Innovativer Leichtbau: Laserstrahlschweißen von Metallschaum
Metallschäume (zellulare metallische Werkstoffe) können durch die besonderen Eigenschaften der Lasermaterialbearbeitung geschweißt werden. Dadurch ist es möglich, die industrielle Anwendung dieser Leichtbaustoffe auszubauen.
Techniken der Zusatzwerkstoffzufuhr beim Laserstrahlschweißen von Metallschaum.
Durch die Qualifizierung bzw. Weiterentwicklung zellularer metallischer Werkstoffe, kurz Metallschäume, hat diese Werkstoffgruppe in der vergangenen Dekade stark an Bedeutung gewonnen. Damit die Metallschäume dem industriellen Anforderungsspektrum gerecht werden können, bedarf es einer zuverlässigen Fügetechnik. Das Laserstrahlschweißen stellt aufgrund seiner lokal begrenzten, konzentrierten Energiezufuhr ein vielversprechendes Verfahren dar.
Am Laser Zentrum Hannover e.V. haben Untersuchungen verdeutlicht, dass das Fügen der porösen Struktur nur unter Verwendung von Zusatzwerkstoff möglich ist. Hierfür kommen verschiedene Techniken der Zusatzwerkstoffzufuhr in Frage.
Durch die Verwendung von Zusatzdraht kann ein Zusammenfall der zellularen Struktur beim Phasenübergang fest-flüssig vermieden werden. Bei geringen Laserleistungen führt die partielle Abschirmung durch den Draht zur Minderung der Einschweißtiefe bzw. Vorschubgeschwindigkeit. Bei entsprechend höheren Leistungen ist jedoch auch hier ein Tiefschweißen realisierbar.
Gesteigerte Schweißgeschwindigkeiten und der energetisch günstigere Tiefschweißeffekt lassen sich erreichen, wenn Profile aus konventionellem Aluminiumblech oder aufschäumbarem Halbzeug im Fügespalt vordeponiert werden. Diese Zusatzwerkstoffe führen aufgrund der massiven Materialzugabe zu einer deutlich gesteigerten Dichte in der Fügezone.
Als weitere Techniken der Zusatzwerkstoffzufuhr können aktiv porenbildende pulver- und pastenförmige Materialien sowie die Einleitung von technischen Gasen in das laserinduzierte Schmelzbad zum Einsatz kommen. Derartige Methoden sind für ein eingeschränktes Grundwerkstoffspektrum mit einer Dichte ab 1,0 g/cm³ anwendbar. Vorteilhaft ist jedoch die dem Grundwerkstoffkennwert ähnliche Dichte in der Fügezone.
Die äußere Nahtbewertung verdeutlicht, dass die Schweißzone mit Ausnahme der Anwendung von Zusatzdraht eine geschlossene Oberfläche aufweist. Computertomographische Untersuchungen dokumentieren, dass die innere Nahtstruktur wesentlich durch den applizierten Zusatzwerkstoff determiniert wird. Die Festigkeit der Fügeverbindung liegt mindestens auf dem Niveau des Grundwerkstoffes. Eine gesteigerte Dichte in der Fügezone sowie die feinkörnige Kristallstruktur in der Übergangszone führen zu vergleichsweise hohen Kennwerten. Die Ergebnisse der Arbeit weisen die Eignung des Laserstrahlschweißens für zellulare Aluminiumwerkstoffe mit Materialstärken bis 15 mm nach.
Teile der Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG unterstützt. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Technologie und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.
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Laser Zentrum Hannover e.V.
Herr Michael Botts
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