Verbindungstechnik Pendelnder Lichtstrahl

Das Laserschweißen mit Pendelnaht reduziert den Verzug bei Seitenwandstrukturen für Schienenfahrzeuge. Seit einigen Jahren werden zunehmend Schienenfahrzeuge in Integralbauweise aus...

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Das Laserschweißen mit Pendelnaht reduziert den Verzug bei Seitenwandstrukturen für SchienenfahrzeugeSeit einigen Jahren werden zunehmend Schienenfahrzeuge in Integralbauweise aus Aluminiumstrangpressprofilen gefertigt. Dieses Herstellungsverfahren ist zum einen aufgrund der teuren Halbzeuge kostenintensiv und bietet zum anderen durch die begrenzte Profilvielfalt eine geringe geometrische Flexibilität im Wagenkastenaufbau. Im Rahmen eines mit Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung und der Studiengesellschaft Stahlanwendung geförderten Verbundforschungsprojektes wurde untersucht, welche Potenziale der Einsatz der Lasertechnik bietet, um die Konkurrenzfähigkeit von Schienenfahrzeugen in Differentialbauweise aus Stahl zu erhöhen. In Zusammenarbeit zwischen der Alstom-Linke-Hofmann-Busch GmbH in Salzgitter und dem Laser Zentrum Hannover wurde eine lasergestützte Fügetechnik zur Herstellung von Edelstahlseitenwandstrukturen für Schienenfahrzeuge (Personenbeförderung) entwickelt. Die Strukturen sind in Differentialbauweise aufgebaut. Die Seitenwände bestehen aus Profilgerippen, auf die die Außenhautbleche aufgeschweißt werden (Bild 1). Im Gegensatz zum ähnlichen Omnibusaufbau trägt dabei die Außenhaut im Schubverband mit der Gerippestruktur mit. Die Gerippeunterstruktur besteht zum größten Teil aus präzisionsabgekanteten Blechprofilen. Das konventionell eingesetzte Metallschutzgas- und Widerstandspunktschweißen führt besonders auf der sichtbaren Außenseite zu Verwerfungen und lokalen Oberflächeneindrücken, die nur durch aufwändige, personalintensive Nacharbeit minimiert werden können. Die großen Einzelfelder zwischen den Profilen führen zu Beulproblemen. Diese werden durch die Wahl dickerer als unter Beanspruchungsgesichtspunkten erforderlicher Bleche oder durch auf der Innenseite applizierte Verstärkungen gemindert.MIG-Schweißen verursacht Verzüge an den AußenblechenWeil bei Schienenfahrzeugen nur eine spachtelarme Bearbeitung zum Verbessern der Oberflächen eingesetzt wird, ist ein sehr hoher Nacharbeitsaufwand erforderlich, um für die Lackierung taugliche Oberflächen zu erzielen. Ein wesentlicher Störfaktor ist der Wärmeeintrag bedingt durch das MIG-Schweißen der Gerippeunterstruktur. Dieses verursacht Verwerfungen und Verzüge durch den eintretenden Schweißschrumpf, die sich bis in die Außenbeblechung auswirken. Als Standardwerkstoff wird für den Wagenkasten zum Beispiel 1.4003 eingesetzt, der ausreichend korrosionshemmende Eigenschaften aufweist.Wenn die Schienenfahrzeuge in korrosiveren Umgebungen wie Hafenstädten betrieben werden, kommen die nichtrostenden Werkstoffe 1.4301 oder der höherfeste 1.4318 zum Einsatz.Im Zuge der Entwicklung von Hochleistungslasern im Kilowatt-Bereich werden zunehmend Lasersysteme zur Materialbearbeitung eingesetzt. Das Verfahren des Laserstrahlschweißens ist bereits aufgrund der positiven Nahteigenschaften für viele Applikationen in der Industrie im Einsatz. Es bietet wesentliche Vorteile für das Verbinden hochlegierter Werkstoffe aufgrund seiner hohen Energiedichte und der sehr kurzen Aufheiz- und Abkühlraten, die zu eng begrenzten Ausmaßen der Schmelz- und Wärmeeinflusszonen führen und weiterhin kleine Schmelzvolumina ermöglichen. Durch die hohen Schweißgeschwindigkeiten bleibt die Wärmebelastung und damit der Verzug im Bauteil sehr gering. Das Laserschweißen ermöglicht im Vergleich zu den konventionellen Verfahren des MIG- oder Widerstandspunktschweißens besondere Freiheiten hinsichtlich der Gestaltung neuer Verbindungsarten. Mehrlagige Blechstrukturen, die nur einseitig zugänglich sind, können mit dem Tiefschweißeffekt verbunden werden. Mit geringem Aufwand an Spanntechnik sind auch Schweißnähte bei größeren Spalttoleranzen zwischen den Blechen realisierbar. Die Spalten lassen sich auf einfache Weise mit einer am Schweißkopf adaptierten Andruckrolle kompensieren. Dabei sind Überlappverbindungen mit einer definierten Einschweißung ins untere Blech möglich. Einschweißtiefe lässt sich individuell anpassenBeim Einsatz dieses Verfahrens zum Verbinden von Profil und Glattblech entsteht keine sichtbare Nahtwurzel, die die Waggonaußenseite beeinflusst. Die Einschweißtiefe lässt sich in Abhängigkeit von der Blechstärkenkombination individuell anpassen. Entsprechende gerade Steppnähte sind in Bild 2 dargestellt. Durch die senkrechte Einstrahlung zur Blechoberfläche müssen sehr raumsparende, schmal bauende Bearbeitungsköpfe eingesetzt werden, mit denen auch Engstellen wie Profilknoten zugänglich sind. Die bei der Ausnutzung des Tiefschweißeffektes niedrige eingebrachte Streckenenergie führt zu deutlich geringeren makroskopischen Verzügen. Auf der Außenblechseite zeigen diese Nähte eine im Vergleich zum Widerstandspunktschweißen geringere Verformung und ein deutlich geringeres Auftreten von Anlauffarben.Als Verzug tritt jedoch senkrecht zur Schweißnaht eine lokale Knickung im Blech auf.Die weiteren Untersuchungen zum Fügen der Überlappverbindung konzentrierten sich deshalb auf die Optimierung der Nahtgeometrie hinsichtlich des Verzuges und der Festigkeit. Versuche mit einem quer zur Vorschubrichtung um mehrere Millimeter oszillierenden Laserstrahl erbrachten die besten Ergebnisse. Bild 3 zeigt eine entsprechende Pendelnaht-Kontur.Die Pendelbewegung wird hierbei durch einen im Bearbeitungskopf integrierten Scanner erzeugt. Durch das Oszillieren entsteht ein der Naht vorlaufender Wärmehof, in welchem das Material soweit erwärmt wird, dass die Laserleistung reduziert werden kann. Durch die geringere Streckenenergie und die aus der Nahtform resultierende teilweise Kompensation von Eigenspannungen reduzieren sich gleichzeitig die Verzüge auf der Nahtrückseite.Der Scanner ist platzsparend an den Bearbeitungskopf adaptiert, so dass es keine Einschränkungen in der Zugänglichkeit der zu fügenden Bauteile gibt. Bei der ersten Umsetzung des Verfahrens in den Rohbaufertigungsprozess konnte die auf das Widerstandspunktschweißen ausgerichtete Konstruktion der Seitenwand beibehalten werden. An höherbelasteten Stellen wurde die Geometrie der Pendelnähte derart angepasst, dass eine ausreichende Verbindungsfestigkeit erreicht wurde.Laserstrahlschweißen der UnterstrukturknotenDie Durchdringungsknoten zwischen den einzelnen Profilen werden in einem Stecksystem (Bild 4) realisiert. Die Fügestellen im Knoten sind geometriebedingt nur einseitig zugänglich. Wegen der Länge der zu fügenden Einzelprofile lassen sich trotz eines hohen Fertigungsaufwands in den Knoten auftretende Spalte nicht vollständig vermeiden. Beim konventionell eingesetzten MIG-Schweißen entstehen Nahtüberhöhungen mit steilen Nahtflanken, die bei dynamischer Belastung durch ihre geometrische Kerbwirkung die Festigkeit der Verbindung herabsetzen.Sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der Spaltfüllung und der Positioniertoleranz des Lasers zeigt ein quer zum Spalt pendelnder Laserstrahl. Während des Prozesses wird das aufgeschmolzene Randmaterial der Profile zum Füllen des Spaltes verwendet (Bild 5). Dadurch entsteht bei optimaler Wurzelausbildung nur ein geringer Nahteinfall, der die Schwingfestigkeit nicht signifikant beeinflusst.Für die Bemessung von Schweißnähten an Schienenfahrzeugen müssen rechnerische und experimen-telle Festigkeitsnachweise erbracht werden. Für das Laserstrahlschweißen im Wagenkastenbau existieren noch keine Erfahrungswerte, um den Festigkeitsnachweis für die Verbindung zwischen Profilstruktur und Wagenaußenhaut durchführen zu können. Daher wurde ein Festigkeitsvergleich der konventionellen Widerstandspunkte mit gependelten Laserschweißnähten durchgeführt.Durch die systematische Anpassung der Nahtgeometrie wurden die statischen und dynamischen Festigkeiten herkömmlich verwendeter Widerstandsschweißpunkte erreicht und übertroffen. Beim Vergleich von MIG- und lasergeschweißten Flanschnähten (I-Naht) im Profilknoten zeigten die Lasernähte eine erhöhte dynamische Festigkeit, die auf deutlich verminderte geometrische Kerben gegenüber dem MIG-Schweißen zurückzuführen ist.Es wurde in diesem Projekt gezeigt, dass eine effiziente Fügetechnik Potenziale zu kostengünstigen Fertigungsprozessen bei verbesserten Produkteigenschaften bietet. Das Laserstrahlschweißen hat hiermit bei der Fertigung von Schienenfahrzeugwagenkästen aus Stahl Einzug gehalten. Durch den Einsatz der Lasertechnik ist es möglich, die Verzüge in der Struktur von Schienenfahrzeugen aus Stahl zu vermindern. Der Aufwand an intensiver Nacharbeit lässt sich reduzieren.Aufgrund der deutlichen wirtschaftlichen und technischen Vorteile des Verfahrens wurde noch während des Projektes das Zulassungsverfahren für die Serienfertigung erfolgreich abgeschlossen. Inzwischen werden in großem Umfang die Seitenwandstrukturen von Edelstahlwagenkästen bei Alstom-LHB mit dem entwickelten Laserstrahlschweißverfahren gefertigt.