Laserstrahlschweißen.

Arbeitsschwerpunkte

• Prozesskombinationen konventioneller Schweißverfahren mit dem Laser
• Fügen und Trennen von artfremden Werkstoffen
• Nutzung lokaler Effekte des Laserstrahlschweißens
• Bearbeitung temperaturempfindlicher Bauteile
• Schweißen von Blechen unter 1 mm bis über 20 mm Blechstärke

Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten und Projekte

In der Energiegewinnung bilden Solarthermieanlagen einen wichtigen Faktor für die Reduzierung der CO²-Emissionen. Sie bestehen aus einem Deckblech, auf dessen Rückseite ein Rohrsystem zur Abfuhr der solaren Wärme aufgebracht wird. Dieses Deckblech besteht üblicherweise aus Aluminium, während das Rohrsystem aus einem Kupfermaterial gefertigt wird. Von den Herstellern dieser Anlagen verlangt der Kunde neben der Funktionalität auch eine ansprechende Optik. Aus diesem Grund wird der Laser eingesetzt. Er bietet die Möglichkeit, weitestgehend ohne Beschädigung der sichtbaren absorbierenden Beschichtung des Aluminiumblechs, beide Komponenten zu verbinden. Als besondere Herausforderung ist die Mischverbindung der Werkstoffe Aluminium und Kupfer zu sehen. Diese ist durch die thermisch induzierte Belastung hohen Kräften ausgesetzt und kann bei falscher Auslegung der Schweißparameter frühzeitig versagen. Durch eine Anpassung des Schweißprozesses war es möglich, die Festigkeiten der Schweißungen zu verbessern. Durch den Einsatz neuer Strahlquellen konnte außerdem die Energieeffizienz während der Produktion der Solarabsorber weiter gesteigert und somit der nachhaltige Aspekt des Produktes gestärkt werden.

Neben der Gewinnung stellt auch der Energietransport eine wichtige Komponente innerhalb der Energieversorgungskette dar. Tanks und Rohre spielen hierbei eine entscheidende Rolle. Aufgrund der Größe dieser Bauteile kommt der Fügetechnik eine Schlüsselfunktion bei ihrer Fertigung zu. Neueste Strahlquellen bieten sowohl hohe Leistungen als auch hohe Strahlqualitäten. Mit dem 2010 in Betrieb genommenen 16 kW Scheibenlaser werden am LZH Stahl- und Aluminiumwerkstoffe mit Wandstärken von 23 mm bzw. 12 mm verschweißt. Hierbei kann die Strahlqualität der Aufgabe individuell angepasst werden. Zusammen mit Partnern aus der Industrie werden in dem Projekt HYBRILAS die notwendige Prozesstechnik entwickelt und die Schweißergebnisse hinsichtlich ihrer mechanisch-technologischen Eigenschaften bewertet.

Der Laserstrahl eignet sich als sehr gut fokussierbares Werkzeug hervorragend, um temperaturempfindliche Werkstoffe zu bearbeiten. Im Sonderforschungsbereich SFB 599 werden dementsprechend in der Gruppe Fügen und Trennen von Metallen mit Hilfe des Lasers Implantate hergestellt, die zu einer verbesserten Knochenheilung beitragen. Eingesetzt werden hierbei so genannte Formgedächtnislegierungen, die durch gezielte Temperaturbehandlungen ihre Geometrie ändern können. Dieser Effekt wird durch konventionelle und energieintensive Fügetechnologien jedoch zunichte gemacht. Der Laser kann die vollständige Fertigungskette des Implantats abbilden. Er schneidet Einzelteile zu, ohne einen Grad an der Schnittfuge zu hinterlassen, und fügt die Teile anschließend zur endgültigen Implantatgeometrie zusammen. Durch den geringen Wärmeeintrag in das Werkstück bleiben die Eigenschaften der Formgedächtnislegierung erhalten und können im Heilungsprozess ausgenutzt werden.

Den Vorteil des geringen Wärmeeintrags macht sich auch die Automobilindustrie im Leichtbau zu nutze. Leichtbau ist die zentrale Herausforderung an die Hersteller in Zeiten steigender Kraftstoffkosten. Eine wichtige Rolle bei der Kaufentscheidung des Kundens spielt ein geringer Verbrauch und entsprechend eine möglichst große Reichweite des Fahrzeugs. Dies ist besonders für die beabsichtigte Verbreitung von Elektrofahrzeugen relevant. Der Leichtbau kann hier einen entscheidenden Beitrag leisten. Verbindungen aus Aluminiumwerkstoffen mit Stählen sowie eine größere Bauteilsteifigkeit sind Grundvoraussetzung für leichte Fahrzeuge. In der Gruppe Fügen und Trennen von Metallen werden Aufgabenstellungen bearbeitet, die sich mit beiden Thematiken befassen. Mischverbindungen aus Stahl und Aluminium stellen ein hohes Potenzial zur Umsetzung der Leichtbaukonzepte dar. Des Weiteren können durch die Ausnutzung lokaler Effekte des Laserstrahls die Festigkeiten in Automobilwerkstoffen erhöht werden.