Laserstrahlschweißen für schwer handhabbare Werkstoffkombinationen: Im Rahmen des Projekts FOLAMI haben Forschende des LZH ein prozesssicheres und effizientes Verfahren für Stahl-Aluminium-Mischverbindungen entwickelt.
Im Schiffbau gewinnen Leichtbaukonstruktionen aus Stahl-Aluminium-Mischverbindungen zunehmend an Bedeutung: Der Rumpf wird aus Stahl gefertigt, die Aufbauten aus Aluminium. Auf diese Weise lässt sich der Schwerpunkt senken, während zugleich Stabilität und Gewicht optimiert werden. Das senkt den Kraftstoffverbrauch und damit auch die CO₂-Emissionen. Bisher wurden die beiden Metalle über Adapter verbunden, die durch das aufwändige und risikobehaftete Explosionsschweißen hergestellt wurden.
Im Verbundprojekt FOLAMI haben Wissenschaftler:innen des LZH das Laserstrahlschweißen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen als effiziente und sichere Alternative weiterentwickelt.
Hohe Festigkeit durch sich kreuzende Laserstrahlen
Beim Explosionsschweißen werden Bauteile mittels kontrollierter Sprengung verbunden. Die aufeinanderprallenden Komponenten verschweißen sich dabei, ohne zu schmelzen. Im Teilprojekt „Laserstrahlschweißen von formschlüssigen Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mittels Einschweißtiefenregelung“ haben die Forschenden des LZH eine zuverlässige und effiziente Methode für das Laserstrahlschweißen dieser Verbindungen etabliert.
Zunächst werden in das Aluminiumblech längliche Nuten gefräst und mit Eisenpulver befüllt. Anschließend verbindet man Stahl und Aluminium mit zwei sich kreuzenden Laserstrahlen. Durch den verringerten Aluminiumgehalt im Schweißgut entsteht ein stabiler Prozess, der zudem Formschluss ermöglicht.
Diese Herangehensweise führt zu einem verformungsfähigen, homogenen Gefüge mit wenigen Unregelmäßigkeiten und hoher Festigkeit im Vergleich zu nicht formschlüssigen, gefügereingestellten Mischverbindungen. In Überlappstößen erreichten die Forschenden eine maximale Kopfzugkraft von etwa 12 kN – ein Wert, der sich im Vergleich zur bisherigen Technik verdreifachte. Bei dieser Belastung wird die Streckgrenze des 5 mm dicken Stahls überschritten, was zu plastischer Verformung des Stahls führt.
Leichtbauprinzipien im Schiffbau
Um einen stabilen Prozess zu gewährleisten und Fertigungsunsicherheiten auszugleichen, entwickelten die Partner Systeme zur Einschweißtiefenregelung. Hierzu verwendeten sie die Analyse spektraler Prozessemissionen sowie die Kurz-Kohärenz-Interferometrie (OCT, Optische Kohärenztomographie). Mithilfe des spektrometerbasierten Ansatzes messen die Wissenschaftler:innen die Emissionsintensität beim Schweißen und korrelieren sie mit der Einschweißtiefe.
So ließ sich nachweisen, dass Intensität und Einschweißtiefe in Beziehung stehen. Dieses Wissen dient zur Regelung der Einschweißtiefe. Wird die gewünschte Tiefe konstant eingehalten, entsteht eine Naht mit hoher Belastbarkeit.
Stahl-Aluminium-Adapter für maximale Stabilität
Dank des optimierten Laserstrahlschweißprozesses konnten die Projektpartner Adapter erzeugen, die exzellente Festigkeitswerte liefern. Durch Formschluss und ein angepasstes Gefüge tragen die laserstrahlgeschweißten Adapter Lasten von mindestens 35 kN – ein Wert, der über der Dehngrenze der eingesetzten Aluminiumlegierung liegt. Zudem überzeugen sie durch hohe zyklische Belastbarkeit.
Das laserbasierte Fügeverfahren kann eine prozesssichere und effiziente Alternative zum Explosionsschweißen darstellen und bietet damit großes Potenzial für den Einsatz im Schiffbau.
Das Projekt FOLAMI wurde von der B.I.G. Technology Services GmbH koordiniert. Neben dem LZH beteiligten sich u. a. Precitec Optronik GmbH, LASER on demand GmbH, das Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit, Hilbig GmbH, Fr. Lürssen Werft, MEYER WERFT, Coherent Deutschland und DNV SE. Es wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des „Maritimen Forschungsprogramms“ (Förderkennzeichen 03SX547B) gefördert, unter fachlicher Leitung des Projektträgers Jülich.
