und Danksagung ..................................................................................................... 11
2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ....................................................... 12
3 Einleitung ..................................................................................................................................... 13
3.1 Widerstandspunktschweißen (RP) ................................................................................................ 13
3.2 Herausforderungen beim RP von Aluminiummischverbindungen ................................................ 15
4 Forschungsziel .............................................................................................................................. 17
5 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ..................... 18
6 Methodik ..................................................................................................................................... 20
6.1 Werkstoffe ..................................................................................................................................... 20
6.2 Proben-Geometrien ...................................................................................................................... 28
6.3 Anlagentechnik .............................................................................................................................. 28
6.4 Schweißparameter ........................................................................................................................ 34
7 Ergebnisse und Diskussion ............................................................................................................ 39
7.1 Anwendung der VDA 238-401 ....................................................................................................... 39
7.2 Wärmefeldmanipulation durch Modifikation der Prozessbedingungen ....................................... 79
7.3 Stromabschaltversuch: Zeitabhängige Schweißlinsenbildung ...................................................... 87
7.4 Einfluss der Elektrodenkraft auf die Schweißlinsenausprägung.................................................... 89
7.5 Verringerung des Abkühlgradientens ............................................................................................ 93
8 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten Ergebnisse
insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen
Anwendungsmöglichkeiten ........................................................................................................... 99
9 Zusammenfassung ...................................................................................................................... 101
9.1 Prozessoptimierung ..................................................................................................................... 102
10 Ausblick ...................................................................................................................................... 103
11 Verwendung der Zuwendung ...................................................................................................... 104
12 Ergebnistransfer in die Wirtschaft ................................................................................................ 105
12.1 Durchgeführte Transfermaßnahmen (von Projektbeginn bis Projektende) ................................ 105
12.2 Geplante Transfermaßnahmen (nach Projektende) .................................................................... 108
13 Durchführende Forschungseinrichtung ........................................................................................ 109
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Zwischenbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22700N

3 Einleitung
Im Fokus des Forschungsvorhabens liegt das Widerstandspunktschweißen von Mischverbindungen aus
Aluminiumknetlegierungen an Aluminiumdruckgusslegierungen. Beide Werkstoffsysteme werden
zunehmend im Automobilbau verwendet, bspw. im Antriebsstrang (Ersatz von Stahlguss durch
Aluminiumguss, bspw. in Getriebedeckeln) sowie im Rohbau und Karosseriestrukturen (Substitution von
Stahlblechen durch Aluminiumbleche, vergleiche Abbildung 1), inzwischen aber auch für Teile von
Unterbodenverstärkungsstrukturen und großvolumige Gussbauteile (kompletter Hinterwagen, Tesla [1]).
Abbildung 1: Aluminiumintensives Multimaterialdesign am Beispiel des Audi R8 Coupé V10 nach [2]
Insbesondere Al-Druckgusslegierungen mit hohen Siliziumgehalten werden aufgrund ihrer hervorragenden
Gießeigenschaften, auch bei dünnwandigen Bauteilen, zunehmend in der PKW-Fertigung eingesetzt.
Gleichzeitig werden Al-Walz- und Al-Profilstrukturen (bspw. aus 6000er Legierungen) vielfach aufgrund der
hohen spezifischen Festigkeit (Zugfestigkeit bezogen auf die Dichte) sowie der guten Umformbarkeit und
Aushärtbarkeit in Karosseriestrukturen eingesetzt [3]. Aktuell verfügbare Normen und Richtlinien, die
geeignete Prozessführung zum Widerstandspunktschweißen von Aluminium-Mischverbindungen zwischen
Aluminiumdruckguss- und Aluminiumknetlegierungen behandeln gibt es derzeit jedoch nicht.
3.1 Widerstandspunktschweißen (RP)
Das Widerstandspunktschweißen (RP) ist ein Pressschweißverfahren, bei dem die zu fügenden Bauteile im
Überlappstoß unter Einwirkung einer vordefinierten Elektrodenkraft aneinandergepresst werden und
elektrischer Strom über die Elektroden durch die Fügepartner geleitet wird. Abbildung 2 zeigt schematisch
das Verfahrensprinzip des RP.
IGF-VORDRUCK DLR-PT Stand: Januar 2025

Abbildung 2: a) Schematische Darstellung Funktionsprinzip des RP mit Kennzeichnung der Stoffwiderstände (R1, R2, R6, R7) und
Kontaktwiderstände (R3 – R5) [4]; b) Verlustwärmemengen beim Widerstandsschweißen (Q W: Schweißwärme, Q VE:
Verlustwärmemenge über Elektroden, Q VU: Verlustwärmemenge über Umgebung, Q VB: Verlustwärmemenge über Blechebene) nach
[5]
Das RP beruht auf dem Prinzip der Widerstandserwärmung, bei dem die in das Bauteil eingebrachte
Wärmemenge Q gemäß des Joule’schen Gesetzes aus dem Schweißstrom I, dem elektrischen
Widerstand R ges und der Schweißzeit t wie folgt abhängt:
t = t Strom
Q = ∫ I 2 (t) ∙ R
t = t 0 ges (t) dt [4]
Dabei setzt sich der elektrische Widerstand R ges aus den Stoff- und Kontaktwiderständen R 1 – R 7 zusammen
(Abbildung 2 b). Die tatsächliche Wirkwärmemenge Q W, die für die Verbindungsbildung umgesetzt wird ist
jedoch abhängig von den Verlustwärmemengen, die aus der Wärmeableitung über die wassergekühlten
Elektroden (Q VE), der Umgebung (Q VU) und der Blechebene (Q VB) resultieren und setzt sich wie folgt
zusammen:
Q W = Q − Q V [4]
mit Q V = Q VE + Q VU + Q VB [4]
Untersuchungen an Mischverbindungen aus ferritischem und austenitischem Stahl konnten in der
Vergangenheit bereits aufzeigen, dass hierbei im Falle von Mischverbindungen eine weitere Unterscheidung
der Q VB entsprechend der Fügepartner notwendig ist. [6] Die entstehende Verbindung, die Schweißlinse
und deren geometrische Ausprägung sind somit durch die Einstellung des Schweißprozesses in Abhängigkeit
der zu fügenden Werkstücke manipulierbar.
Zu den wesentlichen Vorteilen des RP zählen dessen hohe Prozessgeschwindigkeiten, kombiniert mit
geringen Prozesskosten sowie einer hohen Prozesssicherheit und einer guten Reproduzierbarkeit der
Schweißpunktqualität und -eigenschaften bei geeigneter Parameterwahl. Zusätzlich kommt das RP
vollständig ohne die Verwendung zusätzlicher Hilfsfügeteile aus und kann bei Bedarf mit Klebstoffen
(Hybridfügeverfahren) kombiniert werden. Aufwändige Spannvorrichtungen sowie Anlagen- und
Gerätetechnik (bspw. auf jede Fügeaufgabe individuell angepasste Matrizen) werden nicht benötigt [7] und
eine bestehende Anlage kann für das Fügen unterschiedlicher Fügeaufgaben hinsichtlich der
Legierungsauswahl (bspw. Blech/Guss- und Blech/Blech-Verbindungen) oder der Bauteilanordnung genutzt
werden.
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Zwischenbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22700N

Obwohl das RP in den vergangenen Jahrzehnten weitgehend für das Fügen von Konstruktionsbauteilen aus
Stahlwerkstoffen genutzt wurde, gewinnt das RP von Aluminium, insbesondere im Hinblick auf die damit
erzielbaren Gewichtseinsparungen bewegter Massen bei hoher spezifischer Festigkeit, an Bedeutung. Doch
während das RP von Konstruktionsbauteilen aus artgleichen Aluminiumlegierungen der 5000-er und 6000-
er Legierungen bereits in der industriellen Serienfertigung eingesetzt wird, stellt das RP von Aluminium-
Mischverbindungen den Anwender weiterhin vor Herausforderungen, insbesondere beim RP artungleicher
Aluminiumlegierungen.
3.2 Herausforderungen beim RP von Aluminiummischverbindungen
Das RP von Aluminium-Mischverbindungen ist aufgrund der bei Aluminium bereits durch kleine
Änderungen in der Legierungszusammensetzung resultierenden, signifikante Änderungen der
physikalischen und metallurgischen Werkstoffeigenschaften weitgehend unüblich. Grund ist die dabei
oftmals reduzierte Qualität der durch RP erzeugten Mischverbindungen, die aufgrund verschiedener
Schweißpunktunregelmäßigkeiten, wie z. B. Poren oder Heißrissen, nicht den für einen industriellen Einsatz
geforderten hohen Qualitätsstandards entsprechen.
Ergänzend zu der in Kapitel 3.1 erläuterten Wärmebilanz treten beim RP von Aluminium mit Mittelfrequenz-
Gleichstrom-Technologie (MFDC) zusätzliche thermoelektrische Effekte auf, allen voran der sogenannte
Peltier-Effekt. Dabei wird an der Anode beim Elektronenübergang zwischen Werkstoffen mit
unterschiedlichen elektrischen Potenzialen zusätzliche Wärme frei, während kathodenseitig Wärme für den
Elektronenübergang verbraucht wird. Die sogenannte Peltier-Wärme (Q P) ist dabei proportional zur
Potentialdifferenz zwischen den in elektrischem Kontakt stehenden Werkstoffen. Bei der vorliegenden
Kombination aus Kupferelektrode und Aluminiumwerkstück beträgt die Differenz circa 2 V. Die dadurch
resultierende Wärmefeldverschiebung bewirkt jedoch nicht nur eine Verschiebung der Schweißlinse in den
anodenseitig ausgerichteten Fügepartner, ein typischer Nebeneffekt des Peltier-Effektes ist bspw. auch ein
anodenseitig stärker auftretender Elektrodenverschleiß. Die lokal stärkere thermische Belastung begünstigt
die Diffusionsvorgänge zwischen Aluminium und Kupfer und treibt so den Verschleiß durch
Legierungsbildung, bzw. Bildung intermetallischer Phasen voran. [8]
Speziell beim RP von Mischverbindungen zwischen Aluminiumdruckgusslegierungen (Al-DG) und
Aluminiumknetlegierungen (Al-Knet) resultieren aufgrund der unterschiedlichen Legierungskonzepte
weitere Herausforderungen, die bislang den Einsatz und die Validierung eines RP-Prozesses für die
industrielle Anwendung weitgehend verhindert haben. Dazu zählen:
• Die im Vergleich zu Feinblechen größeren Wandstärken bei Aluminiumdruckgussbauteilen und
resultierende große Gesamtverbindungsdicken erfordern nach jetzigem Kenntnisstand den Einsatz
höherer Elektrodenkräfte. [9]
• Die infolge des unterschiedlichen Legierungsdesigns resultierenden unterschiedlichen chemischen,
physikalischen und mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften, wie z.B. steigender
elektrischer Widerstand mit steigendem Gehalt an Legierungselementen sowie mitunter geringere
thermische Leitfähigkeit der Si-haltigen Aluminiumgusslegierungen. [8, 10–12]
• Die bei derartigen Mischverbindungen auftretende, für Aluminium atypischen Härteverläufe mit
Aufhärtung der Schweißlinse und Härteverlust im Bereich der Wärmeeinflusszonen. [13–15]
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Zwischenbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22700N