Schwergewicht im Leichtbau: Stahl-Aluminium-Laserschweißen für den Schiffbau

Leichtbau mit Stahl-Aluminium-Mischverbindungen ist im Automobilbau bereits ein großes Thema, findet aber auch im Schiffbau vermehrt Anwendungen.

Im Schiffbau kommen jedoch gänzlich andere Materialstärken zum Tragen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat im Verbundprojekt LaSAAS zusammen mit seinen Partnern einen laserbasierten Fügeprozess für dicke Mischverbindungen entwickelt.

Schiffsrümpfe aus Stahl und Aufbauten aus Aluminiumlegierungen werden vor allem im Yachtbau eingesetzt. Solche Werkstoffkombinationen senken das Gesamtgewicht und zudem den Schwerpunkt des Schiffs und stabilisieren es damit. Die beiden unterschiedlichen Metalle werden über einen Adapter sicher und belastbar miteinander verbunden. Dieser Adapter wird konventionell durch Sprengplattieren, ein aufwendiges und kostenintensives Fügeverfahren, hergestellt. In dem Verbundprojekt LaSAAS hat das LZH zusammen mit neun Partnern einen Laserschweißprozess mit Einschweißtiefenregelung entwickelt, um derartige Adapter schnell und flexibel herzustellen. Somit sind neue Designmöglichkeiten für diese Verbindungselemente realisierbar. Die so gefertigten Adapterstücke erreichen im Scherzugversuch unter statischer Belastung ähnliche Festigkeitswerte, wie die sprenggeschweißten Adapter. Beispielsweise wird die Dehngrenze der angeschweißten Aluminiumlegierung um 52 Prozent übertroffen. Nun gilt es in zukünftigen Forschungsaktivitäten, nicht nur eine hohe Belastbarkeit, sondern auch eine hohe Verformungsfähigkeit der Adapterstücke zu erreichen.

Die Einschweißtiefenregelung soll die gleichbleibende Qualität der Schweißnaht auch bei Blechdickensprüngen gewährleisten. Im Vorhaben wurden zwei Ansätze untersucht: Sowohl die Analyse der spektralen Prozessemission als auch die Kurzkohärenz-Interferometrie können beide verlässlich zur Prozessregelung eingesetzt werden. Dabei wird im Prozess die Einschweißtiefe über die Laserstrahlleistung aktiv geregelt.
Ein geregelter Prozess beim Laserstrahlschweißen dieser Mischverbindung ist wichtig, um den Anteil an intermetallischen Phasen zwischen Stahl und Aluminiumlegierung möglichst gering zu halten. Ein zu hoher Phasenanteil führt zur Versprödung und Erhöhung der Rissneigung. Unter Belastung kann es dann zu einem frühzeitigen Versagen der Verbindungen kommen. Erst mithilfe der Einschweißtiefenregelung werden Mischverbindungen mit relativ hoher Nahtqualität geschweißt – insbesondere bei variierenden Blechdicken.

An dem Verbundprojekt waren neben dem LZH das Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF), die Firmen Druckguss Service Deutschland GmbH, Hilbig GmbH, Laser on demand GmbH, Precitec GmbH & Co. KG, Scansonic MI GmbH, Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH, sowie die Werften Fr. Lürssen Werft GmbH & Co. KG und Meyer Werft GmbH & Co. KG beteiligt.
Gefördert wurde das Verbundprojekt „Laserstrahlschweißen von Stahl an Aluminium für die Anwendung im Schiffbau“ (LaSAAS) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter der fachlichen Betreuung vom Forschungszentrum Jülich GmbH (PtJ).