FOLAMI - Bewertungslösung für Stahl-Aluminium-Schweißnähte im Schiffdesign

Im Forschungsprojekt »FOLAMI« hat sich das Fraunhofer LBF der Bewertung der durch formschlüssiges Laserstrahlschweißen erzeugten Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau gewidmet. Begleitend zur Schweißprozessentwicklung dienten numerische und experimentelle Untersuchungen dazu, die Betriebsfestigkeit zunächst auf Probenebene und anschließend für spezifisch optimierte Adapter als Verbindungselemente zwischen Stahl- und Aluminium-Konstruktionselementen abzusichern.

Im Forschungsprojekt »FOLAMI« hat sich das Fraunhofer LBF der Bewertung der durch formschlüssiges Laserstrahlschweißen erzeugten Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau gewidmet. Begleitend zur Schweißprozessentwicklung dienten numerische und experimentelle Untersuchungen dazu, die Betriebsfestigkeit zunächst auf Probenebene und anschließend für spezifisch optimierte Adapter als Verbindungselemente zwischen Stahl- und Aluminium-Konstruktionselementen abzusichern.

Laserstrahlschweißen als Alternative für Stahl-Aluminium-Verbindungen im Yachtbau

Im Schiffbau, insbesondere im Yachtbau, finden Multimaterialverbindungen bereits verbreitet Einsatz, wenn der Leichtbauwerkstoff Aluminium mit den konventionell verarbeiteten Stahlwerkstoffen kombiniert werden. Realisiert wird diese Stahl-Aluminium-Mischverbindung bislang in Form sog. explosionsgeschweißter Adapter, auch als Sprengplattieren bekannt. Alternativen zu diesem Fertigungsverfahren werden durch erhöhte Kosten oder konstruktive bzw. funktionale Einschränkungen motiviert. Laserstrahlschweißen kann hier als neuartiges Schweißverfahren zu einem alternativen Fertigungsprozess führen.

Optimierung und Bewertung mit Simulation und Peak-Stress-Methode

Bei der Schweißprozessentwicklung unterstützte das Fraunhofer LBF zunächst durch numerische Belastungssimulationen die Optimierung der Schweißnahtgeometrien und folglich Schweißprozessparameter. Der Fokus der Forschungsarbeit lag in der Entwicklung einer Methodik zur Bewertung der der Stahl-Aluminium-Laserschweißverbindungen und dessen Umsetzung in einem geschweißten Adapter. Dazu wurde eine lokale Bewertungsmethode, die sog. Peak-Stress-Method, auf den Anwendungsfall der Stahl-Aluminium-Mischverbindung mit Hilfe der digitalen Bildkorrelation zum Dehnungsabgleich übertragen.

KI-gestützte Lebensdauerprognose von Laserschweißnähten zwischen Aluminium und Stahl

Der durch die Wissenschaftler des LBF entwickelte Bewertungsablauf sieht vor, die sich einstellenden Schweißnahtparameter, wie bspw. 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. Als Erweiterung der Datenbasis gegenüber den Versuchsergebnissen wurden Parametervariationen der Schweißnahtgeometrien und Finite-Elemente-Belastungssimulationen zur 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 nicht nur ein Bewertungsansatz für diese spezifische Stahl-Aluminium-Mischverbindung zur Verfügung, sondern es bietet auch das Potenzial der Übertragbarkeit auf andere gefügte metallische Multimaterialverbindungen. Gerade vor diesem Hintergrund kann diese Bewertungsmethode über Anwendungen von Schweißverbindungen im Schiffbau hinausgehend auf Anwendungsfälle anderer Branchen übertragen werden.

Förderer und Partner

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 Forschungsprogrammes Maritime Technologien der nächsten Generation vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

• Forschungsprogramm: Maritime Technologien der nächsten Generation
• Verbundprojekt: FOLAMI – Formschlüssiges Laserstrahlschweißen der Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau
• Forschungsvorhaben: Bewertung der durch formschlüssiges Laserstrahlschweißen erzeugten Mischverbindung aus Stahl und Aluminium für betriebsfeste Halbzeuge im Schiffbau
• Förderkennzeichen: 03SX547C

Laufzeit: 01.06.2021 – 31.12.2024

Projektpartner:

• 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)
• Precitec Optronik GmbH