Laser für leichtere Karossen

Leichtbau­konzepte sind aus der heutigen Fertigungs­technik nicht mehr wegzudenken. Im Karos­seriebau kommen aus Gewichts­gründen unter anderem press­gehärtete und ultra­hochfeste Vergütungs­stähle mit einer Zug­festigkeit von bis zu 2.000 MPa zum Einsatz. Diese Hoch­leistungsstähle erreichen gegenüber Stählen mit geringerer Festig­keit durch die Verwend­barkeit geringerer Blech­stärken nicht nur ein reduziertes Gewicht sondern auch ein gleich gutes oder sogar verbessertes Crashverhalten. Für die Bearbeitung dieser anspruchs­vollen Hochleistungs­werkstoffe ist die Laser­materialbear­beitung Mittel der Wahl.

Wissen­schaftler des Fraunhofer-Instituts für Laser­Technik ILT haben gemeinsam mit Projekt­partnern aus Wissenschaft und Industrie die Entwicklung in den Bereichen der Trenn- und Fügetechnik sowie der Wärme­behandlung voran­getrieben. Typische Einsatz­gebiete für Bleche aus ultra­hochfesten Stählen sind B-Säulen oder seitliche Schweller von PKW, bei denen es im Falle eines Aufpralles auf eine möglichst hohe Aufnahme kinetischer Energie ankommt. Die hohe Festigkeit dieser Werkstoffe macht jedoch Anpassungen bei den Bearbeitungs­verfahren wie dem Beschneiden und dem Fügen notwendig. Herkömmliche, mechanische Trenn- und Füge­verfahren wie Stanzen, Clinchen oder Stanz­nieten sind nicht mit vertret­barem Aufwand einsetzbar.

Alternativ haben sich im indus­triellen Einsatz Bearbeitungs­verfahren mit dem Werkzeug Licht bewährt. Als Trennverfahren hat sich das Laserschneiden bereits vielfach bewährt, das Fügen erfolgt im Wesent­lichen durch Punktschweißen. Beide Verfahren führen zu metallurgischen Effekten, die die Bauteil­eigen­schaften negativ beein­flussen können. Beim Schneiden entstehen Aufhärtungen in der Randzone der Schnittkante, beim Punkt­schweißen bildet sich eine Wärme­einflusszone mit deutlicher Härte­reduzierung um den Schweißpunkt aus. Beide Effekte führen im schlechtesten Falle zum Versagen der Verbindung und damit im Schadens­fall zu einer verminderten Absorption der kine­tischen Energie im Bauteil. Durch eine lokale Laser­wärmebehand­lung im Schnitt­kantenbereich und in den Fügezonen kann dieser Schwächung entgegen gewirkt werden. Härte und Duk­tilität des Werkstoffs können so lokal auf Bruch­dehnungen von 10 bis 15 Prozent eingestellt werden.

Das Fügen ultrahoch­fester Güten erfordert kleine Strecken­energien. Diese werden beim Laser­schweißen mit 20 bis 80 kJ/m erreicht. Für Feinbleche aus Chrom­stählen mit marten­sitischem Gefüge und Vergütungs­stähle wurden am Fraunhofer ILT geeignete Schmelz­schweiß­parameter entwickelt. Auch hochmangan­haltige TWIP-Stähle wurden in artgleichen sowie in artun­gleichen Verbindungen erfolgreich mittels Laser­schweißen gefügt. Einem Verlust der Festigkeit wurde hier durch eine geeignete Last­führung entgegen­gewirkt.

Nicht zuletzt aus wirtschaft­lichen Gründen ist es sinnvoll, einzelne Prozess­schritte in einem Werkzeug miteinander zu kombinieren. An dieser Stelle setzt das vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung geförderte Verbund­projekt KLASSE an, das vom Fraunhofer-Institut für Laser­technik ILT gemeinsam mit Partnern aus dem Auto­mobilin­dustrie sowie dem Laser­anlagenbau durchgeführt wird. Ergebnis von „KLASSE“ ist ein kombi­nierter Bearbeitungs­kopf, der eine hybride Laser­strahlquelle, bestehend aus einem Diodenlaser für die Wärme­behandlung und einem Faserlaser für das Schneiden enthält. Bereits seit mehreren Jahren ist für die Kombi­nation verschiedener Arbeits­schritte ein am Fraun­hofer ILT entwickelter und von der Laserfact GmbH vermark­teter Laser­bearbeitungs­kopf erfolgreich im indus­triellen Einsatz. Der Kopf kann die beiden Prozessschritte „Schneiden“ und „Schweißen“ in einer Maschine ohne Werkzeug­wechsel realisieren. Seit dem Frühjahr 2016 ist dieser Kombikopf dank einer integrierten Pulverdüse nun auch in der Lage, additive Fertigungs­schritte durch das Laser­auftrags­chweißen durchzuführen. Durch diese Integration lassen sich Rüstzeiten minimieren und eine hoch­flexible Fertigung noch effizienter gestalten. Zusätzlich erlaubt der Kombikopf auch das Schneiden von Verbund­werkstoffen, z.B. kohle­faserver­stärkten Bauteilen, die aufgrund ihres geringen Gewichtes bei gleich­zeitig hervor­ragenden mechanischen Eigen­schaften in der Karosserie­fertigung zunehmend Einzug halten.

Kaltver­festigte Stähle werden nach dem Kaltwalzen global rekristal­lisations­geglüht. Der Einsatz im kalt­verfestigten Zustand würde eine Blech­dickenredu­zierung ermöglichen, dem stehen jedoch die verminderte Umform­barkeit und die reduzierte Energie­absorption im Crash gegenüber. Eine lokale Wärme­behandlung kann durch Einprägen weicher Zonen die Crash­eigenschaften der Bauteile verbessern (z. B. kontrollierte Faltung einer Crashbox). Bei Blech­platinen aus niedrig­legierten Stählen wird durch eine Kombination von Kaltwalzen und lokaler Laser­wärmebehand­lung verhindert, dass im nach­folgenden Umform­prozess an besonders belasteten Stellen, typischer­weise an den Kanten des geformten Bauteils, Risse auftreten.

Im Projekt „Lokale Laser­wärmebehand­lung von kalt­verfestigten Stählen zur Verbes­serung der Umform- und Funktions­eigenschaften“ (LAKS), das von der Arbeits­gemeinschaft indus­trieller Forschungs­vereinigungen AiF gefördert und am Fraunhofer ILT und dem Institut für Bildsame Form­gebung der RWTH Aachen durchgeführt wird, werden auf Grundlage von Parameter­studien zunächst die Zusammen­hänge zwischen den aufge­prägten Temperatur-Zeit-Verläufen und den daraus resultierenden Gefügen und mechanischen Eigen­schaften ermittelt. Im Anschluss erfolgen Umform­versuche und Crashversuche. Letztere werden in Umform­versuchen unter quasistatischer sowie unter schlag­artiger Last validiert. Zukünftige Entwicklungs­schritte sind der Unter­suchung der Korrosions­eigen­schaften, der Simulation der Umformung in Fertigung und Betrieb sowie der optimalen Einordnung des Verfahrens in den Fertigungs­prozess gewidmet.

Fh.-ILT / JOL