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Die Erfindung betrifft Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißverfahren zum unlösbaren fügen zweier oder mehreren Bauteilen aus einem hochfesten Stahl.
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Zum unlösbaren Fügen zweier Bauteile aus einem metallischen Werkstoff gibt es eine Vielzahl von Fügeverfahren.
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Eines der Fügeverfahren ist ein Laserstrahl-Schweißverfahren, bei dem die Fügestelle mittels eines darauf gerichteten Laserstrahles aufgeschmolzen wird und anschließend erstarrt.
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Außer dem Laserstrahl-Schweißverfahren gibt es das Metall-Schutzgas-Schweißverfahren, bei dem es sich um ein universell einsetzbares Schweißverfahren handelt, welches sich unter Verwendung moderner Schweißstromquellen und Drahtvorschubeinheiten gut beherrschen lässt. Dieses Metall-Schutzgas-Schweißverfahren (auch MSG-Schweißverfahren oder MIG- bzw. MAG-Verfahren genannt) kann auch sehr gut durch ein vollmechanisches Schweißen erfolgen.
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Schließlich ist es bekannt, die beiden vorstehend genannten Verfahren in einem Hybridverfahren, nämlich einem Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißverfahren zu kombinieren. Dadurch lassen sich insbesondere bei dem vollmechanischen Schweißen weitere Verbesserungen sowohl in der Schweißgeschwindigkeit als auch in der Belastbarkeit der Fügestelle erzielen.
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Allerdings stößt diese Belastbarkeit bei extremen Beanspruchungen an ihre Grenzen. Solche extremen Beanspruchungen sind zum Beispiel der Beschuss von Bauteilen aus Sicherheitsstählen z. B. Fahrzeugkomponenten, die aus zumindest zwei Teilen bestehen, die aufgrund ihrer Formgebung nicht einteilig ausgebildet werden können, sondern aus zwei zusammengefügten Teilen bestehen. Diese Fügestelle, im Regelfall eine Schweißnaht über eine längere Erstreckung, stellt bei solch einer hohen Beanspruchung, wie sie beispielsweise durch einen Beschuss oder eine Explosion erfolgt, eine nicht hinzunehmende Schwachstelle dar.
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Diese Schwachstelle ergibt sich bei dem verwendeten hochfesten Stählen (z. B. Feinkornstähle) dadurch, dass durch die Verwendung des Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißverfahrens eine hohe Geschwindigkeit eingestellt wird, wodurch sich nach Durchführung des Schweißverfahrens eine schnelle Abkühlung der Fügestelle einstellt und dadurch das Material der beiden zu fügenden Bauteilen in diesem Bereich spröde wird. Dadurch kann die Fügestelle den geforderten Beanspruchungen nicht standhalten.
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Außerdem ist es bei der Verwendung von Bauteilen aus Sicherheitsstählen erforderlich, dass diese Stähle zum Erreichen vorgegebener Festigkeitswerte bei ihrer Herstellung Legierungselemente beigegeben werden, damit die vorgegebenen Festigkeitswerte des Stahles, beispielsweise des Stahlbleches, erreicht werden. Dies bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass zumindest eines dieser Legierungselemente oder auch Kombinationen davon bewirken, dass der hochfeste Stahl beim Fügevorgang (Durchführung des Schweißprozesses) in der sogenannten Wärme beeinflussten Zone (WEZ), die sich direkt neben der Fügestell bzw. der Fügenaht befindet, zur Bildung sehr harter Gefügebestandteile neigt. Diese Aufhärtung in der WEZ ist umso höher, je schneller dieser Bereich direkt neben der Fügestelle wie schon beschrieben abkühlt. Diese Abkühlung führt jedoch in nachteiliger Weise dazu, dass der gegenüber seiner Umgebung (benachbarter kalter Stahlbereich) umso schneller abkühlt. Dieses Verhalten wird nochmals durch den Einsatz des Fügeverfahrens mittels Laser verstärkt, da für dieses Verfahren ein sehr starker Temperaturgradient gegenüber der konventionellen Schweißung vorliegt. Dadurch entstehen in nachteiliger und beim späteren Einsatz sicherheitskritischer Weise aufgehärtete und spröde Fügebereiche, die unter extremer Beanspruchung zu Rissbildungen neigen.
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Aus Lahdo, Rabi (et al.): Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen von Feinkornbaustählen für den Einsatz im Stahlbau (in Stahlbau, Band 84, 2015, H.12, Seiten 1016 bis 1022 ISSN 0038-9145) ist ein Laserstrahl-MSG-Hybridschweißverfahren zum Fügen von zivilen Bauteilen (wie beispielsweise eines Stahlrohrturmes) einer Windkraftanlage aus einem hochfesten Stahl bekannt, bei dem ein Bereich um eine Fügestelle herum induktiv auf eine Temperatur von 190 Grad Celsius erwärmt wird. Solche zivilen Bauteile wie z. B. Windkraftanlagen sind jedoch keinen extremen Situationen, wie z. B. Beschuss von außen oder Explosionen, die gezielt hervorgerufen werden, ausgesetzt. Daher reicht es bei solchen Konstruktionen auch vollkommen aus, für die Bauteile, die zusammengefügt werden sollen, einen hochfesten Stahl zu verwenden, der eine Härte von maximal 450 HV (in etwa 420 HBW) und eine Streckgrenze von maximal 690 MPa (Feinkornbaustahl der Güte S690QL) besteht.
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Aus Bach, Fr.-W. (et al.): Verbessertes Umformverhalten durch serielle induktive Nachwärmung von Laserstrahlschweißnähten (in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Band 33, 2002, H.7, Seiten 410 bis 414, ISSN 0049-8688) ist es bekannt, ein Laserstrahlschweißen mit induktiver Nachwärmung der Laserstrahlschweißnähte einzusetzen, um erhöhten Anforderungen an den Leichtbau von Kraftfahrzeugen bei steigenden Steifigkeiten und wachsenden Sicherheitsanforderungen zu genügen. Hierzu werden sogenannte Tailortblanks in der tragenden Struktur eingesetzt, wobei diese jedoch sehr dünn sind (im Regelfall unter 1mm), da es im Kraftfahrzeugbereich bekannt ist, Material auch im sicherheitskritischen Bereich einzusparen, um das Gewicht eines Fahrzeuges zu realisieren was hier von besonderer Wichtigkeit ist. Aus diesem Stand der Technik wird daher ein Werkstoff H340 mit einer maximalen Blechdicke von einem Millimeter verwendet, um daraus zwei Bauteile zu bilden, die mittels Laserstrahlschweißung unlösbar miteinander verbunden werden sollen. Das daraus gebildete fertige Bauteil (zunächst bestehend aus zwei einzelnen Bauteilen), weist eine Streckgrenze von maximal 420 MPa bei einer Mikrohärte von maximal 300 HV auf. Solche Art gebildete Bauteile genügen den Anforderungen hinsichtlich des Leichtbaus bei Kraftfahrzeugen, jedoch nicht sicherheitskritischen Sicherheitsanforderungen unter Beschuss oder wenn solche Fahrzeuge Explosionen ausgesetzt sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißverfahren zum unlösbaren Fügen mindestens zweier Bauteile aus Sicherheitsstahl (Stahl mit ballistischen Eigenschaften für den primären Personenschutz bei militärischen und/oder zivilen Anwendungen) dahingehend zu verbessern, dass sie auch höchsten Beanspruchungen, insbesondere Beschuss- oder Explosions-Beanspruchungen, genügen.
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Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass der Bereich um die Fügestelle herum auf 150°C bis 300°C induktiv aufgewärmt wird.
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Die induktive Aufwärmung (auch Vorwärmung genannt, das heißt die externe Wärmezufuhr im Pre- oder Post-Prozess während oder nach dem Schweißprozess) hat den Vorteil, dass zwar nicht die beiden zu fügenden Bauteile in ihrer Gesamtheit (was dennoch in Abhängigkeit der geometrischen Erstreckung der Komponenten denkbar wäre) erwärmt werden, sondern ein solcher Bereich um die Fügestelle herum erwärmt wird, so dass der geschilderte nachteilige Einfluss der „kalten Bereiche" der gefügten Bauteile um die Fügestelle herum wesentlich reduziert oder vollständig eliminiert wird. Dass bedeutet, dass die Bereiche um die Fügestelle, insbesondere um die Fügenaht, herum erwärmt werden, so dass wirksam vermieden wird, dass sich der Bereich der Fügestelle nach erfolgter Durchführung des Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißverfahrens nicht zu schnell abkühlt. Dadurch wird die Bildung aufgehärteter, spröder und damit rissanfälliger Bereiche wirksam vermieden.
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Die Aufwärmung auf einen Bereich von 100°C bis 300°C hat den Vorteil des beschriebenen Effektes, dass nämlich die Bereiche der zu fügenden Komponenten um die Fügestelle herum umso langsamer abkühlen, je höher sie erwärmt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Erwärmung nicht mit Temperaturen erfolgt, die einen Einfluss auf eine Gefügeänderung der hochfesten Feinkornbaustähle haben. Die Erwärmung ist dabei nicht nur abhängig von dem verwendeten hochfesten Stahl, sondern auch von der geometrischen Erstreckung (Fläche) der zufügenden Bauteile und deren Materialstärke (Dicke).
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Ein besonders wichtiger Bereich einer Erwärmungstemperatur ist der Bereich von 150°C bis 200°C, da in diesem Temperaturbereich die induktive Aufwärmung schnell und unter vertretbarem Kostenaufwand durchgeführt werden kann und gleichzeitig die Vermeidung rissanfälliger Bereiche vermieden wird. Dies erfolgt unbedingt und in vorteilhafter Weise für die Behandlung von Bauteilen aus Sicherheitsstählen (insbesondere für die Anwendung in wehrtechnischen Bereichen), da hierdurch die mechanisch-technologischen Eigenschaften der gefügten Komponenten, die ein Armierungsbauteil bilden, im Fügebereich und um diesen herum in überraschender Weise deutlich gesteigert ist.
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Zur Einhaltung von Schutzanforderungen von Vorrichtungen, die mit dem gefügten Bauteil gebildet werden, ist weiterhin die Verwendung von hochfesten Stählen, insbesondere ballistischen Stählen, erforderlich, die neben ihrer Verarbeitung auch bestimmte Materialeigenschaften aufweisen.
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Es hat sich herausgestellt, dass zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften der späteren fertigen Vorrichtung, die aus den zumindest zwei unlösbar gefügten Bauteilen besteht, der hochfeste Stahl, aus dem die Bauteile bestehen, eine Streckgrenze von mindestens 690 MPa und eine Härte von mindestens 420 HBW aufweisen. Das heißt, dass nach der Erfindung hochfeste Stähle mit einer Streckgrenze von mindestens 690 MPa und einer Härte von mindestens 420 HBW verwendet und mittels des Laserstrahl MSG-Hybrid-Schweißverfahrens unlösbar miteinander gefügt werden. Die induktive Aufwärmung des Bereiches um die Fügestelle herum auf 100 Grad Celsius bis 300 Grad Celsius in Verbindung mit den Materialeigenschaften bewirkt eine extreme Festigkeit der gefertigten Vorrichtung, bei der die zwei oder mehr Bauteile eingesetzt werden. Vor allen Dingen bei einem Beschuss von Bauteilen, wie den z. B. genannten Fahrzeugkomponenten, oder Explosionen, denen die Bauteile ausgesetzt sind, wiederstehen diese Bauteile besonders gut aufgrund der Kombination von Materialeigenschaften und Fügeparametern.
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In Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Erwärmung gezielt vor und/oder nach der Durchführung des Schweißverfahrens. In allen drei Fällen wird sichergestellt, dass die zu fügenden Komponenten eine solche Energie aufweisen, mit der der langsame Abkühleffekt nach Durchführung des Schweißens erreicht wird. Von besonderem Vorteil ist die Erwärmung auf den vorgegebenen Temperaturbereich vor bzw. nach der Durchführung des Schweißprozesses, um zu vermeiden, dass der hochfeste Stahl nach Beendigung des Schweißprozesses in der Wärme beeinflussten Zone zur Bildung sehr harter Gefügebestandteile neigt
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In Weiterbildung der Erfindung wird das Schweißverfahren mit einer definierten Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Materialstärke (Dicke) der zu fügenden Bauteile durchgeführt. Hierdurch ist es nicht nur in vorteilhafter Weise möglich, sehr schnell und somit mit einer deutlich höheren Schweißgeschwindigkeit gegenüber dem konventionellen Schweißen entlang einer Fügenaht zu schweißen, sondern durch die induktive Aufwärmung auch die geforderten mechanisch-technologischen Eigenschaften der gefügten Bauteile zu erzielen, die optimal auf die Materialstärke abgestimmt sind. Es werden also in vorteilhafter Weise zwei Ziele verfolgt und umgesetzt: hohe Schweißgeschwindigkeit und hohe Belastbarkeit unter extremen Beanspruchungen gegenüber teilmechanisierten und/oder vollmechanisierten Schweißprozessen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird eine Induktionsspule für die induktive Erwärmung mit der definierten, vorzugsweise gleichen Geschwindigkeit des Laserstrahles vor und/oder hinter dem Laserstrahl bewegt. Hiermit lässt sich also in vorteilhafter Weise die Einrichtung zum Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißverfahren mit der Einrichtung zum Aufwärmen (allgemein Induktionsspule) miteinander kombinieren. Dass bedeutet, dass der zu erwärmende Bereich der Schweißeinrichtung voreilt und/oder nacheilt, so dass dadurch immer die erforderliche Erwärmung zur Vermeidung der zu schnellen Abkühlung nach Durchführung des Schweißverfahrens erfolgt. Auf einfache Art und Weise können somit die Einrichtungen zum Schweißen und zum Erwärmen miteinander gekoppelt werden.
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Die Aufwärmung der Fügestelle hat darüber hinaus noch den Vorteil, dass vor allen Dingen längere Schweißnähte ausgeführt werden können. Bisher war es mit den bekannten Schweißverfahren nicht möglich, längere Schweißnähte, die sich insbesondere über die Gesamtlänge der zufügenden Komponenten erstrecken, in einem Durchgang zu schweißen. Es musste immer abschnittsweise (z. B. Pilgerschrittverfahren) geschweißt werden, um einen unerwünschten Verzug der Bauteile zu minimieren. Die Vorteile liegen zusammenfassend somit in der optimalen Einstellung der mechanisch-technologischen Eigenschaften des Fügebereichs, der betriebswirtschaftlichen Betrachtung in Hinsicht der höheren Schweißgeschwindigkeit und des nahezu verzugsfreien Schweißens überformatiger Bauteile.
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Von ganz besonderem Vorteil ist die Anwendung des vorstehend beschriebenen Laserstrahl-MSG-Hybrid-Schweißverfahrens mit induktiver Wärmeführung für einen wehrtechnischen Einsatz, da hierbei Komponenten aus einem hochfesten Sicherheitsstahl zur Anwendung kommen und im Einsatz allerhöchsten Beanspruchungen, insbesondere durch Beschuss bzw. Explosion, unterliegen. Die zu fügenden Bauteile finden Anwendung bei stationären oder mobilen Einrichtungen, wie beispielsweise Panzerfahrzeugen oder dergleichen.
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Als Beispiele von Gruppen von hochfesten Stählen (ohne Einschränkung) für den wehrtechnischen Einsatz sind Baugruppen mit Werkstoffeigenschaften bis hin zur Güte Z nach TL 2350-0000 zu nennen, genauso wie solche nach den Normen: CEN ISO/TR 15608, Tab. 1, Gruppe 3.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der hochfeste Stahl eine Streckgrenze von mindestens 800 MPa und eine Härte von mindestens 450 HBW auf. Das bedeutet, dass hochfeste Stähle mit diesen Materialeigenschaften verwendet werden, um sie mit dem genannten Verfahren unlösbar zu fügen. Aufgrund der verbesserten, das heißt erhöhten Materialeigenschaften werden die Schutzwirkungen dadurch nochmals gesteigert.
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Eine besonders bevorzugte Auswahl der anzuwendenden hochfesten Stähle ist darin zu sehen, dass der hochfeste Stahl eines jeden Bauteiles eine Streckgrenze in einem Bereich von mindestens 1000 MPa bis maximal 1750 MPa und eine Härte in einem Bereich von mindestens 475 HBW bis maximal 550 HBW aufweist. Aufgrund des Einsatzes der hochfesten Stähle mit diesen Materialeigenschaften lässt sich das induktive Aufwärmen vor und/oder nach dem Fügen optimal auf die Bauteile abstimmen, die gefügt werden sollen. Durch den Einsatz der Stähle mit den genannten Materialeigenschaften (Streckgrenze und Härte) lassen sich Vorrichtungen mit solchen gefügten Bauteilen realisieren, die besonders hohen Anforderungen genügen.
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Alternativ dazu kann eine Vorrichtung aus hochfesten Stählen nach der Erfindung gebildet werden, wenn der hochfeste Stahl eine Streckgrenze in einem Bereich von mindestens 1100 MPa bis maximal 1650 MPa und eine Härte in einem Bereich von mindestens 420 HBW bis maximal 530 HBW aufweist. Ebenfalls zur Erzielung der erforderlichen Stabilitäten von Vorrichtungen bei Beschuss oder dem Aussetzen von Explosionen steht somit ein alternatives Material zur Verfügung, welches zur Bildung der Vorrichtung eingesetzt werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest zwei zu fügenden Bauteile eine Materialstärke von mindestens 3 Millimetern (drei Millimeter, 3 mm) aufweisen. Durch diese mindest-Materialstärke ist gewährleistet, dass Vorrichtungen, wie zum Beispiel Fahrzeugkomponenten für die zivile oder militärische Anwendung, ausreichend stark dimensioniert sind, wenn solche Vorrichtungen, wie zum Beispiel Fahrzeuge, unter Beschuss geraten oder Explosionen ausgesetzt sind. Die nach der Erfindung vorgesehenen Materialeigenschaften der hochfesten Stähle aus denen die Bauteile bestehen, deren unlösbare Zusammenfügung und die mindest-Materialstärke führen insgesamt zu einem vorteilhaften Gesamtschutz der Vorrichtung, die auch höchsten Sicherheitsanforderungen genügt.
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Die Streckgrenze Re ist ein Werkstoffkennwert und bezeichnet diejenige Spannung, bis zu der ein Werkstoff bei einachsiger und momentenfreier Zugbeanspruchung keine dauerhafte plastische Verformung zeigt. Es handelt sich dabei um eine Fließgrenze. Bei Unterschreiten des Wertes kehrt das Material nach Entlastung elastisch in seine ursprüngliche Form zurück, bei Überschreiten verbleibt dagegen eine Formveränderung, bei einer Probe also eine Verlängerung. Je nach Materialverhalten wird entweder die Streckgrenze oder die Dehngrenze verwendet, um die Elastizitätsgrenze eines Materials festzulegen. Die Streckgrenze ist mittels etablierten und standardisierten Zugversuchen einfach zu ermitteln und hat die größte technische Bedeutung. Sie wird in den Einheiten „MPa“ (Megapascal) oder „N/mm2“ (Newton pro Quadratmillimeter) angegeben.
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Härte ist der mechanische Widerstand, den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines anderen Körpers entgegensetzt. Je nach der Art der Einwirkung unterscheidet man verschiedene Arten von Härte. So ist Härte nicht nur der Widerstand gegen härtere Körper, sondern auch gegen weichere und gleich harte Körper. Sie wird in der Einheit „HB“ (Brinellhärte) beziehungsweise „HBW“ (Brinellhärte, W steht für das Material der Prüfkugel: Wolframkarbidhartmetall) angegeben und nach etablierten standardisierten Messverfahren bestimmt.
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Bei der Umrechnung von Härteangaben in der Einheit „HB“ beziehungsweise „HBW“ in die Einheit „HV“ (Härte nach Vickers) oder umgekehrt stehen seit langem entsprechende Umrechnungstabellen zur Verfügung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Lahdo, Rabi (et al.): Laserstrahl-MSG-Hybridschweißen von Feinkornbaustählen für den Einsatz im Stahlbau (in Stahlbau, Band 84, 2015, H.12, Seiten 1016 bis 1022 ISSN 0038-9145) [0009]
- Bach, Fr.-W. (et al.): Verbessertes Umformverhalten durch serielle induktive Nachwärmung von Laserstrahlschweißnähten (in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Band 33, 2002, H.7, Seiten 410 bis 414, ISSN 0049-8688) [0010]
- Normen: CEN ISO/TR 15608, Tab. 1, Gruppe 3 [0023]