Leichter verbunden! Per Laserstrahlschweißen die Stahl-Alu-Mixtur beherrschen

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Am Laser Zentrum Hannover (LZH) wird derzeit ein prozesssichere Methode für Stahl-Aluminium-Bauteile für den Schiffbau entwickelt ...

Im Rahmen des Projektes Folami werden Mischkonstruktionen aus Aluminium und Stahl per Laserstrahlschweißen hergestellt. Denn dieser Materialmix sei für den modernen Schiffbau wegen des Leichtbaueffekts immer relevanter. Die Konstruktion sieht dabei vor, dass der Schiffsrumpf aus Stahl gebaut wird, die Aufbauten aber aus Aluminium. Dadurch verlagert sich auch der Schwerpunkt des Schiffes nach unten. Gleichzeitig wird die Stabilität erhöht und eben das Gewicht reduziert, wie die beteiligten LZH-Forscher erklären. Im Endeffekt spart der maritime Materialmix dann Kraftstoff und folglich auch CO₂-Emissionen. Doch wie kombiniert man Aluminium und Stahl haltbar und wirtschaftlich?

Laser – die sichere Alternative zum Explosionsschweißen

Nun, bisher werden die beiden Metalle durch Adapter miteinander verbunden, die durch das leider relativ aufwändige und nicht ungefährliche Explosionsschweißen hergestellt werden. Beim Explosionsschweißen werden Bauteileinheiten mit einer kontrollierten Sprengung verbunden. Durch den Druck der Explosion kollidieren die beiden Verbindungspartner dann und verschweißen, ohne dass etwas schmilzt. Im Rahmens Projekts optimierten die LZH-Wissenschaftler nun aber das Laserstrahlschweißen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen so, dass das Schweißen als eine effiziente und sichere Methode für diesen Einsatzzweck angewendet werden kann. Dabei werden zunächst Nuten in das Blech der Aluminiumlegierung gefräst und anschließen mit Eisenpulver gefüllt. Danach wird das Pulver durch zwei sich kreuzende Laserstrahlen mit der Aluminiumlegierung verschweißt. Durch den reduzierten Aluminiumgehalt im Schweißbereich laufe alles stabiler ab und gleichzeitig komme es zur formschlüssigen Verbindung, wie man erklärt.

Formschlüssige Stahl-Alu-Verbindung hält viel mehr aus

Dieser neue Verbindungsansatz für Stahl und Aluminium führe zu einem verformungsfähigen, festen Gefüge mit wenigen Unregelmäßigkeiten und hoher Festigkeit. Das komme bei nicht-formschlüssigen, gefügemodifizierten Mischverbindungen nicht vor. Die Forschender bestimmten an im sogenannten Überlappstoß positionierten Blechen auch die maximale Kopfzugkraft. Diese wurde mit etwa 12 Kilonewton festgestellt, was im Vergleich zur herkömmlichen Verbindungsmethde eine Verbesserung um das Dreifache bedeutet, wie man betont. Bei dieser Kraft wird die Streckgrenze des verwendeten Stahls mit einer Dicke von fünf Millimetern sogar bei weitem überschritten, und das Stahlblech verformt sich dabei plastisch.

Weitere Verfeinerungen für den Laserstrahl-Schweißprozess

Um einen möglichst stabilen Prozess zu erreichen und um fertigungsbedingte Unwägbarkeiten zu kompensieren, entwickelten die Hannoveraner mit Partnern auch Einschweißtiefen-Regelungssysteme. Dafür nutzte man die Analyse der spektralen Prozessemissionen, sowie die Kurz-Kohärenz-Interferometrie (OCT – Optische Kohärenztomographie). Beispielsweise misst man bei der spektrometerbasierten Einschweißtiefenregelung die Intensität der Prozessemissionen beim Schweißen und korrelieren sie mit der Einschweißtiefe. Heraus kam, dass die Intensität und die Einschweißtiefe voneinander abhängig sind, was sich zur Regelung der Einschweißtiefe ausnutzen lässt, wie man erfährt. Werde die Tiefe eingehalten, also bleibt die Einschweißtiefe auf dem gewünschten Wert konstant, kann eine Naht mit hoher Belastbarkeit erzeugt werden.

Das ist das Fazit, das man aus der Projektarbeit ziehen kann ...

Mit dem optimierten Laserstrahlschweißprozess konnten die Projektpartner also alternative Adapter mit sehr guten Festigkeitswerten herstellen. Durch den Formschluss und das angepasste Gefüge nehmen die laserstrahlgeschweißten Adapter eine hohe Traglast von mindestens 35 Kilonewton auf, welche über der Kraft für die Dehngrenze der eingesetzten Aluminiumlegierung liegt. Nicht zuletzt überzeugten die Adapter mit ihren Robustheit bei zyklischer Belastung. Das laserbasierte Fügeverfahren kann folglich als eine prozesssichere und effiziente Alternative zum Explosionsschweißen betrachtet werden, wenn es um Verbesserungen beim Schiffbau mit Stahl-Aluminium-Konstruktionen geht.

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