Laser fügt Stahl und Aluminium

Stahl und Aluminium punkten mit jeweils spezifisch anderen Vorzügen im Leichtbau. Nun gelingt es mit neuartigen Laserschweißverfahren, die so unterschiedlichen Metalle thermisch zu fügen.

Forscher am Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) haben ein zweistrahliges Laserverfahren entwickelt, mit dem sich feste, qualitativ hochwertige Verbindungen zwischen Stahl und Aluminium herstellen. Sascha Frank, Leiter dieses Forschungsprojekts, wurde von der Fachcommunity für die Entwicklung mit dem „Erlangen Innovation Award Optical Technologies“ ausgezeichnet.

Das neue Laser-Fügeverfahren kombiniert zwei unterschiedliche Laserstrahlen: einen gepulsten mit einem kontinuierlichen. Der kontinuierliche Laserstrahl erwärmt – wie bei einem Laserlötprozess – beide Werkstoffe. Dann zerstört der zweite, gepulste Laser die dichte, hitzebeständige Oxidschicht des Aluminiums und ermöglicht so die Benetzung. Auf diese Weise gelingt es, das Aluminium bei besonders geringer Temperatur schnell und ohne umweltschädliche Flussmittel mit dem Stahl zu verbinden.

Herausbildung Intermetallischer Phasen wird vermieden

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Auch spröde Intermetallische Phasen, die bei zu hohen Prozesstemperaturen entstehen und die Festigkeit des Verbindung beeinträchtigen, lassen sich dadurch vermeiden. Im Gegenteil: Die Festigkeit der Verbindung kann mit dem Zweistrahlverfahren sogar höher sein als die des Ausgangsmaterials. Zusätzlich zugeführte Zink- oder Aluminiumdrähte unterstützen die Bildung einer guten Naht.

Konventionelle Schweißverfahren sind für das Fügen von Stahl und Aluminium oft unbrauchbar, da sie breite Zonen an intermetallischen Phasen erzeugen, die ein sehr sprödes Verhalten zeigen. Das ließ auch die Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden nicht ruhen. Ihnen ist es nun gelungen, Stahl-Aluminium-Mischverbindungen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften durch die Kombination zweier Fügeverfahren herzustellen: das Laserstrahlschweißen und das Laserinduktionswalzplattieren (LIWP).

Zweistufiger Prozess

Dabei handelt es sich um einen zweistufigen Prozesses. Im ersten Schritt, dem Laserinduktionswalzplattieren, erfolgt zunächst die Herstellung eines Bimetallbandes aus der gewünschten Materialkombination. Dazu werden die zwei bandförmigen Ausgangsmaterialien induktiv vorgewärmt, mit einem speziell geformten Laserstrahl partiell auf Fügetemperatur gebracht und mittels Walzplattieren flächig miteinander verbunden. Dabei entsteht eine sehr feste und zugleich duktile Fügezone, die nahezu frei von spröden intermetallischen Phasen ist.

Beim Verbinden von Blechen aus Aluminium einerseits und Stahl andererseits dient das geometrisch an die Verbindungsstelle angepasste Bimetallband als Bindeglied (Transition Joint) zwischen den beiden unterschiedlichen Materialien. Die jeweils artgleichen Verbindungen zwischen Blech und Transition-Joint werden vorteilhaft durch La-serstrahlschweißen hergestellt, welches nach Angaben der Desdner Forscher Prozessgeschwindigkeiten von 5 m/min und mehr ermöglicht. Der dabei auftretende lokal begrenzte Energieeintrag beeinträchtige die Eigenschaften des Bimetallbandes nahezu nicht. Neben Überlapp- und Eckstößen könnten auch echte Stumpfstöße erzeugt werden, wie sie bisher nur in der Tailored-Blank-Fertigung bekannt sind.