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Laserstrahlschweißen Martensitische Chromstähle per Laser Schweißen und Wärmebehandeln

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

In einem Forschungsvorhaben untersuchte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT die Schweißeignung martensitischer Chromstähle mittels Laserstrahl für artgleiche und artungleiche Verbindungen.

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Als Demonstrationsbauteil für das Schweißen und Wärmebehandeln von hoch- und ultrahochfesten Stählen befinden sich am Fraunhofer ILT sehr leichte Batteriekästen mit Crash-Rahmen in der Aufbau- und Testphase.
Als Demonstrationsbauteil für das Schweißen und Wärmebehandeln von hoch- und ultrahochfesten Stählen befinden sich am Fraunhofer ILT sehr leichte Batteriekästen mit Crash-Rahmen in der Aufbau- und Testphase.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Martensitische Chromstähle eignen sich wegen ihrer Leichtbau- und Korrosionseigenschaften ideal für Anwendungen im Fahrzeugbau. Bei der Konstruktion von crashsicheren Batteriekästen für Elektroautos sind diese Werkstoffe besonders gefragt. Jedoch lassen sich martensitische Chromstähle aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehalts schwer schweißen.

Im Rahmen des IGF-Forschungsorhabens „Weiterentwicklung, fügetechnische Absicherung und technische Auslegung von Schweißverbindungen mit martensitischen Chromstählen“ nahmen Experten aus Industrie und Forschung den aktuellen Stand in puncto Werkstoffe und Fügetechnik unter die Lupe. Im Detail untersuchte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT die Eignung zum Laserstrahlschweißen eines pressgehärteten Chromstahls mit martensitischem Gefüge X46Cr13 (1.4034) in artgleichen und artungleichen Verbindungen für die Montage. 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.“

Wärmebehandlung erhöht Fügequalität

Das Ergebnis: 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 °C außerhalb des Prozesses (ex-situ) wärmebehandelt, die ihre Qualität im anschließenden Scherzugversuch beweisen mussten. „Bei 400 bis 500 °C ergaben sich die höchsten Festigkeiten und die geringsten Härten", erklärt Dahmen. „Bemerkenswert ist der hohe Anteil duktilen Versagens auf der Bruchoberfläche schon bei 400 °C.“ Mit Blick auf eine Wärmebehandlung mit Laserstrahlung wurden kurze Haltezeiten angestrebt.

Artungleiche Schweißverbindung zwischen einem pressgehärteten, martensitischen Chromstahl (oben, 0,9 mm dick) und einem Hochmanganstahl (unten, 1,2 mm dick).
Artungleiche Schweißverbindung zwischen einem pressgehärteten, martensitischen Chromstahl (oben, 0,9 mm dick) und einem Hochmanganstahl (unten, 1,2 mm dick).
(Bild: Fraunhofer ILT)

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 °C 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 °C verlieren, während diese Temperatur den 1.4034 weitestgehend nicht beeinflusst.

Selektive Wärmebehandlung per Laser

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 °C 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 nutzen. Dahmen erläutert: „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 °C Anlassen per Laser funktionierte bei der Werkstoffpaarung 1.4034/Dualphasenstahl DP980.

Batteriekästen als Demonstrator

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 unverfestigtem Hochmanganstahl die hohe spezifische Energieaufnahme zum Abfangen eines Aufpralls. Diese hohe Energieaufnahme kommt durch Zwillingsbildung zustande. Dank dieser Kombination beträgt das Leergewicht mit etwa 70 kg deutlich weniger als ein konventioneller Batteriekasten aus Stahl, der in Integralbauweise bis zu 150 kg auf die Waage bringt.

In Kürze folgt 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 die Anwendungstechnik bei der Scansonic MI GmbH in Berlin intensiv beschäftigt. Sie hat für diesen Einsatz einen speziellen Laserkopf entwickelt. „Mit dieser Technik ließe sich durch schmalere Flansche Material und damit Gewicht einsparen“, resümiert Dahmen.

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