DE102018104829A1

DE102018104829A1 - Verfahren zur Schweißvorbehandlung beschichteter Stahlbleche

Info

Publication number: DE102018104829A1
Application number: DE102018104829.7A
Authority: DE
Inventors: Gerald Brugger
Original assignee: Voestalpine Automotive Components Linz GmbH and Co KG
Current assignee: Voestalpine Automotive Components Linz GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-09-05
Also published as: US11919105B2; US20200398377A1; KR102594731B1; CA3091460A1; EP3758887A1; KR20200120922A; CN111801192A; RU2755485C1; WO2019166498A1; CN111801192B; DE202019005926U1; MX2020009177A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen von mit einer Aluminium-Silizium-Korrosionsschutzschicht versehenen Blechen, wobei zeitlich vor dem Verschweißen die auf den Blechen aufliegende Aluminium-Silizium-Schicht im Bereich des Schweißstoßes und die dahinter befindliche intermetallische Schicht zwischen dem Basismaterial und der Korrosionsschutzbeschichtung mit einem Laser überfahren wird, und dabei einerseits Material der Aluminium-Silizium-Schicht und der darunter liegenden intermetallischen Zwischenschicht verdampft und abgesaugt wird und andererseits eine in das Grundmaterial hineinreichende Reaktion mit dem Grundmaterial erzeugt wird, so dass eine metallische Reaktions- oder Legierungsablationsschicht erzeugt wird, die Eisen und gegebenenfalls Legierungselemente aus dem Grundmaterial und Aluminium-Silizium aus der Aluminium-Silizium-Schicht und der intermetallischen Zwischenschicht aufweist, wobei die Reaktionsschicht eine Dicke von 5µm bis zu 100µm erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schweißvorbehandlung beschichteter Stahlbleche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im Stand der Technik ist es bekannt, aus Stahlblechen unterschiedlicher Dicke und/oder Stahlblechen mit unterschiedlicher Zusammensetzung geschweißte Platinen herzustellen, die dann einer Weiterverarbeitung, wie einer Umformung oder Wärmebehandlung zugänglich sind.
Der Sinn hierhinter ist, dass durch die unterschiedliche Dicke oder die unterschiedliche Zusammensetzung Eigenschaften eines fertigen umgeformten Bauteils zonal unterschiedlich gestaltet werden können.
Darüber hinaus ist es bekannt, auch Bleche zu verschweißen, die eine Korrosionsschutzbeschichtung, und insbesondere eine metallische Korrosionsschutzbeschichtung wie eine Zink- oder Aluminiumbeschichtung besitzen.
Es ist insbesondere bekannt, hochhärtbare Mangan-Bor-Stähle miteinander zu verschweißen, aus welchen anschließend Strukturbauteile von Karosserien hergestellt werden.
Derart maßgeschneiderte Platinen aus Stahlblechen werden auch als „tailored blanks“ bezeichnet.
Bekannte Schweißverfahren sind das Lichtbogenschweißen und das Laserschweißen sowie das Laserlichtbogen-Hybridschweißverfahren.
Insbesondere bei aluminium-siliziumbeschichteten Blechen hat sich herausgestellt, dass die Aluminium-Siliziumschicht, wenn sie mit den herkömmlichen Schweißverfahren in das Verschweißen der Bleche involviert ist, Probleme bereitet. Offensichtlich haben die Beschichtungselemente einen negativen Einfluss auf die Zusammensetzung der Schweißnaht.
Es gibt daher Ansätze, Aluminium-Siliziumschichten vor dem Schweißen teilbereichsweise zu entfernen, um die Aluminium-Siliziumkonzentration in der Schweißnaht abzusenken.
Zudem ist aus dem Stand der Technik bekannt, bei einem Verschweißen derartig beschichteter Bleche mit einem Zusatzdraht zu arbeiten oder mit einer Pulverzugabe.
Aus der DE 10 2012 111 118 B3 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines oder mehrerer Werkstücke aus presshärtbarem Stahl, insbesondere Mangan-Bor-Stahl bekannt, bei dem im Stumpfstoß geschweißt wird und bei dem das Werkstück oder die Werkstücke eine Dicke von mind. 1,8mm aufweisen und/oder an dem Stumpfstoß ein Dickensprung von mind. 0,4mm entsteht, wobei bei dem Laserschweißen in das mit einem Laserstrahl erzeugte Schmelzbad Zusatzdraht zugeführt wird. Um sicherzustellen, dass sich die Schweißnaht beim Warmumformen zuverlässig in ein martensitisches Gefüge aufhärten lässt, sieht diese Schrift vor, dem Zusatzdraht mind. 1 Legierungselement aus der Mangan, Chrom, Molybdän, Silizium und/oder Nickel umfassenden Gruppe zuzusetzen, dass die Bildung von Austenit in dem mit dem Laserstrahl erzeugten Schmelzbad begünstigt, wobei dieses mind. eine Legierungselement mit einem um mind. 0,1 Gewichtsprozent größeren Masseanteil im Zusatzdraht vorhanden ist als in dem presshärtbaren Stahl des Werkstückes oder der Werkstücke.
Aus der DE 10 2014 001 979 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines oder mehrerer Werkstücke aus härtbarem Stahl im Stumpfstoß bekannt, wobei der Stahl insbesondere ein Mangan-Bor-Stahl ist und die Werkstücke eine Dicke zwischen 0,5 und 1,8mm aufweisen und/oder an dem Stumpfstoß ein Dickensprung zwischen 0,2 und 0,4 mm entsteht, wobei beim Laserschweißen in das Schmelzbad ein Zusatzdraht eingeführt wird, wobei das Schmelzbad ausschließlich durch den einen Laserstrahl erzeugt wird. Um sicherzustellen, dass sich die Schweißnaht beim Warmumformen zuverlässig in ein martenstisches Gefüge aufhärten lässt, sieht die Schrift vor, dass der Zusatzdraht mindestens ein Legierungselement aus der Mangan, Chrom, Molybdän, Silizium und/oder Nickel umfassenden Gruppe enthält, sodass die Bildung von Austenit begünstigt wird.
Aus der EP 2 737 971 A1 ist ein tailor welded blank bekannt und ein Verfahren zu seiner Herstellung, wobei das Blech dadurch erzeugt wird, dass Bleche unterschiedlicher Dicke oder Zusammensetzung miteinander verbunden werden, wobei Qualitätsprobleme in der Schweißzone vermindert werden sollen. Auch hierbei wird ein Zusatzdraht verwendet, wobei dieser so ausgestaltet werden soll, dass im Temperaturbereich von 800 bis 950°C kein Ferrit entsteht. Dieses Verfahren soll insbesondere für AlSi-beschichtete Bleche geeignet sein, wobei auch dieser Draht einen höheren Gehalt an Austenit stabilisierenden Elementen haben soll, die insbesondere aus Kohlenstoff oder Mangan bestehen.
Aus der EP 1 878 531 B1 ist ein Verfahren zum hybriden Laser-Lichtbogen-Schweißen von oberflächig beschichteten metallischen Werkstücken bekannt, wobei die oberflächige Beschichtung Aluminium enthalten soll. Der Laserstrahl soll mit wenigstens einem Lichtbogen kombiniert sein, sodass ein Schmelzen des Metalls und ein Schweißen des oder der Teile bewirkt wird und, dass wenigstens eines der Teile vor seinem Schweißen auf der Oberfläche einen seiner seitlichen Schnittflächen die verschweißt werden soll, Ablagerungen der Beschichtung von Aluminium-Silizium aufweist.
Aus der EP 2 942 143 B1 ist ein Verfahren zum Verbinden von zwei Rohlingen bekannt, wobei die Rohlinge Stahlbleche sind mit einer Beschichtung, welche eine Schicht aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung umfassen, wobei die beiden Teile aneinandergeschweißt werden unter Nutzung eines Laserstrahls und eines Lichtbogens, wobei der Lichtbogenbrenner eine Fülldrahtelektrode umfasst und die Fülldrahtelektrode aus einer Stahllegierung umfassend stabilisierende Elemente besteht, wobei Laser und Lichtbogen in einer Schweißrichtung bewegt werden, wobei in Schweißrichtung der Lichtbogenschweißbrenner und der Laserstrahl nachfolgend angeordnet sind.
Aus der EP 2 883 646 B1 ist ein Verfahren zum Verbinden von zwei Rohlingen bekannt, wobei zumindest einer der Rohlinge eine Schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umfasst, wobei beim Schweißvorgang ein Metallpulver in die Schweißzone zugeführt wird und das Metallpulver ein auf Eisen basierendes Pulver umfassend gammastabilisierende Elemente ist und das Laserstrahlschweißen ein Zweipunktlaserstrahlschweißen ist.
Aus der EP 2 007 545 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines geschweißten Teils mit sehr guten mechanischen Eigenschaften bekannt, wobei ein Stahlblech eine Beschichtung besitzt, die aus einer intermetallischen Schicht besteht und einer auf der intermetallischen Schicht befindlichen Metalllegierungsschicht. Zum Zwecke des Verschweißens der Bleche soll an der Peripherie des Blechs, d. h. den Bereichen, die verschweißt werden sollen, die Metalllegierungsschicht auf der intermetallischen Schicht entfernt sein, wobei es sich bei dieser Schicht um eine Aluminiumlegierungsschicht handelt. Diese Beschichtung soll durch einen Laserstrahl beseitigt sein, sodass diese als Aluminium-Siliziumschicht ausgebildete Schicht vor dem Verschweißen abgedampft wird, um schädliche Einflüsse des Aluminiums in der Schweißnaht zu vermeiden. Gleichzeitig soll die intermetallische Schicht bestehen bleiben, um möglicherweise korrosionshemmende Wirkungen zu entfalten.
Aus der US 960 43 11 B2 ist ein Vollablationsverfahren bekannt, bei dem eine metallische und eine intermetallische Schicht vollständig durch Laser verdampft werden.
Bei Verfahren, bei denen eine Vollablation durchgeführt wird, ist von Nachteil, dass die Bereiche, die vollständig von einer Aluminium-Silizium-Schicht befreit wurden, beim Schweißen oder spätestens beim Härten der Bauteile oberflächlich verzundern. Dies schwächt den Querschnitt im Bereich der Naht und ist grundsätzlich unerwünscht.
Bei einer Teilablation ist von Nachteil, dass diese sehr genau gefahren werden muss, um lediglich die Aluminium-Silizium-Schicht zu entfernen, jedoch möglichst die intermetallische Zwischenschicht zu erhalten. Dies gelingt nicht immer vollständig. Ferner ist von Nachteil, dass bei der Teilablation durch die noch bestehende intermetallische Zwischenschicht zu viel Aluminium in der Schweißnaht vorhanden sein kann, so dass die Schweißnaht nicht die erforderliche Stabilität besitzt und das Bauteil in der Schweißnaht versagt. Dies ist grundsätzlich unerwünscht.
Bei Verfahren, bei denen ein Pulver in die Schweißnaht eingebracht wird, hat sich herausgestellt, dass die Dosierung des Pulvers doch recht schwer ist.
Grundsätzlich besteht das Problem, dass bei Aluminium-Siliziumschichten auf Blechen bei der Verschweißung die Schweißnaht weniger fest wird, was offensichtlich am Aluminium liegt, welches mit in die Schweißnaht eingetragen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Schweißvorbehandlung zu schaffen, mit dem zuverlässig stabile Schweißnähte erzeugt werden können.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die nachteilige Wirkung des Aluminiums und insbesondere die nachteilige Wirkung einer noch bestehenden intermetallischen Zwischenschicht dadurch beseitigt werden kann, dass die Schweißvorbereitung mit einem Laser derart gezielt durchgeführt wird, dass anstelle einer Vollablation, bei der die intermetallische Zwischenschicht vollständig beseitigt wird, oder einer Teilablation, bei der die intermetallische Zwischenschicht erhalten bleibt, eine Reaktionsablation gefahren wird, bei der aus der intermetallischen Zwischenschicht und gegebenenfalls auch noch Bestandteilen der Aluminium-Silizium-Schicht einerseits und dem Stahlgrundmaterial andererseits eine metallische Reaktionsschicht erzeugt wird, die deutlich dicker sein kann als die intermetallische Zwischenschicht und in den Grundwerkstoff hineinragt. In dieser Reaktionsschicht ist die Legierung derart durchgeführt, dass Aluminium und Silizium soweit verteilt sind, dass zwar einerseits ein Schutz gegen Verzunderung geboten ist, jedoch eine negative Auswirkung auf die Festigkeit der Schweißnaht nicht feststellbar ist. Dies gelingt erfindungsgemäß aber nur bei einer ausgewählten Fahrweise des Lasers.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass die nachteilige Wirkung des Aluminiums vermieden werden muss und der Eintrag von Aluminium, der zwangsläufig passiert, neutralisiert werden muss.
Im Stand der Technik müssen Teilablationen, die zu diesem Zweck erfolgen, mit einem Laser sehr genau gefahren werden, um überhaupt eine gewünschte Teilablation realisieren zu können.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass diese Teilablation schlicht nicht zuverlässig gelingt und dementsprechend die Schweißnaht nicht über nachvollziehbare Eigenschaften verfügt.
Viel wichtiger als die absoluten Eigenschaften der Schweißnaht sind die relativen Eigenschaften der Schweißnaht über die Länge, so dass grundsätzlich gilt, das Spitzenwerte bezüglich der Zugfestigkeit in wenigen Bereichen der Schweißnaht weniger interessant sind als gleichbleibende Eigenschaften über die gesamte Nahtlänge, die zu zuverlässigen Bauteilen führen.
Wiederum haben die Erfinder erkannt, dass Schwankungen auch beim Vollablationsprozess nach dem Stand der Technik, bei dem also die gesamte Aluminium-Silizium-Schicht entfernt wird, zu einer merklichen Verringerung des tragenden Querschnitts der Schweißnahtkanten führt, was ebenso zu nicht tolerablen Ergebnissen führt, wie bei der Teilablation.
Die Erfinder haben erkannt, dass beide Verfahren nach dem Stand der Technik, d.h. die Vollablation, als auch die Teilablation lediglich der Deckschicht ohne die intermetallische Schicht in zwei Richtungen über das Ziel hinausschießen. Bei der Teilablation nach dem Stand der Technik verbleibt schlichtweg zu viel Aluminium, welches die Schweißnaht schädigt. Bei der Vollablation wird jegliches Aluminium vermieden, jedoch tritt beim Härteprozess Verzunderung uns Entkohlung auf, was sich auf den tragenden Querschnitt der Verbindung negativ auswirkt.
Die Erfinder haben erkannt, dass ein gewisser Anteil an Aluminium jedoch unschädlich ist, so dass ein stabiler Ablationsprozess realisiert werden kann, der nach dem Verschweißen derart vorbehandelter Bleche zu einer Schweißnaht führt, die die gleiche Tragfähigkeit hat wie das gehärtete Grundmaterial.
Die geringe Menge Aluminium in der metallischen Reaktionsschicht bildet keine intermetallischen Phasen, sondern liegt in gelöster Form im Ferrit vor. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass diese geringen Mengen an Aluminium wiederum jedoch ausreichend sind, um vor Entkohlung und Verzunderung zu schützen.
Die Dicke der so erzeugten mit Aluminium angereicherten Reaktionsschicht beträgt von 5 µm bis zu 100 µm, bevorzugt 15 µm bis 80 µm, insbesondere 20 µm bis 70 µm, besonders bevorzugt 20 µm bis 50 µm, wobei die Ablation mit einem gepulsten Laser durchgeführt wird.
Die geeigneten Einstellungen sind beispielsweise eine Pulslänge von 70 ns bei einer Pulsfrequenz von 14 kHz und einer mittleren Leistung von 1606 W.
Hiermit lassen sich Ablationsgeschwindigkeiten von 9 m/min erreichen, bei einem Fokus des Strahles von 2,4 x 0,4 mm.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:

1: eine Vollablation nach dem Stand der Technik;
2: eine Teilablation nach dem Stand der Technik;
3: die erfindungsgemäße Legierungsablation;
4: eine Aluminium-Silizium-Beschichtung auf einem Stahlblech vor einer Wärmebehandlung in elektronenmikroskopischer Aufnahme;
5: ein Stahlblech mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung und einer Teilablationsspur in ungehärtetem Zustand in elektronenmikroskopischer Aufnahme;
6: die Teilablationsspur nach 5 in elektronen- und lichtmikroskopischer Aufnahme;
7: ein Detail aus der ungehärteten Teilablationsschicht nach 6;
8: eine Vollablationsspur in lichtmikroskopischer Aufnahme;
9: eine vergrößerte Aufnahme der Vollablationsspur nach 8;
10: die Vollablationsspur nach 9 in gehärtetem Zustand;
11: die erfindungsgemäße Legierungsablation in ungehärtetem Zustand in einem Vergleich zwischen einer elektronmikroskopischen und einer lichtmikroskopischen Aufnahme;
12: die Legierungsablationsspur in ungehärtetem Zustand in einer lichtmikroskopischen vergrößerten Darstellung;
13: in einer vergrößerten elektronmikroskopischen Aufnahme in ungehärtetem Zustand;
14: die Legierungsablationsspur in gehärtetem Zustand in einer lichtmikroskopischen Aufnahme und einer elektronmikroskopischen Aufnahme mit Elementerkennung;
15: ein erfindungsgemäß schweißvorbereitetes Bauteil in geschweißtem und ungehärtetem Zustand;
16: das Bauteil nach 16 nach der Härtung;
17: die Parameter bei der Ablation und beim Schweißen;
18: ein Detail im Bereich des Schweißnahtrandes des erfindungsgemäß schweißvorbehandelten Bauteils in ungehärtetem Zustand;
19: das Bauteil nach 19 in gehärtetem Zustand;
20: die Versuchsparameter für die Vollablation, Teilablation und erfindungsgemäße Legierungsablation.

Es ist bekannt, härtbare Stähle mit einer Korrosionsschutzschicht zu versehen und insbesondere mit einer Korrosionsschutzschicht, die den Stahl beim Härten vor Korrosion schützen soll. Dieses Härten findet üblicherweise so statt, dass das Stahlmaterial austenitisiert wird und anschließend abgeschreckt wird, so dass der Austenit teilweise oder vollständig in Martensit umwandelt und hierdurch eine Härtung herbeigeführt wird. Die üblichen Temperaturen hierfür liegen deutlich oberhalb 800°C. Bei solchen Temperaturen kommt es zu oberflächlichen Oxidationen und Entkohlung des Stahlmaterials, wenn es nicht durch eine Schicht vor der Entkohlung und der Oxidation geschützt werden würde.

Typische härtbare Stähle haben zum Beispiel die allgemeine Legierungszusammensetzung (alle Angaben in Masse-%):

Kohlenstoff (C)	0,03-0,6
Mangan (Mn)	0,8-3,0
Aluminium (AI)	0,01-0,07
Silizium (Si)	0,01-0,8
Chrom (Cr)	0,02-0,6
Titan (Ti)	0,01-0,08
Stickstoff (N)	< 0,02
Bor (B)	0,002-0,02
Phosphor (P)	< 0,01
Schwefel (S)	< 0,01
Molybdän (Mo)	< 1

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Insbesondere geeignet sind Stähle der Legierungszusammensetzung:

Kohlenstoff (C)	0,03-0,30
Mangan (Mn)	1,00-3,00
Aluminium (AI)	0,03-0,06
Silizium (Si)	0,01-0,20
Chrom (Cr)	0,02-0,3
Titan (Ti)	0,03-0,04
Stickstoff (N)	< 0,007
Bor (B)	0,002-0,006
Phosphor (P)	< 0,01
Schwefel (S)	< 0,01
Molybdän (Mo)	< 1

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

Besonders geeignet ist beispielsweise ein Stahl mit der Zusammensetzung:

C Si Mn P S Al Cr Ti B N

[%] [%] [%]a [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%]

0,20 0,18 2,01 0,0062 0,001 0,054 0,03 0,032 0,0030 0,0041

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
Solche Stähle sind ausdrücklich auch für die Erfindung geeignet.
In 1 ist eine Vollablation nach dem Stand der Technik gezeigt. Hierbei erkennt man einen Grundwerkstoff, auf dem eine Aluminium-Silizium-Schicht aufgebracht ist, wobei zwischen der Aluminium-Silizium-Schicht und dem Grundwerkstoff eine intermetallische Zone bzw. intermetallische Zwischenschicht ausgebildet ist, die sich zwangsläufig durch Reaktionen des Grundwerkstoffs mit der Aluminium-Silizium-Beschichtung während der erhöhten Temperaturen bei der Schmelztauchbeschichtung einstellt. Die Dicke der intermetallischen Zwischenschicht beträgt dabei etwa 3 bis 10 µm und die der Aluminium-Silizium-Schicht 25 bis 30 µm. Typische Gesamtschichtdicken sind somit 19 bis 35 µm bei einer üblichen Beschichtungsauflage von 60 g Aluminium-Silizium pro m². Die gesamte Schichtanalyse dieser Schicht besteht aus Aluminium mit 8 bis 11% Silizium und 2 bis 4% Eisen. Bei der Vollablation wird im Bereich des auftreffenden Laserstrahls sowohl mit Blasdüsen als auch mit Absaugungen der entstehende Metalldampf und Schmelztropfen abgesaugt.
In 2 ist ein sogenannter Teilablationsprozess gezeigt. Hier erkennt man ebenfalls wieder die Aluminium-Silizium-Schicht auf dem Grundwerkstoff mit der dazwischen befindlichen intermetallischen Zwischenschicht, wobei hierbei jedoch der Laserstrahl so gefahren wird, dass die intermetallische Zwischenschicht stehen bleibt und lediglich die Aluminium-Silizium-Schicht mit dem Laserstrahl verdampft wird und entsprechend abgesaugt wird.
In 3 ist die erfindungsgemäße Reaktions- oder Legierungsablation gezeigt. Auch hier ist wieder die Aluminium-Silizium-Schicht auf dem Grundwerkstoff mit der dazwischen befindlichen intermetallischen Zwischenschicht vorhanden. Auch hier wird mit Blasdüsen und einer Absaugung gearbeitet, wobei jedoch der Laserstrahl sowohl die Aluminium-Silizium-Schicht als auch die intermetallische Zone aber auch den Grundwerkstoff beeinflusst und sich nachdem der Laserstrahl die Aluminium-Silizium-Schicht und die intermetallische Zwischenschicht in ihrer Ausgangsform beseitigt hat, eine metallische Reaktionsschicht ausgebildet hat, die in den Grundwerkstoff hineinreichen kann, und bei der eine Aluminium-Silizium-Schicht oder eine intermetallische Zwischenschicht nicht mehr erkennbar ist. Somit hat der Laserstrahl erfindungsgemäß eine völlig eigene metallische Reaktionsschicht erzeugt, die aus metallischen Reaktionen in der Reaktionszone unter dem Einfluss des Laserstrahls stattgefunden haben. Die Reaktionsschicht selber kann dabei 5 bis 50 µm von der Oberfläche des ursprünglichen Grundwerkstoffs in den Grundwerkstoff hineinragen und insgesamt eine Schichtdicke von 5 µm bis 100 µm bevorzugt 20 µm bis 50 µm aufweisen.
In 20 sind die Parameter für die Teilablation, die Vollablation und die Reaktions- bzw. Legierungsablation gezeigt. bei der Teilablation wurde mit einer Geschwindigkeit von 8,5 m/min und einer Pulsdauer von 56 Nanosekunden gearbeitet. Die mittlere Ablationsleistung liegt bei 923 Watt, wobei die Ablationsfrequenz bei 10 kHz liegt und der Blasdüsendruck bei 0,5 bar Überdruck. Bei der Vollablation wurde bei gleicher Ablationsgeschwindigkeit von 8,5 m/min aber mit einer Pulsdauer von 64 Nanosekunden bei einer Frequenz von 12 kHz und einer mittleren Ablationsleistung von 1191 Watt gearbeitet. Der Blasdüsendruck ist hierbei dem bei der Teilablation identisch.
Bei der Legierungsablation wird mit der gleichen Ablationsgeschwindigkeit gearbeitet, gegenüber der Teilablation und der Vollablation ist jedoch die Pulsdauer auf 91 Nanosekunden erhöht und es wird mit einer Ablationsleistung von 1702 Watt gearbeitet, bei einer Frequenz von 18 kHz. Auch hier ist der Blasdüsendruck 0,5 bar Überdruck.
In 4 erkennt man eine typische Aluminium-Silizium-Beschichtung, wie sie großindustriell auf Stahlblechen verwendet wird. Die dort dargestellte Aluminium-Silizium-Beschichtung ist im Ausgangszustand dargestellt, d.h., im Anlieferungszustand eines solchen beschichteten Bleches, bevor dieses Blech wärmebehandelt wurde. Hierzu ist anzumerken, dass die Wärmebehandlung dieser üblichen, im Automobilbau für Strukturbauteile verwendeten Bleche darin besteht, diese Bleche zu austenitisieren und abschreckzuhärten, was bedeutet, dass bei der Wärmebehandlung eine Temperatur des Blechs von 900° meist überschritten wird, jedoch zumindest eine Temperatur oberhalb des Ac₃-Punkts der entsprechenden Stahllegierung. Man erkennt hierbei eine Gesamtschichtdicke von 31 µm bei einer Schichtdicke der intermetallischen Zwischenschicht von 6 µm. Die intermetallische Zwischenschicht besteht aus einer Zusammensetzung, die der allgemeinen Formel Fe_xAl_ySi_z sowie Fe_xAl_y gehorcht. In der intermetallischen Zone ergibt die EDX-Analyse einen Aluminiumanteil von 55,8 %, einen Eisenanteil von 33,5 %, einen Siliziumanteil von 10,3 %. Der Grundwerkstoff ist üblicherweise ein sogenannter Bor-Mangan-Strahl, der hochhärtbar ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Grundwerkstoff um einen sogenannten 22MnB5, was einer der üblichen Stähle für die Erzeugung derartiger Bauteile ist. Die Gruppe der Bor-Mangan-Stähle, die hierfür geeignet sind, ist jedoch deutlich größer und es findet ausdrücklich keine Einschränkung auf den 22MnB5 statt.
In 5 erkennt man eine Beschichtung wie in 4, die jedoch eine Teilablationsspur nach dem Stand der Technik besitzt, in ungehärtetem Zustand. Im linken Bereich der 5 ist eine unbeeinflusste Aluminium-Silizium-Beschichtung mit der intermetallischen Zone, wie in 4 zu sehen. Im rechten Bereich ist eine Teilablationsspur zu sehen, bei der nur noch die intermetallische Zwischenschicht mit ca. 5 µm Schichtdicke steht. Dazwischen ist ein Übergangsbereich zwischen dem teilablatierten Bereich und Beschichtungsbereich zu erkennen, bei dem die Beschichtung aufgrund des Wärmeeinflusses des Laserstrahls verändert ist.
In 6 ist zum Vergleich der gleiche Zustand noch einmal abgebildet, gegenüber einer lichtmikroskopischen Aufnahme desselben Bereichs, der gut den teilablatierten Bereich, den Übergangsbereich zwischen Ablation und Beschichtung und den Aluminium-Silizium-Beschichtungsbereich zeigt.
In 7 ist noch einmal der Teilablationsbereich gezeigt mit einer Ausschnittsvergrößerung der verbliebenen intermetallischen Zwischenschicht mit ca. 5 µm und dem darunterliegenden Grundwerkstoff. Durch die Teilablation hat sich auch die intermetallische Zwischenschicht etwas verändert, denn nun beträgt der Eisengehalt 68,7 %, der Aluminiumgehalt 26,7 %, der Siliziumgehalt 3,9 % und der Mangangehalt 0,7 %. Man erkennt somit, dass eine weitere Reaktion unter Einfluss der Laserstrahlhitze stattgefunden hat, so dass der Aluminiumgehalt zu Gunsten des Eisengehaltes gesunken ist, ebenso wie der Siliziumgehalt. Auch der erhöhte Mangangehalt weist darauf hin, dass eine Reaktion mit dem Bor-Mangan-Stahl stattgefunden hat.
In 8 ist eine Schliffaufnahme eines ungehärteten vollablatierten Bereichs zu sehen, wobei im Bereich der Vollablation eine Wärmeeinflusszone des Ablationsprozesses sichtbar ist, während davon entfernt die Aluminium-Silizium-Schicht und die intermetallische Zwischenschicht zu sehen ist. Auf dieser befinden sich Ablationsreste, darunter der Grundwerkstoff. Die Vergrößerung dieses Bereichs in 9 zeigt den Übergangsbereich, in dem wiederum die Aluminium-Silizium-Schicht aufgrund des Wärmeeinflusses des Lasers verändert ist.
10 zeigt nun den gehärteten Zustand, also bei einem Zustand, der dadurch hervorgerufen wurde, dass das vorher vollablatierte Blech einer Austenitisierung und Abschreckhärtung unterworfen wurde. Durch die Härtung hat sich auch die Aluminium-Silizium-Beschichtung auf der intermetallischen Zwischenschicht verändert, diese besteht jetzt insbesondere aus den allgemeinen Zusammensetzung Al_xFe_y, Al_xFe_ySi_z, α-Fe. Im Bereich der Vollablation erkennt man eine Zunderschicht auf einer entkohlten Zone, d.h., dass hier die Härtung und insbesondere die Wärmebehandlung zur Härtung, nämlich die Austenitisierung dazu geführt hat, dass das Grundmaterial oberflächlich oxidiert ist (Zunder), also im Wesentlichen aus Eisenoxiden und Oxiden der Legierungselemente besteht, während der für die Härtung an sich notwendige Kohlenstoff im oberen Bereich aufgrund der Wärmebehandlung im Stahl verarmt ist und durch Oxidation entfernt wurde.
Bei der erfindungsgemäßen Legierungs- oder Reaktionsablation (11) erkennt man im ungehärteten Zustand, dass anstelle einer intermetallischen Zwischenschicht und/oder einer reinen Grundwerkstoffschicht eine in 12 rechts sichtbare weiße Reaktionsschicht verblieben ist. Eine Elementanalyse in dieser weißen metallischen Reaktionsschicht zeigt, dass dort der Eisengehalt 91,3 % beträgt, der Aluminiumgehalt 6 %, der Siliziumanteil 1,2 %, der Mangananteil 1,2 % und der Chromanteil 0,2 %. Die vergleichsweise hohen Gehalte an Mangan und Chrom zeigen, wie stark hier eine Reaktion mit dem Grundwerkstoff stattgefunden hat. Die verbleibenden Gehalte von 6 % Aluminium und 1,2 % Silizium haben sich bezüglich der Tragfähigkeit einer mit einem solchen Blech erzeugten Schweißnaht als absolut unkritisch herausgestellt.
In 12 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme des entsprechenden Bereichs noch einmal dargestellt.
13 zeigt noch einmal einen vergrößerten Bereich der Reaktionsschicht und des Übergangsbereichs zur Aluminium-Silizium-Beschichtung.
Im gehärteten Zustand (14) erkennt man die extreme Überlegenheit der erfindungsgemäßen Reaktionsschicht gegenüber allen bekannten bisherigen Schweißvorbereitungen für solche Bleche. Im gehärteten Zustand ist die Reaktionsschicht sehr klar definiert vorhanden, während der Grundwerkstoff völlig unbeeinflusst und insbesondere ohne Entkohlung und ohne Verzunderung darunter angeordnet ist. Nach dem Härten erkennt man, dass in der Reaktionsschicht (15 unten) der Eisengehalt weiter angestiegen ist auf Kosten des Aluminium- und Silizium-Anteils und der Mangangehalt und der Chromgehalt ebenfalls noch einmal leicht angestiegen sind. Gleichwohl hat diese Reaktionsschicht eine überzeugende Korrosionsschutzarbeit geleistet.
Wird ein derart erfindungsgemäß vorbereitetes Bauteil mit einem weiteren derartigen Bauteil verschweißt, erkennt man in 15 den ungehärteten Zustand. In 16 ist der gehärtete Zustand gezeigt. Hier erkennt man noch einmal sehr deutlich, wie zuverlässig die dort weiß ersichtliche Reaktions- bzw. Legierungsablationszone das darunterliegende Material geschützt hat. In 17 sind die Parameter gezeigt, hierbei wurde mit einer Ablationsgeschwindigkeit von 8,5 m/min und einer mittleren Ablationsleistung von 1702 Watt bei einer Frequenz von 18 kHz und einem Abblasdüsendruck von 1,5 bar Überdruck gearbeitet. Verschweißt wurde ebenfalls mit einer Geschwindigkeit von 8,5 m/min bei einer Schweißleistung von 4920 Watt und einer Gasspülung von 15 I Argon pro Minute.
In 18 erkennt man den Übergang zur Schweißnaht im ungehärteten Bereich, bei der ganz links die Aluminium-Silizium-Schicht plus die intermetallische Zwischenschicht erkennbar sind, im mittleren Bereich die Reaktionsschicht und ganz rechts die Schweißnaht. Im gehärteten Zustand (19) erkennt man ganz rechts eine durch die Wärmebehandlung umgewandelte Aluminium-Silizium-Schicht auf der intermetallischen Zwischenschicht, im mittleren Bereich die klar definiert ausgebildete Reaktionsschicht und daneben die Schweißnaht.
Die Härtung erfolgte bei einer Ofentemperatur von 930°C und einer Ofenverweilzeit von 5 Minuten und 10 Sekunden. Die Transferzeit zur Abkühlung betrug 8 Sekunden, wobei die Abkühlung in einem wassergekühlten Plattenwerkzeug erfolgte.
Der verwendete Ablationslaser stammt von der Firma Powerlase, der Lasertyp ist i1600E-60. Die Ablations-Laser-Optik besitzt eine Fokusgeometrie von 2,4 × 0,4 mm², wobei die 0,4 mm in Ablationsvorschubrichtung angeordnet sind. Die Brennweite der Fokuslinse betrug etwa 150 mm, die Laseroptik kann bei der Firma Andritz Soutec unter der Bestellnummer 62-515781 bestellt werden. Die geeignete und bei den Versuchen verwendete Absaughaube ist ebenfalls von der Firma Andritz Soutec hergestellt und ist unter der Bezeichnung Ablation Absaughaube „Souspeed“ bei der Firma Andritz Soutec mit der Bestellnummer 64-515460 bestellbar. Mit den angegebenen Parametern und der genannten Anlage lässt sich das erfindungsgemäße Ergebnis zuverlässig wiederholt erzeugen.
Bei der Erfindung ist somit von Vorteil, dass die Erfinder einen Weg gefunden haben, einerseits die Verzunderung und Randentkohlung zu verhindern und andererseits die Bildung intermetallischer oder weicher ferritischer Phasen auszuschließen ohne das Verfahren übermäßig kompliziert zu gestalten. Zudem werden auch die tragenden Querschnitte nicht verringert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012111118 B3 [0011]
DE 102014001979 A1 [0012]
EP 2737971 A1 [0013]
EP 1878531 B1 [0014]
EP 2942143 B1 [0015]
EP 2883646 B1 [0016]
EP 2007545 B1 [0017]
US 9604311 B2 [0018]

Claims

Verfahren zur Schweißvorbereitung von mit einer Aluminium-Silizium-Korrosionsschicht versehenen Stahlblechen aus einem härtbaren Stahlmaterial, wobei die auf den Blechen aufliegende Aluminium-Silizium-Schicht und die darunter liegende intermetallische Zwischenschicht sowie das darunter liegende Grundmaterial mit einem Laserstrahl im Bereich einer gewünschten Schweißkante überfahren werden und dabei einerseits Material der Aluminium-Silizium-Schicht und der darunter liegenden intermetallischen Zwischenschicht verdampft und abgesaugt wird und andererseits eine in das Grundmaterial hineinreichende Reaktion mit dem Grundmaterial erzeugt wird, so dass eine metallische Reaktions- oder Legierungsablationsschicht erzeugt wird, die Eisen und gegebenenfalls Legierungselemente aus dem Grundmaterial und Aluminium-Silizium aus der Aluminium-Silizium-Schicht und der intermetallischen Zwischenschicht aufweist, wobei die Reaktionsschicht eine Dicke von 5 µm bis 100 µm insbesondere 20 µm bis 50 µm erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit V_abl zwischen 4 m/min und 30 m/min, insbesondere zwischen 7 m/min und 15 m/min liegt, der Laser gepulst betrieben wird mit Pulsdauern zwischen 20 bis 150 ns, insbesondere 30 bis 100 ns und mit Frequenzen von 1 bis 100 kHz, insbesondere 10 bis 30 kHz bei mittleren Ablationsleistungen von 500 W bis 5000 W, insbesondere 1000 W bis 2000 W.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren so durchgeführt wird, dass der Aluminiumgehalt der metallischen Reaktionsschicht nach der Schweißvorbereitung 11,3 % nicht überschreitet, vorzugsweise 10 % nicht überschreitet und weiter bevorzugt 8 % nicht überschreitet (in Masse-%).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundmaterial ein Stahl verwendet wird, der ein Bor-Mangan-Stahl ist, welcher durch ein Austenitisierungs- und Abschreckverfahren härtbar ist und insbesondere ein Stahl aus der Gruppe der 22MnB5-Stähle verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundmaterial ein Stahl der allgemeinen Legierungszusammensetzung (in Masse-%) Kohlenstoff (C) 0,03-0,6 Mangan (Mn) 0,8-3,0 Aluminium (AI) 0,01-0,07 Silizium (Si) 0,01-0,8 Chrom (Cr) 0,02-0,6 Titan (Ti) 0,01-0,08 Stickstoff (N) < 0,02 Bor (B) 0,002-0,02 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundmaterial ein Stahl der allgemeinen Legierungszusammensetzung (in Masse-%) Kohlenstoff (C) 0,03-0,30 Mangan (Mn) 1,00-3,00 Aluminium (AI) 0,03-0,06 Silizium (Si) 0,01-0,20 Chrom (Cr) 0,02-0,3 Titan (Ti) 0,03-0,04 Stickstoff (N) < 0,007 Bor (B) 0,002-0,006 Phosphor (P) < 0,01 Schwefel (S) < 0,01 Molybdän (Mo) < 1

Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundmaterial ein Stahl der Legierungszusammensetzung C=0,20, Si=0,18, Mn=2,01, P=0,0062, S=0,001, AI=0,054, Cr=0,03, Ti=0,032, B=0,0030, M=0,0041, Rest Eisen und schmelzungsbedingte Verunreinigungen verwendet wird, wobei alle Angaben in Masse-% sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Reaktions- bzw. Legierungsablationsschicht vom Stoß bzw. der Stoßfuge 0,4 bis 2,4 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der entstehende Dampf sowie Schmelzpartikel mittels geeigneten Abblasdüsen im Druckbereich von 0,1 bis 20 bar, insbesondere von 0,3 bis 5 bar und Absaugvorrichtungen von dem Schweißstoß weggeführt wird.
Platine hergestellt und für ein Verschweißen vorbereitet mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verschweißtes Bauteil aus Platinen nach Anspruch 10.
Verwendung von Platinen nach Anspruch 10 und schweißverarbeitet nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erzeugung von verschweißten Bauteilen wobei die Platine mit ablatierten Stößen aneinandergelegt und mittels Laser verschweißt werden.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schweißen ein Zusatzdraht in die Schweißnaht eingebracht wird.