Zukunftstechnologien Entfestigung hochfester Stähle mit Diodenlasern

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Thomas Molitor, Laserline Dipl.-Ing. Sabrina Vogt, Fraunhofer ILT / Luca Meister

Bei der Entfestigung hochfester Stähle liefert der Diodenlaser nachweislich die besten Resultate. Die Prozessgeschwindigkeiten waren jedoch bislang so niedrig, dass diese Technik als unwirtschaftlich galt. Eine neue Bestrahlungstechnik wird jedoch bald die Prozessführung hocheffizient machen.

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Das neu entwickelte Verfahren des Entfestigens verspricht eine hocheffiziente und damit uneingeschränkte wirtschaftliche Prozessführung.
Das neu entwickelte Verfahren des Entfestigens verspricht eine hocheffiziente und damit uneingeschränkte wirtschaftliche Prozessführung.
(Bild: Fraunhofer ILT)

In den 1970er Jahren erstmals eingesetzt, sind hochfeste Stähle heute aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken. Genutzt werden sie vor allem dort, wo höchste Stabilität mit einer gewichtsarmen Bauweise kombiniert werden soll – etwa in Stahlträgern von Brücken und Hochhäusern, in Radsätzen von Hochgeschwindigkeitszügen oder in Transportcontainern und Automobilkarosserien. Je nach Legierung ermöglichen es hochfeste Stähle dabei, das Gewicht eines Bauelements bei gleichbleibender Zugfestigkeit um bis zu 75 Prozent zu reduzieren. Die Vorteile liegen auf der Hand: In Spannbauwerken, wo das Auflagegewicht des Überbaus gering zu halten ist, erhöht diese Gewichtsersparnis die Gesamtstabilität. Bei Transportcontainern und Karosserien ist der Leichtbau gleichbedeutend mit einer deutlichen Senkung des Kraftstoffverbrauchs. Hier wie dort erhöhen die Materialeinsparungen zudem auch die Wirtschaftlichkeit des Fertigungsprozesses.

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Erfolgreiche Umformung setzt Entfestigung in vordefinierten Zonen voraus

So vorteilhaft hochfeste Stähle als Werkstoffe sind, so anspruchsvoll ist nun allerdings auch ihre industrielle Verarbeitung. Das gilt vor allem für den Karosseriebau, wo hochstabile Stahlbleche unter anderem zu Dachrahmen, B-Säulen oder Seitenaufprallträgern umgeformt werden. Denn die klassischen Umformprozesse – Kaltumformung oder Presshärten – lassen sich bei hochfesten Stählen weniger leicht durchführen als bei anderen Stahlsorten. Beim Kaltumformen etwa sind zwei- bis viermal so hohe Presskräfte erforderlich wie bei weichen Stählen; zudem drohen Risse im Material sowie starke Rückfederungen nach Abschluss des Pressvorgangs. Die erfolgreiche Umformung hochfester Stähle erfordert deshalb eine spezielle Vorbehandlung, das sogenannte Entfestigen. Bei diesem Verfahren wird das Materialgefüge des Stahls – meist harter Martensit – in vordefinierten Zonen durch Wärmeeinwirkung («anlassen») verändert und so die Elastizität des Blechs erhöht. Je nach Anwendung wird die Martensitstruktur dabei entweder gelockert oder via Austenitisierung in ein Ferrit-Perlit-Gefüge verwandelt. Ergebnis ist in beiden Fällen eine Blechbeschaffenheit, die auch komplexe Umformungsprozesse ermöglicht. Darüber hinaus werden mit Hilfe des Entfestigungsverfahrens aber auch Deformationszonen realisiert, die bei Zusammenstössen die Aufprallenergie absorbieren. In allen übrigen Zonen hingegen bleibt – eine zielgenaue Wärmeeinwirkung vorausgesetzt – die Hochfestigkeit des Stahls unverändert erhalten.

Diodenlaser-Bestrahlung als effektivste Entfestigungstechnik

Im modernen Karosseriebau wird das Entfestigen auf verschiedensten Wegen durchgeführt. Wärmebehandlungen durch Induktion sind ebenso gängig wie der Einsatz von Gasflammen oder Infrarotstrahlern. Die effektivste Bearbeitungstechnik stellt freilich die Laserbestrahlung dar, die derzeit zwar noch nicht in der Serienfertigung eingesetzt wird, sich aber bereits in Sonderprojekten, im Prototyping sowie im Rahmen wissenschaftlicher Forschungen bewährt hat. Sie ermöglicht eine höchst flexible und präzise Materialbearbeitung, die Übergangszone zwischen behandeltem und unbehandeltem Werkstoff beispielsweise ist deutlich kleiner als bei allen anderen Techniken der Wärmebehandlung. Vor allem Diodenlaser liefern aufgrund ihres grossen Brennflecks und ihrer annähernd homogenen Intensitätsverteilung exzellente Entfestigungsergebnisse. Sie sind zudem günstiger und leistungseffizienter als andere Laser: Während Faser- und Scheibenlaser im Schnitt auf Effizienzwerte von 25 bis 30 Prozent kommen, erreichen Diodenlaser bis zu 48 Prozent. Wenn bis heute gleichwohl weder sie noch andere Lasertypen den Weg in die Serienfertigung gefunden haben, dann vorrangig deshalb, weil die Prozessgeschwindigkeit lasergestützter Wärmebehandlung bisher stets als zu niedrig eingestuft wurde. Denn um eine möglichst gleichmässige Entfestigung zu erreichen, muss der Temperaturgradient niedrig und die Wärmeverteilung im Blech möglichst homogen sein. Unter Verwendung von Lasern liess sich das bis dato nur durch einen vergleichsweise langsamen Bestrahlungsprozess realisieren. Im Schnitt erreichten Laser bei der Bearbeitung hochfester Stähle eine Geschwindigkeit von etwa einem Meter pro Minute. Für eine effiziente, wirtschaftlich vertretbare Prozessführung wird jedoch – je nach Anwendung – die drei- bis zehnfache Geschwindigkeit benötigt. In der industriellen Serienentfestigung kam der Einsatz von Lasern daher bislang nicht in Frage.

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