Das Strahlwerkzeug Laser bietet großes Potential für die Fügetechnik. Daher ist die Erforschung und Weiterentwicklung insbesondere des Laserschweißens und Laserlötens essentieller Teil der Arbeiten am BIAS. Das breite Spektrum an fügetechnischen Fragestellungen wird am Institut durch die zwei Schwestergruppen - Fügetechnik und Fügeprozesse – abgedeckt.

Zum einen werden gänzlich neue Wege erdacht und erprobt sowie zum anderen etablierte Technik stetig weiterentwickelt, wobei die industrielle Umsetzbarkeit stets im Blick bleibt. Nach dem Leitbild des BIAS „Wissen schafft Wirtschaft“ treibt uns voran, neben Erkenntnissen in der Wissenschaft Erträge beim Kunden zu generieren.

Die Gruppe Fügetechnik beschäftigt sich dabei im Rahmen von Forschungs und Entwicklungsprojekten sowie Industrieaufträgen schwerpunktmäßig mit dem Fügen von Leichtmetallen und Multi-Material-Verbindungen. Dabei reicht die Bandbreite von der Grundlagenforschung bis zur Fertigung industrieller Demonstratoren oder Kleinserien. Während im Automobil- und Flugzeugbau klassischerweise der Dünnblechbereich im Fokus der Arbeiten steht, etabliert sich der Laser zunehmend auch im Mikrobereich aufgrund seiner Vorteile im Hinblick auf Präzision und Reproduzierbarkeit.

Die große Palette an zur Verfügung stehenden Laserstrahlquellen von wenigen Watt bis zu 12 kW Ausgangsleistung erlaubt in Verbindung mit unterschiedlichsten Strahlführungs- und Strahlformungssystemen verschiedenste fügetechnische Anwendungen.

Beim Laserschweißen von Aluminiumlegierungen liegen typische Herausforderungen in der Vermeidung von Nahtfehlern wie Poren, Spritzern und Heißrissen sowie in der Erhöhung der Spaltüberbrückbarkeit oder der Oberflächenqualität. Lösungsansätze reichen von prozesstechnischen und metallurgischen Ansätzen beispielsweise zur Gefügesteuerung bis zur

Peer Woizeschke

Dipl.-Ing.
  • Gruppenleiter

grundlegenden Analyse unter anderem der hochdynamischen Vorgänge im Keyhole und im Schmelzbad beim Laserstrahltiefschweißen mit Keyholebildung. Neben Blechen reicht das Halbzeugsortiment bis zu Foliendicken von 10 µm, wodurch Skalierungseffekte auch in der Fügetechnik eine große Rolle spielen. Während bei Aluminium verschiedenste Legierungsvarianten zum Einsatz kommen, werden im Fall von Titan insbesondere Reintitan sowie die hochfeste Legierung Ti6Al4V verarbeitet.

Deutlich geringere Intensitäten werden normalerweise beim Aluminiumlöten eingesetzt, wo das BIAS verstärkt in Richtung aluminiumbasierter Lote und flussmittelfreier Prozesse forscht. Ebenfalls Charakteristika des Aluminiumhartlötens weist der am BIAS seit vielen Jahren verfolgte Ansatz im Bereich der metallischen Mischverbindungen auf. Kombinationen wie beispielsweise Aluminium-Stahl und Aluminium-Titan aber auch viele weitere lassen sich stoffschlüssig fügen, wobei in der Grenzschicht intermetallische Verbindungen entstehen, denen häufig spröde Eigenschaften zugesprochen werden. Daher setzen wir vor allem Prozesse ein, in denen nur ein Fügepartner aufschmilzt, während der andere im festen Zustand verbleibt. Durch geeignete Prozessauslegung kann dabei die Dicke intermetallischer Phasensäume je nach Metallkombination sogar bis auf unter 1 µm begrenzt werden. Seit mehreren Jahren weitet die Gruppe Fügetechnik ihre Arbeiten zudem in den Bereich der Metall-Faserverbund-Verbindungen aus.

In ihren Arbeiten setzt die Gruppe Fügetechnik die gesamte Palette an Prozessbeobachtungstechnologien ein. Neben Hochgeschwindigkeitsvideos, Temperaturfeldanalysen, Schwingungsmessungen können taktile und berührungslose Sensoren sowie weitere optische Techniken prozessbegleitet angewandt werden.

Den Arbeiten im Labor folgen meist mechanisch-technologische Prüfungen unter quasi-statischer oder zyklischer Belastung sowie metallographische Analysen mittels licht- und elektronenmikroskopischer Verfahren an Schliffen und Bruchflächen.

In der Regel ergänzend zu Experimenten verfolgt die Fügetechnik seit vielen Jahren den Einsatz numerischer Modelle, um Phänomene und Zusammenhänge zu verstehen und Prozesse gezielt zu beeinflussen. Neben mechanischen und thermo-mechanischen Modellen sind insbesondere Strömungssimulationen von großer Bedeutung für aktuelle und zukünftige Entwicklungen.

Ein wesentlicher Vorteil liegt am BIAS in der Vielfalt an laserbasierten Prozessen zur Materialbearbeitung. So existieren unterschiedlichste Schnittmengen zwischen den Gruppen, welche auch die Arbeiten in der Fügetechnik häufig bereichern und den Wirkbereich von Erkenntnissen erweitern. Als Beispiele seien hier Laserprozesse zur Vorbehandlung von Fügepartnern oder der Einsatz des Laserstrahltiefschweißens zum Tieflegieren von Randschichten in der Oberflächentechnik genannt.