14.10.2020

Anspruchsvolle Stahlsorten mit Laser schweißen

Martensitische Chromstähle haben gute Eigenschaften für die Mobilität der Zukunft.

Zu den Stahlsorten mit Zukunft zählen die martensitischen Chromstähle, die sich wegen ihrer Leichtbau- und Korrosions­eigenschaften ideal für Anwendungen im Fahrzeugbau eignen. Bei der Konstruktion von crash-sicheren Batteriekästen für Elektroautos sind diese Werkstoffe besonders gefragt. Diese anspruchsvollen Komponenten dienen dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen daher auch als Demonstrations­bauteile beim Schweißen und der Wärmebehandlung mit dem Laser.

 

Abb.: Artungleiche Schweiß­verbindung zwischen einem press­gehärteten,...
Abb.: Artungleiche Schweiß­verbindung zwischen einem press­gehärteten, martensitischen Chrom­stahl (oben) und einem Hoch­mangan­stahl (unten; Bild: Fh.-ILT)

Im Rahmen des AiF-Forschungs­vorhabens FAAM, gefördert durch die Fosta – Forschungs­vereinigung Stahl­anwendungen e.V., nahmen Experten aus Industrie und Forschung den aktuellen Stand bei Werkstoffen unter die Lupe: Auf der Online-Abschluss­konferenz im Sommer 2020 ging es unter anderem um neue Leichtbaulösungen, Fügetechnik und Stirnflächennähte für martensitische Chromstähle. Eine sehr wichtige Rolle spielt die Lasertechnik. Im Detail untersuchten die Aachener die Eignung zum Schweißen eines press­gehärteten Chromstahls mit martensitischem Gefüge X46Cr13 (1.4034) in artgleichen und artungleichen Verbindungen für die Montage. Dieser gilt aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts als schwer schweißbar. Bei den artungleichen Verbindungen handelte es sich um Kombinationen mit kalt­verfestigtem Hoch­manganstahl (1.4678), pressgehärtetem Martensit (1.5528), hochfestem Dual­phasenstahl (1.0944) und kaltgewalztem Feinkornbaustahl (1.0984). Martin Dahmen, Gruppe Makrofügen und Schneiden am Fraunhofer ILT: „Dabei lag das Hauptaugenmerk auf der Durchmischung der unterschiedlichen Werkstoffe, der Metallurgie und auf den daraus resultierenden Eigenschafts­profilen.”

Durch Wärmebehandlung lässt sich die Fügequalität erhöhen. Dazu wurden bei einer artgleichen 1.4034-Verbindung lineare Nähte im Über­lappstoß im Temperatur­bereich von 300 bis 700 Grad Celsius außerhalb des Prozesses (ex-situ) wärme­behandelt, die ihre Qualität im anschließenden Scherzug­versuch beweisen mussten. „Bei 400  bis 500 Grad Celsius ergaben sich die höchsten Festigkeiten und die geringsten Härten”, erklärt Dahmen. „Bemerkenswert ist der hohe Anteil duktilen Versagens auf der Bruchoberfläche schon bei 400 Grad Celsius.” Mit Blick auf eine Wärme­behandlung mit Laserstrahlung wurden kurze Haltezeiten angestrebt.

Doch wie sehen die Ergebnisse bei artungleichen Verbindungen aus? Aufgrund des unterschiedlichen Anlass­verhaltens variieren die Ergebnisse. So ergaben Untersuchungen an der Kombination 1.4034 mit Dualphasen- und Feinkorn­baustahl, dass auch hier eine Anlasstemperatur von 400 Grad Celsius am besten abschneidet. Anders sieht es bei anderen Werkstoffen aus: Vorsicht ist geboten bei press­gehärteten Mangan-Bor-Stählen, da sie ihre Festigkeit schon bei 300 Grad Celsius verlieren, während diese Temperatur den 1.4034 weitestgehend nicht beeinflusst.

Die Versuchswerte dienen zum Schritt in die Zukunft: die Wärmebehandlung per Laser. In einem nachgeschalteten Prozess mit einem Diodenlaser wurde das Anlassen der Fügezone demonstriert. Die gemessenen Härtewerte zeigten, dass sich Temperaturen von bis zu 650 Grad Celsius erreichen lassen. Dies entspricht der maximalen Temperatur, bei der ein Anlassen des Werkstoffs ohne Festigkeits­verluste möglich ist. Die Laser-Wärmebehandlung ermöglicht am Überlappstoß eine selektive Wärme­behandlung, so dass nur der kritische Werkstoff bearbeitet wird. Die optischen Eigenschaften der Oberfläche lassen sich gezielt für die Wärmebehandlung nutzten. Dahmen: „Der erhöhte Absorptionsgrad an der Schweißnaht führt zum Anlassen der Schweiße und der Schmelzlinie, während die Wärme­einflusszone einen geringeren Wärmeeintrag erfährt. Mit einer angepassten Intensitäts­verteilung ist hier eine signifikante Erhöhung der Effizienz möglich.”

Die Versuche zeigten, dass sich kalt­verfestigter Austenit und kaltgewalzter Feinkorn­baustahl nicht per Laser wärme­behandeln lassen. 400 Grad Celsius Anlassen per Laser funktionierte bei der Werkstoffpaarung 1.4034/Dual­phasenstahl DP980. Die Ergebnisse will das Fraunhofer ILT nutzen, um die Entwicklung laserbasierter Verfahren in einem Zukunftsprojekt weiter voranzutreiben. Diese Erkenntnisse sollen als Grundlage für die Berechnung und den Entwurf eines Batterie­kastens mit aufgesetztem Crash-Rahmen dienen. Dabei besteht der Modulträger aus einem Materialmix aus ultra­hochfesten und supra­duktilen Stählen. Die Aachener nutzen beim Crashrahmen aus nicht kalt­verfestigtem Hoch­manganstahl die hohe spezifische Energieaufnahme zum Abfangen eines Aufpralls. Die hohe spezifische Energie­aufnahme kommt durch Zwillingsbildung zustande. Dank dieser Kombination beträgt das Leergewicht mit etwa 70 Kilogramm deutlich weniger als konventionelle Batteriekästen aus Stahl, die in Integral­bauweise bis zu 150 Kilogramm auf die Waage bringen.

Nun folgt in Kürze der Aufbau und der Test: Der Crash-Rahmen soll per Umformen in Innen­druckformen entstehen. Der Effekt entspricht dem des Innen­hoch­druck­umformens – allerdings ohne Werkzeug und Temperierung. Dahmen: „Wir schweißen zwei Bleche im Parallelstoß zusammen. Über ein Druckmedium wird das Bauteil aufgeblasen, um es in die gewünschte Form zu bringen.” Der Wissenschaftler sieht gute Zukunftschancen für weitergehende Forschungs­projekte. Als vielversprechend sieht er die Stirn­flächennähte an, mit denen sich Christoph Wendt von der Anwendungs­technik bei der Scansonic MI GmbH in Berlin intensiv beschäftigt, die für diesen Einsatz einen speziellen Laserkopf entwickelt hat. „Mit dieser Technik ließe sich durch schmalere Flansche Material und damit Gewicht einsparen”, resümiert Dahmen.

Das IGF-Vorhaben 19556 N / P1175 „Weiter­entwicklung, füge­technischer Absicherung und technischer Auslegung von Schweiß­verbindungen mit martensitischen Chromstählen” der Fosta wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Zusammen­arbeit mit dem Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik (LWF) an der Universität Paderborn und dem Fachgebiet Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinen­akustik (SAM) an der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt.

Fh.-ILT / DE

 

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