Auf einer weltweit einzigartigen Anlage von Schuler Held Lasertechnik entwickelt und optimiert das Dresdner Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Laserstrahl-Schweißverfahren und schweißgerechte Bauteilauslegungen zum Schweißen von großformatigen Flugzeugstrukturen für Airbus.
Bereits vor etwa zehn Jahren begann Airbus mit der Entwicklung alternativer Fügeverfahren für das Nieten sogenannter Stringer-Außenhaut-Verbindungen. Dabei werden zur Erhöhung der Stabilität des Flugzeugs Versteifungselemente (Stringer) auf die Rumpfstrukturen (Außenhaut) aufgesetzt. Beim Laserstrahlschweißen wird der Stringer gleichzeitig von beiden Seiten auf der Außenhaut unter Verwendung von Zusatzdraht festgeschweißt. Die exakte Positionierung des Stringers übernimmt ein Rollenführungssystem. Das Laserschweißen bietet gegenüber dem Nieten eine Vielzahl von Vorteilen, wie die Ermöglichung einer einfacheren Konstruktion des Stringers, den Wegfall des Nietsockels sowie der Reduzierung des Dichtmaterials. Damit kann das Gewicht erheblich abgesenkt werden. Gleichzeitig verbessert sich das Korrosionsverhalten. Der höhere Automatisierungsgrad, die Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit gegenüber dem Nietverfahren sowie die Reduzierung von Material und Logistikaufwand führen zu einer deutlichen Senkung der Fertigungskosten.
IWS ganz groß
Die Entwicklung von Fertigungs- und Prüftechnologien für die Luft- und Raumfahrt ist eine Kernkompetenz des IWS. Im Bereich des Fügens beschäftigt sich das Institut mit Laserstrahlschweißen von Rumpf und Tragflügelstrukturen, dem Schweißen von Titanlegierungen und Strukturkomponenten sowie dem Fügen von hochwarmfesten Werkstoffen. Mit der Anlage von Schuler Held Lasertechnik, die im Juni 2004 in Dresden in Betrieb genommen wurde, arbeitet das IWS nun an einer Optimierung des bereits zur Serienreife geführten Verfahrens.
Dreidimensional Schweißen
Die Anlage ermöglicht das dreidimensionale beidseitige und gleichzeitige Laserstrahlschweißen von Versteifungselementen (Stringer) auf extrem großen und komplexen Rumpfstrukturen. Der Arbeitsraum beträgt 10 m x 3 m x 1 m. Damit können Bauteile in Originalgröße hergestellt werden. Für annähernd gleiche Strahlparameter im gesamten Arbeitsbereich muß der Laserstrahl aufgeweitet werden. Hierfür sind an der Anlage Teleskope angebracht, die speziell auf die Laser abgestimmt sind. Sie weiten den Strahl zunächst auf und verkleinern ihn anschließend vor dem Eintritt in die Y-Achse.
Co2 oder ND:YAG?
Aluminium verfügt über sehr hohe Strahlreflexion und Wärmeleitfähigkeit. Deshalb sind für das Schweißen der Leichtbaustrukturen Laserquellen vorgesehen, die eine sehr gute Strahlqualität von K >0,9 erzeugen. Im Maschinengestell sind dazu zwei Rofin Sinar CO2-Laser mit je 4,5 kW integriert. Bei Vergleichsuntersuchungen am IWS von Nd:YAG-Laser und CO2-Laser erzeugten beide Laser porenarme, heißrißfreie Schweißnähte, die sämtlichen Qualitätsanforderungen genügen. Mit dem CO2-Laser wird infolge der geringeren Streckenenergie gegenüber dem Nd:YAG-Laser eine deutlich kleinere Nahtquerschnittsfläche erzeugt. Jedoch ist die Tendenz zur Porenbildung mit dem CO2-Laser größer, die Neigung zur Heißrißbildung dagegen geringer. Mit Blick auf den Verzug in Längsrichtung wurde festgestellt, daß mit dem Nd:YAG-Laser die Aufwölbung etwa doppelt so stark ist wie beim CO2-Laser. Dies gilt ebenso für den Winkelverzug an der Hautseite, was zu einem verstärkten Zeppelineffekt führt. Insgesamt verläuft der Schweißprozeß mit dem CO2-Laser deutlich ruhiger.
Ralf Möller
