Laserprozesse mit dynamischer Strahlformung ermöglichen stabile Verbindungen auch bei herausfordernden Werkstoffpaarungen. Neue Anwendungen zeigen, wie sich dabei auf Zusatzwerkstoffe verzichten und gleichzeitig Qualität, Energieeffizienz und Fertigungsablauf verbessern lassen, berichtet das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS. Der Fokus liegt auf intelligent geführten Strahlprozessen, die ohne Zusatzwerkstoffe auskommen und sich hervorragend in reale Fertigungsszenarien überführen lassen. Eingesetzt wird diese Technologie unter anderem in Leichtbaustrukturen für die E-Mobilität, Tankstrukturen für die Luftfahrt sowie tragenden Komponenten im schweren Stahlbau.
Mehrere aktuelle Entwicklungsprojekte setzen auf laserbasierte Fügeverfahren. Ein gezielt bewegter Strahl beeinflusst darin das Verhalten der Schmelze aktiv und ermöglicht es, auf Zusatzwerkstoffe zu verzichten. Wir zeigen, dass sich selbst anspruchsvollste Schweißaufgaben, wie das Fügen bislang als schwer schweißbar geltender Legierungen oder Bauteilquerschnitte von erheblicher Größe, robust und produktiv mit weniger Energie, Materialeinsatz und Nacharbeit umsetzen lassen, erläutert Dr. Axel Jahn, Leiter der Abteilung Fügen am Fraunhofer IWS. Die Kombination aus hochfrequenter Scannertechnik, flexibler Strahlleistungsregelung und unserer systemoffenen Prozesssteuerung eröffnet neue Anwendungsperspektiven und Konstruktionsmöglichkeiten, die klassische Lichtbogentechniken nicht bieten.
Laserschweißen erzeugt dichte, verzugsarme Nähte an rotationssymmetrischen Aluminium-Tankstrukturen ohne Zusatzdraht (© René Jungnickel/Fraunhofer IWS)
Aluminium-Batteriegehäuse: Ohne Zusatzdraht, rissfrei und porenarm
Im EU-Projekt ALBATROSS hat das Fraunhofer IWS ein innovatives Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge lasergestützt gefertigt und in realer Bauteilgröße erfolgreich demonstriert. Die Leichtbaustruktur kombiniert Aluminium-Strangpressprofile mit Aluminium-Druckgussteilen von bis zu fünf Millimetern Wandstärke.
Konventionelle Verfahren stoßen bei dieser Werkstoffpaarung an physikalische Grenzen: Druckguss neigt zu Porenbildung, Aluminium-Strangpressprofile der Werkstoffgruppe 6000 gelten als heißrissempfindlich. Die Lösung des Fraunhofer IWS basiert Dr. Jahn zufolge auf einer gezielt oszillierenden Strahlführung, die das Schmelzbad in Bewegung bringt, Poren reduziert und gleichzeitig metallurgisch stabile Nähte erzeugt. So erzeugen wir qualitätsgerechte Aluminiumschweißverbindungen ohne die sonst übliche Verwendung von Zusatzwerkstoff. Das Batteriegehäuse wurde in ein reales Fahrzeugmodell implementiert und erprobt. Im Fraunhofer-Leitprojekt FutureCarProduction wird diese Technologie derzeit hinsichtlich der schweißtechnischen Verarbeitung von Sekundäraluminium sowie von Guss-Guss-Verbindungen weiterentwickelt und einer Nachhaltigkeitsbewertung unterzogen.
3D-Tankboden: Rissfreie Schweißnähte für anspruchsvolle Einsatzbedingungen
Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt hat das Fraunhofer IWS eine Laserschweißtechnologie entwickelt, um geschlossene Tankstrukturen aus einer hochfesten Aluminiumlegierung der 2000er-Reihe herzustellen. Da diese Legierungen beim Verschweißen zur Heißrissbildung neigen, kommt bislang üblicherweise Zusatzdraht zur Beeinflussung der Legierungsbildung im Schweißgut zum Einsatz. Der neue Laserschweißprozess des Instituts verzichtet dagegen vollständig auf Zusatzwerkstoffe und ermöglicht ein prozessstabiles, wärmearmes Schweißen auch an dreidimensional geformten Konturen. Der laserbasierte Prozess eignet sich laut Dr. Jahn hervorragend für den Abschluss rotationssymmetrischer Behälter und wird auch für das Einschweißen von Rohren untersucht. Er liefert dichte, mechanisch belastbare Nähte ohne nennenswerten Verzug und bei hoher Nahtfestigkeit.
Kranausleger: Produktivitätsschub für den Stahlbau
Hersteller großformatiger Stahlkonstruktionen erhalten am Beispiel eines vier Meter langen Kranauslegers eine neue Lösung für das wärmearme, ressourcensparende und prozesssichere Fügen massiver Stahlprofile mit Wandstärken von über 20 Millimetern in hoher Qualität. Kern ist ein leistungsfähiges Mehrlagenschweißen mit bis zu 24 Kilowatt Laserleistung in einer einzigen Aufspannung. Die V-Nahtvorbereitung wurde auf Öffnungswinkel unter fünf Grad optimiert. Damit reduzieren wir das Nahtvolumen, sparen bis zu 90 Prozent Zusatzwerkstoff ein und vermeiden Verzug weitgehend, beschreibt Dr. Jahn die Effekte. Das Richten großer Baugruppen – oft ein energieintensiver, manueller Arbeitsschritt – werde in vielen Fällen überflüssig.
- www.iws.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Das Fraunhofer IWS demonstriert im EU-Projekt ALBATROSS ein prozessstabiles Laserschweißverfahren für Aluminium-Druckguss und Strangpressprofile, das ohne Zusatzwerkstoff auskommt (© René Jungnickel/Fraunhofer IWS)
