Bolzenschweißen: Mit dieser Technologie arbeitet Audi

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Die Heiß-Aktiv-Plasmatechnologie Acerios von Fronius entfernt partikuläre und filmische Verunreinigungen. Automobilhersteller Audi setzt das Verfahren seit zwei Jahren bei dünnen Alu-Karosserieteilen ein: Wo die Bleche für das Bolzenschweißen vorzubereiten sind, gelang es, Reinigungskosten erheblich zu senken. Gleichzeitig stieg die Ressourceneffizienz.

Der Ausfall einer Massebolzenverbindung kann im schlimmsten Fall zum Liegenbleiben eines Fahrzeugs führen“, sagt Dipl. Ing. Daniel Rudolph, verantwortlicher Technologieentwickler Fügen und Leichtbau bei der Audi AG. „In der Audi A8 Produktion setzen wir zahlreiche Massebolzen, bei denen wir sicherstellen müssen, dass jeder einzelne perfekt verbunden ist. Um dem Qualitätsanspruch gerecht zu werden, betreiben wir hohen Aufwand.“ Denn die Qualität beim Bolzenschweißen wird maßgeblich durch die Eigenschaften der Oberfläche mitbestimmt. Verunreinigungen durch Ziehöle und Trockenschmierstoffe – wie sie in der Metallumformung eingesetzt werden – können zu Defekten in der Fügeverbindung führen.

Clean Flash scheitert an Blechstärke

In vielen Fällen lässt sich das Problem der Verunreinigung zwar mit dem Bolzenschweißgerät selbst lösen: Dazu wird dem eigentlichen Schweißvorgang ein Stromstoß (Clean Flash) vorgeschaltet, der die Schweißfläche reinigt. Bei unter 2 mm dünnen Aluminiumblechen ist dieser Ansatz allerdings nicht mehr praktikabel, da der Wärmeeintrag zu groß ist und das Blech beim Schweißvorgang durchbrennen würde. Außerdem können bei diesem Verfahren unter anderem Poren auftreten, welche die Nahtqualität beeinträchtigen.

Ein derartiges Bauteil in der Audi-Produktion ist die Stirnwand des Audi A8. Diese besteht aus einer Aluminiumblech-Legierung (6xxx) und ist an jenen Stellen, an denen Massebolzen geschweißt werden, nur 1,5 mm dick: „Das gesamte Bauteil musste in den ersten Jahren nach dem Serienstart aufwändig sowie kostenintensiv chemisch gereinigt und gebeizt werden“, erklärt Rudolph. „Erst dadurch konnten wir die geforderten 100 Prozent in der Qualität der Bolzenschweißverbindung auf jeden Fall garantieren.“

2017 stand bei Audi der Aufbau einer neuen Produktionsanlage für die mittlerweile fünfte A8-Generation an. Und bei der aufwändigen chemischen Reinigung wollte man seitens Audi Abhilfe schaffen. Eine mögliche Lösung beim Bolzenschweißen sah man in der Heiß-Aktiv-Plasmatechnologie (HAP). Auch Audi hatte den HAP-Ansatz bereits mit universitären Partnern verfolgt.

Da Rudolphs Aufgabengebiet auch die Evaluierung neuer Fertigungstechnologien sowie deren Weiterentwicklung umfasst, kooperierten die Fügetechnikspezialisten von Audi und Fronius folglich intensiv. Dieser technische Ansatz wurde dann gemeinsam zur Serienreife entwickelt und qualifiziert.

Bolzenschweißen: Partielle Reinigung mit Plasma

Die Vorteile der Behandlung von Oberflächen mit der Heiß-Aktiv-Plasmatechnologie (HAP) Acerios von Fronius sind vielfältig. Mittels Schutzgasstrom wird das Lichtbogen-Plasma zur Flamme geformt, die im Kern Temperaturen von bis zu 1.000° Celsius erreicht. Dadurch ausgelöste thermische und chemische Prozesse sorgen dafür, dass Materialoberflächen partiell und punktgenau von organischen Rückständen und filmischen Verschmutzungen befreit werden. Gleichzeitig wird die Oberfläche aktiviert. Da der Lichtbogen bei Acerios zwischen Plasmadüse und Wolfram-Elektrode des Brenners entsteht, ist eine Masseverbindung zum Werkstück nicht erforderlich. Entsprechend lassen sich auch nicht-metallische Materialien mit Heiß-Aktiv-Plasma reinigen.

„Wir haben Acerios – wie alle von uns enger in Betracht gezogenen neuen Technologien – auf seine Tauglichkeit geprüft und Einflussgrößen sowie mögliche Parameterfenster ermittelt. Zusammen mit Fronius haben wir den Prototypen dann schnell und zielführend für den Serieneinsatz optimiert“, sagt Rudolph. „Anschließend machten sich unsere Anlagenplaner und die Kollegen aus der Fertigung daran, eine günstige Einbausituation zu identifizieren.“

Die Verantwortlichen der A8-Linie entschieden sich schließlich für den Einsatz der Lösung in einer Roboterzelle, die genügend freie Nebenzeiten für die Reinigung von zwei Bereichen – mit einer Fläche von je 12 cm² – aufwies. „Deshalb reichte die verfügbare Zeit sogar dafür aus, die Brenndauer von Acerios auf sechs Sekunden pro Schweißpunkt zu erhöhen: Infolge beträgt der Abstand des Brenners zum Werkstück 30 mm. Und den Strom können wir dann ohne Einbußen in der Reinigungswirkung auf 120 A absenken“, ergänzt Jürgen Kolbenschlag, Schweißexperte aus dem A8-Karosseriebau. „Damit schonen wir die Verschleißteile“, die anfänglich von Audi nach 10.000 Reinigungspunkten gewechselt wurden. Und zur Mitte des Jahres 2021 war die Verschleißteilgrenze noch immer nicht erreicht – trotz 25.000 gesetzter Reinigungspunkte.

Geringer Integrationsaufwand beim Bolzenschweißen

Die Integration der Heiß-Aktiv-Plasmatechnologie war leichter, weil die Planer den Acerios-Plasmabrenner PCT 2000 stationär installieren konnten. Dafür reichte ein minimaler Arbeitsbereich im Aktionsradius des Roboters aus. „Auch die Stromversorgung benötigt nicht einmal einen Quadratmeter Stellfläche, sodass wir sie gut außerhalb der Zelle zwischen vorhandenen Versorgungseinheiten platzieren konnten“, berichtet Rudolph.

Zuvor ungenutzte Nebenzeiten des Roboters werden für den Transport der Stirnwand zum Brenner verwendet. Die Zugänglichkeit zum Werkstück ist auch dank des schmalen Brenners sehr gut, sodass die Plasmaflamme exakt senkrecht und damit optimal zur Oberfläche ausgerichtet arbeitet. Auch ist das Abfahren von Bahnen während des Reinigungsprozesses überflüssig: Die von innen nach außen einsetzende Reinigungswirkung deckt die gewünschte Fläche innerhalb der Brenndauer komplett ab. Die Tatsache, dass Acerios mit dem günstigen Schutzgas Argon arbeitet, kam Audi ebenfalls entgegen. So konnte auf das bestehende Argon-Ringleitungsnetz zur Versorgung der MIG-Schweißmaschinen zurückgegriffen werden. Es entstehen daher keine weiteren Zusatz-Kosten.

Auch die Plasma-Stromquelle, die mit dem Brenner über ein 6 m langes Schlauchpaket verbunden ist, wurde von Audi spielerisch integriert – wie Rudolph berichtet: „Die Schnittstelle des Acerios-Systems entspricht der unserer MIG/MAG-Schweißgeräte von Fronius. Da diese ein Bestandteil der VW-Schnittstellenspezifikation ist, konnten wir das Acerios-System problemlos innerhalb eines Tages an die Anlagensteuerung anbinden.“ Einstellung und Bedienung der Anlage lehnen sich zudem weitgehend an die der WIG-Stromquellen an.

Überschaubare Kosten

Die Investitionen für den Einsatz von Acerios bei Audi sind recht niedrig ausgefallen. Das hat allerdings nicht nur mit der Möglichkeit der Doppelnutzung vorhandener Betriebsmittel und Hardware zu tun. Auch die Erfahrungen von Audi mit anderen Fronius-Stromquellen und deren geringen Wartungskosten war nicht allein ausschlaggebend. Im Vergleich zu weiteren Lösungen der partiellen Reinigung beim Bolzenschweißen zeichnet sich das HAP-System von Fronius durch besonders niedrige Anschaffungskosten aus. Die Acerios-Konfiguration ist um ein Vielfaches günstiger als laserbasierte Systeme. Zudem ist keine separate, abgeschirmte Roboterzelle – wie beim Laser-System – notwendig. Auch der Stromverbrauch liegt deutlich unter dem eines Reinigungslasers. Auch gegenüber der bisher üblichen, aufwändigen Nassreinigung sind die erreichten Einsparungen erheblich.

Aufgrund der geringen Betriebs- und Anschaffungskosten rechnet sich der Einsatz von Acerios bei Audi schon bei kleineren Stückzahlen.

Von Heidemarie Haslbauer.

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