Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mit dem Laser schnell und sicher fügen
05.06.2018

Remote-Laserstrahlschweißen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen. (Foto: LZH)

Mit Remote-Laserstrahlschweißen lassen sich Stahl und Aluminium sicher und schnell verbinden. (Foto: LZH)

Für den Automobilbau der Zukunft braucht es belastungsangepasste und leichte Bauteile aus Stahl-Aluminium-Mischverbindungen. Im Forschungsvorhaben LaserLeichter hat das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) einen Remote-Laserstrahlschweißprozess entwickelt, mit dem dreidimensionale Strukturen aus Stahl und Aluminiumlegierungen schnell und zuverlässig gefügt werden können.

Robuste und leichte Bauteile aus Stahl-Aluminium-Mischver­bindungen eignen sich ideal zur Verringerung des Fahrzeuggewichts und können zur Reduzierung des Schadstoffausstoßes beitragen. Um das Fügen der Mischverbindungen für den Serieneinsatz in der Automobilindustrie zu optimieren, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des LZH Prozesse für das Fügen von Zwei- sowie Drei-Blechverbindun­gen mit hohen Schweißgeschwindigkeiten von bis zu sieben Meter pro Minute entwickelt. Basis für den Remote-Laser­strahl­schweißprozess ist die von der Firma TRUMPF Laser GmbH neu entwickelte 3D Scanneroptik. Mit dieser werden komplexe dreidimensionale Nahtgeometrien selbst bei großen Strukturen möglich. Damit ist der Prozess insbesondere für den Karosseriebau interessant und kann aufwendige Roboterbewegungen ersetzen.

Stabile Verbindung im Crashfall
Die Schweißverbindung erreicht eine Scherzugfestigkeit von circa 67 Prozent der Aluminiumlegierung. Durch die parallele Anordnung von drei Schweißnähten kann diese sogar auf etwa 95 Prozent erhöht werden. Der Prozess wurde für Batterie­gehäuse von Elektroautos, Sitzstrukturen und Karosseriebauteile entwickelt. Die Volkswagen AG (VW) hat die Validierungs­bau­teile für Karosserieanwendungen quasistatisch und dynamisch geprüft. Die gefügten Mischverbindungen weisen ein vorteilhaftes Crashverhalten auf, da die Fügepartner vollständig verbunden bleiben.

Einsatz des Lasers minimiert intermetallische Phasen
Eine der Herausforderungen beim Schweißen von Stahl und Aluminiumlegierungen ist, die Bildung harter und spröder intermetallischer Phasen in der Schweißnaht zu reduzieren, da sich diese nicht vollständig vermeiden lassen. Beim Laserstrahlschweißen wird Wärme gezielt und nur in geringem Maße in das Werkstück eingebracht. Daher bilden sich diese Phasen in reduziertem Umfang aus und die artungleichen Werkstoffe werden definiert aufgeschmolzen. So lässt sich die Durchmischung in der Fügeverbindung kontrollieren.

Über LaserLeichter
In dem Verbundvorhaben „Entwicklung von laserbasierten Fügetechnologien für artungleiche Leichtbaukonstruktionen“ (LaserLeichter) arbeiteten unter Koordination der Robert Bosch GmbH LZH, VW, inpro Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH, Precitec GmbH & Co. KG, MATFEM Partnerschaft Dr. Gese & Oberhofer, LUNOVU GmbH, Scherdel Marienberg GmbH, InfraTec GmbH, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg und das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS zusammen. Assoziierte Partner waren TRUMPF Laser GmbH, ASTOR Schneidwerkzeuge GmbH, ThyssenKrupp Steel Europe AG, Bond-Laminates GmbH und Hydro Extrusion Offenburg GmbH (vormals Sapa Aluminium Profile GmbH). LaserLeichter wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Verbands „Photonische Verfahren und Werkzeuge für den ressourceneffizienten Leichtbau“ gefördert. Der Verband wurde vom LZH koordiniert.

Zu dieser Pressemitteilung gibt es zwei Bilder und ein Video.

Remote-Laserstrahlschweißen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen. (Video: LZH)

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Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Als unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut steht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) für innovative Forschung, Entwicklung und Beratung. Das durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr geförderte LZH widmet sich der selbstlosen Förderung der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Photonik und Lasertechnologie. 1986 gegründet arbeiten inzwischen über 170 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH.

Der Fokus des LZH liegt auf den Bereichen Optische Komponenten und Systeme, Optische Produktionstechnologien und Biomedizinische Photonik. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Naturwissenschaftlern und Maschinenbauern ermöglicht innovative Ansätze für Herausforderungen verschiedenster Bereiche: von der Komponentenentwicklung für spezifische Lasersysteme bis hin zu Prozessentwicklungen für die unterschiedlichsten Laseranwendungen, zum Beispiel für die Medizintechnik oder den Leichtbau im Automobilsektor. 19 Ausgründungen sind bis heute aus dem LZH hervorgegangen. Das LZH schafft so einen starken Transfer zwischen grundlagenorientierter Wissenschaft, anwendungsnaher Forschung und Industrie.