VON DIRK DITTRICH, DRESDEN

Gussbauteile aus Aluminium werden in der Serienfertigung in vielfältigen Bereichen und hohen Stückzahlen eingesetzt. Immer wenn derartige Gussbauteile in bestehende Konstruktionen eingesetzt werden, entstehen zwangsläufig vielseitige fügetechnische Fragestellungen. Druckgussbauteile gelten bisher als schwer bis nicht schweißbar. Dies liegt insbesondere an den eingeschlossenen Gasen, die während des Schweißprozesses zu großen Poren und Auswürfen führen können. Die erzielbare Nahtfestigkeit wird dadurch stark herabgesetzt. Neue schweißtechnische Verfahrensvarianten können diesem Umstand entgegenwirken und die erzielbaren Verbindungsfestigkeiten deutlich steigern. Bei diesen Technologien handelt es sich einerseits um das Laserstrahlschweißen (LBW) und andererseits um das Rührreibschweißen (FSW).

Moderne Leichtmetall-Gusskomponenten tragen in entscheidendem Maß zum konstruktiven Leichtbau bei gleichzeitig hoher Funktionsintegration der Bauteile bei. Insbesondere die Erzeugung filigraner Rippen zur Erhöhung der Bauteilsteifigkeit von strukturrelevanten Gussknoten und die Ausformung von dünnwandigen Pumpen- bis hin zu komplexen Kurbelgehäusen mit hervorragender mechanischer und thermischer Belastbarkeit, sind für die Automobilbranche zum technischen Standard geworden. Für Leichtmetall-Legierungen auf Al-Basis wird dabei überwiegend das Atmosphären- Druckgießverfahren eingesetzt. Limitierend für die weitere Verbreitung solcher Komponenten im konstruktiven Leichtbau sind fehlende fügetechnische Möglichkeiten mit effizienten Verfahren. Der Einsatz von Strahlverfahren, insbesondere mit dem Elektronenstrahl, eröffnete in der Vergangenheit Insellösungen. Diese waren jedoch aufgrund der unzureichenden Weiterentwicklung des Verfahrens mit hohen Kosten verbunden. Zudem standen fehlende Ansätze zur Steigerung der realisierbaren Stückzahlen, insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Gleichteileproduktion, der Verbreitung des Verfahrens entgegen. Große Vorteile für die Produktion bieten hier Laserstrahlschweißverfahren, wie sie in der Massenproduktion flächendeckend eingesetzt werden. Als problematisch galt bisher das Handling der schmelzflüssigen Phase, bedingt durch den hohen Gasgehalt im Druckgussbauteil, der zu starker Porosität und stochastisch auftretenden Auswürfen der Schmelze führte. Druckdichte Schweißverbindungen konnten nicht garantiert werden.

Anders stellt sich die Situation mit der gegenwärtigen Entwicklung der Laserstrahlquellen dar. Getrieben durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Strahlwerkzeuge in den letzten Jahren und den erheblich reduzierten Investitionskosten pro Kilowatt Laserleistung steigt dessen Attraktivität für die Massenproduktion weiter. Ergänzt durch die Verfügbarkeit von effektiv arbeitenden Optiksystemen zur Strahlablenkung eröffnen sich neue Lösungsansätze, insbesondere für den Einsatz bei schwierig schweißbaren Werkstoffen. Beim Laserstrahlschweißen (LBW) können nun Strahlquellen höchster Qualität eingesetzt und durch geeignete Strahlablenkoptiken eine hochfrequente Strahloszillation im Schmelzbad erzeugt werden. Dies ermöglicht reproduzierbare, qualitativ hochwertige Schweißverbindungen. Motiviert von der Idee, die Prozessführung so weiterzuentwickeln, dass bestehende Qualitätseinschränkungen überwunden werden, war das Forschungsziel des am Fraunhofer-IWS entwickelten Ansatzes, den Schweißprozess aktiv durch hochfrequente Strahloszillation zu beeinflussen und dadurch die Schweißnahtqualität deutlich zu erhöhen.

Weiterhin stand die drastische Reduzierung von Poren im Schweißgut sowie die sichere Vermeidung von Schmelzbadauswürfen im Mittelpunkt der Untersuchungen, um qualitätsgerechte Schweißverbindungen zu ermöglichen. Neben dem LBW steht mit dem Rührreibschweißen (FSW) ein weiteres Verfahren zum Schweißen von Aluminiumdruckgussbauteilen zur Verfügung. Das neuartige Verfahren eignet sich hervorragend für das Schweißen von Aluminiumdruckguss, da das Schweißgut prozessinhärent nicht aufgeschmolzen, sondern thermomechanisch bearbeitet wird. Dies verhindert die Freisetzung der im Gusswerkstoff vorhandenen Gase in den Fügebereich, sodass ein nahezu porenfreies Schweißgut entsteht. Abhängig von Bauteilgeometrie und -wandstärke birgt das Verfahren enorme Vorteile im Sektor der medien- und druckdichten Schweißanwendungen an gleichartigen und ungleichartigen Metallen. Je ein Beispiel des LBW und des FSW verdeutlichen im Folgenden die fügetechnischen Möglichkeiten zum qualitätsgerechten Schweißen von Aluminiumdruckgussbauteilen. 

Weitere Informationen

Dr.-Ing. Dirk Dittrich
Gruppenleiter Laserstrahlschweißen / Geschäftsfeld Fügen
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Winterbergstraße 28
01277 Dresden
dirk.dittrich(at)iws.fraunhofer.de
www.iws.fraunhofer.de