Im Schiffbau kommen zunehmend Leichtbaukonstruktionen aus Stahl-Aluminium-Mischverbindungen zum Einsatz: Der Rumpf des Schiffes besteht aus Stahl, die Aufbauten aus Aluminium. Dadurch senkt sich der Schwerpunkt des Schiffes, gleichzeitig wird die Stabilität erhöht und das Gewicht reduziert. Das spart Kraftstoff und somit auch CO2-Emissionen. Bisher wurden die beiden Metalle durch Adapter verbunden, die durch das aufwändige und nicht ungefährliche Explosionsschweißen hergestellt wurden. Im Verbundprojekt FOLAMI haben LZH-Wissenschaftler das Laserstrahlschweißen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen als effiziente und sichere Methode optimiert.

Hohe Festigkeit durch sich kreuzende Laserstrahlen

Beim Explosionsschweißen werden Bauteile mit einer kontrollierten Sprengung verbunden. Durch die Kraft der Explosion kollidieren die beiden Einheiten und verschweißen sich dabei, ohne dass eine Schmelze entsteht. Im Teilvorhaben „Laserstrahlschweißen von formschlüssigen Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mittels Einschweißtiefenregelung” haben Forschende des LZH eine zuverlässige und effiziente Methode für das Laserstrahlschweißen dieser Verbindungen entwickelt. Im Prozess werden zunächst längliche Nuten in das Blech der Aluminiumlegierung gefräst und mit Eisenpulver gefüllt. Anschließend wird der Stahl durch zwei sich kreuzende Laserstrahlen mit der Aluminiumlegierung verschweißt. Durch den reduzierten Aluminiumgehalt im Schweißgut entsteht ein stabiler Prozess und gleichzeitig wird ein Formschluss erzeugt. Dieser Ansatz führt zu einem verformungsfähigen, festen Gefüge mit wenigen Unregelmäßigkeiten und einer hohen Festigkeit im Vergleich zu nicht formschlüssigen, Gefüge-modifizierten Mischverbindungen. An im Überlappstoß positionierten Blechen bestimmten die Forschenden auch die maximale Kopfzugkraft von etwa 12 kN, was einer Verbesserung um das Dreifache entspricht. Bei dieser Kraft wird die Streckgrenze des 5 mm dicken Stahls bei Weitem überschritten und es kommt zur plastischen Verformung des Stahlblechs.

Leichtbauprinzipien im Schiffbau

Um einen möglichst stabilen Prozess zu erreichen und fertigungsbedingte Unwägbarkeiten zu kompensieren, entwickelten die Partner Einschweißtiefenregelungssysteme. Dazu nutzten sie die Analyse der spektralen Prozessemissionen sowie die Kurz-Kohärenz-Interferometrie (OCT, Optische Kohärenztomographie). Bei der spektrometerbasierten Einschweißtiefenregelung messen die Wissenschaftler:innen beispielsweise die Intensität der Prozessemissionen beim Schweißen und korrelieren sie mit der Einschweißtiefe. So konnten sie zeigen, dass Intensität und Einschweißtiefe voneinander abhängig sind. Dies lässt sich zur Regelung der Einschweißtiefe nutzen. Wird diese eingehalten, also bleibt die Einschweißtiefe auf dem gewünschten Wert konstant, kann eine Naht mit hoher Belastbarkeit erzeugt werden.

Stahl-Aluminium Adapter ermöglichen maximale Stabilität

Mithilfe des optimierten Laserstrahlschweißprozesses konnten die Projektpartner Adapter mit sehr guten Festigkeitswerten herstellen. Durch den Formschluss und das angepasste Gefüge nehmen die laserstrahlgeschweißten Adapter eine hohe Traglast von mindestens 35 kN auf. Diese liegt über der Kraft bei der Dehngrenze der eingesetzten Aluminiumlegierung. Darüber hinaus überzeugen die Adapter mit ihren hohen zyklischen Belastbarkeiten. Das laserbasierte Fügeverfahren kann eine prozesssichere und effiziente Alternative zum Explosionsschweißen darstellen und weist somit ein großes Einsatzpotenzial im Schiffbaubereich auf.

Das Verbundvorhaben FOLAMI wurde von der B.I.G. Technology Services GmbH koordiniert. Neben dem LZH waren auch die Precitec Optronik GmbH, LASER on demand GmbH, das Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit, Hilbig GmbH, Fr. Lürssen Werft GmbH & Co. KG, MEYER WERFT GmbH, Coherent Deutschland GmbH und DNV SE beteiligt. Gefördert wurde das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des „Maritimen Forschungsprogramms“ (Förderkennzeichen 03SX547B) unter der fachlichen Leitung des Projektträger Jülich (PtJ).

(Quelle: Laser Zentrum Hannover)