Die Unschweissbaren

© Foto | Gernot Walter

Aluminium an Stahl, an Titan, an Faserverbundwerkstoffe - bislang unmögliche Fügepartner im Leichtbau. Der Laser schweißt sie alle.

Der Trend zum Leichtbau stellt die Industrie vor eine wachsende Herausforderung: Der Materialmix wird heterogener und zugleich steigt der Druck, schnelle und effiziente Fügeverfahren für Großserien zu entwickeln, die kein Gewicht hinzufügen.

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Über den Autor

Seiji Katayama leitet das renommierte Joining and Welding Research Insitut an der Universität von Osaka, an dem er Ende der 1970er seine Karriere begann. Seit vielen Jahren leistet er dort Pionierarbeit beim Laserschweißen von Aluminium und Metall­Kunststoff Verbindungen.

Für das Fügen von Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium, Titan, Magnesium und Faserverbundkunststoffen sehen wir deshalb eine wachsende Zahl an Schweiß- und Lötverfahren auftauchen.

Laserverfahren zeigen sich hierbei besonders flexibel, lassen sich gut in die Fertigung integrieren und erzielen bei einer Vielzahl bislang kaum oder unschweißbarer Werkstoffkombinationen gute Ergebnisse. Dabei spielt Aluminium als Fügepartner eine immer wichtigere Rolle.

Aluminium und Stahl schweißen

Stahl ist einer der am häufigsten verbauten Metallwerkstoffe. In Versuchen gelingt es, weniger als zwei Millimeter dicke Bleche aus Stahl mit geringem Kohlenstoffanteil und Aluminiumlegierung der Gruppe 6xxx (Magnesium und Silizium) im Überlappstoß mit Dioden- oder YAG-Lasern in einer belastbaren Verbindung zu verschweißen.

Dabei bestrahlt der Laser hauptsächlich den Stahl, ohne ihn zu schmelzen. Wärmeleitung und ein kleiner Anteil absorbierter Strahlenergie schmilzt dann den Aluminiumwerkstoff auf. An der Grenze zwischen Aluminium und Stahl bildet sich dabei eine dünne Schicht aus metallischen Eisen-Aluminium-Verbindungen.

Wenn diese Schicht dünner als zehn Mikrometer bleibt und die Eisen-Aluminium-Verbindungen mit geringem Aluminiumgehalt überwiegen, ergeben sich gute Ermüdungseigenschaften und eine hohe Dehnfestigkeit. Es zeigt sich außerdem, dass ein Flussmittel und Zusatzwerkstoffe wie Aluminum-Silizium-Draht die mechanischen Eigenschaften der Schweißung weiter verbessern.

In einer Variation des Verfahrens wird nur das Stahlblech bestrahlt, das Aluminium über Wärmeleitung geschmolzen und die Naht anschließend gerollt.

Überlappstoß und Stoßschweißen

Ein ganz anderer Ansatz schweißt den Überlappstoß durch das Stahl oder Edelstahlblech und verankert die Wurzel der Naht etwa 0,2 Millimeter tief im Aluminiumblech. Dieses Verfahren weist einen hohen Widerstand gegen Abscheren auf. Der Widerstand gegen Ausreißen ist jedoch gering. Dies ändert sich mit einer Vergrößerung der verschweißten Fläche — etwa mit drei parallelen Nähten. Nun bricht die Probe im Aluminiumbasismaterial.

Auch Stoßschweißen ist möglich. Wieder wird nur der Stahl bestrahlt und der Aluminiumwerkstoff über die Wärmeleitung geschmolzen. Die Verbindung löst sich bereits bei verhältnismäßig geringen Zugbelastungen oder stoßartiger Belastung.

Ein interessanter Ansatz gleicht dies aus: Die Strahlkomponente wird auf einen Flansch am Aluminium-Fügepartner aufgesteckt. So entsteht eine Kombination von Überlapp- und Stoßschweißen. Der Laser schmilzt den Stahl nahe am Stoß.Über Wärmeleitung schmilzt er dabei auch eine Spur im Al-Werkstoff des Flansches unter dem Stahl und erzeugt eine Überlappnaht. Zugleich schmilzt die Stahlschmelze aber auch den Aluminiumwerkstoff im Stoß.

Es entsteht eine Doppelnaht, die den Stahl im Aluminium einbettet und über die Wurzel der Überlappnaht im Aluminiumbasismaterial verankert. Dies verbessert die mechanischen Eigenschaften der Schweißung deutlich.

Aluminium und Titan schweißen

Aluminium- und Titanlegierungen lassen sich im Überlappstoß fügen. In der Regel wird Titan auf Aluminiumlegierungen geschweißt. Der Laserstrahl erhitzt das Titan und schmilzt über Wärmeleitung den Aluminiumwerkstoff.

Wie beim Schweißen von Stahl und Aluminium entsteht an der Grenze zwischen Titan- und Aluminiumlegierungen eine dünne Schicht mit metallischen Titan-Aluminium-Verbindungen. Die Schweißung weist eine hohe Zugfestigkeit auf und die Proben reißen schließlich im Aluminiumbasismaterial ab.

Die Untersuchung der Schweißungen mit reinem Aluminium und Titan zeigte außerdem, dass die Aluminiumschmelze die Titanoberfläche erodiert und damit aufraut, was zur Festigkeit der Verbindung beiträgt.

Aluminium und Kunststoff schweißen

Der Laser eröffnet erstmals die Möglichkeit, Baugruppen aus Metall und Kunststoffteilen zu schweißen. Die Arbeit an solchen Verbindungen steckt zwar noch im Versuchsstadium, doch die Ergebnisse sind vielversprechend. Insbesondere thermoplastische Kunststoffe wie PTE, PE und PC gehen belastbare Verbindungen mit Metallen ein.

Geschweißt werden Überlappstöße, bei denen das Metall entweder direkt oder durch den Kunststoff bestrahlt wird und über Wärmeleitung den Kunststoff schmilzt. Der Kunststoff formt dabei nahe an der Metalloberfläche Bläschen, die expandieren, Druck auf den umgebenden Kunststoff ausüben und ihn in die Unebenheiten der Metalloberfläche pressen.

Zusätzlich kommen mit dem Druck Van-der-Waals-Kräfte zum Tragen und es laufen chemische Reaktionen zwischen Kunststoff und Aluminiumoxiden ab. Sie erzeugen zusätzlich zur mechanischen eine chemische Verbindung.

Geschweißt wird hauptsächlich mit Festkörperlasern, Diodenlasern in erster Linie, aber auch Scheiben- oder Faserlasern. Versuche gibt es beispielsweise mit drei Millimeter dicken Blechen der Aluminiumlegierung A5052 und zwei Millimeter dicken Blättchen aus amorphem PTE.

Die Schweißproben wurden über die ganze Breite des Überlappstoßes verschweißt. Die Zugtests ergaben, dass sich bei einer ausreichend großen Nahtoberfläche das Kunststoffwerkstück an der Schweißung mit dem Metall dehnt und schließlich reißt. Dies geschah bei einer Zuglast von rund 3.000 Newton.

Mix für die Zukunft des Leichtbaus

Alle dargestellten Beispiele sind keine Schweißverbindungen im klassischen Sinne, bei denen sich die Schmelze gleichartiger Fügepartner in der Naht vermischt und eine Verbindung herstellt.

Bei so unterschiedlichen Werkstoffen würde dies zu schwachen, spröden Nähten mit hoher Heißrissneigung führen. Stattdessen bauen alle Verfahren auf die Möglichkeit, die beiden Fügepartner unterschiedlich zu behandeln. Ein Fügepartner wird aufgeschmolzen und der andere nur erwärmt, um Wärme zu transportieren und das Verteilen und Anhaften der Schmelze zu erleichtern.

Das einzige Werkzeug, mit dem sich diese selektive Erwärmung sicher und reproduzierbar anwenden lässt, ist Laserlicht. Dabei eignen sich Diodenlaser mit geringer Intensität gut. Ideal für die meisten Verfahren sind jedoch gepulste Festkörperlaser, bei denen der Energie und damit Wärmeeintrag extrem fein zu steuern ist.

Laser ermöglichen so Verbindungen, die beim Schweißen lange als kaum oder unmöglich galten. Der Schluss liegt nahe, dass die weitere Entwicklung des Leichtbaus und der Miniaturisierung eng mit der weiteren Entwicklung dieser Verfahren zusammenhängen wird.

Noch gibt es zwar wenig Applikationen in der Fertigung. Doch wir sind sicher, dass die laufende Forschungsarbeit und der industrielle Bedarf dies künftig ändern werden.

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