- Titel
- Laserstrahlschweißen nitrierter Stähle
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-973838
- Übersetzter Titel (DE)
- Laser beam welding of nitrided steels
- Schriftenreihe
- Dresdner fügetechnische Berichte
- Bandnummer
- 58
- Erstveröffentlichung
- 2025
- Datum der Einreichung
- 29.09.2023
- Datum der Verteidigung
- 29.01.2025
- DOI
- https://doi.org/10.25368/2025.124
- Abstract (DE)
- Anspruchsvolle Effizienz- und Emissionsvorgaben für Produkte der Automobilindustrie verlangen die Nutzung von kosteneffizienten, hochfesten und verschleißarmen Präzisionskomponenten innerhalb der Verbrennungstechnik. Ein potentieller Lösungsansatz liegt in der Entwicklung von modular aufgebauten Hochdruckeinspritzventilen mit örtlich funktionsoptimierten Eigenschaften. Der Einsatz von nitrierten Komponenten stellt in Kombination mit dem wirtschaftlich attraktiven und großserienetablierten Laserstrahlschweißen vielversprechende, jedoch prozesstechnisch herausfordernde Perspektiven in Aussicht. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der erstmaligen Dokumentation und Analyse grundlegender Wechselwirkungen beim Laserschweißen nitrierter Stähle. Im Rahmen der Untersuchungen werden der Aufstickungsgrad, die Stähle, der Laserstrahlfokusdurchmesser und die Schweißgeschwindigkeit variiert. Spektroskopische Messungen des Stickstoffmassenanteils, Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen sowie metallographische Verfahren werden zur Untersuchung des Einflusses des Stickstoffgehalts auf das Schweißbad und auf praxisrelevante Schweißnahtcharakteristika genutzt. Als fundamentale Einflussgröße wird der hier definierte integrale Stickstoffmassenanteil identifiziert. Neu aufgestellte, handhabbare Näherungsgleichungen gestatten kenngrößenspezifische Prognosen für nitrierte und unnitrierte Stähle, unter Beibehaltung oder Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit im Vergleich zu bekannten Modellen für unnitrierte Stähle. Durch In-situ-Hochgeschwindigkeitsröntgenaufnahmen wird eine Modellvorstellung zur Blasen- bzw. Porenentwicklung aufgestellt. Durch weitere prozesstechnische Untersuchungen zu den Bereichen der Schweißsicherheit sowie der -möglichkeit werden abschließende Handlungsempfehlungen zum Laserstrahlschweißen nitrierter Stähle und zu qualitätssichernden Maßnahmen abgeleitet und dargelegt.
- Abstract (EN)
- Challenging efficiency and emission requirements for products in the automotive industry demand the use of cost-effective, high-strength, and wear-resistant precision components in the field of combustion technology. A potential solution lies in the development of modular high-pressure injection valves with locally optimized functional properties. The use of nitrided components, in combination with economically attractive and well-established laser beam welding, offers promising yet process-technically challenging perspectives. This work focuses on the first documentation and analysis of fundamental interactions during laser beam welding of nitrided steels. Within the investigations, the degree of nitriding, steels, the laser beam focus diameter and the welding speed are varied. Spectroscopic measurements of the nitrogen mass fraction, high-speed video recordings and metallographic methods are applied to examine the influence of the nitrogen content on the melt pool and on practice-relevant weld seam characteristics. The integral nitrogen mass fraction, as defined here, is identified as the fundamental influencing factor. Newly established, manageable approximation equations allow characteristic-specific predictions for nitrided and non-nitrided steels, while maintaining or improving prediction accuracy compared to known models for non-nitrided steels. In-situ high-speed X-ray recordings were used to establish a conceptual model for the bubble and pore formation during the welding process. By further process-related investigations in the areas of constructional and operative weldability, recommendations for the laser beam welding of nitrided steels and quality assurance measures are derived and presented.
- Freie Schlagwörter (DE)
- Laserstrahlschweißen, Nitrieren, Poren, Stickstoff, GD-OES, GDOES, Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, Schmelzbad, Röntgen
- Freie Schlagwörter (EN)
- Laser beam welding, Nitriding, Pores, Nitrogen, GD-OES, GDOES, High-speed recordings, Melt pool, X-ray
- Klassifikation (DDC)
- 620
- Klassifikation (RVK)
- ZM 8430
- GutachterIn
- Prof. Dr. Uwe Füssel
- Prof. Dr.-Ing. Andrés Fabián Lasagni
- Dr.-Ing. Reiner Ramsayer
- BetreuerIn Hochschule / Universität
- Prof. Dr. Uwe Füssel
- Herausgeber (Institution)
- Prof. Dr. H.C. Schmale und Prof. Dr. U. Füssel, Dresden
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Sonstige beteiligte Institution
- Robert Bosch GmbH, Renningen
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-973838
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 26.06.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-SA 4.0- Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Thermochemische Behandlung des Stahls 2.1.1 Aufbau und Entstehung von Nitrierschichten 2.1.2 Ausprägung von Ausscheidungsschichten 2.2 Laserstrahlschweißen mit Festkörperlasern 2.2.1 Prozessfackel 2.2.2 Prozessgase 2.2.3 Prozessporen 2.3 Schmelzschweißen nitrierter Stähle 2.3.1 Schweißen klassisch nitrierter Stähle 2.3.2 Metallurgie und Schweißen hochstickstoffhaltiger Stähle 3 Problemstellung, Zielsetzung und Methoden 4 Experimentelles Vorgehen 4.1 Probenvorbereitung 4.1.1 Werkstoffauswahl und Probengeometrie 4.1.2 Wärmebehandlung und Nitriertiefenvariation 4.1.3 Charakterisierung der Wärmebehandlungen 4.2 Laserstrahlschweißen 4.2.1 Basisversuche mit Prozessbeobachtung 4.2.2 Schweißen bei In-situ-Röntgendurchstrahlung 4.2.3 Schweißen im Nieder- und Überdruck 4.2.4 Schweißen mit Fügepartnern 4.3 Schweißnahtcharakterisierung 5 Ergebnisse 5.1 Werkstoffcharakterisierung 5.1.1 Qualifizierung Glimmentladungsspektroskop 5.1.2 Nitrierergebnis 5.2 Schweißnahtcharakterisierung 5.2.1 Schweißnahtoberraupe und Schweißbad 5.2.2 Schweißnahtausprägung 5.3 Blasenentwicklung und porositätsmindernde Ansätze 5.3.1 Blasenentwicklung 5.3.2 Porositätsmindernde Ansätze 6 Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen 7 Literaturverzeichnis 8 Anhang