Dank fortschrittlicher Faserlaser nehmen Automobilhersteller eine führende Position ein

Wenn wir an Autositze denken, achten die meisten von uns in der Regel auf Komfort und Farbauswahl oder vielleicht auf Sonderausstattungen wie eine integrierte Sitzheizung oder Massagefunktion. Für die Ingenieure, die Autositze entwerfen und herstellen, spielen jedoch noch viele weitere Faktoren eine Rolle.

An erster Stelle steht natürlich die Sicherheit. Fahrer und Beifahrer werden durch Sicherheitsgurte fest in ihren Sitzen gehalten. Bei einem Aufprall bildet die mechanische Festigkeit der Sitzkonstruktion die erste Schutzbarriere, die die Fahrzeuginsassen vor Verletzungen bewahrt.

Auf der anderen Seite steht jedoch das Gewicht. Denn je stabiler die Konstruktion, desto schwerer ist sie in der Regel. Die Automobilhersteller stehen unter enormem Druck, das Gewicht ihrer Fahrzeuge zu reduzieren. Eine Gewichtsreduzierung verbessert die Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, senkt die Emissionen und erhöht die Reichweite von Elektrofahrzeugen. In der Automobilindustrie ist die Gewichtsreduzierung so wichtig, dass es sogar einen eigenen Fachbegriff dafür gibt: „Gewichtsreduzierung“.

Lastreduzierung durch den Einsatz von hochfestem Stahl

Wie lassen sich Autositze sowohl stabil als auch leicht gestalten? Der Schlüssel liegt in der Verwendung von Materialien, die von Natur aus stabiler sind, wie Stahl, Titan und Magnesiumlegierungen, damit die einzelnen Bauteile dünner und leichter gestaltet werden können, ohne dass die mechanische Festigkeit darunter leidet. Außerdem können Teile, die keinen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit oder Steifigkeit des Sitzes haben, aus Kunststoff, Verbundwerkstoffen oder anderen wirklich leichten Materialien gefertigt werden.

Eine der neuesten Entwicklungen im Bereich des Autositzdesigns ist der Einsatz von hochfestem niedriglegiertem Stahl (HSLA) und hochfestem Stahl (AHSS). Diese Werkstoffe weisen im Vergleich zu anderen Stählen ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf und sind daher besonders nützlich, um das Ziel der Gewichtsreduzierung zu erreichen. Automobilhersteller setzen diese Werkstoffe bereits seit einiger Zeit im Fahrzeugrahmen ein und arbeiten nun daran, sie auch für Sitze zu nutzen.

Herausforderungen beim Schweißen von hochfestem Stahl

Moderne Autositze bestehen aus einer Vielzahl einzelner Teile, die zu einer recht komplexen Konstruktion zusammengefügt werden. Manchmal werden dabei sogar Metall und andere Materialien in mehrschichtigen Verbundwerkstoffen kombiniert.

Aus verschiedenen Gründen hat sich das Fernlaserschweißen (bei dem der Laserkopf weit vom Werkstück entfernt ist) als äußerst nützliches Verfahren zur Herstellung dieser Teile erwiesen. Zum einen lassen sich damit die komplexen dreidimensionalen Formen von Sitzkomponenten problemlos bearbeiten. Insbesondere beim Schweißenmit Kilowatt-Faserlasernoder Festkörperlasern lassen sich gleichmäßige Schweißnähte erzielen, die über die erforderliche Einbrandtiefe verfügen, um mehrere Schichten von dickem Sandwich-Metall miteinander zu verbinden. Zudem handelt es sich um ein schnelles und flexibles Verfahren.

Allerdings gibt es beim Schweißen von hochfestem Stahl mit herkömmlichen Faserlasern einige Probleme. Eines davon ist das Spritzen. Durch das Spritzen weist die Schweißnaht eine hohe Porosität und viele Fehler auf, was eine geringere mechanische Festigkeit zur Folge hat. Mit steigender Schweißgeschwindigkeit nimmt das Spritzen zu, was den Durchsatz einschränkt.

Ein weiteres Problem ist die ungleichmäßige Einbrandtiefe. Dies führt zu einer ungleichmäßigen mechanischen Festigkeit entlang der gesamten Schweißnaht.

Materialrisse sind ebenfalls ein Problem bei herkömmlichen Faserlasern und führen ebenfalls zu einer Verringerung der mechanischen Festigkeit. Risse entstehen, wenn das Material zu schnell abkühlt. Sie treten in der Regel an den Enden der Schweißnaht auf, da die Laserleistung an dieser Stelle abrupt abfällt.

Ein weiteres Problem bei hochfestem Stahl, das durch die schnelle Abkühlung entsteht, ist, dass sich manchmal eine Kristallform namens Martensit bildet. Martensit ist zwar sehr hart, aber auch die spröde Stahlsorte. Das bedeutet, dass er bei zu hoher Belastung im Einsatz bricht.

ARM-Faserlaser neigen beim Schweißen von hochfestem Stahl nicht dazu, unter Druck Risse zu bilden

Der Schlüssel zur Überwindung all dieser Schwierigkeiten liegt darin, die Laserenergie auf eine größere Fläche zu verteilen und die Energieverteilung innerhalb dieses Bereichs präziser zu steuern. Auf diese Weise lassen sich Temperaturgradienten und Abkühlungsgeschwindigkeiten im Material genauer kontrollieren. Bei richtiger Anwendung können so Spritzer, Risse und die Bildung von Martensit verhindert werden.

Coherent eine abstimmbare Ringmoden- (ARM) entwickelt, mit dersich die Erwärmung und Abkühlung des Materials während des Schweißvorgangs präzise steuern lässt. Der ARM-Laser verfügt über einen Doppelstrahlausgang. Er besteht aus einem zentralen Lichtfleck und einem zweiten, diesen umgebenden konzentrischen Laserring. Die Leistung jedes Strahls kann unabhängig eingestellt und sogar moduliert werden, um die gewünschte Steuerung zu erreichen. Der ARM-Laser wird bereits bei anderen anspruchsvollen Schweißaufgaben in der Automobilindustrie eingesetzt, beispielsweisebeim Batterieschweißen undbeim Kupferschweißen, die ähnliche Anforderungen stellen.

Vor kurzem beauftragte ein großer Hersteller von Autositzen Coherent einer Reihe von Schweißversuchen Coherent hochfestem Stahl. Konkret umfassten diese Versuche das Überlappungsschweißenvon HSLA-Blechen unterschiedlicher Dicke unter Verwendung Coherent FL8000-ARM-Faserlasers. Wir setzten eine spezielle Schweißkonfiguration ein, mit der die Leistung des zentralen Strahls und des ringförmigen Strahls unabhängig voneinander reduziert werden kann.

Der Test hat erfolgreich gezeigt, dass beim Schweißen der dünnsten Materialkombination (Gesamtdicke 2 mm) bei einer Geschwindigkeit von bis zu 8,8 m/min und der dicksten Materialkombination (Gesamtdicke 5,7 mm) bei einer Geschwindigkeit von bis zu 6,3 m/min spritz- und rissfreie Schweißnähte erzielt werden können.Diese Geschwindigkeiten liegen weit über denen, die mit herkömmlichen Faserlasern erreicht werden können. In allen Fällen war die Einschweißtiefe der resultierenden Schweißnaht dank der Leistungsregelung im geschlossenen Regelkreis und der in Coherent integrierten Rückreflexionsschutztechnologie sehr gleichmäßig.

Diese Testergebnisse zeigen, dassCoherent FL-ARM bei hochfestem Stahl hochwertige, fehlerarme Schweißnähte liefert. Diese„“-Faserlasertechnologieermöglicht hohe Produktionsleistungen bei gleichbleibender Zuverlässigkeit und stellt somit eine äußerst kosteneffiziente Lösung für die Fertigung von Autositzen dar. Auf diese Weise können Automobilhersteller bei der Umsetzung der meisten fortschrittlichen Konstruktionen eine Vorreiterrolle einnehmen und den Verbrauchern ein Höchstmaß an Komfort und Sicherheit bieten.

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