Beschreibung
P 905 – Untersuchung zum Schmelzschweissen höchstfester nichtrostender Stähle mit martensitischem Gefüge mittels Laserstrahl- und MAG-Schweissen
Wer sich mit Ressourceneffizienz und Leichtbau in mobilen Strukturen beschäftigt kommt an ultrahochfesten Stählen nicht vorbei. Neuere Überlegungen haben zur Anwendung nichtrostender Stähle mit martensitischem Gefüge geführt. Diese Stähle besitzen Vorteile durch ihre inhärente Korrosionsbeständigkeit, hervorragende Umformbarkeit und Härtbarkeit. Jedoch wurden sie aufgrund ihrer Kohlenstoffgehalte von bis zu 0,46 Massenprozent bisher als nicht schweißbar eingestuft. Daher wurde eine Untersuchung angestrebt mit dem Ziel, die Schweißeignung zu prüfen und die mechanischen Eigenschaften geschweißter Verbindungen zu ermitteln. Im Rahmen einer Prozessentwicklung wurde ein Konzept für die angepasste Wärmeführung entwickelt. Die mechanischen Eigenschaften wurden in Schwingfestigkeitsversuchen an Stumpfstößen für die Anwendung in der Fertigung von Tailored Blanks wie in der Montage bereits gehärteter Bleche bestimmt. Untersuchung nach dem KS-2-Konzept sowie quasistatische und schlagartige Belastungsversuche an bauteilähnlichen Komponenten wurden zur Ermittlung der Tragfähigkeit angestellt. Letztlich wurden Korrosionsuntersuchungen ohne und mit Belastung durchgeführt, um Information über den Einfluss der geschweißten Werkstoffe auf Umweltbedingungen zu erhalten.
Für das Schweißen martensitischer Stähle sind im Allgemeinen kurze Wärmezyklen vorteilhaft. Um die Streuung der Härte in der Wärmeeinflusszone zu begrenzen, wurde eine auf die einzelnen Werkstoffe angepasste Schweiß-Wärmebehandlung entwickelt und angewandt. Vorwärmen auf die Martensit-Starttemperatur in Kombination mit einer Anlassbehandlung unterhalb der Lösungstemperatur der Karbide führt zu einer Entspannung des tetragonalen Martensits und erhöht die Zähigkeit in der Schweißzone. Durch Vorwärmen wird darüber hinaus die Breite der Schweißzone vergrößert und der Prozess weniger empfindlich gegen Fehlpositionierungen.Martensitische Stähle können unter Standard-Wärmebehandlung geschweißt werden. Im Fall der Fertigung von Tailored Blank ist eine Wärmebehandlung nicht zwingend erforderlich, jedoch führt die Schweiß-Wärmebehandlung zu einer signifikanten Erhöhung der Schwingfestigkeit. Beim Schweißen gehärteter Bleche ist der Effekt nicht so stark ausgeprägt. Mit einer optimierten Temperaturführung wird in beiden Fällen die Schwingfestigkeit der Grundwerkstoffe im Walzzustand erreicht. In artungleichen Verbindungen ist die Schwingfestigkeit durch den schwächeren Partner begrenzt. Die Tragfähigkeit hängt eher von der Nahtgeometrie und der Lastrichtung als von der Wärmebehandlung ab. Im Vergleich zu gehärteten Mangan-Bor-Stählen können sehr hohe Belastbarkeiten erreicht werden. Die Mangan-Bor- Stähle zeigen höhere Bruchkräfte und ein duktileres Verhalten im Kopfzugversuch. In artungleichen Verbindungen mit konventionellen Tiefziehstählen wurde wiederum mit den Chromstählen eine höhere Tragfähigkeit erreicht. Im Rahmen von Versuchen an bauteilähnlichen Komponenten wurde festgestellt, dass das Bruchverhalten nicht nur von der Belastungsgeschwindigkeit sondern auch von der Lastrichtung abhängt. Zur optimalen Ausnutzung der Materialeigenschaften unter Crashbedingungen ist eine genaue Kenntnis des Belastungskollektivs unabdingbar. Die Korrosionseigenschaften wurden im Klimawechseltest und im Sensitivierungsversuch nach ASTM ermittelt. Im Klimawechseltest konnte kein Einfluss der Korrosionsbelastung auf Festigkeit und Verformungsverhalten ermittelt werden. Es fand kein Angriff auf den Werkstoff statt. Das Sensitivierungsverhalten wird grundsätzlich durch Presshärten verbessert. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt erhöht sich auch die Ausscheidung von Karbiden. Dies wiederum führt zu einer erhöhten Anfälligkeit gegen interkristalline Korrosion.
Eine Schweiß-Wärmebehandlung kann nach dem Presshärten zu einer Verminderung der IKBeständigkeit in der Schweißnaht führen. Ein signifikanter Einfluss der Schweiß-Wärmebehandlung auf die Sensitivierung in geschweißten gehärteten Blechen konnte nicht gefunden werden. Alle Schweißzonen zeigten einen Angriff in der Wärmeeinflusszone, der mit steigendem Kohlenstoffgehalt stärker wird.
Die hochlegierten Stähle mit 12% Chrom werden dort eingesetzt, wo ihre intrinsische Korrosionsbeständigkeit gepaart mit Festigkeiten von bis zu 1900 MPa erforderlich sind, wie bei Nutzfahrzeugen und Bahnfahrzeugen. Mit den neuen Entwicklungen werden Möglichkeiten für die Konstruktion geschweißter Strukturen mit Chromstählen mit martensitischem Gefüge aufgezeigt.
Das IGF-Vorhaben 17433 N der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zurFörderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, Aachen, am Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn und am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit, Darmstadt durchgeführt.
Veröffentlichung:
2015
Autoren:
M. Dahmen, V. Janzen, S. Lindner, R. Wagner
