Laserstrahlschweißen von Leichtmetallen
Al-Li-Legierungen sind eine attraktive Option für die Luftfahrtindustrie, da die sehr geringe Dichte von Li durch ein reduziertes Strukturgewicht Verbesserungen bei der Leistung des Flugzeugs ermöglichen könnte. Allerdings hatten Materialien der ersten und zweiten Generation Probleme mit Duktilität, Zähigkeit sowie Bruch- und Korrosionsbeständigkeit. Die dritte Generation von Al-Li-Legierungen verspricht, einen wichtigen Beitrag zu leichteren Flugzeugen zu leisten. Die EG unterstützte die Mitglieder des Projekts LAWENDEL (Laser welding of newly developed Al-Li alloy) in ihrem Bestreben, ein geeignetes Laserschweißverfahren für die neu entwickelte Al-Li-Legierungen mit reduziertem Li-Gehalt und anderen Modifikationen zu entwickeln. Eine einzigartige Kombination von experimentellen und theoretischen Modellierungen reduzierte sowohl den Zeitaufwand als auch die Kosten für die Optimierung im Vergleich zu konventionellen Trial-and-Error-Verfahren. Die Forscher demonstrierten die neue Laserschweißtechnik an drei versteiften ebenen Platten aus Al-Li-Legierungen der dritten Generation. Insbesondere bestand der Demonstrator aus den im Handel erhältlichen Legierungen AA2198 für die Haut und AA2196 für vier gleich beabstandete Längsträger. Die Forscher untersuchten die Laserschweißbarkeit der neuen Legierungen und verglichen ihre Gefügeeigenschaften und mechanischen Eigenschaften mit denen von herkömmlichen Al-Li-Legierungen. Die Forscher befassten sich zunächst mit AA2198 und einer Machbarkeitsstudie zum Laserstrahlschweißen. Auch genietete Proben von AA2024 wurden gefertigt, die dann mikromechanischen und mikrostrukturellen Tests unterzogen wurden, um sie mit den geschweißten Proben zu vergleichen. Sie untersuchten die Mikrostruktur der Schweißnähte mittels optischer und Rasterelektronenmikroskopie. Die lokale chemische Zusammensetzung wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie analysiert, während für Textur und Korngröße zur Charakterisierung verwendet wurde, analysiert. Experimentelle Daten halfen, die kalibrierten Modelle zu validieren und die optimalen Prozessparameter für eine hervorragende Schweißleistung zu bestimmen. Insbesondere Temperaturfelddaten erleichterten die Entwicklung eines Modells für die Heißrissanfälligkeit, einem der größten Probleme von Al-Li-Legierungen. LAWENDEL kombinierte das Beste aus zwei Welten, nämlich die Verwendung von sehr leichten Al-Li-Legierungen und überlegene Methoden für das Verbinden dieser Legierungen durch Laserschweißen mit wenigen oder null Emissionen. Das Endergebnis sollte ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten für das Laserstrahlschweißen und seine breitere Akzeptanz in der Luft- und Raumfahrtindustrie sein.
Schlüsselbegriffe
Laserstrahlschweißen, Al-Li-Legierungen, Luft- und Raumfahrt, LAWENDEL, Finite-Elemente-Modellierung, Modellierung der Heißrissanfälligkeit
