Volvos hochfeste Verbindung

Die speziellen Eigenschaften unterschiedlich beschichteter, warmumgeformter, hochfesten Karosseriebleche stellten die Fachleute von Volvo vor eine besondere Herausforderung. Die Lösung fanden die Verantwortlichen in der CMT-Technologie von Fronius, mit der sich auch hochfeste Bleche relativ geringer Dicke in unterschiedlichen Materialpaarungen mit hohen Qualitätsansprüchen in einer Roboterzelle schweißen lassen.

Das konzerninterne Wissensmanagement bei Ford sorgt für zeitnahe Information aller Technik-Manager und -experten mit Nachrichten über aktuelle relevante Innovationen. Auf diesem Wege erfuhren Johnny K. Larsson, Technical Spezialist BIW Joining Technologies, Joel Lundgren, Welding Technician und Mikael Carlsson, Process Engineer Manufacturing, von der CMT (Cold Metal Transfer)-Technologie. Diesen von Fronius entwickelten speziellen Lichtbogen-Schweißprozess zum Fügen dünner Bleche zeichnen Eigenschaften wie ein großes Prozessfenster mit reproduzierbaren Ergebnissen, hohe Spaltüberbrückung, geringer Wärmeeintrag, geringer Verzug der gefügten Bleche, nahezu Spritzerfreiheit und entsprechend minimaler Bedarf an Nacharbeit aus.

Die Verantwortlichen im Göteborger Karosseriewerk suchten vor diesem Wissenshintergrund mit konkreten Vorstellungen eine Automatisierungslösung. Ihr Kriterien-Katalog für die Fahrzeugtypen Volvo S80, V 70 und XC 70 enthielt die Angaben zum Material: unterschiedlich vergütete Bleche der Marken ‚Usibor’ (beschichtet) oder ‚Boron’(unbeschichtet), sowie die Anforderung nach prozesssicherer Produktion. Weitere zu erfüllende Aufgaben: Kürzere Schweißzeiten und eine repräsentative Nahtoptik realisieren sowie optional dünnere und speziell beschichtete Bleche verbauen zu können.

Warmumgeformte hochfeste Stähle sind ein typischer Leichtbau-Werkstoff im Automobilbau, und Leichtbau ist ein Muss angesichts der Pflicht zum sparsamen Fahrzeugbetrieb. Gegenüber Standardstählen mit hoher Streckgrenze bringen warmumgeformte Stähle Gewichtseinsparungen bis zu 50 Prozent und weisen eine außergewöhnlich hohe Dauer- und Stoßfestigkeit auf. Gegen Oxydation und Entkohlen während des Warmtiefziehens schützt eine Aluminium-Zirconium-Beschichtung, die später auch für die bessere Korrosionsbeständigkeit des lackierten Fertigteiles sorgt.

Die thermomechanische Bearbeitung – Voraussetzungen für hervorragendes Aushärtungsvermögen und das vorzüglich homogene Gefüge – hat jedoch ihren Preis, wenn es um die Schweißbarkeit geht. Die Göteborger Experten berichten über nicht lösbare Schwierigkeiten, die sie beim Fügen der Usibor- und ähnlicher Stähle im MSG (Metall-Schutzgas)-Schweißverfahren hatten: Der beträchtliche Wärmeeintrag während des MSG-Schweißens führt zu Verzug der gefügten Baugruppen und damit zu verminderter Genauigkeit und Qualität. Vor allem reduziert ein eng begrenztes Prozessfenster die Produktivität der Schweißzellen. Weil der Schweißprozess nicht effizient zu automatisieren ist, resultieren hohe Kosten aus der lohnintensiven Fertigung und Nacharbeit. Hinzu kommen Schweißspritzer, die den Aufwand für Nacharbeit erhöhen und das optische Erscheinungsbild beeinträchtigen. Weiter kostentreibend wirken sich die erforderlichen zerstörenden Materialprüfungen und das dafür benötigte Personal aus.

Konkrete Empfehlungen für die Schweißparameter beim Fügen von zum Beispiel Usibor mit Usibor oder auch mit anderen Stählen lagen den Göteborger Füge-Experten nicht vor. Für jede Blechkombination mussten sie deshalb die Parameter per Einzeltestreihen ermitteln. In den Tests variierten sie unter anderem die Drahtvorschubgeschwindigkeit von 2 bis 8 m/min und so auch den Bereich des Kurz- bis zum Sprühlichtbogen. Der Brennerversatz wurde ebenso verändert wie die Schweißpositionen und die Drahtdurchmesser von 0,8 auf 1,0 mm des Schweißzusatzwerkstoffes G3Si1. Dabei mussten die Karosseriefachleute von Volvo für jede Blechdickenkombination die passenden Parameter einzeln ermitteln.

Beispielhaft ist hier die Paarung von 1,0 mit 1,2 mm dünnen Usibor-Blechen. Für diese Kombination war es jedoch nicht möglich, passende Parameter für eine reproduzierbare Produktion zu finden. Immer wieder traten schwerwiegende Schweißfehler wie zu massiver Einbrand und Durchbrand auf. Die Versuche für die weiteren Paarungen mit dickeren Blechen ergaben teilweise positivere Ergebnisse. Gemessen an den Maßstäben von Volvo für eine reproduzierbare Serienproduktion erwiesen sich jedoch auch diese als unzulänglich. Joel Lundgren formuliert die optimistischen Erwartungen an CMT zu Projektbeginn: „Mit CMT gewinnen wir eine Möglichkeit, Verbindungen mit Boron-Stahl zu schweißen, die wir mit dem herkömmlichen MAG-Prozess nicht haben. Das betrifft auch Verbindungen zwischen Blechen geringer Dicke. Zusätzlicher Vorteil ist der fast vollständige Wegfall von Schweißspritzern während des Fertigungsprozesses.“

So verwarfen die Fachleute relativ schnell die alternativen Problemlösungsstrategien: Sie wollten weder eine steigende Reparatur- und Ausfallrate akzeptieren noch die konstruktiven Gegebenheiten am Bauteil eigens für ein Fügeverfahren alternativ zum MSG-Schweißen ändern.„Kostengünstiger als Laser – bessere Qualität als MSG“, so fasst Johnny K. Larsson seine Erfahrung mit CMT zusammen. Dann erklärt er kurz die Vorgeschichte mehrerer Kooperationen. Die Informationen über den CMT-Prozess stammen aus dem konzerninternen Wissens­pool. Kollegen von Ford. Materialproben für Schweißversuche stellte der Stahllieferant zur Verfügung. Vertiefende Informationen und die ersten Versuchsschweißungen übernahm der Ausrüstungspartner für Schweißsysteme, Axson.

Die Göteborger fügten diesen Grundlagen eigene Erfahrungen hinzu. Johnny K Larsson berichtet: „Nach anfänglicher Skepsis gegen den Lichtbogenschweißprozess stellten wir fest, dass wir mit CMT gegenüber dem Laserschweißen erheblich Kosten einsparen. Und im Vergleich zum konventionellen MSG-Prozess liegen wir qualitativ deutlich vorne. Das gilt sowohl für die Produkt- wie die Prozessaspekte.“

Bereits im Oktober 2008 integrierten die Volvo Ingenieure das ursprüngliche CMT-Versuchssystem in die laufende Produktion. Seit Mai 2009 schweißen zwei neu erworbene Systeme TransPuls Synergic 4000 CMT in den Roboter-Schweißzellen der Karosserieproduktionslinie. „Bereits ein Jahr nach dem ersten Anstoß integrierten wir das erste CMT-System in die Produktion“, kommentiert Mikael Carlsson. Die Anlage arbeitet seitdem beanstandungsfrei.

Drei Usibor-Baugruppen sind im aktuellen Volvo V 70 integriert: Der hintere Stoßfänger (1,6 mm Blechdicke), die äußeren Türschweller (1,3 mm) sowie die C-Säulen (1,0 mm). Die kennzeichnenden Werte der beschichteten Stahlbleche sind nach dem Heißpressen 1.050 bis 1.100 MPa Dehngrenze, 1.500 bis 1.550 MPa Zugfestigkeit und 5 bis 7 Prozent Dehnung. Beim Heißpressen verändert sich die Mikrostruktur der etwa 45 µm dünnen Beschichtung und der Grenzzone des darunter liegenden Stahles. Für das Schweißen der Bleche per CMT-Technologie erhielt Volvo von Fronius die Synergie-Kennlinie 1053. Beim Schweißen der 1,0 mit 1,2 mm Blechen gehören dazu die Parameter Schutzgas ATAL5 mit 82 Prozent Argon und 18 Prozent CO2, 20 bis 22 mm Gasdüsendurchmesser, Schweißzusatzwerkstoff G3Si1 (EN 440) mit 1,0 mm Durchmesser, 4 m/min Drahtvorschubgeschwindigkeit und 14 mm/s Schweißgeschwindigkeit.

Diese Randbedingungen definieren einen Schweißbereich, in dem die Volvo-Ingenieure zufriedenstellend fügen können. Für die Paarung mit den dickeren Blechen variieren sie jeweils nur die Drahtvorschub- und die Schweißgeschwindigkeiten, zum Beispiel auf 8,5 m/min beziehungsweise 16 mm/s. „Das wir mit CMT jetzt dünnere Bleche reproduzierbar Fügen können, kommt unseren Leichtbauzielen sehr entgegen. Und die Möglichkeit, bisher nicht schweißbare Bleche zu fügen, gibt den Konstrukteuren zusätzliche kreative Freiheit“, erklärt Mikael Carlsson.

„Wir wollen beim MSG-Schweißen zukünftig vorzugsweise CMT einsetzen“, zeigt Johnny K. Larsson die Folge-Entscheidung aus den positiven Erfahrungen auf. Die am Projekt beteiligten Entwickler und Fertigungsingenieure haben sie exakt dokumentiert. Im Vergleich zur Situation vor Einführung der CMT-Technologie haben sich Anlagenproduktivität und Produktqualität deutlich erhöht. Während zuvor kein automatisierbarer Schweißprozess in den vorgegebenen Kriterien möglich war, beträgt der MTBF (Mean Time Between Failure) jetzt 19,5 Stunden – nur rund einmal pro Arbeitstag. Insgesamt 274 mm Schweißnaht beträgt der Arbeitsanteil eines Roboters je Karosserie. Johnny K. Larsson betont: „Wichtig war für uns, ein neues Fügesystem in die laufende Produktion einfügen zu können, ohne das Produkt zu verändern. Das hat uns neue Zertifikationen erspart.“

Vor allem aber sind es die qualitativen Aspekte, die in Göteborg überzeugen: Besseres Nahtaussehen bei praktisch null Spritzern, keine Schutzvorrichtungen mehr für Gewinde, vergrößerte Reinigungsintervalle der Gasdüsen und Reduzierung der Taktzeit der Schweißzelle. W

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