Duplexstähle zählen aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Korrosionsbeständigkeit zu den Hochleistungsstählen, die sich für Anwendungen unter extremen Bedingungen bewährt haben. Sie werden daher im Schiffbau, bei Offshore-Plattformen und Pipelines eingesetzt sowie für Behälter von Gas, Öl, oder Lebensmitteln verwendet. Ihre Eigenschaften verdanken Duplexstähle einem Gefügeverhältnis von 60 Prozent Austenit und 40 Prozent Deltaferrit. Für entsprechende Schweißverbindungen fordern internationale Regelwerke einen Austenitanteil von mindestens 30 Prozent. Um diese Vorgabe zu erreichen, bedarf es beim Schweißen einer kontrollierten Wärmeeinbringung, um darüber die Abkühlzeit zu definieren. Eine zu lange Abkühlzeit kann zu Ausscheidungen (Nitride und intermetallische Phasen) sowie zu einer spröden Grobkornzone führen. Eine zu kurze Abkühlzeit hingegen geht zu Lasten der Austenitbildung. Beides würde eine Reduzierung der mechanischen Eigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit der Naht mit sich bringen.

Laserstrahlschweißen als Alternative für die industrielle Schweißfertigung

Das derzeit bevorzugte zusatzwerkstoffbasierte Lichtbogenschweißverfahren, wie das Unterpulverschweißen und das Metallschutzgasschweißen, ist in der Lage, die Schweißverbindungen und die Wärmeeinbringung durch den Zusatzwerkstoff positiv zu beeinflussen. Dem gegenüber steht jedoch eine geringe Produktivität, bedingt durch geringe Schweißgeschwindigkeiten, mehrlagige Schweißungen und aufwendige Nahtvorbereitungen. Strahlschweißverfahren wiederum verfügen aufgrund von hohen Einschweißtiefen und Schweißgeschwindigkeiten über eine hohe Produktivität, können jedoch die Anforderungen hinsichtlich der zu erreichenden Gefügeanteile nicht erfüllen.

Forschende des Laser Zentrums Hannover e. V. (LZH) sowie des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) haben daher im Rahmen des Projekts DupLUH im Auftrag der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) ein neues Verfahren entwickelt, das die Vorteile des etablierten Unterpulverschweißens mit der hohen Produktivität eines Strahlschweißverfahrens vereint. Das Ergebnis hat das Potenzial, das Laserstrahl-Unterpulver-Hybridschweißen in der industriellen Schweißfertigung von dicken Duplexstählen zu etablieren.

Exzellente Verbindungseigenschaften bei hoher Produktivität

Die beteiligten Wissenschaftler waren in der Lage, einlagige Schweißverbindungen an 16 Millimeter dicken Duplexstahl 1.4462 mit einer Schweißgeschwindigkeit von einem Meter pro Minute ohne aufwändige Nahtvorbereitung zu erzeugen. Die Nähte erreichen den geforderten Mindestaustenitanteil von 30 Prozent und weisen neben exzellenten Festigkeitseigenschaften zudem hohe Kerbschlagzähigkeiten von 120 Joule bei einer Prüftemperatur von minus 40 Grad Celsius auf. „Die erzielten Ergebnisse zeigen eindrucksvoll die hohe Produktivität des Laserstrahl-Unterpulver-Hybridschweißens beim Fügen von anforderungsgerechten Schweißverbindungen für diese herausfordernde Werkstoffklasse“, sagt dazu Dr.-Ing. Rabi Lahdo, Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Gruppe Fügen und Trennen von Metallen am LZH.

Es darf auch etwas dicker sein

Für 20 Millimeter dicke Duplexstähle wurde das Verfahren auf einen zweilagigen Schweißprozess in der Lage-Gegenlage-Technik ohne aufwändige Nahtvorbereitung erweitert. Für die erste Lage kommt das soeben geschilderte Verfahren mit einer Schweißgeschwindigkeit von 60 Zentimetern pro Minute zum Einsatz. Für die Gegenlage wurde das konventionelle Unterpulverschweißen angewandt. Auch diese Schweißverbindungen übersteigen die Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit. Selbst bei Blechdicken von bis zu 30 Millimetern weiß das Laserstrahl-Unterpulver-Hybridschweißen in der Lage-Gegenlage-Technik zu überzeugen. Natürlich steigen mit zunehmender Blechstärke immer auch die Anforderungen an das Schweißverfahren für die Herstellung qualitativ hochwertiger Schweißverbindungen. Aber zumindest bis 30 Millimeter Blechdicke konnten die hohen Anforderungen erreicht, beziehungsweise überboten werden.

Video