SB_17.148NLP

2013
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Laserstrahlschweißen von
Mischverbindungen aus
ferritischen und
austenitischen rostfreien
Edelstählen für Anwendungen
im
Dünnblechbereich

Laserstrahlschweißen von
Mischverbindungen aus
ferritischen und austenitischen
rostfreien Edelstählen für
Anwendungen im
Dünnblechbereich
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 17.148 N
DVS-Nr.: 06.075
Bayerisches Laserzentrum GmbH
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 17.148 N / DVS-Nr.: 06.075 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2013 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 365
Bestell-Nr.: 170256
ISBN: 978-3-96870-255-1
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ............................................................................................................. 3
2 Stand der Technik ................................................................................................ 5
3 Forschungsziel ................................................................................................... 34
4 Methodischer Ansatz .......................................................................................... 38
5 Projektbegleitender Ausschuss .......................................................................... 42
6 Versuchseinrichtungen ....................................................................................... 43
7 Forschungsergebnisse ....................................................................................... 47
7.1 Auswahl der Versuchswerkstoffe ................................................................. 47
7.2 Effekt der Legierung der Grundwerkstoffe ................................................... 49
7.3 Einflussnahme auf die Schmelzbaddynamik und Durchmischung ............... 56
7.4 Verwendung von Zusatzmaterial in Drahtform ............................................. 64
7.5 Einsatz aktiver Schutzgaskomponenten ...................................................... 69
8 Prozessmodell .................................................................................................... 75
9 Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der KMU ....... 79
10 Durchführende Forschungsstelle(n) ................................................................... 80
11 Literaturverzeichnis ............................................................................................ 81
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1 Einleitung
Für viele Anwendungen mit korrosiven Belastungen, wie z. B. im Küchen-, Sanitärund
Lebensmittelbereich, werden austenitische korrosionsbeständige Edelstähle eingesetzt.
Diese Werkstoffe zeichnen sich größtenteils durch gute Umform- und
Schweißeigenschaften aus [DIN2005], [TK2009/1] und sind resistent gegenüber
zahlreichen Medien [TK2009/2]. Zur Erzeugung eines austenitischen Gefüges wird
dem Stahl vor allem der Austenitbildner Nickel zulegiert. Neben der Stabilisierung
des kubisch-flächenzentrierten Austenits erhöht das Legierungselement Nickel zudem
die Korrosionsbeständigkeit eines Edelstahls gegenüber nichtoxidierenden Säuren
[TK2009/1]. Im Gegensatz zur positiven Wirkung auf die chemischen Eigenschaften
führt eine Legierung mit Nickel aufgrund dessen Handelspreises von etwa 10.000
Euro je Tonne [FIN2010] jedoch zu einer signifikanten Verteuerung des Stahls.
Zur Reduktion der Materialkosten und der Abhängigkeit vom globalen Nickel-Preis
besteht bei den industriellen Nutzern von korrosionsbeständigen Edelstählen das
Bestreben, nickelhaltige Austenite so weit wie möglich durch nickelfreie Ferrite zu ersetzen
[IHKS2008]. Darüber hinaus fördert eine Verringerung der nickelhaltigen
Werkstoffe in der Produktion auch die Gesunderhaltung des schweißtechnischen
Personals: Bisher liegen zwar keine allgemeingültigen Angaben zur Wechselwirkung
von dauerhaft erhöhten Nickelkonzentrationen und Krebserkrankungen beim Menschen
vor. Dennoch kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden,
dass eine permanente Belastung durch Nickel bzw. dessen Verbindungen zu einem
erhöhten Risiko für eine Krebserkrankung führt [DGU2009], [HCS2008], [BGG904],
[TRGS905], [GSI2009].
Auf Basis eines wirkortgerechten Ersatzes nickellegierter austenitischer Stähle durch
nickelfreie Ferrite, vgl. Abbildung 1-1, lässt sich in den Unternehmen daher auch die
Belastung des schweißtechnischen Personals durch Nickel und Nickelverbindungen
verringern. Prinzipiell ist für jeden austenitischen Edelstahl ein ferritischer Ersatz verfügbar
[ISSF2007]. Allerdings unterscheiden sich die nickelfreien, ferritischen Edelstähle
(Chrom-Stähle) in den Umform- und Schweißeigenschaften von den nickelhaltigen,
austenitischen Edelstählen (Chrom-Nickel-Stählen). Bei der Kaltumformung
von ferritischen Edelstählen sind aufgrund ihres kubisch-raumzentrierten Gitters im
Allgemeinen höhere Umformkräfte aufzubringen als bei den Austeniten. Die Schwei-
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ßeignung von ferritischen Edelstählen hängt von der jeweiligen Legierung ab, wobei
besonders deren Neigung zur Grobkornbildung und zur Aufhärtung zu beachten ist
[SW2009], [MB823], [Be2002]. Für besonders kritische Anwendungen im beispielsweise
Küchen- und Sanitärbereich, wo hohe Umformgrade ohne Zwischenglühschritte
realisiert werden müssen und im späteren Betrieb überdurchschnittliche Korrosionsbelastungen
durch etwa Chloride auftreten, kann kein vollständiger Ersatz von
nickellegierten Austeniten durch günstigere Ferrite erfolgen. Zur signifikanten Reduktion
der Materialkosten kann jedoch die Verwendung austenitischer Edelstähle auf
die Bauelemente mit den maximalen umformtechnischen und chemischen Belastungen
beschränkt werden. Für die übrigen Komponenten mit mittleren oder geringen
Anforderungen an das Umformverhalten und die chemische Beständigkeit genügen
kostengünstigere ferritische Edelstähle.
Abbildung 1-1: Wirkortgerechter Materialeinsatz
Zur Realisierung von „maßgeschneiderten“ Konstruktionen mit wirkortgerechtem Materialeinsatz
ist die Erzeugung von Mischverbindungen aus austenitischen und ferritischen
korrosionsbeständigen Stählen daher unumgänglich. Mit Blick auf die mechanische
und chemische Belastbarkeit sollen diese Mischverbindungen zumeist als
Schweißverbindungen ausgeführt werden. Mittels Laserstrahltechnik lassen sich
schlanke Schweißnähte mit gleichmäßigem Erscheinungsbild und ohne Oberflächenverunreinigungen
erreichen, die im Sichtbereich zudem optisch ansprechend
wirken [Poh1994], [Kil2002].
Trotz dieser Vorteile ist die Anwendung lasergeschweißter Mischverbindungen an
korrosionsbeständigen Edelstählen für etwa Applikationen im Bereich der sogenannten
weißen Ware und der Sanitärtechnik mit hohen Ansprüchen an die chemische
Beständigkeit bisher nur sehr beschränkt. Ursächlich hierfür ist die ungenügende
Kenntnis über das Korrosionsverhalten derartiger Verbindungen nach dem Schweißen
und folglich ein zu hohes Risikopotential für den jeweiligen Anwender. Auf Grund
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der Tatsache, dass der Laserschweißvorgang einen kurzzeitmetallurgischen Fügevorgang
mit erheblichen Aufheiz- und Abkühlraten darstellt, ist die Übertragbarkeit
von Erkenntnissen zur Schmelzbaddurchmischung und Gefügeausbildung von konventionellen
Schweißverfahren auf Laserprozesse ungeklärt.
Dieses Forschungsvorhaben will daher dazu beitragen, diese Lücken zu schließen
und Empfehlungen zum Laserstrahlschweißen von Mischverbindungen aus austenitischen
und ferritischen korrosionsbeständigen Edelstählen abzuleiten.
2 Stand der Technik
Aktuelle Situation
Gerade klein- und mittelständische Unternehmen, welche eine Reduktion ihrer Materialkosten
durch die Verringerung der nickellegierten Austenite zugunsten von nickelfreien
Ferriten anstreben, durchlaufen oftmals folgendes Szenario: Zunächst werden
an Wirkorten mit geringeren chemischen Anforderungen hochlegierte austenitische
Stähle, wie etwa 1.4301, durch sehr niedrig legierte ferritische Stähle, zum Beispiel
den Chromstahl 1.4016 ersetzt. Die Streckenenergie beim Laserstrahlschweißen
wird nach geometrischen Aspekten, wie einer ausreichenden Durchschweißung bei
möglichst hohem Vorschub gewählt. Als Schutzgas werden die inerten Gase Argon
und Helium verwendet und derart zugeführt, dass die Bildung von Anlauffarben auf
der Bauteiloberfläche möglichst gering ausfällt. Da sich im Dünnblechbereich bereits
geringe Spalte nachteilig auf die Nahtqualität auswirken, werden gegebenenfalls
Maßnahmen, wie eine Doppelfokussierung der Laserstrahlung beidseitig des Fügespaltes,
d. h. quer zur Vorschubrichtung angewendet. Die Tatsache, dass ein Laserstrahl-Doppelfokus
auch die Durchmischung der Grundwerkstoffe im Schmelzbad
verändert, wird häufig nicht berücksichtigt. Weiterhin wird zur Verbesserung der Fließeigenschaften
der Schmelze auf „aktive“ Komponenten, wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid
im Schutzgas zurückgegriffen. Kohlenstoffdioxid hat als nicht brennbares
Gas Vorteile hinsichtlich der Handhabung im Betrieb und stellt nach der Dissoziation
im Schweißprozess Sauerstoff zur Verringerung der Schmelzeviskosität zur Verfügung.
Beim Einsatz derartiger Gasgemische ist eine gewisse Bildung von Anlauf-
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