Schweißen Laserstrahlschweißen für leistungsstarke Stahl-Aluminium-Verbindungen

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

Franke GmbH

invenio AG

In dem Forschungsvorhaben Folami haben Forscher des Fraunhofer LBF die prozesssichere Herstellung von dickwandigen Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mittels Laserstrahlschweißen untersucht. Dabei haben sie eine Methode entwickelt, um die Stahl-Aluminium-Laserstrahlschweißverbindungen zu bewerten.

Im Schiffbau, insbesondere im Yachtbau, werden Multimaterialverbindungen verbreitet eingesetzt, wenn der Leichtbauwerkstoff Aluminium mit den konventionell verarbeiteten Stahlwerkstoffen kombiniert wird, beispielsweise als Fügetechnik des Aluminiumdeckaufbaus mit dem Stahlrumpf. Realisiert wird diese Stahl-Aluminium-Mischverbindung bislang in Form sogenannter explosionsgeschweißter Adapter.

Laserstrahlschweißen kann hier als neuartiges Schweißverfahren zukünftig als alternative Fertigungstechnik dienen. Diese entwickelte Methode erzeugt form- und stoffschlüssige Fügeverbindungen mit deutlich verbesserten Festigkeiten, insbesondere unter Kopfzugbelastung.

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Neue Bewertungslösung mit Simulation und Peak-Stress-Methode

In dem Verbundprojekt Folami „Formschlüssiges Laserstrahlschweißen der Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau“ haben Forschende des Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF eine Methodik entwickelt, um die Stahl-Aluminium-Laserstrahlschweißverbindungen zu bewerten und in einem geschweißten Adapter umzusetzen. Dazu wurde eine lokale Bewertungsmethode, die sog. Peak-Stress-Method, auf den Anwendungsfall der Stahl-Aluminium-Mischverbindung mit Hilfe der digitalen Bildkorrelation zum Dehnungsabgleich übertragen und eine lokale Schwingfestigkeitsbewertung realisiert.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen neben gesteigerten Ermüdungsfestigkeiten des entwickelten Adapterhalbzeugs hohe Zugfestigkeiten, die nahe an den Dehngrenzen des Aluminiumreferenzwerkstoffs EN AW-5083 liegen, was auf die Effektivität des Stoff- und Formschlusses hinweist.

KI-gestützte Lebensdauerprognose von Laserstrahlschweißnähten zwischen Aluminium und Stahl

Der neu entwickelte Bewertungsablauf sieht vor, die sich einstellenden Schweißnahtparameter, wie bspw. Anbindungsbreite oder Einschweißtiefe der Laserstrahlschweißnaht von EN AW-6082 T6 Aluminium in S355 Stahl, mit der nach der Peak-Stress-Method abgeleiteten und experimentell verifizierten Schwingfestigkeit zu korrelieren. Als Erweiterung der Datenbasis gegenüber den Versuchsergebnissen wurden Parametervariationen der Schweißnahtgeometrien und Finite-Elemente-Belastungssimulationen zur Ableitung von Peak-Stresses durchgeführt, die unterteilt in einen Trainings- und Testdatensatz zur Prognose der Lebensdauer mit einem neuronalen Netzwerk genutzt werden.

Auf andere gefügte metallische Multimaterialverbindungen übertragen

Mit dem Forschungsergebnis steht ein Bewertungsansatz für diese spezifische Stahl-Aluminium-Mischverbindung zur Verfügung, der auch Potenziale für die Übertragbarkeit auf andere gefügte, metallische Multimaterialverbindungen bietet. Von diesen Ergebnissen profitieren Unternehmen aus dem Schiffbau, Fahrzeugbau sowie Maschinen- und Anlagenbau, die mit hybriden arbeiten. Die neue Bewertungsmethodik ermöglicht es, die Lebensdauer von Produkten präzise vorherzusagen und die strukturelle Integrität zu erhöhen.

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