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Laserstrahlwarmschweißen von Vergütungsstählen während des induktiven Härteprozesses

Leitung:Prof. Dr.-Ing. B. Nacke (Teilprojekt ETP)
Bearbeitung:Dipl.-Ing. M. Mach (Teilprojekt ETP)
Laufzeit:03/2007 - 03/2009
Förderung durch:Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, koordiniert von der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, Projekt P 746
Bild Laserstrahlwarmschweißen von Vergütungsstählen während des induktiven Härteprozesses

Im Rahmen eines zweijährigen, durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) geförderten Projektes, wurde in Kooperation mit dem Laserzentrum in Hannover (LZH) ein neues Fertigungsverfahren entwickelt, mit dem Vergütungsstähle schneller und mit einer höheren Effektivität direkt während des induktiven Härteprozesses lasergeschweißt werden können.

In der industriellen Fertigungstechnik ist das Schweißen von Vergütungsstählen für stark beanspruchte Konstruktionsteile ein wichtiger Produktionsschritt, der aus mehreren separaten Prozessen besteht. Üblicherweise werden die Bauteile zunächst vergütet. Anschließend erfolgt eine Wärmebehandlung vor  dem Schweißen zur Vermeidung von Rissen in der Schweißnaht. Nach dem Schweißprozess wird durch ein erneutes Anlassen die Aufhärtung im Bereich der Naht vermindert. Zur Vereinfachung dieser aufwendigen Prozessabfolge werden in dem neuen Verfahren das induktive Härten des Vergütungsstahls und der Schweißvorgang miteinander kombiniert. Die Energie des Härtens wird zum Vorwärmen des Schweißbereiches genutzt, so dass Fertigungszeit und Energie eingespart werden können.

Für die Auslegung des Fertigungsprozesses wurde am Institut für Elektroprozesstechnik (ETP) ein numerisches Modell zur Beschreibung des thermischen Verhaltens des Laser-Induktionsverfahrens entwickelt. Dieses Modell stellt eine umfassende Beschreibung der zu kombinierenden Prozesse und ihrer Wechselwirkungen dar und liefert Kenntnisse über die zeitliche und örtliche Temperaturverteilung innerhalb der zu verschweißenden Bauteile. Das ausgelegte Induktionshärtesystem umfasst die Vorerwärmung der Bauteile auf 900°C, das Temperaturhalten während des Laserschweißens, sowie den optionalen Vorschubhärtevorgang und das konsequente Abschrecken des gesamten wärmebehandelten Bereichs. Für die praktischen Prozessuntersuchungen wurden am ETP der induktive Erwärmer und die Abschreckbrause  konstruiert und anschließend am LZH in einen integrierten Laserbearbeitungskopf eingebaut. Die Funktionalität wurde durch zahlreiche Versuche an verschiedenen Probekörpern und konsequente Materialanalysen überprüft.

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens zeigen, dass die Verarbeitbarkeit von Vergütungsstahl weiter verbessert werden konnte. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens können Vergütungsstähle schneller und mit einer höheren Effektivität lasergeschweißt werden. Durch Benutzung der Energie des Härtens zur Vorwärmung des Schweißbereichs kann Energie und Fertigungszeit eingespart werden. Weiterhin kann durch die induktive Vorwärmung der Bauteile die Einschweißtiefe gegenüber nicht vorgewärmten Bauteilen um ca. 25 % gesteigert werden. Durch die homogenen Eigenschaften im Bereich der Schweißnaht und der wärmebeeinflussten Zone kann dieser Bereich des Bauteils als Funktionsoberfläche genutzt werden. Dies bietet neue konstruktive Möglichkeiten, wodurch Gewicht bzw. Bauraum gespart werden kann.

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