Laserstrahlschweißen des Stahls 22MnB5

Von:

Benjamin Gerhards

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22MnB5 ist ein Beispiel für einen vollmartensitischen Stahl, der in der Automobilindustrie eingesetzt wird. Die mechanischen Eigenschaften werden durch Presshärten erreicht. Dazu werden Bleche austenitisiert und danach simultan umgeformt und abgeschreckt. Um Zunderbildung zu vermeiden, wird 22MnB5 mit einer Aluminium-Silizium Beschichtung versehen, die als Korrosionsschutz auf der Blechoberfläche verbleibt. Bei der schweißtechnischen Verarbeitung ergeben sich im Fall des Laserstrahlschweißens zwei Problematiken. Zum Ersten wird die Aluminium-Silizium (AlSi) Beschichtung in die Schweißnaht eingebracht, wo sie teilweise im Schmelzbad aufgemischt und teilweise an der Schmelzlinie abgelagert wird. Dadurch entsteht eine metallurgische Kerbe, die einen signifikanten Verlust an Festigkeit und in Zugversuchen eine Rissinitiierung an der Schmelzlinie mit sich bringt. Die zweite wesentliche Herausforderung stellt der Festigkeitsverlust in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der Schweißnaht dar, der aufgrund der Wärmeeinbringung entsteht. In Zugversuchen an Blechen, die ohne AlSi-Beschichtung geschweißt wurden, tritt der Riss in der Wärmeeinflusszone ein. Die lokale Schwächung der WEZ ist im aktuellen Stand der Technik in Bezug auf das entstehende Gefüge nur unzureichend charakterisiert, die Materialeigenschaften ebenso wenig quantifiziert. Beide Problematiken werden eingehend untersucht. Im Fall der Aluminium-Silizium-Ablagerung erfolgt eine eingehende Charakterisierung. Weiterhin wird eine Methodik vorgestellt, die ohne Entfernen der Beschichtung Festigkeiten auf dem Niveau unbeschichteter Bleche erreicht. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den Hauptteil der Untersuchungen auf die Entfestigungsproblematik zu konzentrieren. Verschiedene Experimente zur Verbesserung der Entfestigungsproblematik in der WEZ zeigen bisher keinen Erfolg. Daher werden die Effekte der Entfestigung eingehend untersucht und erläutert. Weiterhin wird eine Anlage entwickelt, mit der dem Laserstrahlschweißprozess ähnliche Temperatur-Zeit-Verläufe, wie sie in der WEZ auftreten, in Bauteilproben nachgebildet werden können. Im Folgenden werden Zugversuche an den Proben mit definiert eingestellten WEZ-Gefügen durchgeführt. Dadurch ergibt sich ein detailliertes Bild der mechanisch-technologischen Eigenschaften der gesamten WEZ an laserstrahlgeschweißtem, pressharten 22MnB5. Die generierten Kennwerte werden in einem weiterführenden Forschungsprojekt genutzt, um eine Verbesserung der Ergebnisse von FEM-Crashsimulationen zu erreichen.