Modifikation von Materialien mit einer ferritisch-martensitischen Struktur durch Laserbestrahlung

Abstract

Stahl mit einer ferritisch-martensitischen Struktur, sogenannter Dualphasenstahl, hat vor allem im Automotive Bereich einen hohen Stellenwert, da die mechanisch - technologischen Eigenschaften eine Optimierung des Gesamtgewichtes mit verbessertem Unfallverhalten in Einklang bringen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Modifikation von Dualphasenstählen mittels Laserbestrahlung durch einen Faserlaser. Dafür wird mittels statistischer Versuchsplanung ein Modell erstellt, welches die Zusammenhänge zwischen betrachteten Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen beschreiben soll, um dabei einen Beitrag zur Optimierung des Wärmebehandlungsprozesses leisten zu können. Dabei werden Blechproben mit einer Dicke von 1.6mm, bestehend aus DP1000 in einem definierten Prozessfenster, bestrahlt. Die Temperatur, welche sich während der Bestrahlung einstellt, wird mittels Thermoelementen ermittelt. Der Absorptionsgrad ist anfänglich unbekannt und stark werkstoffabhängig, da von der Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst. Dieser muss, um einen stabilen und vorhersagbaren Prozess zu gewährleisten, bekannt sein. Die ermittelten Temperaturdaten werden verwendet, um die Wärmeverteilung innerhalb des Probenkörpers zu rekonstruieren und somit den Absorptionsgrad unter vorherrschenden Bedingungen zu ermitteln. Des Weiteren wird die Wärmeeinflusszone auf ihre mechanischen Eigenschaften hin untersucht um festzustellen wie die jeweiligen Eingangsparameter sich auf die Proben auswirken.

Steel with a ferritic-martensitic structure, so called dualphase steel is a commonly used material especially in the automotive industry. This is the fact due to its mechanical properties that allow to reach the neccessary high structural robustness guaranteeing passenger safety and simultaneously optimizing the weight of the structure. This paper focuses on analyzing the alteration of the underlying material while being exposed to laser irradiation emitted by a fibre laser. A design of experiment is conducted in order to create a model that shows the interaction and interdependencies between the input and output paramters. For this purpose a DP1000 steel sheet with a thickness of 1.6mm was irradiated within a defined process window. The temperatures are being monitored by thermoelements that are applied to the backside of the steel sheet. The absorptivity is initially unknown and depends strongly on the surface properties of the material. The temperature data will therefore be used to reconstruct the heat distribution within the underlying material to identify the steels absorptivity of laser irradiation. Furthermore the heat affected zone will be analyzed concerning its spatial distribution and its present hardness compared to the untreated base material. All of these attributes are used to optimize the laser hardening process by means of design of experiments and its evaluation techniques.