Laser schweißt großformatige Metallschaum-Sandwiches
LZH erzielt viel versprechende Ergebnisse für Leichtbaukonstruktionen wie etwa im Schiffbau.
Metallschäume sind hochporöse, leichte Materialien, die aufgrund ihrer zellularen Struktur hervorragend Energie in Form von Schwingungen, Stößen oder Schall dämpfen, temperaturbeständig sind und gleichzeitig elektromagnetische Wellen abschirmen. In Sandwichkonstruktionen, also im Verbund mit Aluminium- oder Stahlblechen, zeigen Metallschäume eine vielfach höhere Biegesteifigkeit als massive Bleche und eignen sich aufgrund ihres geringen Gewichts besonders für Leichtbaukonstruktionen sowie dynamisch stark beanspruchte Teile.
Abb.: Geschweißte Knieblech-Kehlnaht (Bild: LZH)
Diese großformatigen Metallschaumsandwiches sind auch für hoch belastete Schiffsstrukturbauteile wie Maschinenfundamente oder Ruderstrukturen von großem Interesse, da sie Gewichtseinsparungen bis zu 20 Prozent ermöglichen. Die Stahl-Al-Leichtbaustrukturen stellen jedoch aufgrund der Inhomogenität des Schaumkerns, der hohen Steifigkeit und der besonderen Materialstärken außergewöhnliche Anforderungen an das Fügen. So besteht beispielsweise die Gefahr, dass der Wärmeeintrag beim Aufschäumen des Aluminiums in Mischsandwiches einen Materialverzug und Welligkeiten erzeugt. Durch den Schweißprozess kann es ferner zu intermetallischen Phasen mit der Gefahr einer späteren Rissbildung in der Schweißnaht kommen.
Forscher der Gruppe ‚Fügen und Trennen von Metallen‘ am LZH haben im Rahmen des Verbundprojekts MESCHLAS ein Verfahren zum Laserschweißen großformatiger Metallschaumsandwiches entwickelt, bei dem sich keine intermetallischen Phasen bilden. Mit Hilfe transportabler Achssysteme sowie eines mobilen Diodenlasers, bereitgestellt durch die Firmen Scientific and Efficient Technologies Ltd. (SET) und LASER on demand GmbH (LoD), wurde dieses Verfahren kürzlich bei Blohm + Voss Naval GmbH in Emden im Rahmen der Fertigung eines Getriebefundament-Demonstrators erfolgreich getestet.
Als erster Schritt ist eine mechanische Bearbeitung der Paneel-Kanten notwendig, um den im Fügebereich anhaftenden Aluminiumschaum von den Stahldeckblechen (S235JR) zu entfernen und somit intermetallische Phasen zu vermeiden. Dann müssen die Bauteile unter Einhaltung eines technischen Nullspaltes exakt positioniert werden – aufgrund der besonderen Ausmaße der Teile eine große Herausforderung. Anschließend werden die Sandwichpaneele durch Schweißpunkte mittels konventionellem Schweißen endgültig fixiert. Zum Laserschweißen der Stumpfstöße und Kehlnähte wird ein Diodenlaser im Wellenlängenbereich von 900 bis 1030 nm sowie mit einer Ausgangsleistung von 5 kW eingesetzt. Im Praxistest konnten Spalte von bis zu 0,6 mm überbrückt und durchgehende Schweißnähte hergestellt werden. Je nach Blechstärke (bis zu 5mm) variierte die Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0,2 und 1,5 m/min.
MESCHLAS möchte dem Anwender eine auf der Sandwichtechnologie basierende Leichtbauweise einschließlich der erforderlichen Fertigungstechnologie zur Verfügung stellen. An diesem ganzheitlichen Ansatz arbeitet das LZH gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU sowie den Unternehmen Blohm + Voss Naval GmbH und Precitec Optronik GmbH. Das Vorhaben wird gefördert vom BMWi aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags.
LZH / OD
