Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 12/2016, 09.12.2016

Hochfeste Stähle wirkungsvoll bearbeiten

Leichtbaukonzepte aus pressgehärteten oder ultrahochfesten Vergütungsstählen mit Zugfestigkeiten bis zu 2000 MPa haben einen gravierenden Nachteil: Sie lassen sich mit konventionellen Verfahren schlecht schneiden oder fügen. Mittel der Wahl ist hier der Laser. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) hat zur Messe «EuroBlech» dazu ausgewählte Ergebnisse präsentiert.

(pi) Typische Einsatzgebiete für Bleche aus ultrahochfesten Stählen sind B-Säulen oder seitliche Schweller von Pkw, bei denen es im Falle eines Aufpralles auf eine möglichst hohe Aufnahme kinetischer Energie ankommt. Die hohe Festigkeit dieser Werkstoffe macht jedoch Anpassungen bei den Bearbeitungsverfahren wie dem Beschneiden und dem Fügen notwendig.

Herkömmliche mechanische Trenn- und Fügeverfahren wie Stanzen, Clinchen oder Stanznieten sind nicht mit vertretbarem Aufwand einsetzbar. Alternativ haben sich im industriellen Einsatz Bearbeitungsverfahren mit dem Laser bewährt. Als Trennverfahren hat das Laserschneiden bereits vielfach seine Eignung bewiesen; das Fügen erfolgt im Wesentlichen durch Punktschweissen.

Beide Verfahren führen zu metallurgischen Effekten, die Bauteileigenschaften negativ beeinflussen können. Beim Schneiden entstehen Aufhärtungen in der Randzone der Schnittkante; beim Punktschweis-sen bildet sich eine Wärmeeinflusszone mit deutlicher Härtereduzierung um den Schweisspunkt aus. Beide Effekte führen im schlechtesten Szenario zum Versagen der Verbindung und damit im Schadensfall zu einer verminderten Absorption der kinetischen Energie im Bauteil.

Durch eine lokale Laserwärmebehandlung im Schnittkantenbereich und in den Fügezonen kann dieser Schwächung entgegen gewirkt werden. Härte und Duktilität des Werkstoffs können so lokal auf Bruchdehnungen von 10 bis 15 Prozent eingestellt werden.

Das Fügen ultrahochfester Güten erfordert kleine Streckenenergien. Diese werden beim Laserschweissen mit 20 bis 80 kJ/m erreicht. Für Feinbleche aus Chromstählen mit martensitischem Gefüge und Vergütungsstähle wurden am Fraunhofer ILT geeignete Schmelzschweissparameter entwickelt. Auch hochmanganhaltige TWIP-Stähle (Twinning Induced Plasticity) wurden in artgleichen sowie in artungleichen Verbindungen erfolgreich mittels Laserschweissen gefügt. Einem Verlust der Festigkeit konnte durch eine geeignete Lastführung entgegengewirkt werden.

Nicht zuletzt aus wirtschaftlichen Gründen ist es sinnvoll, einzelne Prozessschritte in einem Werkzeug miteinander zu kombinieren. An dieser Stelle setzt das vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt «Klasse» an, das vom Fraunhofer ILT gemeinsam mit Partnern aus der Automobilindustrie und dem Laseranlagenbau durchgeführt wird. Ergebnis ist ein kombinierter Bearbeitungskopf, der eine hybride Laserstrahlquelle enthält, bestehend aus einem Diodenlaser für die Wärmebehandlung und einem Faserlaser für das Schneiden.

Bereits seit mehreren Jahren ist für die Kombination verschiedener Arbeitsschritte ein am ILT entwickelter und von der Laserfact GmbH vermarkteter Laserbearbeitungskopf erfolgreich im industriellen Einsatz. Der Kopf kann die beiden Prozessschritte Schneiden und Schweissen in einer Maschine ohne Werkzeugwechsel realisieren.

Seit dem Frühjahr 2016 ist dieser Kombikopf dank einer integrierten Pulverdüse nun auch in der Lage, additive Fertigungsschritte durch das Laserauftragschweissen durchzuführen. Durch diese Integration lassen sich Rüstzeiten minimieren und eine hochflexible Fertigung noch effizienter gestalten.

Zusätzlich erlaubt der Kombikopf auch das Schneiden von Verbundwerkstoffen wie kohlefaserverstärkten Bauteilen, die aufgrund ihres geringen Gewichtes bei gleichzeitig hervorragenden mechanischen Eigenschaften in der Karosseriefertigung zunehmend Einzug halten.


Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
DE-52074 Aachen, Tel. +49 241 8906-0
www.ilt.fraunhofer.de

Kombi-Laserkopf zum Schneiden, Schweissen und additiven Fertigen auf einer Maschine.


Dank nachgeführten Wärmebehandlungslaser kann einer Materialschwächung von hochfesten Stählen entgegengewirkt werden. (Bilder: Fraunhofer ILT)