Laserstrahlschweißen von Aluminium vermindert Rissbildung

Leichtere und hochfeste Werkstoffe wie Aluminium oder Aluminiumlegierungen helfen, das Gewicht von Fahrzeugstrukturen bei gleichem Nutzwert zu reduzieren. Denn Aluminium lässt sich eigentlich gut verarbeiten und ist verhältnismäßig preisgünstig.

Doch beim Schweißen können sich insbesondere bei den Aluminiumlegierungen sogenannte Heißrisse bilden. Sie entstehen beim Abkühlen der Aluminium-Schmelze nach dem Schweißprozess und vermindern die Festigkeit der Schweißverbindung deutlich. Wie sich diese Probleme beim Schweißprozess vermindern lassen, untersucht das Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm an der Universität Kassel im Forschungsprojekt InduWäls (Induzierte Wärmefelder zur Verminderung der Heißrissneigung beim Laserstrahlschweißen von Aluminium). Das Projekt wird gefördert vom Deutschen Verband für Schweißen und verwandte Verfahren (DVS).

Die Kasseler Wissenschaftler haben einen Lösungsansatz entwickelt, bei dem konventionelle Induktionstechnik mit der Laserstrahltechnologie kombiniert wird. Der Induktor überträgt Strom aus dem Induktionsgerät in das Werkstück, also die Aluminiumbleche. Bevor der eigentliche Schweißprozess durchgeführt wird, erwärmen Induktoren das Aluminiumblech und bewirken so eine thermische Ausdehnung. Da das Bauteil in einer Vorrichtung fest eingespannt ist, führt diese Ausdehnung zu Druckspannungen in der Schweißnaht des Bauteils, die den Heißrissen entgegenwirken.

Die Heißrisse im Aluminiumblech entstehen bei der Erstarrung der Schmelze nach dem Schweißprozess, da die einzelnen Legierungselemente des Aluminiums unterschiedliche Erstarrungstemperaturen aufweisen. Dadurch ist ein Element bereits erstarrt, während ein anderes Element noch im flüssigen Zustand vorliegt. Die dadurch auftretenden Schrumpfspannungen verursachen die Heißrisse. Durch eine Überlagerung mit einer Druckspannung können die Heißrisse reduziert werden.

Die Induktoren sind an der Laserschweißoptik installiert und werden so von der Führungsmaschine, in diesem Fall einem sechsachsigen Knickarm-Roboter, parallel zum Schweißprozess mitgeführt. Anschließend erfolgt der Schweißvorgang mit dem Laserstrahl.

Diese Verfahrenstechnik hat den Vorteil, dass die Heißrisse ohne den bislang gängigen Einsatz von Zusatzmaterial in Form von Aluminiumdrähten reduziert werden können und es somit ein vergleichsweise kostengünstiges Verfahren darstellt.

Mit der Kasseler Entwicklung kann die Heißrissbildung bei Aluminiumlegierungen in den industriellen Festigkeitsklassen (speziell der 6000er-Klasse) erheblich reduziert werden. Die aufwändige Drahtzuführung mit Spulenaufnahme, Push-Pull-Antrieb und Drahtdüse entfällt dadurch komplett, lediglich eine deutlich einfachere und günstigere Induktionstechnik ist zu installieren. Zum Schweißen wird ein fasergeführter Festkörperlaser mit einer fliegenden Schweißoptik verwendet.

Info
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Stefan Böhm
Dipl.-Ing.(FH) Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Stephan Bertelsbeck
Universität Kassel

Tel.: 0561/804-3818
E-Mail: s.bertelsbeck@uni-kassel.de