Im Schiffbau werden zunehmend Leichtbaukonstruktionen aus Stahl-Aluminium-Mischverbindungen eingesetzt: der Schiffrumpf besteht aus Stahl, die Aufbauten aus Aluminium. Dadurch senkt sich der Schwerpunkt des Schiffes, gleichzeitig wird die Stabilität erhöht und das Gewicht reduziert. Das spart Kraftstoff und damit auch CO2-Emissionen.
Laserstrahlschweißen als Alternative zum Explosionsschweißen
Bisher werden die Stahl- und die Aluminium-Bauteile durch Adapter miteinander verbunden, die durch Explosionsschweißen hergestellt wurden. Beim Explosionsschweißen werden Bauteileinheiten mit einer kontrollierten Sprengung gefügt. Durch die Kraft der Explosion kollidieren die beiden Einheiten und verschweißen dabei miteinander, ohne dass eine Schmelze entsteht. Dieser Prozess ist aufwändig und nicht ungefährlich.
Eine potenziell effizientere, zuverlässigere und sichere Alternative ist das Laserstrahlschweißen von Stahl-Aluminium-Mischverbindungen. Diese Methode haben LZH-Wissenschaftler:innen im Verbundprojekt FOLAMI „Formschlüssiges Laserstrahlschweißen der Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau“ entwickelt.
Hohe Festigkeit durch sich kreuzende Laserstrahlen
Im Prozess werden zunächst längliche Nuten in das Blech der Aluminiumlegierung gefräst und mit Eisenpulver gefüllt. Anschließend wird der Stahl durch zwei sich kreuzende Laserstrahlen mit der Aluminiumlegierung verschweißt. Durch den reduzierten Aluminiumgehalt im Schweißgut entsteht ein stabiler Prozess, gleichzeitig wird ein Formschluss erzeugt.
Dieser Ansatz führt zu einem verformungsfähigen, festen Gefüge mit wenigen Unregelmäßigkeiten und hoher Festigkeit im Vergleich zu nicht formschlüssigen, Gefüge-modifizierten Mischverbindungen. Die Forschenden bestimmten an im Überlappstoß verschweißten Blechen eine maximale Kopfzugkraft von etwa 12 kN. Das entspricht einer Verbesserung um das Dreifache im Vergleich zu konventionell laserstrahlgeschweißten Mischverbindungen. Bei dieser Kraft wird die Streckgrenze des verwendeten Stahls mit einer Dicke von 5 mm bei weitem überstritten und es kommt zur plastischen Verformung des Stahlblechs.
Leichtbauprinzipien im Schiffbau
Um einen möglichst stabilen Prozess zu erreichen und um fertigungsbedingte Unwägbarkeiten zu kompensieren, entwickelten die Projektpartner Einschweißtiefenregelungssysteme. Dafür nutzten sie die Analyse der spektralen Prozessemissionen sowie die Kurz-Kohärenz-Interferometrie (OCT – Optische Kohärenztomographie).
Bei der spektrometerbasierten Einschweißtiefenregelung messen die Wissenschaftler:innen beispielsweise die Intensität der Prozessemissionen beim Schweißen und korrelieren sie mit der Einschweißtiefe. So konnten sie zeigen: die gemessene Intensität und die Einschweißtiefe sind voneinander abhängig. Dies lässt sich zur Regelung der Einschweißtiefe nutzen. Bleibt die Einschweißtiefe konstant auf dem gewünschten Wert, kann eine Naht mit hoher Belastbarkeit erzeugt werden.
Stahl-Aluminium Adapter ermöglichen maximale Stabilität
Mit dem optimierten Laserstrahlschweißprozess konnten die Projektpartner Adapter mit sehr guten Festigkeitswerten herstellen. Durch den Formschluss und das angepasste Gefüge nehmen die laserstrahlgeschweißten Adapter eine hohe Traglast von mindestens 35 kN auf, welche über der Kraft bei der Dehngrenze der eingesetzten Aluminiumlegierung liegt. Nicht zuletzt überzeugen die Adapter mit ihren hohen zyklischen Belastbarkeiten.
Das laserbasierte Fügeverfahren kann eine prozesssichere und effiziente Alternative zum Explosionsschweißen sein und weist damit ein großes Einsatzpotential im Schiffbau auf.
