LASERPOWERTRAIN

1. Problemstellung
Kraftübertragungselemente, bestehend aus Wellen und darauf befestigten Kraftaufnahmeelementen wie Zahnräder, Nocken, Kupplungsteile, Kardan-Gabeln o. ä. sind wesentliche Bau-elemente in allen Industriezweigen, insbesondere im Antriebsstrang ("Powertrain") von Fahr-zeugen. Dem Wunsch der Fahrzeughersteller und deren Zulieferern, moderne Fügeverfahren wie das Laserstrahlschweißen einzusetzen stehen jedoch werkstofftechnische und geometrische Einschränkungen entgegen.
Powertrain-Komponenten werden zunehmend aus schwer schweißbaren Vergütungs- bzw. Einsatzstählen hergestellt und häufig sind schweißtechnisch ungünstige Axialrundnähte erforderlich. Die Bedeutung speziell der höher legierten und und damit schwerer schweißbaren Werkstoffe steigt durch die Forderung nach leichteren Fahrzeugen weiter. Im Sinne einer ¿schlanken¿ Fertigung ist es häufig erwünscht, das Laserschweißen an das Ende der Prozesskette zu legen um aus vorgefertigten, vollständig bearbeiteten Einzelteilen ein konfektioniertes Endprodukt herzustellen.
Immense Aufwendungen werden dabei in Kauf genommen, um bei einsatzgehärteten Teilen die Einsatzhärtungsschicht an der Fügestelle zu verhindern oder in einer Hartdrehoperation wieder zu entfernen. Die Analyse der Prozesskette offenbart folgende wesentliche Defizite:
1. Fertigung: Einsatzhärtungsschicht muss aufwändig entfernt werden, Mischverbindungen nur unzureichend beherrscht, aufwändige Bauteilreinigung nötig
2. Auslegung: nur empirische Auslegungskriterien für Laserschweißnähte verfügbar, zulässige Torsionsspannungen mit überlagerten Axialbelastung nicht bekannt, Prüfmöglichkeit für Bewertung der Schweißnahtbelastbarkeit fehlt
3. Anlagentechnik: Entwicklungsbedarf hinsichtlich einer modularen Laserstrahlschweißanlage für wellenförmige Bauteile mit integrierter Wärmebehandlung, Fügestellenreinigung und zerstörungsfreier Qualitätssicherung

2. Projektziele
Das Gesamtziel des Vorhabens war es, mit einem phasenübergreifenden Forschungsansatz die Prozesskette für bisher nicht rissfrei schmelzschweißbare Welle-Nabe-Verbindungen aus einsatzgehärteten Stählen mit Axialrundnähten an Bauteilen des Pkw-Antriebstranges zu entwickeln und an Demonstratoren deren vorteilhafte technische Realisierbarkeit nachzuweisen. Schwerpunkte in den Bereichen Fertigung, Auslegung und Anlagentechnik waren dabei:
1. Entwicklung von Laserschweißverfahren mit werkstoffangepassten Zusatzdraht und prozessintegrierter Wärmeführung für einsatzgehärtete bzw. gaskarbonitrierte Bauteile,
2. Entwicklung, Fertigung und Erprobung einer neuen modulartigen Laserstrahlschweißanlage insbesondere für Welle-Nabe-Verbindungen nach dem Pick up-Prinzip und flexiblen Integrationsmöglichkeiten für die unterschiedliche Moduli,
3. ein angepasstes Simulationstool für Axialrundnähte und Bauteil- und Werkstoffverhalten,
4. Untersuchungen zu in-situ Fügestellenreinigung mit intensiven Plasmen,
5. Weiterentwicklung eines spektroskopischen Qualitätssicherungsverfahren sowie
6. ein Prüfkonzept und ein neuartiger Prüfstand zur Ermittlung der Schweißnahtbelastbarkeit

3. Vorgehensweise
Basierend auf einer grundsätzlichen Bauteilanalyse unter Federführung der Anwender (VOLKSWAGEN, DAIMLER, WILLI ELBE) erfolgte die Definition von Randbedingungen für die o. g. Bereiche Fertigung, Auslegung und Anlagentechnik. Mit Hilfe von neuen Simulationstools (CADFEM, IWM) für das Laserschweißen von Axialrundnähten wurden parametrisierbare Modelle entwickelt, die wichtige Hinweise fü
r die Schweißprozessentwicklung (IWS) und die Bauteilauslegung, insbesondere zu Eigenspannung und Verzug und deren Auswirkung auf die zu ermittelnde Bauteilbelastbarkeit unter komplexer Torsions-Axial-Belastung lieferten. Zur Validierung der Bauteilbelastbarkeit wurde eine neue Axial-Torsions-Prüfmaschine entwickelt und be-schafft. Die fertigungs- und bauteilseitigen Randbedingungen waren Eingangsgrößen für das Design einer modularen, flexiblen Laserstrahlschweißanlage (EMAG, PLASMATREAT, SENTRONIC).

4. Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Mit den entwickelten Verfahrensvarianten zum Laserstrahlschweißen mit einer prozessintegrierten induktiven Kurzzeitwärmebehandlung sowie dem Einsatz von werkstoffangepassten Schweißzusatzwerkstoffen bestehen neue Möglichkeiten, eine Vielzahl von Bauteilen aus dem Bereich Antriebsstrang kostengünstig mittels Laser zu verschweißen und aufwändige mechanische Fügeverfahren abzulösen. Die Kombination eines prozessintegrierten Laserabtrages der Einsatzschicht mit einem Laserschweißen mit Schweißzusatzwerkstoff ist eine neue fertigungstechnisch vorteilhafte Lösung zum rissfreien Schweißen von einsatzgehärteten Bauteilen ohne eine aufwändige Entfernung der Einsatzhärteschicht. Die verbesserten Simulationstools, insbesondere für Axialrundnähte, geben Konstrukteuren wichtige Hinweise zur Ausbildung von Eigenspannungen und Verzug in Abhängigkeit von Werkstoff, Bauteilgeometrie und Schweißverfahren. Des Weiteren können mit einer neuartigen Prüfeinrichtung auslegungsrelevanten Schwingfestigkeitskennwerte von laserstrahlgeschweißten Bauteilen unter komplexer Torsions- und überlagerter axialer Beanspruchung ermittelt werden. Dies ermöglicht Konstrukteuren die Umsetzung neuer Designs.
Seitens der Anlagentechnik wurden mit der entwickelten modularen Laserstrahlschweißanlage mit integrierter Drahtförderung und induktiver Wärmebehandlung, optionaler Plasmafügestellenreinigung und spektroskopischer Prozesssensorik neue Fertigungskonzepte an Demonstratoren erfolgreich erprobt.