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Thursday, September 28, 2017, Saal R 4:00 PM Moderne Schweißverfahren - Laserstrahlschweißen |
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Zweistrahlverfahren zum Laserschweißen von dünnwandigen Duplex-Halbwerkzeugen |
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Stefan Ulrich* / ifw - Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH , Deutschland Andreas Fey / ifw Jena - Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH, Deutschland Simon Jahn/ ifw Jena - Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH, Deutschland |
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Für die Herstellung von dünnwandigen Duplex-Strukturen (dd1 mm) eignen sich Schweißverfahren mit einer minimalen Wärmeeinbringung. Derzeit werden laserbasierte Prozesse häufig durch die Verwendung von Zusatzwerkstoff unterstützt, um die Austenitbildung zu fördern. Aufgrund der steigenden Kosten und der Anlagenkomplexität wird in industriellen Anwendungen derzeit in der Regel vom Laserstrahlschweißen von Duplexstählen abgesehen. Wird ohne Zusatzwerkstoff gearbeitet, wird dem Schweißvorgang heute meist ein zweiter Prozessschritt angeschlossen, bspw. eine thermische Nachbehandlung. Um die Attraktivität von laserbasierten Prozesse zu steigern, ist die Erreichung eines ausgewogeneren Phasenverhältnis, ohne den Einsatz von Schweißzusatz oder einem nachgelagerten zweiten Prozessschritt, unabdingbar. Das Hauptmerkmal der Duplexstähle ist sein Gefüge, das aus einem ausgewogenen Verhältnis von Austenit und Ferrit besteht. Dieses bewirkt eine hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitig hoher Korrosionsbeständigkeit. Ist die Abkühlrate, beim Schweißen, zu hoch bildet sich kein Phasengleichgewicht aus. Für den Laserschweißprozess stellt dies eine hohe Hürde dar. Daher basiert der untersuchte Lösungsansatz auf einer Zweistrahltechnologie sodass die Wärmebehandlung in den Schweißprozess integriert wird. Damit wird das Ziel verfolgt, die für das Laserschweißen typische hohe Schweißgeschwindigkeit zu erhalten, um dem Risiko der Bildung von intermetallischen Phasen entgegenzuwirken. Die prozessangepasste Strahlführung bzw. Strahlformung des Nachwärmstrahls wurde variiert und somit ein werkstoffspezifisches Temperaturfeld generiert. Unter Verwendung der numerischen Strömungsmechanik (CFD) wurden verschiedene simulative Ansätze genutzt, welche sowohl die prozessbedingte Schutzgasströmung, die Wärmeinbringung und die Bewegung beider Wärmequellen einbeziehen. Die Modellierung der primären Schweißstrahlquelle erfolgte über Strahlungsrandbedingungen, wohingegen der Sekundärstrahler durch eine angenäherte Wärmeleitquelle abgebildet wurde. Diese Herangehensweise ermöglichte die Berechnung des zeitabhängigen Temperaturfeldes für verschiedene Schweißparameter, wodurch partielle Abkühlraten und somit die Phasenausbildung des Gefüges bestimmt werden können. Durch die überlagerte Intensitätsverteilung der zwei Laserquellen ist ein ausgewogeneres Verhältnis beider Phasen in der Fügezone in einem einzigen Prozessschritt darstellbar. Die Kombination aus Temperaturfeldsimulation und experimentellen Untersuchungen wurde durch werkstofftechnische Charakterisierung der Schweißnaht vervollständigt worden. |