Prozessuntersuchung und -optimierung zum Laserstrahlschweißen von feueraluminierten höchstfesten Stählen zur Bestimmung der jeweiligen Einsatzgrenzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes wird die Laserstrahlschweißeignung von feueraluminierten, höchstfesten Stählen vom Typ 22MnB5 untersucht und optimiert. Dieser Werkstoff wird durch das sogenannte Presshärten verarbeitet. Dazu werden Platinen bei 950°C für 5... 10 min austenitisiert, rotglühend in ein Presshärtwerkzeug transferiert, und dort gleichzeitig umgeformt und abgeschreckt. Dabei wandelt das zuvor duktile ferritisch-perlitische Gefüge in ein martensitisches Gefüge hoher Härte um. Die Zugfestigkeit steigt von 500 MPa auf 1650 MPa an. Das Schweißen von 22MnB5 kann dabei vor oder nach dem Presshärten erfolgen, je nachdem, ob zum Beispiel Tailored Blanks hergestellt oder warmumgeformte Bauteile mit anderen gefügt werden sollen. Da sich die Ausgangs- und Verarbeitungsbedingungen auf die Schweißeignung auswirken, werden Grundlagenuntersuchungen zur Gefügeausbildung beim Schweißen vor und nach dem Presshärten unter Berücksichtigung der Schweißparameter und der Aufheiz- und Abschreckbedingungen beim Presshärten durchgeführt. Insbesondere wird der Einfluss der Aluminium-Silizium-Beschichtung auf das sich in der Schweißnaht einstellende Gefüge, die Härte, Zugfestigkeit und Bruchdehnung untersucht. Diese Beschichtung dient als Zunderschutz und als Schutz vor Randentkohlung während der Austenitisierung. Es wird gezeigt, dass die in die Naht eingebrachten Beschichtungsbestandteile die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit stark erhöhen, so dass unter realen Bedingungen beim Presshärten nach dem Schweißen kein rein martensitisches Nahtgefüge mehr gebildet wird. Da sich zudem spröde intermetallische Fe-Al-Phasen bilden, nimmt die Bruchdehnung um bis zu 80% ab. Positiv beeinflusst werden kann die Härtbarkeit des Schweißnahtgefüges durch Einsatz eines sauerstoffhaltigen Prozessgases, wie z. B. CO2, oder durch Einsatz von Zusatzwerkstoffen in Drahtform. Beim Schweißen nach dem Presshärten bewirkt die erneute Erwärmung des bereits gehärteten Stahls eine Härtereduktion in der Wärmeeinflusszone, die unabhängig von dem Vorhandensein einer Beschichtung ist. Sie führt zu einem deutlichen Rückgang der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung. Nach derzeitigem Stand der Technik müssen Platinen mit AI-Si-Beschichtung beim Schweißen vor dem Presshärten vor dem Fügen entschichtet werden. Die im Rahmen dieses Vorhabens erarbeiteten Ansätze zeigen Wege auf, wie auf diesen zusätzlichen Prozessschritt verzichtet werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Prozessuntersuchungen zum Laserstrahlschweißen von beschichtetem 22MnB5. In: Merklein, M. (Hrsg.): Tagungsband zum 3. Erlanger Workshop Warmblechumformung, 19.11.2008, Erlangen. Meisenbach-Verlag, Bamberg, 2008, S. 139-148
Ganzer, S., Schmidt, M.
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Hochfester und leicht umformbarer Stahl für den Automobilbau: Laserstrahl schweißen von 22MnB5 mit Aluminium-Silizium-Beschichtung. In: Laser Technik Journal (2009), Nr. 2, S. 33-37
Ganzer, S., Schmidt, M., Albert, F.
