Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verteilung intermetallischer Phasen beim Laserstrahlschweißen von pressgehärteten Stählen

Beim Presshärten von 22MnB5 kommt es durch den AlSi-Überzug zur Bildung von intermetallischen Phasen, die sich während des nachfolgenden Schmelzschweißens an den Schmelzkanten anlagern und rissinitiierend wirken können. Die hohen Festigkeiten der Stähle können bisher nicht ausreichend ausgenutzt werden, da es mit bekannten Fügeverfahren nicht gelingt, die intermetallischen Phasen zu verteilen.

Durch eine gezielte Einflussnahme auf die Schmelzbadströmung sollen in diesem Vorhaben die intermetallischen Phasen innerhalb der Schmelze homogener verteilt werden. Zum einen soll dies über geeignete Prozessparameter, zum anderen aber auch durch Systemparameter wie eine angepasste Strahlmodulation unterstützt werden. Zusätzlich soll eine mechanische Beeinflussung der Schmelze durch Ultraschall dazu genutzt werden, um gezielt auf das Schmelzbad einzuwirken und die Agglomerationen durch eine Zerrüttung zu minimieren. Durch eine Kombination aus modifizierter Schmelzbadströmung und gezielter Ultraschalleinwirkung soll eine verbesserte Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften in Konstruktionen aus pressgehärteten Stählen umsetzbar sein, um damit nachhaltig die Einsatzbereiche dieser Stähle zu erweitern. Das Forschungsthema gewinnt durch aktuelle Entwicklungen auf dem Werkstoffmarkt zusätzlich an Relevanz, da mit dem Werkstoff 38MnB5 eine neue pressgehärtete Stahlsorte auf den Markt drängt, die eine noch höhere Festigkeit erreicht.

Von diesem Vorhaben profitieren Systemtechnikhersteller für das Laserstrahlschweißen. Typische KMU dabei sind Hersteller innovativer Strahlquellen (Diodenlaser), Laseroptik Hersteller und Anbieter hochdynamischer Strahlablenksysteme. Generell wird mit erfolgreicher Umsetzung des Forschungsvorhabens ein werkstoffgerechteres Fügen pressgehärteter Stähle ermöglicht und der für KMU relevante Anwendungsbereich ausgereifter Lasersystemtechnik nachhaltig ausgeweitet.

Ergebniszusammenfassung:

Nach aktuellem Stand der Technik werden beim Laserstrahlschweißen von AS150 beschichteten, pressgehärteten Bauteile aus 22MnB5 nur verringerte mechanische Verbindungseigenschaften erzielt. Dies muss konstruktiv kompensiert werden, wodurch Mehrgewicht entsteht. Um pressgehärtete Stähle in der Konstruktion effizient einsetzen zu können ist ein werkstoffgerechtes Fügen notwendig.

Die in diesem Projekt entwickelte, innovative Lösung des Laserstrahlschweißens mit Laserstrahloszillation steigert die Anbindungsbreite und verhindert die Agglomeration von festigkeitsreduzierenden Phasen an der Schmelzlinie, sodass die maximale ertragbare Zugkraft der Schweißverbindungen gesteigert werden konnte.

Durch die Anwendung der Prozessstrategie können moderne Leichtbaukonzepte umgesetzt werden. Hierfür ist lediglich die Nutzung einer Scanneroptik, welche eine Laserstrahloszillation bereitstellen kann, erforderlich. Solche Systeme sind in der Industrie im Bereich des Remote-Laserstrahlschweißens bereits gängig. Bestehende Produktionsanlagen können folglich über eine entsprechende Programmierung, ohne dass bauliche Änderungen innerhalb der Produktionslinie erforderlich wären, angepasst werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Frequenz der Oszillation für den Prozess nicht vorrangig entscheidend ist, sodass keine hochdynamischen und damit kostenintensiven Systeme nötig sind, welche Frequenzen im kHz Bereich bereitstellen können. Daher wird das Innovations- und Umsetzungspotential der erarbeiteten Lösung als sehr hoch angesehen.