Verbundvorhaben: Formschlüssiges Laserstrahlschweißen der Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau (FOLAMI); Teilvorhaben: Laserstrahlschweißen von formschlüssigen Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mittels Einschweißtiefenregelung

Abstract

Zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit des maritimen Standorts Deutschland sind innovative und effiziente Fügetechnologien für den Schiffbau, insbesondere im Bereich des Fügens von Mischverbindungen aus Stahl und Aluminium, zwingend erforderlich. Die Bauteile aus den unterschiedlichen Werkstoffen werden standardisiert mit explosionsgeschweißten Adaptern stoffschlüssig verbunden. Die Herstellung von derartigen Adaptern ist jedoch zeit- und kostenintensiv, sodass eine hohe Nachfrage nach ökonomischen Alternativen besteht. Eine Möglichkeit ist das Laserstrahlschweißen, da aufgrund der gezielt lokal eingebrachten Energie eine kontrollierten Durchmischung der Schmelze ent-steht und das Auftreten spröder intermetallischer Phasen reduziert wird. Beim Schmelzschweißen bilden sich aufgrund der begrenzten Löslichkeit von Eisen in Aluminium spröde intermetallische Phasen im Übergangsbereich zwischen beiden Werkstoffen. Durch diesen Phasensaum versagen die Mischverbindungen, insbesondere unter Kopfzugbelastung, frühzeitig entlang des Phasensaums durch einen Ausknöpfbruch. Um die Verbindungsfestigkeit zu erhöhen, wird ein gezielter Hinterschnitt mit Hilfe des Laserstrahls erzeugt. In diesem Teilvorhaben werden Schweißprozesse zum Fügen von Stahl S355 (t = 5 mm) an die Aluminiumlegierung EN AW-6082 (t = 12 mm) als I-Naht im Überlappstoß unter Einsatz von zwei gependelten und seitlich angestellten Laserstrahlen sowie einer spektrometerbasierten Einschweißtiefenregelung entwickelt. Ziel ist die Erhöhung der Verbindungsfestigkeit durch die Erzeugung eines Hinterschnitts bei gleichzeitig konstanter Schweißnahtqualität mit Hilfe der zu entwickelnden Einschweißtiefenregelung. Um das Gefüge vorteilhaft zu beeinflussen, werden die Aluminiumbleche als untere Fügepartner mit zwei Nuten versehen, die vor dem Schweißen mit Eisenpulver gefüllt werden. Dadurch soll ein eisenreiches Gefüge mit verbesserten mechanischen Eigenschaften eingestellt werden. Unter Verwendung opti-mierter Prozessparameter werden Adapter hergestellt und deren mechanische Eigenschaften evaluiert. Zur Erlangung eines grundlegenden Prozessverständnisses zum Laserstrahlschweißen dieser Mischverbindung unter Einsatz der nut- und pulverbasierten Schweißmethode werden die Untersuchungen zu Beginn ohne den Einsatz einer Regelung durchgeführt. Als wesentliches Ergebnis konnte erstmals die generelle Schweißbarkeit dieser dickwandigen Mischverbindung im Labormaßstab aufgezeigt werden. Die erzeugten Mischverbindungen weisen unter Verwendung adäquater Schweißparameter bestmögliche Eigenschaften im Hinblick auf äußere Erscheinungsform, Unregelmäßigkeiten, Verbin-dungsfestigkeit etc. auf. Die 25 mm breiten Proben erreichen im Kopfzugversuch eine max. Kopfzugkraft von 11,6 kN, was die Kraft bei der Streckgrenze des Stahlblechs überschreitet. Im Scherzugversuch wurde eine hohe max. Scherzugkraft von etwa 26 kN, welche der Dehngrenze der im Schiffbau verbreiteten Aluminiumlegierung EN AW-5083 (t = 8 mm) entspricht, gemessen. Mit den ermittelten Schweißparameter wurden schiffbaugerechte Adapter im LZH-Labor hergestellt und unter symmetrischer und asymmetrischer Belastung die Verbindungsfestigkeit im Zugversuch bewertet. Die max. Zugkraft von symmetrisch geprüften Proben liegt bei einem Wert von etwa 35 kN. Im Vergleich hierzu tritt das Versagen unter asymmetrischen Bedingungen bei geringerer max. Zugkraft von etwa 29 kN ein. Beide Versuchsreihen weisen eine geringe Streuung und damit eine hohe Reproduzierbarkeit auf. Das Versagen findet im Bereich des Schweißgutes und der Wärmeeinflusszone des angeschweißten Bleches aus der Aluminiumlegierung statt. Im Vorhabens wurde das spektrometerbasierte Einschweißtiefenregelungssystem unter Einsatz von zwei sich kreuzenden Laserstrahlen erfolgreich entwickelt. Zur Validierung wurden typische Unwägbarkeiten des industriellen Umfelds, wie z. B. falsch gewählte Schweißgeschwindigkeiten, variierende Materialdicken etc., nachgestellt und deren Einflüsse auf die Regelung untersucht. Die Soll-Intensität wurde durch den Einsatz der Regelung nahezu erreicht. Einschweißtiefe, äußere Erschei-nungsform, Schweißnahtunregelmäßigkeiten und Verbindungsfestigkeit sind trotz der Störgrößen gleichbleibend. Ohne Regelung resultieren Verbindungen mit einer hohen Anzahl an Unregelmäßigkeiten und signifikant geringerer Verbindungsfestigkeit. Diese innovative Fügetechnologie für die Mischverbindung kann bei erfolgreicher Umsetzung einen großen Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit des maritimen Standorts Deutschland leisten. Innovative and efficient joining technologies are essential in the manufacture of ships, particularly in the joining of dissimilar joints of steel and aluminum, in order to ensure the competitiveness of Germany as a maritime location. The components of the different materials are joined standardized using a explosion-welded adapter. However, the production of such adapters is time-consuming and cost-intensive, so there is a high demand for economic alternatives. Laser beam welding is a good option, as the targeted localized application of energy results in controlled mixing of the melt, which can reduce the occurrence of brittle intermetallic phases. During fusion welding, brittle intermetallic phases form in the transition area between the two materials due to the limited solubility of iron in aluminum. As a result of this phase seam, premature failure of the dissimilar joints occurs, particularly under tensile loading. The seams fail along the phase seam due to a button-out fracture. In order to increase the joint strength, an undercut is created between the joining partners positioned in the overlap using the laser beam. In this sub-project, welding processes for joining steel S355 (t = 5 mm) to the aluminum alloy EN AW-6082 (t = 12 mm) are devel oped as an I-seam in a lap joint using two oscillating and laterally angled laser beams as well as a spectrometer-based penetration depth control. The aim is to increase the joint strength by creating an undercut while maintaining a constant weld seam quality with the help of the penetration depth control to be developed. In order to influence the microstructure, the aluminum sheets as lower joining partners are prepared with two grooves, which are filled with iron powder before welding. The aim is to achieve an iron-rich microstructure with improved mechanical properties. Finally, adapters are produced using optimized process parameters and eval uated on the basis of the mechanical properties. In order to gain a basic understanding of the laser welding process for this dissimilar joint using the groove and powder-based welding method, the investigations are initially carried out without the use of a penetration depth control. As a key result, the general weldability of this thick-walled dissimilar joint was demonstrated for the first time on a laboratory scale. The dissimilar joints produced exhibit the best possible properties in terms of external appearance, imperfections, joint strength etc., when adequate welding parameters are used. For example, the 25 mm wide specimens achieved a max. cross tension force of 11.6 kN in the cross tension test, which is higher than the yield strength of the S355 steel sheet used (t = 5 mm). In the shear tensile test, a high max. shear tensile force of around 26 kN was achieved, which corresponds approximately to the yield strength of the aluminum alloy EN AW-5083 (t = 8 mm) often used in shipbuilding. Using the welding parameters determined, adapter specimens designed for shipbuilding were produced by laser welding in the LZH laboratory and evaluated under symmet rical and asymmetrical loading with regard to the joint strength in the tensile test. The max. tensile force of symmetrically tested samples is around 35 kN. In comparison, failure under asymmetrical conditions occurs at a lower max. tensile force of around 29 kN. Both test series show low scatter and therefore high reproducibility. Failure occurs in the area of the weld metal and the heat affected zone of the welded sheet of the aluminum alloy EN AW-6082. In the course of the project, the spectrometer-based penetration depth control system was successfully developed using two intersecting laser beams. For validation, typical uncertainties in the industrial environment, such as incorrectly selected welding speeds, varying material thicknesses, etc., were simulated and their influences on the control system were investigated. In this context, the target intensity used was almost achieved through the use of spectrometer-based penetration depth control. This means that the welding penetration depth, external appearance, weld seam imperfections and joint strength remain constant despite the disturbance variables. In contrast, this leads to joints with a high number of imperfections and a significantly lower joint strength without the use of a penetration depth control. If successfully implemented, this innovative joining technology for joining these dissimilar joints can make a major contribution to the competitiveness of Germany as a maritime location.