DE102009022504A1

DE102009022504A1 - Zusatzdraht für das Laserschweißen von höherfesten Stählen aus IF-Stahl

Info

Publication number: DE102009022504A1
Application number: DE102009022504A
Authority: DE
Inventors: Alvaro Dr. Casajus; Winand De La Haye
Original assignee: FORSCH QUALITAETSZENTRUM ODERB; Forschungs- und Qualitatszentrum Oderbruecke Ggmbh
Current assignee: FORSCH QUALITAETSZENTRUM ODERB; Forschungs- und Qualitatszentrum Oderbruecke Ggmbh
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Zusatzdraht für das Laserschweißen von hoch- und höchstfesten ..., der aus einem gezogenen IF-Stahl mit definierter chemischer Analyse hergestellt wird, welche so modifiziert wurde, dass der vorhandene Titanüberschuss im Zusatzdraht während des Laserschweißprozesses zusätzlich C- und N-Atome bindet, wodurch gegenüber einer Schweißung ohne Zusatzdraht eine niedrigere Aufhärtung des Schweißgutes im Schweißnahtbereich erzielt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zusatzdraht für das Laserschweißen von hoch- und höchstfesten Stählen, wie sie typischerweise in tailored blank-Anwendungen zum Einsatz komme, der aus einem gezogenen IF-Stahl mit definierter chemischen Analyse hergestellt wird, welche so modifiziert wurde, dass der vorhandene Titanüberschuß im Zusatzdraht während des Laserschweißprozesses zusätzlich C- und N-Atome bindet, wodurch gegenüber einer Schweißung ohne Zusatzdraht eine niedrigere Aufhärtung des Schweißgutes im Schweißnahtbereich erzielt wird.
Beim Laserschweißen von Feinblechen aus hoch- und höchstfesten Stählen entsteht durch die rasche Abkühlung des Schweißgutes eine hohe Aufhärtung der Schweißnaht. Diese entsteht dadurch, daß der Kohlenstoff auf Grund der kurzen Zeit, in der er diffundieren kann, entweder nicht auf Gitterplätze oder zu den Korngrenzen gelangen kann und somit in der Eisenmatrix auf Zwischengitterplätzen verbleibt. Das führt zu einer erheblichen Verspannung des Eisengitters, was sich in der Härte des Schweißgutes umsetzt.
Als Faustregel gilt, daß die Aufhärtung des Schweißgutes in HV1 gemessen (Vickers Härte bei Lasteintragung 1 kp) bei derartigen industriellen Anwendungen in etwa das Zwei- bis Zweieinhalbfache der Härte im Grundmaterial erreicht.
Eine praktisch realisierte Lösung besteht darin, die Schweißnaht in einem zeitnahen nachgeschalteten thermischen Prozeß wieder zu erwärmen und dem Kohlenstoff damit die Zeit zu geben, die er braucht, um eine energetisch günstigere Position im Wirtsgitter einzunehmen. Als nachgeschaltete thermische Verfahren werden heute vorzugsweise der Laser selbst, polychromatisches Licht (z. B. Halogenstrahler) oder ein nieder- oder mittelfrequenter Induktor verwendet.
Die Verfahren, bei denen mono- oder polychromatisches Licht als thermische Wärmequelle eingesetzt wird, stellen den Nutzer auf Grund des einseitigen Eintrittes des Lichtes durch die Oberfläche des zu erwärmenden Körpers vor das Problem, in einer kurzen Zeit eine vollständige Volumenerwärmung zu erzeugen, ohne daß es im Bereich der Oberfläche zu Schmelzerscheinungen kommt.
Eine Zuführung der Strahlungswärme über beide gegenüberliegende Flächen ist prinzipiell möglich, ihre Realisierung erfordert jedoch einen erheblichen konstruktiven Aufwand.
Beim Einsatz eines Niederfrequenzinduktors tritt die Volumenerwärmung naturgegeben ein. Aus dem gleichen Grund ist eine Eingrenzung der Erwärmung auf den erwünschten Bereich problematisch und bedarf ebenfalls einer durchdachten Neuauslegung des Aufspannwerkzeugs für das Bauteil.
In der Regel wird der Laser den Schweißprozeß in einer wesentlich kürzeren Zeit bewältigen als der Induktor die Nachwärmung, so daß die Effizienz einer gekoppelten Vorrichtung zum gleichzeitigen Schweißen und Nachwärmen letztlich von der Leistung der Nachwärmeeinrichtung bestimmt wird.
Diese technische Begrenzung wird vorschlagsgemäß dadurch gelöst, daß die Schweißung der höherfesten Bleche durch die Verwendung eines speziellen Zusatzdrahtes aus IF-Stahl erfolgt
IF-Stahl (Interstitial Free) ist ein Stahl ohne interstitiell eingelagerte Legierungsbestandteile, d. h. es befinden sich in im Eisengitter keine Kohlenstoff- oder Stickstoffatome auf Zwischengitterplätzen.
Dieser Umstand erklärt sich einerseits durch den verfahrensbedingten niedrigen Gehalt an Kohlenstoff und Stickstoff. Andererseits wird durch die Zugabe von Titan oder Niob die verbleibenden Kohlenstoff- und Stickstoffatome in Carbiden und Nitriden gebunden, die spätestens nach der letzten Warmumformung ausgeschieden werden.
Die für eine vollständige stöchiometrische Abbindung erforderliche minimale Titanzugabe läßt sich nach dem Verhältnis der Atomgewichte wie folgt angeben Timin = 3,42·N + 1,5·S + 4·C
Als Resttitangehalt Ti* bezeichnet man den Gehalt an überstöchiometrisch vorhandenem Tita Ti* = Tiges – (3,42·N + 1,5·S + 4·C)
Es ist bekannt, daß ein Titanüberschuß zum Erreichen einer guten Umformbarkeit wichtig ist.
Dieser Überschuß wird bei dem entwickelten Zusatzdraht zur weiteren Bindung von C- und N-Elementen benutzt.
Typische Legierungsniveaus bei IF-Stählen in Gewicht % sind für vier verschiedene Einsatzstahlmarken gemittelt in der untenstehenden Tabelle dargestellt

C 0,0019 Si 0,005 Mn 0,101 P 0,008 S 0,0063 N 0,0035

Cr 0,02 Cu 0,018 Ni 0,0247 Al 0,035 Ti 0,056 Nb 0,002

Tabelle 1 IF-Stahl, Legierungselemente
Auf Grund der kurzen Zeit, in der die Schmelze beim Laserschweißen flüssig ist, werden die im Grundzustand bereits vorhandenen Nitride und Karbide nicht aufgelöst Neu gebildete Nitride und Karbide werden an die bereits vorhandenen Ausscheidungen gebunden, die als heterogene Keime wirken. Aus diesem Grund ist das Vorhandensein einer primären Ausscheidungsverteilung im Zusatzdraht erforderlich.
Die Einstellung einer gewünschten Karbid- und Nitridkonzentration sowie deren Ausscheidungsgröße ist ein komplexer metallurgischer Prozeß in der Warmbandherstellung, der in einem vergleichsweise einfachen Schmelzprozeß in der klassischen Drahtherstellung nicht realisiert werden kann.
So ist aus KR102008063161AA eine Elektrode für das Lichtbogenschweißen bekannt, deren Legierungszusammensetzung in der Tabelle 2 angegeben ist.

C 0,005–0,08 Si 0,3–1,2 Mn 1,15–1,65 P < 0,017 S 0,05–0,2 N < 0,005

Cr ≤ 0,2 Ni ≤ 0,2 Ti < 0,15 Nb < 0,2

Tabelle 2, Legierungszusammensetzung gemäß KR102008063161AA
Zum Vergleich der Eigenschaften dieser Elektrode mit denen des vorgeschlagenen Zusatzdrahtes wird das Kohlenstoffäquivalent CE herangezogen.
Das sogenannte Kohlenstoffäquivalent CE, vom International Institute of Welding (IIW) 1967 veröffentlicht, wurde entwickelt, um die Kaltrißneigung von Schweißverbindungen zu beurteilen.
Auch wenn es mittlerweile weitere Formeln für das Kohlenstoffäquivalent gibt, ist sie bis heute die meistbenutzte Formel, und basiert in erster Linie auf Härtemessungen und wurde unter der Annahme abgeleitet, daß Legierungselemente, die zum Aufhärten beitragen, in gleichem Maß die Kaltrißneigung fördern.
Das Kohlenstoffäquivalent ergibt sich wie folgt: CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15
Berechnet man die Kohlenstoffäquivalente nach Tabelle 1 und Tabelle 2, so erhält man die Werte 0,0256 für den IF-Stahl und 0,250 für die Elektrode für das Lichtbogenschweißen.
Zieht man zum Vergleich das Kohlenstoffäquivalent eines höherfesten Stahles ZstE340 heran, so liegt dieses mit 0,1783–0,1923 noch reichlich unter dem der obengenannten Elektrode für das Lichtbogenschweißen, so dass diese nicht zur Reduzierung der Aufhärtung des Schweißgutes beitragen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- KR 102008063161 AA [0018, 0018]

Claims

Zusatzdraht für das Laserschweißen von hoch- und höchstfesten, der aus einem gezogenen IF-Stahl mit definierter chemischen Analyse hergestellt wird, welche so modifiziert wurde, dass der vorhandene Titanüberschuß im Zusatzdraht während des Laserschweißprozesses zusätzlich C- und N-Atome bindet, wodurch gegenüber einer Schweißung ohne Zusatzdraht eine niedrigere Aufhärtung des Schweißgutes im Schweißnahtbereich erzielt wird.