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Lokale Wärmebehandlung mit Laserstrahlung zur Verbesserung der Umform- und Funktionseigenschaften von hochfesten Stählen = Local heat treatment with laser radiation to improve forming and functional properties of high stength steels



VerantwortlichkeitsangabeGeorg Bergweiler

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumAachen : Apprimus 2013

UmfangGetr. Zählung : Ill., graph. Darst.

ReiheErgebnisse aus der Lasertechnik


Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Druckausgabe: 2013. - Onlineausgabe: 2014. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University.


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-10-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48524
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229402/files/4852.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wärmebehandlung (Genormte SW) ; Anlassen (Genormte SW) ; Laser (Genormte SW) ; Hochfester Stahl (Genormte SW) ; Ultrahochfester Stahl (Genormte SW) ; Umformung (Genormte SW) ; Formhärten (Genormte SW) ; Laserdiode (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Diodenlaser (frei) ; lokale Wärmebehandlung (frei) ; laser (frei) ; heat treatment (frei) ; high strength steel (frei) ; ultra high strength steel (frei) ; forming (frei) ; hot-stamping (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Verwendung hochfester Stähle im Automobilbau ermöglicht durch Reduzierung der Blechdicke Gewichtseinsparungen, ohne Kompromisse bei den Crasheigenschaften eingehen zu müssen. Ein großes Hindernis ist bisher die eingeschränkte Kaltumformbarkeit der hochfesten Stähle im Vergleich zu herkömmlichen Tiefziehstählen, insbesondere bei Festigkeiten über 1000 MPa. Mit einer Laserstrahl-Wärmebehandlung können umformkritische Bereiche von Platinen lokal durch eine Gefügeumwandlung entfestigt werden. Die wärmebehandelten Bereiche weisen im Zugversuch eine bis zu fünffach größere Bruchdehnung auf, so dass kritische Bereiche riss- und einschnürungsfrei kalt umgeformt werden können. Alternativ zur Kaltumformung wird durch Presshärten, einen kombinierten Warmumform- und Härteprozess, eine hohe Festigkeit auch bei großer Bauteilkomplexität erreicht. Bei vielen Bauteilen ist aber keine durchgehend hohe Festigkeit erwünscht. In Deformations- und Fügezonen ist oftmals eine größere Duktilität erforderlich, was durch eine lokale Laserstrahl-Wärmebehandlung eingestellt werden kann. In dieser Dissertation werden grundlegende Erkenntnisse zum Werkstoffverhalten und zur Verfahrenstechnik der Laserstrahl-Wärmebehandlung von hochfesten Stählen erarbeitet. Dazu wird ein Hochleistungsdiodenlaser (max. 10 kW) mit Laserspotbreiten bis zu 90 mm Breite verwendet. Die Zusammenhänge zwischen den Verfahrensparametern, den aufgeprägten Temperatur-Zeit-Verläufen, dem Gefüge, der Härte und den mechanischen Kennwerten werden für vier verschiedene Werkstoffe ermittelt: CP-W®800, Docol®1200 und MS-W®1200 werden für die Kaltumformung und 22MnB5 für pressgehärtete Bauteile eingesetzt. In Korrosionstests und in Streifenzugversuchen wird die Eignung unterschiedlicher Beschichtungen für die Automobilindustrie untersucht. Das Verfahren wird an Demonstratorbauteilen getestet und diese hinsichtlich ihrer Funktionseigenschaften wie z.B. Festigkeit, Crashverhalten und Geometrieabweichungen analysiert. Durch die lokale Laserstrahl-Wärmebehandlung können z.B. B-Säulen aus 50 % festeren Stählen als bisher kalt umgeformt werden, diese können im Crashtest größere Kräfte aufnehmen. Bei pressgehärteten Bauteilen kann die Bruchdehnung in gewünschten Bereichen von unter 5 auf über 18 % vergrößert werden. Mit 10 kW Laserleistung ist in Abhängigkeit der Beschichtung eine maximale Flächenrate von bis zu 15 cm²/s möglich, die Energiekosten pro Bauteil liegen im einstelligen Eurocent-Bereich (Stand 2012).

Lightweight construction is an effective method of reducing fuel consumption and CO2 emissions in the automotive industry. At the same time, crash safety specifications are constantly being tightened. High-strength steels meet both requirements. However, these steels are more difficult to form than deep drawing steels since their higher strength compromises formability, especially when using tensile strength above 1000 MPa. The cold formability of high-strength steel blanks can be improved by locally changing the microstructure in critical areas with laser radiation prior to cold forming. The laser heat treated areas exhibit up to five times increased elongation in a tensile test. Thanks to the locally modified mechanical properties of the blanks, parts can be formed without necking or cracks in critical areas. Another way to combine high strength with a good formability is hot-stamping. In the case of the widely used Manganese Boron Steel 22MnB5, the tensile strength is 1600 MPa after hot stamping. But such high strength is not desired in the whole part. Deformation zones for better crash performance and zones for joining require a more ductile material, what can be achieved by local heat treating these zones with laser radiation. In this work, material and process characteristics of laser heat treatment of four different high strength steels are investigated: CP-W®800, Docol®1200 and MS-W®1200 are used for cold forming, 22MnB5 for hot-stamping. A fiber-coupled 10 kW high-power diode laser and optics with rectangular, homogeneous intensity distribution of up to 90 mm width are used. Process parameters, temperature, microstructure, hardness and mechanical properties are correlated for all investigated steels. Corrosion and tool friction are investigated for different coatings, to ensure automotive applicability. The laser heat treatment process is demonstrated for different parts. The properties of these parts (e.g. tensile strength, crash properties, geometry and distortion) are analyzed. B-pillars can be formed from 50 % stronger blanks than before, when using laser heat treated blanks. These B-pillars can resist higher forces in a side-impact-test. The laser heat treatment of hot-stamped parts results in an increase of the breaking elongation from below 5 % to more than 18 %. With 10 kW laser power, up to 15 cm²/s can be heat treated, depending on the coating. The energy cost are less than 0,10 Euro per part (2012).

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
German

Interne Identnummern
RWTH-CONV-144372
Datensatz-ID: 229402

Beteiligte Länder
Germany

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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
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418710

 Record created 2014-07-16, last modified 2022-04-22


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