VON DIRK DITTRICH, JENS STANDFUSS UND AXEL JAHN, DRESDEN

Moderne Leichtmetall-Gusskomponenten tragen in entscheidendem Maße 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. Diese Entwicklung steht im Einklang mit den Erfolgen, die bei der Gewichtsreduzierung von modernen Fahrzeugen aktuell erzielt werden und die Einsparung fossiler Brennstoffe zur Reduzierung der Emissionen von Personen-Kraftwagen ermöglichen. Für Leichtmetall-Legierungen auf Al- bzw. Mg-Basis wird dabei überwiegend das Atmosphären- Druckgießverfahren eingesetzt. Limitierend für die weitere Verbreitung solcher Komponenten im konstruktiven Leichtbau sind fehlende fügetechnische Lösungsmöglichkeiten 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.

Der Laserstrahl bietet hier große Vorteile für die Produktion. Als problematisch galt bisher das Handling der schmelzflüssigen Phase, bedingt durch den hohen Gasgehalt im Druckguss, der zu starker Porosität und stochastisch auftretenden Auswürfen der Schmelze führt. Druckdichte Schweißverbindungen konnten nicht garantiert werden. Zudem führte der fortwährende Qualitätsanspruch nach vollständig porenfreien Fügeverbindung zu einer unlösbaren Aufgabe.

Anders stellt sich die Situation mit der gegenwärtigen Entwicklung der Laserstrahlquellen dar. Getrieben durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Strahlwerkzeuge in den letzten Jahren und die erheblich reduzierten Investitionskosten je Kilowatt Laserleistung steigt deren Attraktivität für die Massenproduktion. Ergänzt durch die Verfügbarkeit von effektiv arbeitenden Optiksystemen zur Strahlablenkung eröffnen sich neue Lösungsansätze insbesondere für den Einsatz von schwierig schweißbaren Werkstoffen.

Die Motivation bestand darin, die Prozessführung zum Laserstrahlschweißen so weiterzuentwickeln, dass bestehende Qualitätseinschränkungen überwunden werden. Der am Fraunhofer IWS entwickelte Ansatz, den Schweißprozess aktiv durch hochfrequente Strahloszillation zu beeinflussen und dadurch die Schweißnahtqualität deutlich zu erhöhen, war Ziel der Forschung. Die drastische Reduzierung von Poren im Schweißgut sowie die sichere Vermeidung von Schmelzbadauswürfen standen im Mittelpunkt der Untersuchungen, um qualitätsgerechte Schweißverbindungen zu ermöglichen.

Dr.-Ing. Dirk Dittrich, Dr.-Ing. Jens Standfuß und Dr.-Ing. Axel Jahn, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS), Dresden