Ultrahochfeste Chromstähle sicher fügen – Lasertechnologie macht’s möglich

Im Rahmen des Forschungsprojekts SECOMAL und eigener Untersuchungen ermittelte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen Verfahrensparameter und Prozessfenster für das Laserschweißen von drei ultrahochfesten Chromstählen.

Es handelt sich um einen rein ferritischen, einen ferritisch-martensitischen und einen reinen martensitischen Chromstahl, die einen Kohlenstoffgehalt von 0,02 bis 0,46 Massen-Prozent besitzen. Gehärtet erreichen sie Festigkeiten von bis zu zwei Gigapascal bei Bruchdehnungen von zehn Prozent. Ihre inhärente Korrosionsfestigkeit macht sie zu idealen Kandidaten für den Fahrzeugbau. 

Die Werkstoffe mit dem niedrigsten und dem höchsten Kohlenstoffgehalt, also ein ferritischer und ein martensitischer Chromstahl, lassen sich nun problemlos fügen. Das betrifft auch die gehärteten Werkstoffe. Dipl.-Ing. Martin Dahmen, Wissenschaftler am Fraunhofer ILT: »Probleme treten nur noch bei dem martensitischen Chromstahl 1.4021 mit dem mittleren Kohlenstoffgehalt von 0,21 Prozent auf.«

Die reine Lehre empfiehlt, martensitische Stähle vor dem Fügen vorzuwärmen und danach anzulassen, um die Zähigkeit der Wärmeeinflusszone zu verbessern. Anlassen steht dabei für lokales Erhitzen der Schweißzone. Gehärtete Bleche lassen sich ohne qualitative Einbußen bei 450°C anlassen. Prinzipiell kommen beim Laserschweißen von Werkstoffen eigentlich alle Laserstrahlquellen infrage. Weil der Laser aber parallele Nahtflanken erzeugen sollte, eignen sich laut Dahmen hier im Prinzip nur die sogenannten brillanten Strahlquellen und CO2-Laser.

Doch wie schneidet der Laser im Vergleich zum Metallaktivgasschweißen (MAG-Schweißen) ab? »Bei vernünftiger Wärmebehandlung lassen sich die gehärteten Chromstähle bis auf den 1.4021 ohne Schwierigkeiten schweißen«, sagt der ILT-Forscher. »Das MAG-Schweißen ist dagegen wegen des hohen Energieeintrags in die Fügezone problematisch – selbst bei entsprechender Wärmebehandlung.«

Wie eine gelungene Laserschweißung in der Praxis aussieht, führt das Fraunhofer ILT anhand eines Demonstrators vor, bei dem die Aachener ein Prüfmuster für eine B-Säule aus ultrahochfestem Stahl mit einem Fahrzeug-Schweller verschweißt haben. Dahmen: »Wir weisen damit nach, dass sich dank der Laserschweißbarkeit die ultrahochfesten Werkstoffe etwa als Alternative zu Mangan-Bor-Stählen nutzen lassen.« Mehr über das Laserschweißen von Chromstählen und andere Projekte des Fraunhofer ILT erfahren Besucher der EuroBLECH 2014 auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand 11/C05, auf dem die Aachener auch den Demonstrator ausstellen.

Verbundprojekt SECOMAL

Im Mittelpunkt des Forschungsprojekts steht eine Untersuchung zum Schmelzschweißen höchstfester nichtrostender Stähle mit martensitischem Gefüge mittels Laserstrahl- und MAG-Schweißen. SECOMAL ist ein gemeinsames Forschungsprojekt des Fraunhofer ILT mit dem Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF und dem Stahlhersteller Outokumpu Nirosta. Das Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen AiF »Otto von Guericke« e.V. und der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA).

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Martin Dahmen
Gruppe Makrofügen und Schneiden
Telefon +49 241 8906-307
martin.dahmen@ilt.fraunhofer.de

Dr. Dirk Petring
Leiter der Gruppe Makrofügen und Schneiden
Telefon +49 241 8906-210
dirk.petring@ilt.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen

http://www.ilt.fraunhofer.de