Im Forschungsprojekt „FOLAMI“ widmete sich das Fraunhofer‑Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF der Bewertung der durch formschlüssiges Laserstrahlschweißen erzeugten Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau. Begleitend zur Schweißprozessentwicklung wurden numerische und experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Betriebsfestigkeit zunächst auf Probenebene und anschließend für spezifisch optimierte Adapter als Verbindungselemente zwischen Stahl- und Aluminium-Konstruktionselementen abzusichern.
Im Schiffbau, insbesondere im Yachtbau, findet der Leichtbauwerkstoff Aluminium bereits häufig Verwendung in Kombination mit konventionell verarbeiteten Stahlwerkstoffen. Die bislang üblichen Stahl-Aluminium-Verbindungen realisiert man durch sogenannte explosionsgeschweißte Adapter, auch bekannt als Sprengplattieren. Allerdings sind Alternativen zu diesem Fertigungsverfahren oftmals mit höheren Kosten oder konstruktiven beziehungsweise funktionellen Einschränkungen verbunden. Das Laserstrahlschweißen kann hier als neuartiges Verfahren eine alternative Produktionsmöglichkeit darstellen.
Optimierung und Bewertung per Simulation und Peak-Stress-Methode
Im Rahmen der Schweißprozessentwicklung unterstützte das Institut zunächst durch numerische Belastungssimulationen die Optimierung der Schweißnahtgeometrien und damit auch der Prozessparameter. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit lag auf der Entwicklung einer Methodik zur Bewertung der Stahl-Aluminium-Laserschweißverbindungen sowie deren Umsetzung in einem geschweißten Adapter. Hierzu wurde eine lokale Bewertungsmethode, die sogenannte „Peak-Stress-Method“, auf den Anwendungsfall der Stahl-Aluminium-Mischverbindung übertragen – unter Verwendung der digitalen Bildkorrelation zum Dehnungsabgleich.
KI-gestützte Lebensdauerprognose von Laserschweißnähten zwischen Aluminium und Stahl
Der vom Institut entwickelte Bewertungsablauf sieht vor, Schweißnahtparameter wie etwa die Anbindungsbreite oder Einschweißtiefe der Laserschweißnaht von EN AW-6082 T6 Aluminium in S355 Stahl mit der nach der Peak-Stress-Method abgeleiteten und experimentell verifizierten Schwingfestigkeit zu korrelieren. Zur Erweiterung der Datenbasis wurden Parametervariationen der Schweißnahtgeometrien und Finite-Elemente-Belastungssimulationen zur Ableitung von „Peak Stresses“ durchgeführt. Diese Daten wurden – aufgeteilt in Trainings- und Testdatensatz – zur Prognose der Lebensdauer mit einem neuronalen Netzwerk verwendet.
Übertragbarkeit auf weitere metallische Multimaterialverbindungen
Mit dem Forschungsergebnis steht nicht nur ein Bewertungsansatz für diese spezifische Stahl-Aluminium-Mischverbindung zur Verfügung, sondern es zeigt sich auch das Potenzial, diese Bewertungsmethode auf andere gefügte metallische Multimaterialverbindungen zu übertragen. Gerade vor diesem Hintergrund kann diese Methodik über Anwendungen von Schweißverbindungen im Schiffbau hinaus auch auf andere Branchen angewendet werden.
Förderer und Projektpartner
Das Verbundprojekt „Formschlüssiges Laserstrahlschweißen der Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau (FOLAMI) – Teilvorhaben Bewertung der durch formschlüssiges Laserstrahlschweißen erzeugten Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau (Förderkennzeichen 03SX547C)“, des Forschungszentrum Jülich GmbH (PtJ), wurde im Rahmen des Forschungsprogramms „Maritime Technologien der nächsten Generation“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie auf Grundlage eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Laufzeit erstreckte sich vom 01.06.2021 bis 31.12.2024. Zu den Projektpartnern gehörten unter anderem die B.I.G. Technology Services GmbH, Coherent (Deutschland) GmbH (assoziiert), Fr. Lürssen Werft GmbH & Co. KG (assoziiert), Hilbig GmbH (assoziiert), LASER on demand GmbH, Laser Zentrum Hannover e.V., MEYER WERFT GmbH & Co. KG (assoziiert) sowie die Precitec Optronik GmbH.
