Neue Maßstäbe im Schiffbau: Laserstrahlschweißen für leistungsstarke Stahl-Aluminium-Verbindungen
n dem Forschungsvorhaben FOLAMI wurde die prozesssichere Herstellung von
dickwandigen Stahl-Aluminium-Mischverbindun
Laserstrahlschweißen untersucht. Forschende aus dem Fraunhofer-Institut
für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben dabei eine
Methode zur Bewertung der Stahl-Aluminium-Laserstrahlsch
und deren Anwendung in einem Adapter entwickelt.
Die Ergebnisse zeigen die
Effektivität des Stoff- und Formschlusses bei Laserstrahlschweißverfahren.
Das eröffnet Potenzial für Leichtbaukonzepte im Schiffbau und weiteren
Branchen, die mit hybriden Werkstoffsystemen arbeiten.
Im Schiffbau, insbesondere im Yachtbau, finden Multimaterialverbindungen
verbreitet Einsatz, wenn der Leichtbauwerkstoff Aluminium mit den
konventionell verarbeiteten Stahlwerkstoffen kombiniert wird,
beispielsweise als Fügetechnik des Aluminiumdeckaufbaus mit dem
Stahlrumpf. Realisiert wird diese Stahl-Aluminium-Mischverbindun
in Form sogenannter explosionsgeschweißter Adapter. Laserstrahlschweißen
kann hier als neuartiges Schweißverfahren zukünftig als alternative
Fertigungstechnik dienen. Diese entwickelte Methode erzeugt form- und
stoffschlüssige Fügeverbindungen mit deutlich verbesserten Festigkeiten,
insbesondere unter Kopfzugbelastung.
Neue Bewertungslösung mit Simulation und Peak-Stress-Methode
In dem Verbundprojekt FOLAMI »Formschlüssiges Laserstrahlschweißen der
Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im
Schiffbau« lieferte das Fraunhofer LBF begleitend zur
Schweißprozessentwicklung mit numerischen Belastungssimulationen für die
Optimierung der Schweißnahtgeometrien und Schweißprozessparameter
maßgeblichen Beitrag. Im Teilvorhaben des Fraunhofer LBF lag der Fokus in
der Entwicklung einer Methodik zur Bewertung der Stahl-Aluminium-
Laserstrahlschweißverbindungen und deren Umsetzung in einem geschweißten
Adapter. Dazu wurde eine lokale Bewertungsmethode, die sog. Peak-Stress-
Method, auf den Anwendungsfall der Stahl-Aluminium-Mischverbindun
Hilfe der digitalen Bildkorrelation zum Dehnungsabgleich übertragen und
eine lokale Schwingfestigkeitsbewertung realisiert. Die experimentellen
Ergebnisse zeigen neben gesteigerten Ermüdungsfestigkeiten des
entwickelten Adapterhalbzeugs hohe Zugfestigkeiten, die nahe an den
Dehngrenzen des Aluminiumreferenzwerkstoffs EN AW-5083 liegen, was auf die
Effektivität des Stoff- und Formschlusses hinweist.
KI-gestützte Lebensdauerprognose von Laserstrahlschweißnähten zwischen
Aluminium und Stahl
Der neu entwickelte Bewertungsablauf sieht vor, die sich einstellenden
Schweißnahtparameter, wie bspw. Anbindungsbreite oder Einschweißtiefe der
Laserstrahlschweißnaht von EN AW-6082 T6 Aluminium in S355 Stahl, mit der
nach der Peak-Stress-Method abgeleiteten und experimentell verifizierten
Schwingfestigkeit zu korrelieren. Als Erweiterung der Datenbasis gegenüber
den Versuchsergebnissen wurden Parametervariationen der
Schweißnahtgeometrien und Finite-Elemente-Belastungssimu
Ableitung von Peak-Stresses durchgeführt, die unterteilt in einen
Trainings- und Testdatensatz zur Prognose der Lebensdauer mit einem
neuronalen Netzwerk genutzt werden.
Übertragbarkeit auf andere gefügte metallische Multimaterialverbindungen
Mit dem Forschungsergebnis steht ein Bewertungsansatz für diese
spezifische Stahl-Aluminium-Mischverbindun
Potenziale für die Übertragbarkeit auf andere gefügte, metallische
Multimaterialverbindungen bietet. Von diesen Ergebnissen profitieren
Unternehmen aus dem Schiffbau, Fahrzeugbau sowie Maschinen- und
Anlagenbau, die mit hybriden arbeiten. Die neue Bewertungsmethodik
ermöglicht es, die Lebensdauer von Produkten präzise vorherzusagen und die
strukturelle Integrität zu erhöhen.
Hintergrund zum Projekt
Das Projekt „Formschlüssiges Laserstrahlschweißen der Mischverbindung aus
Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau“ (FOLAMI),
des Forschungszentrum Jülich GmbH (PtJ), wurde im Rahmen des Programms
»Maritime Technologien der nächsten Generation« durch das
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses
des Deutschen Bundestages gefördert.
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#Schiffbau
