Innovatives Laserstrahlschweißen für leichte Schiffe
06.09.2021

Laserschweißen von Stahl an Aluminium. (Foto: LZH)

Durch kreuzende Laserstrahlen will das LZH die Anbindung von Stahl an Aluminium verbessern. (Grafik: LZH)

Laserstrahlgeschweißte Naht mit Hinterschneidungen: Durch Form- und Stoffschluss sollen die Mischverbindungen höhere Festigkeiten erzielen. (Foto: LZH)

Im Projekt FOLAMI will das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) zusammen mit acht Partnern aus Wirtschaft und Forschung eine neuartige Methode zum Laserstrahlschweißen von Mischverbindungen aus Stahl an Aluminium entwickeln. Damit wollen sie Herstellungs- und Produktionskosten im Schiffbau senken.

Um große Schiffskomponenten kostenattraktiv und effizient zu fügen, setzen Werften wie etwa die am Projekt beteiligte Meyer Werft Laserstrahlschweißverfahren für artgleiche Verbindungen ein. Für verformungsfähige dickwandige Mischverbindungen aus Stahl und Aluminium kommt aktuell das Explosionsschweißen zum Einsatz. Dieses Verfahren ist nicht nur komplex, zeit- und kostenintensiv, sondern schränkt auch die Gestaltungsfreiheit ein und die entstandene Verbindung weist nur eine niedrige Festigkeit auf. Diese Mischverbindung ist beispielsweise bei Adaptern notwendig, die Schiffsaufbauten aus Aluminium mit dem Schiffsrumpf aus Stahl verbinden.

Um Verbindungen herzustellen, die den Anforderungen der Schiffbauer gerecht werden, plant der Verbund die Entwicklung einer neuen Schweißmethode. Bei dieser soll eine überlappgeschweißte Verbindung mit Hinterschnitt erzeugt werden, die hohe Festigkeiten erzielt. Dafür wollen die Partner zwei sich kreuzende Laserstrahlen einsetzen. Sie erwarten sich von dem Ansatz zudem eine erhöhte Verformbarkeit des Bauteils.

Im Teilvorhaben „Laserstrahlschweißen von formschlüssigen Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mittels Einschweißtiefenregelung“ des LZH wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Prozess für das form- und stoffschlüssige Schweißen von Mischverbindungen entwickeln und darüber hinaus die Analyse spektraler Prozessemissionen anwenden. Damit soll die Einschweißtiefe und damit auch das Gefüge sowie der Anteil an intermetallischen Phasen reguliert werden. So sollen zum Beispiel Blechdickensprünge, Materialchargenwechsel oder Oberflächenunterschiede kompensiert werden.

Auf Basis der Ergebnisse des LZH wollen die B.I.G., Coherent und Precitec Optronik GmbH gemeinsam einen innovativen Laserprozesskopf für das einschweißtiefengeregelte Laserstrahlschweißen entwickeln. Für die neue Schweißmethode werden sie sowohl die spektralen Prozessemissionen analysieren als auch die Einschweißtiefenregelung auf Basis der Kurzkohärenz-Interferometrie weiterentwickeln. Zudem begleitet das LZH in Kooperation mit den Halbzeugherstellern LASER on demand und Hilbig die Schweißuntersuchungen in werftnaher Umgebung. Bereits während der Projektlaufzeit werden die laserstrahlgeschweißten Halbzeuge - unter anderem durch die Lürssen Werft und die Meyer Werft - evaluiert, um den Prozess im Anschluss schnell in die industrielle Umsetzung zu bringen. Begleitend zur Prozessentwicklung wird das Fraunhofer LBF die Schwingfestigkeit der erzeugten Verbindungen   mit Hilfe experimenteller Untersuchungen bewerten und auf dieser Basis ein Simulationsmodell zur Abschätzung der (zyklischen) Nahteigenschaften ableiten.

Über FOLAMI

An dem Projekt „FOLAMI – Formschlüssiges Laserstrahlschweißen der Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau“ sind neben dem Laser Zentrum Hannover e.V., B.I.G. Technology Services GmbH, Coherent (Deutschland) GmbH, Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Hilbig GmbH, LASER on demand GmbH , Fr. Lürssen Werft GmbH & Co. KG, MEYER WERFT GmbH & Co. KG und Precitec Optronik GmbH beteiligt. Gefördert wird es durch das im Rahmen des „Maritimen Forschungsprogramms“ durch das Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter der fachlichen Betreuung durch die Forschungszentrum Jülich GmbH (PtJ).