Laserschweißen verbindet unterschiedliche Materialien

Bild 1: Der Schritt vor dem Umformen: Die Materialien werden mit dem Laser verschweißt. (Quelle: LZH)

LZH/IW/IDS | Wie lassen sich zwei Materialien so verbinden, dass sie gemeinsam umgeformt werden können? Im Sonderforschungsbereich „Tailored Forming“ werden dazu mehrere Ansätze untersucht. Eine vielversprechende Möglichkeit ist das ultraschallunterstützte Laserstrahlschweißen.

Fest, aber flexibel müssen zwei Materialien miteinander verbunden sein, damit sie sich gemeinsam umformen lassen. Beim Schweißen entsteht jedoch durch die Vermischung der beiden Materialien eine spröde Naht – der sogenannte intermetallische Phasensaum – an der Fügestelle. Dieser hält der Umformung oft nicht stand.

Um die Umformbarkeit der Schweißnaht zu verbessern, untersuchen die Forscher im Teilprojekt A3 des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1153 das ultraschallunterstützte Laserstrahlschweißen. Die Ultraschallanregung des Schmelzbades soll den Fügeprozess beeinflussen und damit die Umformbarkeit des Mischverbunds verbessern beziehungsweise überhaupt erst ermöglichen.

Drei Partner aus dem Maschinenbau haben sich zur Bearbeitung dieser komplexen Thematik zusammengefunden. Dabei übernimmt das Laser Zentrum Hannover (LZH) die Aufgabe der Entwicklung des spezifischen Tiefschweißprozesses, das Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS) entwickelt eine Ultraschallanregung des Schmelzbades und das Institut für Werkstoffkunde (IW) übernimmt den Part der werkstoffkundlichen Auslegung des Schweißprozesses durch gezielte Werkstoffpaarungen und Simulation.

Laserstrahlschweißen als Fügeverfahren für Mischverbindungen

Das Laserstrahlschweißen eignet sich wegen seiner gezielten, lokalen Wärmeeinbringung für die Herstellung der Hybridbauteile, die im Sonderforschungsbereich entwickelt werden sollen. Durch die Verwendung von Laserleistungen von bis zu 16 kW können sehr hohe Einschweißtiefen erzielt werden – eine Voraussetzung zur vollflächigen Verbindung der Probekörper, zum Beispiel von Antriebswellen für Fahrzeuge. Dadurch sind künftig Fügegeometrien möglich, die durch klassische Fügeverfahren wie etwa das Rotationsreibschweißen nicht erreichbar sind.

Ein weiterer Vorteil des Laserstrahlschweißens: Der Ort der Energieeinkopplung lässt sich verschieben, sodass im Extremfall nur einer der beiden Fügepartner aufgeschmolzen wird. Untersuchungen am LZH und am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) zeigen, dass mit dieser Methode prinzipiell eine Umformung bei erhöhten Temperaturen bei artgleichen Mischverbindungen – zum Beispiel aus zwei unterschiedlichen Stählen – möglich ist. Bei Stahl-Aluminium-Verbindungen muss die Umformbarkeit der Schweißnaht allerdings noch erheblich verbessert werden. Bild 2 zeigt beispielhaft eine artfremde Mischverbindung.

Mit Ultraschall gegen die spröde Naht

Das Schmelzbad wird während des Schweißens durch das Einkoppeln von Ultraschallwellen beeinflusst. Zur Ultraschallanregung werden am IDS spezielle Ultraschallwandler entwickelt. Ausgelegt werden sie auf Basis von numerischen Simulationen des Schwingverhaltens der Schallwandler in Verbindung mit dem anzuregenden Werkstück und dem Schmelzbad. Zur optimalen Einbringung des Ultraschalls in die Fügezone werden unterschiedliche Sonotroden konzipiert und hergestellt, die die Schwingungen verstärken. Außerdem dienen sie zur Anpassung des Schwingverhaltens bei einer veränderten Werkstückgeometrie. Für die Ansteuerung der Schallwandler wird eine Regelungselektronik erweitert, die speziell für den Betrieb von Leistungsultraschallwandlern bei wechselnden Belastungen entwickelt wurde.

Die Forscher gehen davon aus, dass die Einwirkung des Ultraschalls die Schmelzbadströmung und Durchmischung beeinflusst – und damit auch den spröden Phasensaum minimieren kann, der sich bei Stahl-Aluminium-Mischverbindungen bildet. Hierbei beruht die Idee darauf, dass das zum Zeitpunkt des Fügens vorhandene Flüssigkeitsvolumen bestmöglich durchmischt wird. So kann das aufgeschmolzene Aluminium durch die Mischkristallbildung im Stahl untergebracht werden. Damit würde die Bildung der intermetallischen Phasen reduziert. Sollten sich doch Sprödphasensäume bilden, könnten diese durch den Ultraschall wieder aufgebrochen und abgelöst werden. Im Bereich der Stahl-Stahl-Verbindungen soll mittels der Ultraschallanregung die Kornstruktur beeinflusst werden, sodass in der Schweißzone ein ungerichtetes und feinkörniges Gefüge entstehen kann.

Werkstoffkunde beim Fügen

Eine weitere Möglichkeit, Materialhybride herzustellen, ohne dass sich intermetallische Phasen bilden, ist das Schweißlöten. Dabei liegt der Hauptenergieeintrag auf der Aluminiumseite, sodass die Stahloberfläche lediglich benetzt und nicht selbst aufgeschmolzen werden muss. Beim Schweißlöten werden Beschichtungen an der Fügestelle als Diffusionsbarriere aufgebracht, um der intermetallischen Phasenbildung entgegen zu wirken. So lässt sich die Phasenbildung beispielsweise mithilfe einer Titan-Schicht unterdrücken, sofern diese unbeschädigt ist. Schädigungen in der Schicht führen direkt zur Bildung der intermetallischen Phasen zwischen Eisen und Aluminium (siehe Bild 4).

Legierungselemente in der Aluminiumlegierung sowie im Stahl können die intermetallische Phasenbildung ebenfalls verringern. In Voruntersuchungen haben die Forscher bereits gezeigt, dass der Siliziumanteil in der Aluminiumlegierung die Form und die Ausdehnung des Phasensaums beeinflussen kann (siehe Bild 5). Mithilfe von Werkstoffsimulationen wollen die Forscher nun die möglichen höherkomponentigen Legierungssysteme betrachten und deren Auswirkung auf die Enthalpie zur Bildung der intermetallischen Phasen untersuchen. Mit dieser Methodik können systematisch sinnvolle Phasensysteme ermittelt werden, welche durch Legierungselemente eine entsprechend nutzbare Phasengebietsänderung erfahren.

Viele Wege, ein Ziel: Umformbare Mischverbindungen

Vom Ultraschall-Laserschweißen über Beschichtungen bis zu speziellen Legierungen kommen viele Möglichkeiten in Frage, um verschiedene Materialien so miteinander zu verbinden, dass sie sich gemeinsam umformen lassen. Die Wissenschaftler im Sonderforschungsbereich werden diese in den kommenden Jahren näher untersuchen und nehmen damit eine wichtige Hürde auf dem Weg zu maßgeschneiderten Hybridbauteilen.

www.lzh.de

www.ids.uni-hannover.de

www.iw.uni-hannover.de

von Thomas Hassel, Sarah Nothdurft und Kai-Alexander Saalbach

Bildergalerie zu diesem Artikel

  • Bild 1: Der Schritt vor dem Umformen: Die Materialien werden mit dem Laser verschweißt. (Quelle: LZH)
  • Bild 2: Beispiel einer laserstrahlgeschweißten Mischverbindung. (Quelle: LZH)
  • Bild 3: Besser Fügen mit Ultraschall: Links der Versuchsaufbau, rechts das Ergebnis – ein stoffschlüssiger Verbund zwischen Kupfer und Aluminium. (Quelle: IDS)
  • Bild 4: Mit einer Titanschicht als Diffusionssperre bilden sich keine spröden intermetallischen Phasen beim Fügen von Stahl und Aluminium. (Quelle: IW)
  • Bild 5: Ein erhöhter Siliziumanteil in der Aluminiumlegierung bewirkt, dass sich ein dünnerer Phasensaum bildet. (Quelle: IW)
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