Beschreibung
P 1110 – Lokale Laserwärmebehandlung von kaltverfestigten Stählen zur Verbesserungder Umform- und Funktionseigenschaften für den Leichtbau in der Automobilindustrie
Das übergeordnete Forschungsziel des Vorhabens war es, in Stahlplatinen durch eine Kombination von Kaltwalzen und lokaler Laserwärmebehandlung maßgeschneiderte Eigenschaften hinsichtlich Umformbarkeit und Crashverhalten für den nachfolgenden Umformprozess sowie den späteren im Einsatz im Automobil einzustellen. Zur Untersuchung dieses Ansatzes wurde ein kosteneffizient herstellbarer, ferritischer Stahl, der mikrolegierte S550MC, sowie ein etablierter Stahl mit hoher Anwendungsrelevanz, der Dualphasenstahl HCT780X, ausgewählt. Zunächst wurden die Temperaturbereiche, in denen in Abhängigkeit vom Walzgrad relevante Entfestigungsmechanismen auftreten, ermittelt. Dazu wurden in einem Umformdilatometer an die Laserentfestigung angelehnte Kurzzeitwärmebehandlungen durchgeführt und im Anschluss bei Raumtemperatur die resultierenden mechanischen Eigenschaften im Zugversuch getestet. Die Ergebnisse dienen einerseits als Zielgröße für die Verfahrensentwicklung der lokalen Laserwärmebehandlung und andererseits als Grundlage für die in der Simulation benötigten Materialdaten. In Tiefziehsimulationen eines kaltverfestigten Kreuznapfs wurden Entfestigungsstrategien zur Ziehtiefenmaximierung entwickelt, während in Crashsimulationen eines hexagonalen Hohlprofils Entfestigungsstrategien zur Erhöhung der Energieabsorption ermittelt wurden. Die vielversprechendsten Strategien wurden in Realversuchen verifiziert und die erarbeitete Methodik anhand eines Musterbauteils, einer B-Säule, validiert.
Die Ergebnisse dieser interdisziplinären Zusammenarbeit belegen, dass die Auslegung und Optimierung der lokalen Wärmebehandlungsbereiche mittels Simulation prinzipiell möglich ist. Zur Steigerung der Umformbarkeit ist es am effektivsten, wenn potenzielle Versagensbereiche kaltverfestigt und umliegende Bereiche entfestigt werden, um ein Nachfließen zu ermöglichen. In Fallturmversuchen kann die Verbesserung des Crashverhaltens demonstriert werden: Mit der Verfahrenskombination hergestellte Crashboxen weisen bei gleicher Energieabsorption einen um bis zu 28 % verkürzten Stauchweg im Vergleich zu einer konventionellen Crashbox auf. Die Herstellung des Musterbauteils zeigt, dass mit Hilfe der Simulation auch Verfahrensgrenzen prognostiziert werden können. Bei der Integration der lokalen Laserwärmebehandlung in die Fertigungskette der Blechumformung müssen zusätzlich das Richten zur Minimierung des entstandenen Verzugs sowie das Entfernen der laserinduzierten Oxidschicht vor dem Verzinken zur Sicherstellung der Korrosionsbeständigkeit berücksichtigt werden. Zur Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit der Laserbestrahlung wurden ein Scanner und eine Sonderoptik mit angepasstem Strahlprofil erprobt.
Durch die Kombination von Kaltwalzen zur Steigerung der Festigkeit und Laserwärmebehandlung zur lokalen Entfestigung konnten neue Leichtbau- und Crashsicherheitspotenziale aufgezeigt werden. Entsprechend der Ergebnisse ist das Potenzial der untersuchten Verfahrenskombination als hoch zu bewerten.
Veröffentlichung:
2018
Autoren:
Prof. Dipl.-Ing. G. Hhirt, Prof. Dr. rer. Nat. R. Poprawe
