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

| Autor / Redakteur: Lena Bennefeld / Frauke Finus

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

Für den Automobilbau der Zukunft braucht es belastungsangepasste und leichte Bauteile aus Stahl-Aluminium-Mischverbindungen. Im Forschungsvorhaben Laser Leichter 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 Laser Zentrum Hannover (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 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 % 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.

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