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

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.