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Hot- and Cold-Rolled Steel: Defects Affecting Laser Cutting

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Danke an Ramazan Li für die Hilfe!

Unterschiede zwischen kaltgewalzten (KW) und warmgewalzten (WW) Blechen — welches wählen?

Walzprodukte (unter Druck verformte Erzeugnisse) unterscheiden sich je nach Walzprozess deutlich. Die Eigenschaftsunterschiede zwischen warm- und kaltgewalztem Material ergeben sich aus der unterschiedlichen Prozesstemperatur.

Wesentliche Unterschiede:

  • Ausgangsmaterial für das Warmwalzen ist die Bramme (slab); für das Kaltwalzen ist es das warmgewalzte Blech.
  • Im Gegensatz zum Warmgewalzten werden für Kaltgewalztes ausschließlich hochwertige Stahlsorten verwendet.
  • Kaltgewalztes Blech weist eine gleichmäßigere Dickenverteilung auf und verzieht sich beim Schweißen nicht, weshalb es im Instrumentenbau, Fahrzeugbau und Flugzeugbau bevorzugt wird.
  • Die Dicke kaltgewalzter Bleche überschreitet 5 mm nicht; warmgewalzte Bleche reichen bis 200 mm.
  • Die Maßgenauigkeit (Winkel, Länge, Breite) ist beim Kaltgewalzten höher.
  • Beim Biegen reißt kaltgewalztes Blech nicht.
  • In Festigkeit, Dauerhaltbarkeit und Zuverlässigkeit sind warm- und kaltgewalzter Stahl gleichwertig.

Warmgewalztes Blech

Ein warmgewalztes Stahlblech ist ein flaches Produkt, dessen Dicke um ein Vielfaches kleiner als Länge und Breite ist. Es wird durch Warmwalzen hergestellt — der Prozess gibt dem Produkt seinen Namen.

WW-Fehler

1. Maß- und Formungenauigkeit. Abweichungen in Dicke, Länge, Breite; Längs- und Querdickenunterschiede; Welligkeit.

  • Ursachen: falsche Walzwerkseinstellung, Abweichung vom Walzregime (Umformung).
  • Hohe Längsdickenschwankung — verursacht durch schlechte Walzenballigkeit und Verschleiß.
  • Welligkeit — entsteht an den Bandseitenkanten durch erhöhte Reduzierung in diesen Bereichen. Abhilfe: Walzenballigkeit erhöhen oder Reduzierung verringern.

2. Verlust der Metallkontinuität. Durchrisse, Risse, Kantenausbrüche, Doppelungen u. a.

  • Ursachen: meist metallurgischen Ursprungs — Fehler beim Erschmelzen, Desoxidieren, Gießen.
  • Walzbedingter Ursprung:
    1. Durchrisse — entstehen, wo das Metall stark verminderte Duktilität aufweist.
    2. Solche Bereiche sind durchgehende nichtmetallische Einschlüsse und innen oxidierte Blasen — daraus Risse und Kantenausbrüche. Auch bei Überhitzung/Verbrennung des Metalls vor dem Walzen.
  • Schalen (slivers) — zungenförmige Abblätterungen. Ursachen: Block- bzw. Gussursprung, nichtmetallische Einschlüsse in der Oberflächenschicht, geöffnete Gasblasen, tiefe Rillen auf Block- und Brammenoberflächen.
  • Doppelung (Lamination) — starke Verunreinigung innerer Metallschichten mit nichtmetallischen Einschlüssen.

3. Oberflächenfehler. Eingewalzter Zunder, Kratzer, Eindrücke von der Walzenoberfläche.

4. Unbefriedigende Struktur und mechanische Eigenschaften. Bei korrekter Chemie liegen die Ursachen in Abweichungen vom Umformregime (insbesondere in den letzten Stichen) und im Nichteinhalten der Endwalz- und Haspeltemperaturen.

Kaltgewalztes Blech

Kaltgewalztes Blech ist eine Form flach gewalzten Materials, durch Kaltwalzen hergestellt.

Die Fehlerneigung wird durch die geringe Dicke begünstigt, die deutlich kleiner ist als bei warmgewalzten Erzeugnissen.

Inhomogenitäten führen zu Rissen, Löchern, Kantenrissen und Doppelungen — Hinweise auf schlechte Vormaterialqualität oder technologische Fehler des Herstellers.

Oberflächenfehler: dunkle Streifen, Beulen, Eindrücke sowie Unterbeizung und Überbeizung. Sie entstehen durch Prozessstörungen, insbesondere beim Beizen. Auch durch fehlerhafte Oxidation und durch Eindrücke/Erhebungen an den Walzenoberflächen.

Eingewalzter Krümel (rolled-in crumb) — weiterer Fehler, wenn Band- und Walzenoberflächen vor dem Walzen nicht ordentlich gereinigt waren.

Kaltgewalztes Blech entsteht aus warmgewalztem durch Säurebeizen zur Zunderentfernung. Das gebeizte WW-Blech wird ohne Vorwärmen erneut durch das Walzgerüst geführt, bis die erforderliche Dicke erreicht ist. Letzter Schritt ist das Glühen, das die erforderlichen Eigenschaften einstellt. Lieferung als Coil oder Tafel.

KW-Fehler

1. Verlust der Metallintegrität — Walzenverschleiß.

Da KW-Bleche meist deutlich dünner sind als WW, treten Quer- und Längsdickenschwankungen, Welligkeit und Verwerfung (Buckling) in den Vordergrund. Vorbeugung: optimale Walzenballigkeit, Walzenbiegevorrichtung, automatische Walzregelung.

Hauptursache solcher Fehler (Löcher, Risse, Kantenrisse, Schalen, Doppelungen) ist die schlechte Qualität des warmgewalzten Vormaterials. Manche Fehler entstehen aber auch durch fehlerhafte Walzführung. Werden verworfene Bänder mit Neigung zur Längsfalte eingespeist, verschiebt sich in der Umformzone ein Teil des Bandes gegen einen anderen. Helle Linien erscheinen auf der Oberfläche unter einem Winkel zur Walzrichtung — dieser Fehler heißt Verschiebung (shear mark) (oder "Fischgrätenmuster", wenn die Linien symmetrisch in Längsrichtung verlaufen). Ursache: ungünstige Walzenballigkeit und ungleiche Reduktionsverteilung über die Breite.

2. Beizfehler.

Beim Beizen von WW-Band sind Unterbeizung und Überbeizung möglich. Im ersten Fall verbleiben dunkle Streifen oder Flecken nichtgebeizten Zunders; im zweiten wird die Oberfläche grob aufgeraut und vom Säurebad zerfressen. Beides erfordert eine Anpassung des Beizregimes.

Während des Walzens können auf dem Band Eindrücke (Dents) oder Beulen entstehen. Eindrücke unterschiedlicher Form und Größe entstehen meist durch Aufschweißen von Metallpartikeln auf die Walzen — die Walzen müssen z. B. mit Schmirgelleinen oder einem Schleifstein gereinigt werden. Beulen entstehen durch Eindrücke oder Ausbrüche an den Walzen (Spalling); stark beschädigte Walzen müssen ersetzt werden.

Häufiger Fehler: eingewalzter Metallkrümel — wenn Metallpartikel auf das Walzband geraten; oft brechen sie von den Bandkanten ab, wenn dort Risse oder Grate sind.

Bei Berührung mit scharfen Kanten von Führungseinrichtungen, beim Transport und anderen Vorgängen entstehen Riefen und Kratzer auf den Bandoberflächen. Sie entstehen auch durch relatives Verrutschen der Wickel im Coil beim Wickeln, Abwickeln und Bewegen.

3. Glühfehler.

Manche Oberflächenfehler entstehen beim Glühen von KW-Material. Verbleiben nach dem Walzen erhebliche Reste von Prozessschmierstoff (Emulsion) auf der Oberfläche, können beim Glühen dunkle Flecken und Schlieren auftreten, vor allem an den Bandkanten — oft Emulsionsverbrennung genannt. Vorbeugung: keine zu konzentrierten Emulsionen verwenden und Schmierstoffreste nach dem Walzen weitestgehend entfernen, z. B. durch Abblasen.

Fazit

Strukturelle und mechanische Abweichungen hängen vor allem von der Einhaltung der vorgeschriebenen Wärmebehandlungsregime ab. Daneben haben die Umformregime großen Einfluss und müssen unter Berücksichtigung der Endeigenschaften gewählt werden. Ein separates Problem sind innere Spannungen im Blech infolge kurzer Wärmezykluszeit, geringer Wärmeeinflusszonentiefe usw.

Schneidprobleme aus Sicht des Bedieners

Innere Spannungen

Normalerweise sind innere Spannungen vollständig ausgeglichen und beeinflussen das Blech äußerlich nicht — bis dieses Gleichgewicht aus irgendeinem Grund gestört wird. Bei Störung des Gleichgewichts (äußere Last, Abtragen einer Schicht als Aufmaß oder Schneiden) beginnt das Blech sich zu verformen, bis sich die Spannungen neu ausgleichen. Diese Verformungen heißen Restverformungen.

Unmittelbare Ursache innerer Spannungen ist die ungleichmäßige lineare oder volumenmäßige Veränderung in Makro- und Mikrobereichen des Metalls.

Bei den hohen Laserschneidtemperaturen treten Phasenumwandlungen auf: Das Metall ändert seine Struktur, Kristallgitter und Elementarzellvolumen ändern sich — innere Spannungen entstehen.

Das System wird inhomogen. In der vom Laser beeinflussten Zone (im Werkstück) bilden sich Bereiche mit Eigenschaften, die vom Hauptvolumen abweichen. Übersteigt ihre Konzentration einen bestimmten Schwellwert, verliert das System (Blech, Teil, Probe) seine Stabilität und verformt sich.

Die These der "verformungsfreien" Laserbearbeitung ist so zu verstehen: Die Verformungen können viel kleiner sein als bei klassischen thermischen Verfahren (ggf. um Größenordnungen) — aber sie existieren. Aufgabe der Technologen ist es, ihre Ursachen zu verstehen und zu minimieren; der Laserstrahl bietet diese Möglichkeiten.

Beim Laserschneiden ist der Wärmeeintrag an der Oberfläche am größten, in tieferen Schichten kleiner. Das Metall dehnt sich beim Erwärmen aus; da die Oberflächentemperatur jedoch höher ist, verlängern sich die oberen Fasern stärker — durch die geringere Verlängerung der unteren Fasern entstehen innere Spannungen. Erreicht die innere Spannung einen kritischen Wert (Oberfaserlängung um ein Vielfaches größer als die der Unterfaser), wölbt sich das Werkstück auf; durch irreversible strukturelle Änderungen sind diese Verformungen plastisch (irreversibel).

Methoden gegen thermische Verformungen beim Laserschneiden

  1. Spannungszustand des Blechs vor dem Schneiden. Bei Blech ohne Vorbehandlung sollten innere Spannungen durch Glühen oder Anlassen abgebaut werden.
  2. Bauteilabmessungen (lineare Größe und Dicke). Je größer die Dicke und je kleiner das Verhältnis Größe/Dicke, desto geringer die Verformung — durch gleichmäßigeres Erwärmen.
  3. Blechfixierung. Mit Schraubzwingen oder anderen Vorrichtungen fixieren. Kontinuierliches Schneiden mit Trennen der verbleibenden Stege (Micro-Joints) nach vollständigem Abkühlen wird empfohlen.
  4. Abfall nach dem Schneiden. Minimale Verformung, wenn die Teilfläche mit der Tafelfläche vergleichbar ist — dann verformt sich der Abfall, nicht das Teil. Bei Präzisionsschnitten sollte der Abfall beweglicher sein als das Teil.
  5. Schnittgeschwindigkeit. Höhere Geschwindigkeit reduziert den pro Schnittlänge eingebrachten Wärmeeintrag und damit die Verformung.
  6. Position des Blechs. Das Blech darf unter lokaler Erwärmung nicht durchhängen. Tische mit vielen Lamellen bevorzugen.
  7. Gleichmäßiges Erwärmen reduziert innere Spannungen erheblich. Bei geradlinigen Schnitten von der Mitte zu den Rändern schneiden. Korrekte Sortierung im Nesting; komplexe Teile in Abschnitten schneiden, möglichst gegenüberliegend; Rückschrittmethode (back-step) anwenden usw.
  8. Zusätzliche Kühlung durch Anblasen.
  9. Impulsbetrieb des Schneidens.
  10. Anstechen (Piercing) mit aktivierter Vorlochfunktion.
  11. Bei deutlicher Wellung ("Bauch" des Blechs): mit dem Defekt nach oben legen; korrekte Abstände zwischen Teilen (≥10 mm); Micro-Joints verwenden; bei Gemeinschaftsschnitten mit korrekt platzierten Micro-Joints darf das Blech gewendet werden.

Nicht vergessen: Vor dem Schneiden muss das Blech rostfrei und entfettet sein. Kommt es geölt an — abwischen.