Schwergewicht im Leichtbau: Stahl-Aluminium Laserschweißen für den Schiffbau

Laserschweißen von Stahl an Aluminium mit hohen Blechstärken für den Schiffbau. (Foto: LZH)

Leichtbau mit Stahl-Aluminium-Mischverbindungen ist im Automobilbau bereits ein großes Thema. Um in der Schifffahrt den Kraftstoffverbrauch und den Kohlenstoffdioxid-Ausstoß zu reduzieren, finden auch im Schiffbau solche Mischverbindungen vermehrt Anwendungen. Bei diesen 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.

Konstante Nahtqualität durch Einschweißtiefenregelung
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 mit Hilfe der Einschweißtiefenregelung werden Mischverbindungen mit relativ hoher Nahtqualität geschweißt - insbesondere bei variierenden Blechdicken.

Über LaSAAS
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).

Zu der Pressemitteilung gibt es drei Bilder.

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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. 18 Ausgründungen sind bis heute aus dem LZH hervorgegangen. Das LZH schafft so einen starken Transfer zwischen grundlagenorientierter Wissenschaft, anwendungsnaher Forschung und Industrie.

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