Lasergestütztes Walzprofilieren als Warmumformverfahren der Zukunft

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Erste Versuche wurden sowohl „kalt“ als auch „erwärmt“ mit dem Werkstoff X5CrNi1810 durchgeführt. Der Blechwerkstoff hat eine Dicke von 0,8 mm. Die Anpresskraft der Oberwalze betrug 620 N, der Vorschub der Walze 35 mm/s. Bei den lasererwärmten Proben hat der Diodenlaser mit einer Leistung von 460 , 650 und 1170 W das Werkstück defokusiert erwärmt.

Kombination von Warmumformung und Walzprofilieren steigert Umformgrad

Als erstes Ergebnis konnte bestätigt werden, dass der Umformgrad bei den lasererwärmten Proben mit steigender Temperatur wesentlich zunimmt. Aus den Untersuchungen war deutlich zu erkennen, dass durch die Erwärmung bei konstanter Umformkraft die Profilwalze tiefer in den Blechstreifen eindringt.

Eine weitere Versuchsreihe erfolgte mit dem Federstahl Ck75. Exemplarisch werden drei Proben vorgestellt. Der eingesetzte Werkstoff hat eine Materialstärke von 0,5 mm und eine Breite von 50 mm. Die Versuche erfolgten mit einer Kraft von 3620 N bei einer Walzenvorschubgeschwindigkeit von 35 mm/s. Eine Probe wurde kalt umgeformt, die zweite mit einer Laserleistung von 350 W und die dritte mit 625 W.

Bild 2 zeigt die Schliffe der drei Proben. Auf der linken Seite ist die Probe ohne Laserunterstützung, in der Mitte mit 350 W und rechts jene mit 625 W zu sehen. Der Öffnungswinkel beträgt bei der Probe ohne Lasererwärmung 10°, mit 350 W 15° und bei 625 W 45°. Eine mikroskopische Betrachtung über den ganzen Querschnitt lässt bei allen drei Proben ein gleichmäßiges Vergütungsgefüge erkennen.

Der Verlauf „Verfahrweg“ versus „Zustellung der Walze“ ist für alle drei Proben in Bild 4 zu sehen. Bei der Probe mit 625 W stellt sich erst nach einem Vorlauf eine stabile Eindringtiefe ein.

Der Laserstrahl ist eine sinnvolle Stütze beim Walzprofilieren

Will man denselben Umformgrad wie bei der Probe mit 625 W Laserleistung durch Kaltumformung erreichen, muss die Anpresskraft der Profilwalze deutlich erhöht werden. Wie in Bild 4 zu sehen ist, erträgt der Werkstoff eine derartige Kaltumformung nicht und es kommt zu einem sägezahnartigen Bruch. Dieser breitet sich mäanderförmig entlang der Biegelinie aus.

Die Versuche zum laserunterstützten Profilwalzen haben gezeigt, dass der Laserstrahl diesen Prozess sehr sinnvoll unterstützen kann. Gerade hochfeste Werkstoffe können mit laserunterstützten Verfahren prozesssicher umgeformt werden. Die Charakteristik des Walzprofilierens erlaubt es, den Laser vor kritischen Umformoperationen stationär in einer konventionellen Walzanlage zu implementieren.

Die Integration des Lasers verursacht keinen zusätzlichen Aufwand. Um die beim Walzprofilieren gebräuchlichen Geschwindigkeiten erreichen zu können, muss die Strahlleistung des eingesetzten Lasers entsprechend hoch gewählt werden.

Literatur

[1] Halmos, George T. (Herausgeber): Roll Forming Handbook. CRC Press Taylor & Francis, 2006.

[2] Kratky, Alexander: Umformen von partiell mit Laserstrahlung behandeltem Halbzeug. Shaker 2009.

[3] Buchmayr, Bruno: Innovative Beiträge der Umformtechnik zum Leichtbau von Kraftfahrzeugen. BHM, (152):136-141, 2007.

Dr.-Ing. Alexander Kratky ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik der TU Wien, Prof. Dr.-Ing. Dieter Schuöcker ist Leiter des Instituts.

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