Die Coherent Adjustable Ring Mode (ARM)-Faserlaser ermöglichen das Schweißen von hochfestem Stahl und anderen Werkstoffen in Leichtbaukonstruktionen von Autositzen.

Wenn die meisten von uns an Autositze denken, interessieren wir uns meist für Komfort und Farbauswahl oder für Optionen wie eine integrierte Sitzheizung oder Massagefunktion. Für Ingenieure, die Autositze entwerfen und konstruieren, geht es jedoch um viel mehr.

An erster Stelle steht natürlich die Sicherheit. Fahrer und Mitfahrer sind buchstäblich an ihre Sitze angeschnallt. Bei einem Aufprall ist die mechanische Festigkeit der Sitzkonstruktion die erste Verteidigungslinie, die die Insassen im Fahrzeug schützt und Verletzungen verhindert.

Ein weiterer Aspekt ist jedoch das Gewicht. Denn eine Verstärkung der Konstruktion bedeutet in der Regel auch eine Gewichtszunahme. Und die Automobilhersteller stehen unter enormem Druck, das Gewicht der Fahrzeuge zu reduzieren. Dadurch wird die Kraftstoffeffizienz gesteigert, die Emissionen von Verbrennungsmotoren gesenkt und die Reichweite von Elektroautos erhöht. In der Automobilindustrie ist das Gewicht ein so großes Problem, dass zu seiner Lösung sogar eine eigene Disziplin entstanden ist – die „Gewichtsreduzierung bei Fahrzeugen“.

Gewichtsreduzierung durch hochfesten Stahl

Wie lassen sich Autositze herstellen, die stabil und gleichzeitig leicht sind? Der Schlüssel liegt in der Verwendung von Materialien, die von Natur aus fester sind – wie Stahl, Titan und Magnesiumlegierungen –, sodass die einzelnen Komponenten dünner und leichter gestaltet werden können, ohne dass die mechanische Festigkeit darunter leidet. Und für Teile, die nicht wesentlich zur Festigkeit oder Steifigkeit des Sitzes beitragen, werden Kunststoffe, Verbundwerkstoffe oder andere wirklich leichte Materialien verwendet.

Einer der neuesten Entwicklungstrends im Bereich der Autositzkonstruktion ist der Einsatz von hochfestem niedriglegiertem Stahl (HSLA) und fortschrittlichem hochfestem Stahl (AHSS). Diese Werkstoffe weisen ein noch höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf als andere Stähle und sind daher besonders nützlich, um die angestrebten Gewichtsreduktionsziele zu erreichen. Automobilhersteller setzen sie bereits seit einiger Zeit bei der Herstellung von Fahrgestellen ein, und nun finden sie auch in den Sitzen Verwendung.

Das Schweißen von hochfesten Stählen ist anspruchsvoll

Moderne Autositze bestehen aus einer relativ großen Anzahl einzelner Teile, die zu komplexen Konstruktionen zusammengefügt werden. Metall und andere Werkstoffe werden manchmal sogar zu mehrschichtigen Verbundwerkstoffen kombiniert.

Das Scanner-Laserschweißen (bei dem sich der Laserkopf in beträchtlicher Entfernung vom Bauteil befindet) hat sich aus mehreren Gründen als sehr nützliches Verfahren für deren Fertigung erwiesen. Erstens lassen sich damit komplexe dreidimensionale Formen von Sitzkomponenten problemlos bearbeiten. Insbesondere bei Verwendung eines Faser- oder Festkörperlasers mit einer Leistung von mehreren kW liefert es gleichmäßige, konsistente Schweißnähte mit der Durchbruchtiefe, die zum Verbinden mehrerer Schichten von dickem, geschichtetem Metall erforderlich ist. Es handelt sich zudem um ein schnelles und flexibles Verfahren.

Beim Schweißen von hochfestem Stahl mit herkömmlichen Faserlasern treten jedoch Probleme auf. Eines davon ist das Spritzen. Das Spritzen führt zu einer Schweißnaht mit höherer Porosität und Fehlern, was eine geringe mechanische Festigkeit zur Folge hat. Mit steigender Schweißgeschwindigkeit verschlimmert sich das Spritzen, was die Produktionsleistung einschränkt.

Ein weiteres Problem ist die ungleichmäßige Einbrandtiefe. Das Ergebnis ist eine Schweißnaht, die nicht über ihre gesamte Länge hinweg die gleiche mechanische Festigkeit aufweist.

Bei herkömmlichen Faserlasern ist auch das Reißen des Materials ein Problem, was wiederum die mechanische Festigkeit verringert. Zum Reißen kommt es bei zu schneller Abkühlung des Materials. In der Regel tritt es am Ende der Schweißnaht auf, wo die Laserleistung plötzlich abgeschaltet wurde.

Ein weiteres Problem bei der schnellen Abkühlung von hochfestem Stahl besteht darin, dass manchmal eine kristalline Form namens Martensit entsteht. Martensit ist zwar fest, aber gleichzeitig die sprödeste Form von Stahl. Das bedeutet, dass er bei übermäßiger Beanspruchung im Einsatz brechen kann.

ARM-Faserlaser brechen unter der Belastung beim Schweißen nicht

Der Schlüssel zur Vermeidung all dieser Probleme liegt in der Verteilung der Laserenergie auf eine größere Fläche und einer präziseren Steuerung der Laserenergieverteilung in diesem Bereich. Dies ermöglicht eine sorgfältigere Steuerung des Temperaturgradienten sowie der Abkühlgeschwindigkeit des Materials. Bei korrekter Vorgehensweise werden Spritzer, Risse und die Bildung von Martensit vermieden.

Das Unternehmen Coherent hat die ARM-Faserlasertechnologie (Adjustable Ring Mode) entwickelt, die genau diese präzise Kontrolle über die Erwärmung und Abkühlung des Materials während des Schweißvorgangs ermöglicht. Der ARM-Laser nutzt eine Doppelstrahl-Ausgabe. Dabei handelt es sich um einen zentralen Punkt, der von einem zweiten, konzentrischen Ring aus Laserstrahlen umgeben ist. Die Leistung jedes dieser Strahlen lässt sich unabhängig einstellen und sogar modulieren, was die gewünschte Kontrolle ermöglicht. ARM-Laser finden bereits in anderen anspruchsvollen Fügeanwendungen in der Automobilindustrie Einsatz, wie beispielsweise beim Schweißen von Batterien und beim Schweißen von Kupfer, die dieselbe Präzision erfordern.

Kürzlich beauftragte ein großer Hersteller von Autositzen das Unternehmen Coherent Labs mit der Durchführung einer Reihe von Schweißversuchen an hochfesten Stahlwerkstoffen. Konkret ging es um das Schweißen von HSLA-Blechen unterschiedlicher Dicke mit dem Faserlaser Coherent HighLight FL8000-ARM. Dabei kam ein spezieller Modus für den Schweißnahtabschluss zum Einsatz, der die Leistung im zentralen und im ringförmigen Strahl unabhängig voneinander reduzierte.

Diese Tests zeigten erfolgreich, dass bei Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 8,8 m/min für die dünnste Materialkombination (Gesamtdicke 2 mm) und 6,3 m/min für die dickste (Gesamtdicke 5,7 mm). Diese Geschwindigkeiten liegen deutlich über den mit herkömmlichen Faserlasern erreichbaren Werten. In allen Fällen war die Eindringtiefe der Schweißnaht dank der geschlossenen Leistungsregelungsschleife und der natürlichen Unempfindlichkeit des Coherent FL-ARM-Lasers gegenüber Rückstreuungen sehr gleichmäßig.

Diese Testergebnisse zeigen, dass der Coherent HighLight FL-ARM-Laser in der Lage ist, hochwertige Schweißnähte mit geringer Fehlerquote in hochfesten Stählen zu erzielen. Die erzielte hohe Durchlässigkeit und die inhärente Zuverlässigkeit dieser Faserlasertechnologie machen sie zu einer kosteneffizienten Lösung für Anwendungen in der Automobil-Sitzfertigung. Möchten Sie mehr über diese Anwendung erfahren? Dann lesen Sie die Details in unserer Lösungsübersicht hier.

Quelle: Coherent.com