Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterung des Verarbeitungsspektrums von laserstrahlgeschweißten Komponenten im Powertrain durch den Einsatz einer dynamischen Strahlablenkung und reduzierten Umgebungsdruck

Moderne Festkörperlaser bieten aufgrund hoher Strahlqualität, Energieeffizienz, Verfügbarkeit sowie aufgrund der flexibleren Strahlführung zahlreiche Vorteile für Fügeaufgaben im Fahrzeug- und Getriebebau. Gleichzeitig stellen diese jedoch erhöhte Anforderungen an die Fertigungs- und Positioniergenauigkeit der zu fügenden Bauteile. Insbesondere bei Bauteilen, die verarbeitungstechnisch bedingte Toleranzen aufweisen, beispielsweise Lammellenträger im Automatikgetriebe, stellt dies eine Herausforderung dar.

Das übergeordnete Ziel des angestrebten Forschungsvorhabens besteht daher darin, die Anwendungsgrenzen des Laserstrahlschweißens mit Festkörperlasern durch eine Erhöhung der Prozessstabilität zum Ausgleich fertigungsbedingter Toleranzen für den Einsatz im Getriebebau zu erweitern. Dem Forschungsvorhaben liegt die Arbeitshypothese zugrunde, dass beim Laserstrahlschweißen mit Festkörperlasern die Anwendung einer dynamischen Strahloszillation in Kombination mit reduziertem Umgebungsdruck zu einer signifikanten Verbesserung der Spalt- und Kantenversatzüberbrückbarkeit bei gleichzeitiger Erzielung hoher Nahtqualitäten führt. Um grundlegende Methoden und Prozessparameter zum Laserstrahlschweißen toleranzbehafteter Bauteile zu erarbeiten, erfolgt zunächst eine separate Bewertung der Verfahren Laserstrahlschweißen im Unterdruck und Laserstrahlschweißen mit dynamischer Strahloszillation. Darauf aufbauend wird der Einfluss der Verfahrenskombination auf die Prozessgrenzen sowie die Auswirkung der dynamischen Vorgänge auf das Schweißergebnis an im Getriebebau gängigen Stahlgüten untersucht.

Im Ergebnis tragen die Untersuchungen zu einem erweiterten Prozessverständnis, einer Reduktion der Fertigungskosten sowie einer erhöhten Fertigungssicherheit bei. Insbesondere KMU aus den Bereichen Lohnfertigung sowie Herstellung von Strahlschweißanlagen profitieren dabei, durch eine Erweiterung des Anwendungs- und Angebotsspektrums, direkt von den Projektergebnissen.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Projekt erzielten Ergebnisse und entwickelten Methoden zeigen aus wissenschaftlich-technischer Sicht die Grenzen und Möglichkeiten zur Spaltüberbrückung beim Laserstrahlschweißen mit Festkörperlaser auf. Vor dem Hintergrund einer minimierten Schweißspritzerbildung wurden diesbezüglich im Speziellen die Auswirkungen und Wechselwirkungen eines reduzierten Umgebungsdrucks ermittelt. Als eine Methode zur Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Überbrückung von Fügespalten wurde der Einsatz einer Strahloszillation identifiziert. Dazu wurden im Projekt bislang ungeklärte Einflüsse der Strahldynamik mit sinkendem Umgebungsdruck untersucht und Empfehlungen zur Ermittlung optimaler Prozessparameter erarbeitet, die durch die beteiligten Industriepartner im Unternehmen weiterentwickelt bzw. auf konkrete Anwendungen übertragen werden können. Die entwickelte Technologie baut dabei auf bestehenden Fertigungsprozessen auf.

Die erzielten Forschungsergebnisse geben dem industriellen Anwender, als Erweiterung zu bestehenden Prozessen, die Möglichkeit zum prozesssicheren Fügen toleranzbehafteter Bauteile mittels Festkörperlaser und unterstützen den Anwender bereits frühzeitig in der Produktplanungsphase bei der Wahl eines für den Anwendungsfall optimalen Schweißverfahrens. Eine Erweiterung der Anwendungsgrenzen hinsichtlich Spaltüberbrückbarkeit bei gleichzeitiger Erzielung hoher Nahtqualitäten führt ferner zu optimierten Produktionskosten durch reduzierte Anforderungen an die Fertigungstoleranzen, eine erhöhte Fertigungssicherheit und Ausschussreduktion sowie einer Reduktion der Fertigungszeit durch einen verringerten Aufwand für die Schweißnahtvor- und –Nachbehandlung. Aufgrund der erweiterten Prozessgrenzen tragen die Ergebnisse weiterführend dazu bei, neue Bauteil- und Werkstoffkonzepte zu ermöglichen. Dies führt direkt zu einer erweiterten technologischen Kompetenz sowie einem Alleinstellungsmerkmal, welches KMU wirksam gegenüber Großunternehmen abhebt.