Schweissverbindung zwischen einem pressgehärteten, martensitischen Chromstahl (oben, 0,9 mm dick) und einem Hochmanganstahl (unten, 1,2 mm dick).

Ausgabe 01 | 2021

Laserstrahl-Schweissverfahren für martensitische Chromstähle

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

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 crashsicheren 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.

Im Rahmen des AiF-Forschungsvorhabens FAAM, gefördert durch die FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendungen e.V, nahmen Experten aus Industrie und Forschung den aktuellen Stand in puncto Werkstoffe 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 Chromstahl 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). Dipl.-Ing. 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.»

Bessere Verbindungen dank Wärmebehandlung
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 Martin Dahmen. «Bemerkenswert ist der hohe Anteil duktilen Versagens auf der Bruch-
oberfläche schon bei 400 °C.» Mit Blick auf eine Wärmebehandlung mit Laserstrahlung wurden kurze Haltezeiten angestrebt.

Oberflächenschichten verbessern Laser-Wärmebehandlung
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, sodass nur der kritische Werkstoff bearbeitet wird. Die optischen Eigenschaften der Oberfläche lassen sich gezielt für die Wärmebehandlung nutzten. Martin 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.»

Batteriekästen demonstrieren Schweissqualität
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. 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 kg deutlich weniger als konventionelle Batteriekästen aus Stahl, die in Integralbauweise bis zu 150 kg auf die Waage bringen.

Aufblasprozess ohne Werkzeug
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. Martin 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 Martin Dahmen.

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