Lokal värmebehandling Rekristallisation- och mjukglödgning med hjälp av laser

Delrapport 4 Lokal värmebehandling Rekristallisation- och mjukglödgning med hjälp av laser Jozefa Zajac, IM 2001-02-09 ACCRA Teknik AB AK-Konsult Amada/Promecam AB AvestaPolarit AB Bendiro AB Chalmers Tekniska Högskola -Institutionen för byggnadsmekanik Ferruform AB Kanthal AB IM Institutet för Metallforskning AB IVF Industriforskning och utveckling AB ORTIC AB PRESS & PLÅTINDUSTRI AB Scandinavian CAD AB SSAB Tunnplåt AB Volvo Personvagnar AB VINNOVA

F O R S K N I N G S R A P P O R T Lokal värmebehandling Rekristallisation- och mjukglödgning med hjälp av laser Jozefa Zajac IM-2001-005 Öppen

Sammanfattning Vid laservärmebehandling tillförs värme till den yttersta ytan av det bestrålade området. Effekttäthet och interaktionstid avgör hur mycket värme som genereras och hur snabbt detta sker. Värmespridningen i plåten (i praktiken uppvärmnings och svalningshastighet) bestäms av värmeledningsförmågan samt plåttjockleken. För att kunna utföra laservärmebehandling av plåt på ett riktigt sätt måste följande väsentliga aspekter beaktas: plåten måste genomglödgas, en jämn temperaturprofil måste erhållas genom hela tjockleken och rätt temperatur måste uppnås. I praktiken innebär det en anpassning av energitäthet samt interaktionstid. Kylningshastigheten styrs av värmeledning till omkringliggande material och är i praktiken omöjlig att påverka. Målet med den lokala laserbehandlingen i detta arbete är att förbättra formbarheten d.v.s. lokalt sänka hållfastheten och förbättra de plastiska egenskaperna för att underlätta eller möjliggöra formning. I föreliggande rapport har rostfria stål (i kallvalsat tillstånd) och ultrahöghållfasta DP-stål (erhållna genom s.k. kontinuerlig glödgning) behandlats. Laserbehandling av de rostfria stålen kan betraktas som rekristallisationglödgning. De ultrahöghållfasta DP-stålen har behandlas i syfte att reducera andelen martensit i mikrostrukturen. Det har visat sig möjligt att genom laserbehandling åstadkomma en önskad hårdhetsnivå hos de två rostfria stålen 301 och 316. Resultatet har även kunnat styras med en stor noggrannhet. Vad det gäller DP stålen har inte önskad hårdhetsnivå uppnåtts på grund av den snabba svalningen vid laserbehandlingen. Önskade hårdhetsnivåer var efter försök 160HV för DP1000 och 165HV för DP1400. De höghållfasta DP stålen (hög martensit halt) kan lasermodifieras till formbara varianter med liten kornstorlek, låg andel martensit och hög andel ferrit. De uppnådda hårdhetsnivåerna är dock högre än de ställda kraven och uppgår till 230HV för DOC1000 DP och 250HV för DOC1400 DP.

Innehållsförteckning 1 Inledning 4 2 Laser som en värmekälla. 5 3 Utförande 7 3.1 Laserbehandling 7 3.2 Hårdhetsprovning 7 3.3 Metallografi 7 4 Material 8 4.1 Rostfria stål 8 4.1.1 AISI 301 8 4.1.2 316 9 4.1.3 Höghållfasta DP stål 11 5 Resultat 12 5.1 Anpassning av laserparametrar 12 5.2 Mikrostrukturer och hårdhetsprofiler 15 5.2.1 AISI301 15 5.2.2 Stål 316 16 5.2.3 DOCOL 1000DP och 1400DP 16 6 Diskussion 18 7 Slutsatser 18 7.1 Rostfria stål 18 7.2 DP - stålen 19

1 Inledning Projektet Formning av ultrahöghållfasta stål-vamp15 är finansierat av Nutek och syftar till att ta fram riktlinjer för formning av ultrahöghållfasta kolstål och rostfria stål. Lokal värmebehandling ingår i projektet som ett delprojekt. Detta delprojekt är fokuserat mot att använda laser som värmekälla för att lokalt förbättra formbarheten. Man står ofta inför uppgiften att minska vikten eller att åtminstone behålla vikten och samtidigt öka hållfastheten i en konstruktion. Att effektivt reducera vikten hos olika konstruktioner innebär att stålets hållfasthet måste höjas. Användning av höghållfasta stål kan dock medföra problem vid formningen av dessa stål. Kravet på formningsegenskaper varierar i praktiken även med formningens svårighetsgrad. Formningen kan bestå i såväl komplicerade pressningar som enklare bockning eller rullformning. Både hållfasthet och formningsegenskaper avgör stålets användningsområden. Vid kallbearbetning skapas en deformerad mikrostruktur med en hög grad av deformationshärdning. Den förhöja hållfastheten som erhålls utnyttjas i allmänhet inte på grund av att man också erhåller försämrad duktilitet. Genom en lokal värmebehandling kan man få en avsevärd förbättring av formbarheten på de områden där materialet utsätts för töjning eller stor deformation. Det innebär att man får en eftersträvandsvärd kombination av hög hållfasthet och mycket goda formningsegenskaper. Den praktiska huvudfrågan är hur man lokalt kan uppnå tillräcklig formbarhet och vilken värmekälla som är lämplig för detta ändamål. I föreliggande rapport studeras hur lokal laservärmebehandling utförs på ultrahöghållfasta DP-stål och rostfria stål i kalvalsat tillstånd. Ett första problem att lösa är hur lasern som energikälla kan utnyttjas optimalt. Ett annat problem är hur formbarheten skall förbättras hos olika typer av stål. Man bör förstå mekanismerna i samband med formningen och i vilket temperaturintervall det sker. Kunskapen om den optimala mikrostrukturen med hänsyn till formbarhet, hållfasthet och korrosionsbeständighet bör undersökas parallellt. Exempelvis kan ultra höghållfasta stål Docol 1000DP eller 1400DP innehållande en hög martensitandel mjukglödgas genom värmebehandling vid en given temperatur i kombination med långsam svalning. Vid den långsamma svalningen bildas en mikrostruktur med ferrit och perlit. Frågan är om denna mikrostruktur kan uppnås genom laserbehandling. Om detta inte är möjligt är frågan vilken mikrostruktur som då är mest optimal med hänsyn till formbarheten. - 4 -

2 Laser som en värmekälla. Principen vid laserytbehandling är följande: ljuset genererat i lasern riktas mot ytan av detaljen genom lämplig optik som fokuserar laserstrålen till rätt dimension för att uppnå nödvändig effekttäthet. När laser bestrålar en metallyta absorberas en del av laserljuset och en del reflekteras. Den del som absorberas i yttersta ytans atomlager, omvandlas till värme. Via förflyttning av strålen över detaljens yta utförs behandlingen. Effekttätheten och tiden under vilken ytan bestrålas (interaktionstiden) är de två viktigaste laserparametrarna som avgör hur mycket och hur snabbt värme tillförs ytan. Spridningen av värmet (uppvärmnings och svalningshastighet) avgörs av värmeledningsförmåga samt plåttjocklek. I praktiken är det viktigt att uppnå en bestämd temperatur i den behandlade plåten och samtidigt undvika temperaturgradienter genom plåtens tjocklek. På grund av detta måste en given laserbehandling använda sig av väldefinierade laserparameter inom ett snävt intervall beroende på önskad temperatur samt plåttjockleken. Figur 1 visar en beräknad yttemperatur som funktion av plåttjockleken för samma laser parametrar (effekttäthet 1,7x10 3 W/cm 2, förflytning 8mm/s). Ju tjockare plåten är desto lägre yttemperatur. Detta innebär att optimala laser parametrar för att uppnå en given temperatur för en viss tjocklek inte gäller som optimala för en annan tjocklek. Generellt gäller att snabbare förflyttning (kortare interaktionstid) kompenseras med högre energitäthet och tvärtom. Men energitäthet och interaktionstid är bara utbytbara till viss utsträckning. Högre energitäthet och kortare interaktionstid innebär en ostabil temperaturprofil genom plåttjockleken, speciellt för tjockare plåtar. Å andra sidan ger lägre energitäthet och längre interaktionstid en process som är långsam och värmespridningen i sidled leder till större värmepåverkade områden. 800 700 600 Temperatur, C 500 400 300 200 100 0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Tjocklek, mm Fig.1 Beräknad yttemperatur som funktion av plåttjocklek. - 5 -

Glödgning i klassisk mening är inte möjlig vid laserbehandling. Detta beror på att temperaturförloppet vid dessa behandlingar har snabb uppvärmnings- och svalningshastighet. Särskild svalningshastigheten påverkas av omkringliggande material vilket ger en betydligt snabbare svalningshastighet än fri svalning i luft. Svalningshastigheten kan endast styras i en mycket begränsad utsträckning genom att förlänga interaktionstiden. Ju längre interaktionstid desto långsammare svalningshastighet på grund av lägre temperaturgradient. En praktisk begränsning av en förlängd interaktionstid är nödvändigheten av växelverkan mellan energitäthet och interaktionstid för att kunna genomglödga plåten och åstadkomma en given temperatur med stabil temperaturprofil genom hela plåttjockleken. Kombinationen av en förhållandevis lång interaktionstid och låg energitäthet leder till att värme leds bort från interaktionsområdet innan en given temperatur uppnås. Längre interaktionstid leder även till en annan negativ effekt genom att ett stort värmepåverkat område bildas vilket framhållits ovan. Generellt kan man säga att processen är inte lämplig att använda vid behov av multispårbehandling. Det är viktigt att påpeka att de optimala parametrarna måste fastställas och trimmas in genom ett antal experiment. Vanligtvis används s.k. the trial and error metoden. För att kunna minska antalet provkörningar försöker man öka den teoretiska kunskapen inom olika områden som exempel modellering av värmeflöden. En temperaturkontroll genom t ex. pyrometermätning är också möjligt att använda men ganska komplicerad. Detta på grund av att mättningen görs på ytan som alltid har något högre temperatur än bulkmaterialet. Vidare, återger ytans temperatur energifördelning hos laserstrålen, vilken i de flesta fall är litet ojämn samtidigt som mätning görs på relativt små områden. Man måste också mycket noggrant veta ytans emissionsförmåga för att justera pyrometern vid exakta mättningar. Det påpekats ofta i litteraturen att de avgörande fördelarna med laserytbehandling är en lokal behandling med noggrant bestämd effekttäthet vilket reducerar formförändringarna. Lokal betyder i detta sammanhang behandlingar begränsade till ett spår. Det handlar då i och för sig om spår från några millimeter till flera centimeter beroende på hur kraftfull laser man använder. Om man tänker behandla en större area med multispårbehandling ökar svårighetsgraden väsentligt om man har som mål att åstadkomma jämn mikrostruktur över hela området. Laserbehandlingen orsakar en typ av mikrostrukturförändring i det uppvärmda området och en annan mikrostrukturförändring i det värmepåverkade området. Ett successivt spår måste alltså beläggas med tanke på att förorsaka så litet förändring som möjligt i det färdiga spåret. Ett annat problem är den successiva temperaturökning som skapas vid multispårbehandling som beror på hur behandlingen utförs och hur stor area som behandlas i förhållande till hela detaljen. Anmärkningsvärt är att också en viss förändring av absorptionsnivån för laserstrålen sker vid en överlappning av färdiga spår på grund av att uppvärmning till 800 C-1000 C framkallar oxidation på ytan vilket ger en högre absorptionsnivå. För det mesta handlar plåtkonditionering om en genomglödgning av plåtens tjocklek och ett tvådimensionellt värmeflöde (spridning i sidled). Dessa betingelsen kan förorsaka oregelbunden distorsion (bockning och vridning). Distorsionsproblem beror på stålsort, tjocklek, detaljens storlek och position av behandlat område i förhållande till hela detaljen. - 6 -

3 Utförande 3.1 Laserbehandling Laserbehandlingarna har utförs med hjälp av en pulsad högeffektlaser, Nd:YAG, med 800 W medeleffekt. Lasern är utrustad med ett numeriskt kontrollerat x-y bord för mycket noggrann förflytning av laserstrålen över arbetsytan. Att laser tillför energin pulserande betyder att olika effekter uppnås med olika kombinationer av pulslängd, energi per puls och frekvens. Givetvis påverkas uppvärmningsprocessen av arrangemanget av pulserna i laserstrålen. Uppvärmning till glödgning bör vara så kontinuerlig som möjligt. Därför har förhållandevis korta pulser(1ms) med låg energi(2-7 J) och hög frekvens (100Hz) använts. Fördelen med Nd:YAG laser är det att den våglängd som används (1,064µm) kommer att absorberas betydlig bättre än längre våglängder (t.ex. CO 2 -lasrar). Följaktligen kan laserbehandlingarna utföras utan absorptionshöjande beläggningar som t. ex. grafit eller svart lack. Försöken har utförs i spår parallella med valsriktningen. Genom en speciell optik formades laserstrålen till rektangulär form, 5,5x5,5mm. Optiken skapar också en jämnare energifördelning i laserstrålen. Men trots det kommer det att vara högre temperatur i mitten av spåret som en följd av högre energidensitet i mitten av laserstrålen. Resultat blir att den effektiva zonen (mjukglödgad struktur till en given hårdhet) är lite smalare än storleken av laserstrålen. För att utföra laser behandling på ett rätt sätt måste man åstadkomma följande väsentliga aspekter: plåten måste genomglödgas, en jämn temperaturprofil måste erhållas genom hela tjockleken och dessutom måste rätt temperatur uppnås. I praktiken det betyder att ett stort antal försök måste utföras för att anpassa energitäthet och interaktionstid. Kylningshastigheten är viktig vid mjukglödgning och styrs i första hand av värmeledningsförmågan, d.v.s. den går inte att påverka via laserparametrarna. 3.2 Hårdhetsprovning Samtliga hårdhetsmätningar har gjorts med mikrovickers med en last av 500g. Proverna har förberetts enlig sedvanliga metoder för mikrostrukturundersökning (slippning, polering). Provningen har utförts på provytan, tvärs över laserspåret på ett antal exakt definierade positioner. Mätningar utfördes också tvärs genom laserspåret i mitten av plåtens tjocklek. Utifrån hårdhetsmätningarna har hårdhetsprofiler gjorts. 3.3 Metallografi Mikrostrukturer har undersökts ljusoptiskt efter etsning i nital- (DOC DP) eller Vogel (rostfritt material). - 7 -

4 Material 4.1 Rostfria stål 4.1.1 AISI 301 Det austenitiska rostfria stålet 301 innehåller en lägre nickel- och kromhalt i förhållande till baskvaliteten 18-8. Stålets kemisk sammansättning presenteras i Tabell 1. Tabell 1 Sammansättning hos 301-1000 och 301-1500. Plåttjocklek 0,5mm C(%) Si(%) Mn(%) P(%) S(%) Cr(%) Ni(%) Mo(%) 301-1000 0,101 0,47 1,16 0,025 0,001 17,52 7,73-301-1500 0,099 1,14 1,23 0,022 <0,001 16,72 6,73 0,7 Stålet är kraftigt deformationshårdnande. Det innebär att motståndet mot plastisk deformation ökar under töjning i form av att både sträck- och brottgräns ökar kontinuerlig under töjning. Också hårdheten tilltar samtidigt som duktiliteten avtar. Denna egenskap möjligtgör dock härdning till rätt hållfasthet genom kallbearbetning. Den vid kallbearbetning erhållna plastiska deformationen åtföljs av en omvandling av austenit till martensit. Andelen martensit beror på deformationsgrad. Den jämförelsevis höga hållfastheten är eftersträvansvärd i olika applikationer dock följer begränsade formbarhetsegenskaper och stålet lämpar sig inte väl för besvärliga formningsoperationer. I dessa fall kan en lokal värmebehandling prövas som en utväg att behålla hållfastheten och förbättra den lokala formbarheten. Vid lokal värmebehandling av rostfria stål 301 i kalltvalsat tillstånd måste två viktiga faktorer beaktas. Den första gäller formförändring under lokal värmebehandling, den andra avser korrosionsbeständigheten. Distorsionen är i fallet med austenitiska rostfria stål särskild allvarlig på grund av den höga koefficienten för termiska utvidgningen och den dåliga värmeledningen. Det är även välkänt att man kan få nedsatt korrosionsbeständighet i samband med karbidutskiljning. På grund av martensitbildningen vid plastisk deformation, kan det antas att austeniten raskt återbildas vid värmning. Vanligen är dock martensiten så termodynamiskt instabil att den sönderfaller i ferrit och karbider. Det förloppet är möjligt på grund av den jämförelsevis höga kolhalten. I litteraturen behandlas ofta problem med austenitens stabilitet i austenitiska rostfria stål. Å andra sidan har stabiliteten hos kallvalsad martensit samt martensitens sönderfall inte förklarats. Om det är austeniten som återbildas vid uppvärmning så finns det en möjlighet att den under formningsförlopp återigen omvandlas till martensit. Om det däremot är martensiten som sönderfaller i ferrit och karbider kommer deformation vid formningen inte att bidra till hållfasthetshöjning genom martensitbildning. Viktigt att påpeka är att karbidbildning kommer att försämra korrosionsbeständigheten. - 8 -

Eftersom projektet främst är inriktad på att hitta lämpliga värmebehandlingscykler för förbättring av stålets formbarhet så ingår igen noggrann metallografisk undersökning som kan klarlägga vad som händer i den deformerade martensitisk-austenitiska strukturen vid uppvärmning. Enlig slutsatser i delaktivitet 10.1 gav följande värmebehandling en eftersträvansvärd nivå av hårdheten och hållfasthet: värmning till 700-870 o C i saltbad under 15s, därefter kylning i ett rumstempererat oljebad. Detta förorsakar att stålet tappar en del av hållfastheten i gengäld erhålls förbättrade formningsegenskaper. Medelvärden på hårdheten från provningen visas i tabell 2 nedan. Tabell 2 Resultat av hårdhetsprovning. HV 0,5 prov 301-1000 301-1500 Obeh 392 496 500 o C 398 511 700 o C 360 401 800 o C 334 356 870 o C 254 245 1000 o C 237 246 1050 o C 218 240 1100 o C 203 238 Syfte med denna del av arbetet är att försöka använda laserbehandling för att åstadkomma följande hårdhetsnivåer vilka bestämts som optimala med hänsyn till formbarheten. AISI 301(1000) 335HV 0,5 AISI 301(1000) 220HV 0,5 AISI 301(1500) 355HV 0,5 AISI 301(1500) 240HV 0,5 Förändringarna i mikrostrukturen efter laserbehandling har också dokumenterats. 4.1.2 316 Det rostfria austenitiska stålet 316 utgör en modifikation av baskvaliteten 18-8 genom legering med molybden för att höja korrosionsbeständigheten. Stålets kemisk sammansättning visas i Tabell 3. - 9 -

Tabell 3 Sammansättning hos 316. Plåttjocklek 0,5mm. C(%) Si(%) Mn(%) P(%) S(%) Cr(%) Ni(%) Mo(%) N(%) 316 0,037 0,44 1,45 0,29 <0,001 16,96 10,79 2,06 0,025 Stålet är på grund av den austenitiska mikrostrukturen i glödgad tillstånd inte magnetiskt. Genom kallbearbetning kan stålet härdas till en önskad hållfasthet. Också i kallvalsat tillstånd förblir stålet icke magnetiskt. Detta innebär att den plastiska deformation som skapats vid den använda reduktionsgraden vid kallvalsningen inte medfört någon omvandling av austenit till martensit. Mer sannolikt är att vid kallbearbetning så har ingen icke magnetisk hexagonal close-packed (hcp)! martensit bildats. Denna martensit betraktas som förstadium för omvandling till martensit ("). Generellt så höjs austenitens stabilitet om baskvaliteten 18-8 legeras med ytterligare molybden. Det kan antas att glödgningen av den kallvalsade mikrostrukturen hos 316 stålet förorsakar austenitens rekristallisation. Det i denna undersökning studerade 316 stålet har i kallvalsat tillstånd deformationshärdat till en sträckgräns kring 1100 MPa och en brottgräns på ca 1200 MPa. Stålet har i detta tillstånd en hårdhet på ca 370 HV 0,5. Vid värmebehandling sjunker hårdheten enligt tabellen 4 nedan. Tabell 4 Hårdhetsminskning med glödgningstemperatur (glödgning i oljebadet). Tillstånd H V 500 kallvalsad 362 500 C 368 700 C 334 800 C 329 870 C 325 1000 C 230 1050 C 204 1100 C 174 Det rostfria 316 stålet är i likhet med 301 stålet också benäget till formförändring under lokal värmebehandling. Även karbidutskiljning kan vara överhängande men säkerligen i mindre utsträckning än i 301 fallet till följd av den lägre kolhalten. - 10 -

4.1.3 Höghållfasta DP stål Den kemisk sammansättning för de i undersökningen ingående DP presenteras i tabell 5, och de mekaniska egenskaperna i tabell 6. Tabell 5 Kemisk sammansättning hos i undersökningen ingående Docol Dp stålen. Stålsort C % Si % Mn % P % S % Docol 1000 0,14 0,05 1,2 0,02 0,02 Docol 1400 0,16 0,05 1,5 0,02 0,02 Tabell 6 Mekaniska egenskaper hos i undersökningen ingående Docol DP stålen. Stålsort Rp02 (riktv) MPa Rm (riktv) MPa Docol 1000 700 1050 5 Docol 1400 1000 1450 3 A80 min(%) Både Docol 1000DP och Docol 1400DP laserbehandlades i erhållet tillstånd d.v.s. kontinuerligt glödgade. Båda stål hade en plåttjocklek på 0,8mm. Med DP (Dual Phase) stål avser man ett stål innehållande en tvåfasig struktur av ferrit och martensit. För att erhålla den strukturen genomgår stålet en speciell värmebehandling i den kontinuerliga glödgningslinjen. Efter snabb uppvärmning till glödgningstemperatur i "+# området sker en snabb vattenkylning för att åstadkomma omvandling av den vid glödgningstemperaturen förekommande austeniten till martensit. De ultrahöghållfasta DOC1000DP och DOC1400DP kvaliteterna har på grund av den höga martensithalten ($80-100%) begränsade formbarhetsegenskaper. Målet med den lokala laserbehandlingen är att förbättra formningsegenskaperna d.v.s. sänka hållfasthet och höja de plastiska egenskaperna lokalt för att underlätta eller möjliggöra formning. Värmeförloppet vid laserbehandlingar karaktäriseras av snabb uppvärmning och svalning. Den förhållandeviss snabba svalningen från glödgningstemperatur genom värmeledning till omkring liggande material kan vara en kritisk begränsning för att åstadkomma låg hårdhetsnivå och klassisk glödgningsmikrostruktur innehållande ferrit och perlit. Den snabba svalningen orsakar snarare en omvandling av den vid glödgningstemperatur förekommande austeniten till martensit. Genom att minimera andelen austenit under glödgning vid låga temperaturer i "+# området minimeras andelen martensit. Andelen martensit som kol tagande fas beror också på kolhalten i stålet. Enlig slutsatser i delaktiviteten 10.1 kommer glödgning vid 800-900 o C att resultera i önskad nivå på hårdhet vilken uppgår till 165 HV 0,5 och 160 HV 0,5 för DOC1000DP och DOC1400DP respektive. Huvudmålet för denna del av arbetet är att via laserbehandling försöka att åstadkomma samma hårdhetsnivåer och att dokumentera mikrostrukturen. - 11 -

5 Resultat 5.1 Anpassning av laserparametrar Anpassning av laserparametrar har gjorts med syfte att jämnt genomglödga plåten och åstadkomma de hårdhetsnivåer som ansågs vara optimala efter försök i delaktivitet 10.1. Generellt har laserparametrarna anpassats genom att använda trial and error metoden. Laserbehandlingarna har i första hand begränsats till ett 5,5 mm-enkelspår. Använda laserparametrar samt uppnådda hårdhetsnivåer har angetts i tabell 5-9 för respektive stål. Tabell 5 redovisar värden för stål 301-1000, tabell 6 för stål 301-1500, tabell 7 för stål 316, tabell 8 för DOC 1000DP och tabell 9 för DOC 1400DP. Vid alla laserbehandlingarna användes 1ms långa pulser och en frekvens på 100 Hz. Tabell 5. Laserparametrar använda vid värmebehandlingar av rostfritt stål 301-1000 tjkl. 0,5mm (stråle 5,5x5,5mm) Spår Nr. Effekt (W) Förflyttningshastighet (mm/min) Hårdhet (mätt i mitten av spår) HV 500 1 420 600 För låg temperatur. Ingen förändring av hårdhetsnivån. 2 520 600 360-380HV 500. 3 540 600 320-330HV 500 4 560 600 285-295HV 500 5 580 600 250-280HV 500 6 360 300 210-220HV 500 7 680 800 340-360HV 500 8 740 800 230-250HV 500 De bästa laserparametrarna för 301-1000 är 540W, V=600mm/min eller 360W, V=300mm/min med avseende på hårdhetsnivån. - 12 -

Tabell 6 Laserparametrar använda vid värmebehandling av rostfritt stål 301-1500 (stråle 5,5x5,5mm) Spår Effekt (W) Förflyttningshastighet (mm/min) Hårdhet (mätt i mitten av spår) HV 500 1 680 800 360-370HV 0,5 2 730 800 355-365 HV 0,5 3 520 600 350-360HV 0,5 4 580 600 265-275 HV 0,5 5 600 600 250-260 HV 0,5 6 640 600 240-245 HV 0,5 7 250 300 250HV 0,5 8 360 300 230-240HV 0,5 9 380 300 225-235 0,5 De bästa laserparametrarna för 301-1500 är 520W, V=600mm/min, 640W, V=600mm/min och 360W, V=300mm/min med avseende på hårdhetsnivån. Tabell 7 Laserparametrar använda vid värmebehandlingar av rostfritt stål 316 tjkl. 0,5mm (stråle 5,5x5,5mm) Spår Nr. Effekt (W) Förflytningshastighet (mm/min) Hårdhet (mätt i mitten av spår) HV 500 1 560 800 280 2 600 800 225 3 460 600 215 4 340 600 240 5* 420 600 330* * I behandling Nr.5 har en större laserstråle på 7x7mm använts Tabell 8 Laserparametrar använda vid värmebehandlingar av Docol 1000DP tjkl. 0,5mm (stråle 5,5x5,5 mm) Spår Nr. Effekt (W) Förflytningshastighet (mm/min) Hårdhet (mätt i mitten av spår) HV 500 1 260 300 240-250(bara anlöpning) 2 300 300 225-230 3 450 450 230-240 4 610 600 220-230 5 730 600 270-280(hög andel av martensit) 6 520 450 370 (martensit + bainit) - 13 -

Tabell 9 Laserparametrar använda vid värmebehandlingar av Docol 1400DP (stråle 5,5x5,5 mm) Spår Nr. Effekt (W) Förflytningshastighet (mm/min) Hårdhet (mätt i mitten av spår) HV 500 1 300 300 290 (bara anlöpning) 2 260 350 290-300 (bara anlöpning) 3 420 450 260 4 450 450 255 5 360 450 290-300 (bara anlöpning) 6 420 600 320 (bara anlöpning) 7 610 600 250-14 -

5.2 Mikrostrukturer och hårdhetsprofiler 5.2.1 AISI301 Det rostfria austenitiska stålet 301 innehåller i kallvalsat tillstånd austenit och martensit (figur 2). Andelen martensit beror av deformationsgraden och påverkar de mekaniska egenskaperna. Den deformerade austenitisk-martensitiska mikrostrukturen genomgår återhämtning, rekristallisation och sönderfall av martensiten vid värmning. Exempel på mikrostrukturer uppnådda via glödgning i saltbad visas i figur 3 för 301-1000 stålet. Mikrostrukturer som motsvarar en minskning av hårdheten ned till 300HV (glödgning i saltbad vid 500, 700, 800 grader) visar inga tecken på kärnbildning och tillväxt av nya rekristalliserade austenitkorn. Man kan konstatera att hårdhetsminskningen har ett samband med återhämtning av den kallvalsade mikrostrukturen och att huvuddelen av mikrostrukturen är austenit och martensit. Men det verkar som om utskiljningar av karbider förekommer mellan martensitens nålar och/eller längs fasgränserna (se figur 3 a,b,c). Dessa utskiljningar av karbider är troligen en följd av martensitsönderfallet som tyder på att även ferrit bör också förekomma i mikrostrukturen. Förekomsten är dock svår att bevisa enbart via LOM bilder. Ju högre glödgningstemperatur desto mer karbidutskiljningar. Jämförelsen i figur 3a och 3b visar detta efter glödgningstester i saltbadet. Större, svart etsade prickar och fläckar i de ljusoptiska bilderna kan tolkas som en etsningseffekt från volymsammandragning vid martensitsönderfallet. Partiell rekristallisation har observerats efter glödgning vid 870 o C (motsvarande hårdhet är 250HV 0,5 ) i form av tillväxt av nya rekristalliserade austenitkorn. Det förekommer också icke rekristalliserade områden innehållande utskiljningar av karbider (figur 3c ). Med laserglödgning avser man en kortvarig glödgning med snabb värmning och svalning. Det kortvariga förloppet visar sig också leda till en viss karbidutskiljning. I fallet med 301-1000 stålet kan man särskilja mellan laserbehandling till en hårdhet på omkring 350HV 0,5 utan karbidutskiljning (figur 4a,b ), omkring 320HV 0,5 med väl synliga utskiljningar (figur 6a,b och 8a,b), och till omkring 220HV 0,5 utan utskiljningar. Den sista mikrostrukturen visar sig som rekristalliserad austenit. De mikrostrukturer som motsvarar 350HV i hårdhet innehåller troligen austenit och martensit medan mikrostrukturen motsvarande 320HV består av austenit, martensit och karbider i en ferritmatris. Uppkomst av karbider kan sänka korrosionsbeständigheten i de behandlade områdena. På grund av detta bör den rekristalliserade, austenitiska mikrostrukturen betraktas som optimal. Men i detta fall kan karbider uppträda i de värmepåverkade områdena (figur 13) AISI 301-kallvalsat till 1500MPa verkar vara ännu mer benäget för karbidutskiljningar. Även de laserglödgade mikrostrukturerna som motsvarar 350-360 HV i hårdhet visar tecken på karbidutskiljningar (figur 14). I detta fall är den använda interaktionstiden förhållandeviss kort, 0,4 s. För att åskådliggöra variationerna i hårdhet tvärs det laserbehandlade spåret, presenteras de uppmätta hårdhetsvärdena i hårdhetsprofiler i figur 5, 7, 10, 12, 15 och 17. Bredden på de glödgade spåren och värmepåverkade zonerna beror framför allt på uppnådda temperaturer och förflyttningshastighet (interaktionstid). Bredden uppgår för de glödgade spåren till 4,5-6 mm och för värme påverkade zonerna till 1,5-3mm. - 15 -

Som framgår av Tabell 2 påverkar en höjning av glödgningstemperaturen vid saltbadsglödgning från 870 till 1100 o C inte hårdheten hos 301(1500) stålet. Inte heller laser behandling med stigande effekttäthet(temperatur) påverkar hårdheten nämnvärt utan hårdheten uppmättes till ca 240 HV (se jämförelse i figur 18). För 301(1500) stålet har också multispårbehandlingar utförts och hårdhetsförändringarna utvärderats tvärs över spåren. Resultaten visas i figur 19. Hårdhetsvariationerna är påfallande. Vidare bör det åter påpekas att formförändringarna är tydliga och visar att multispårbehandling är svår att genomföra. 5.2.2 Stål 316 Med avsikt att sänka hållfastheten och höja formningsegenskaperna hos 316 stålet i kallvalsat tillstånd (figur 20) så laserbehandlades detta stål med ett antal olika laserparametrar. Det har visat sig att genom att anpassa laserparametrarna så att en lämplig temperatur uppnås, kan man åstadkomma önskad hårdhetsnivå med en stor noggrannhet. Figurer 22, 24, 26 visar uppnådda hårdhetsprofiler, figur 27 visar jämförelse av de olika hårdhetsprofilerna. Mikrostrukturella förändringar omfattar i första hand austenitens återhämtning och rekristallisation. På grund av att stålet förblir omagnetiskt vid kallbearbetning, utesluts " martensitens bildning men det kan förekomma! hexagonal martensit (omagnetisk). Denna förväntas i så fall snabbt återgå till austenit vid värmning till höga temperaturer. Karbidutskiljningar kan via LOM observationer inte ses. Den mindre hårdhetssänkning som kan ses avspeglas inte av några i LOM synliga förändringar av mikrostrukturen (figur 21). Sänkning på ca. 100HV d.v.s. 280HV hårdhet uppstår till följd av delvis rekristalliserad austenit (figur 23). Genom att uppnå fullständig rekristallisation av austeniten (figur 25) faller hårdheten till ca.220-230hv. 5.2.3 DOCOL 1000DP och 1400DP DOCOL 1000DP och 1400DP laserbehandlades med avsikt att minska så mycket som möjligt av martensitens andel i mikrostrukturen. DOC 1400DP behandlades dessutom med flera intilliggande spår för att utvärdera både mikrostruktur- samt hårdhetsförändringar tvärs genom spåren. DOC 1400DP i kontiglödgat tillstånd innehåller 100% martensit (figur 28) medan DOC1000DP består av ferrit ($20%) och martensit ($80%) vilket visas i figur 29 Stålen behandlades med antal kombinationer av effekttäthet och interaktionstid (förflytningshastighet) som visas i Tabell 8 och 9. DOC 1000 DP Hårdhetsprovning har utförts på ytan, tvärs genom de behandlade spåren samt tvärs genom laserspåret i mitten av plåttjockleken för att jämföra uppmätta värdena. Figurer 30-38, visar en översikt över erhållna mikrostrukturer och hårdhetsnivåer. För hög temperatur (över A c3 ) förorsakar omvandling till grov martensit med en viss andel av lägre bainit (figur 30 ). Givetvis är den erhållna hårdheten på 370HV högre än den i utgångstillståndet. En för hög temperatur i "+# området resulterar i jämförelsevis hög andel martesit och hög hårdhet 270-280HV (Figur 31 ). Den lägsta martensithalten, som i - 16 -

figurer 32, 34 och 36 ger hårdheter på 225-230 HV. Sänkningen av martensitens andel i jämförelse med den kontiglödgade mikrostrukturen uppgår uppskattningsvis till 40%. Det förekommer inte bara en minskning av martensitandelen utan också en förfining av martensitens korn. Vilket är välkänt så bidrar båda dessa faktorerna stark till en förbättring av de plastiska egenskaperna. Den optimala mikrostrukturen av martensit och ferrit kan erhållas med olika kombinationer av laserparametrar under förutsättning att den optimala låga temperaturen inom "+# området uppnås. Varken en snabbare uppvärmningshastighet eller svalningshastighet påverkar mikrostrukturutvecklingen i någon större grad (jämför figurer 32,34 och 36). Förändringen av svalnings- och uppvärmningshastighet har åstadkommits genom förändring av interaktionstiden från 0,5s till 1,1s. Omkring 230 HV 500 tycks vara den lägsta nivå vilken kan uppnås genom laserbehandling av detta stål. Mikrostrukturen visar en karaktäristisk martensitfördelning längs ferritkornen och avspeglar den vid glödgningstemperatur förekommande austeniten. Mindre martensitenandel kan inte uppnås på grund av den kemiska sammansättningen, framförallt kol- och mangan- halten i stålet. Det har redan påpekats att svalningshastigheten vid lokal laserbehandling inte tillåter perlitbildning. Ett alternativ till laser mjukglödgning vid låga temperatur i "+# området, är glödgning under A c1. I praktiken innebär detta bara en martensitanlöpning (figur 38). I figur 39 visas exempel på en hårdhetsprofil genom ett anlöpt laserspår mätt på plåtens yta och i figur 40 visas jämförelse mellan olika hårdhetsprofiler uppnådda för olika laser parametrar. DOC 1400 DP DOCOL 1400DP laserbehandlades med samma syfte som 1000DP nämligen att minska martensitandelen till ett minimum. Hårdhetsminskning hos DOC 1400DP möjliggörs genom en avsevärd minskning av martensithalten. Utgångsmikrostrukturen innehållande 100% martensit kan modifieras genom laserbehandling till en formbar mikrostruktur som innehåller finkorning martensit i en ferritmatris. Figur 41-46, visar en översikt över erhållna mikrostrukturer och relaterade hårdhetsnivåer. Andelen martensit uppgår uppskattningsvis till 40% vilket visas i figur 41 och 43. Dessa mikrostrukturer kan betraktas som optimala och ger en hårdhetsnivå på ca.250hv. Denna nivå betingas av martensitandelen och är en följd av kol- och mangan- halten i stålet samt kylningsvillkoren. Laserparametrar som leder till lägre temperaturer förorsakar bara anlöpning av martensiten. I figur 45 visas den anlöpta mikrostrukturen. Genom anlöpning uppnås en högre hårdhet, omkring 290HV (figur 46) i jämförelse med den ferritiskmartensitiska mikrostrukturen. Naturligtvis, uppträder den anlöpta mikrostrukturen också i det värmepåverkade området. I figur 47 syns tydligt gränsen mellan anlöpt martensit och glödgad mikrostruktur av ferrit och martensit, d.v.s. gränsen mellan områden påverkad av temperaturer över och under A 1 temperaturen. Man kan konstatera att hårdheten förändras med glödgningstemperaturen som följd av laserparametrarna (figur 48) men en lägre hårdhet än ca. 250HV kan inte uppnås för detta stål. - 17 -

6 Diskussion Hårdhetsprovning på ytan och på tvärsnittkutsar uppvisar stora variationer med en lägre hårdhet på ytan. Detta har samband med både deformationsförloppet vid kallvalsning och en segring av legeringsämnen i de centrala delarna av plåttjockleken. Det är också möjligt att det sker en ytlig avkolning under laserglödgningen. De hårdhetskrav för de rostfria stålen som bestämdes i delaktivitet 10.1 har uppnåtts trots ett snabbare värmeförlopp. Särskilt svalningshastigheten är vid laserbehandling hög och det förekommer inget uppehåll vid glödgningstemperaturen. Rekristallisationsförloppet påverkas dock inte av svalningshastigheten och det verkar även som om martensitens återgång till austenit inte påverkats av denna. Karbidutskiljningar hos 301 stålet bör däremot påverkas av svalningshastigheten och av denna anledning bör laserbehandlig vara ett överlägset sätt att eliminera dessa olägenheter. Men det krävs mycket mer metallografiska undersökningar för att dra konkreta slutsatser i detta avseende. Vad det gäller DOC DP stålen, har de låga hårdhetsnivåerna som bestämdes i delaktivitet 10.1 (160HV för 1000 DP och 165HV för 1400 DP) inte gått att uppnå på grund av den snabba svalningen. Men de höghållfasta DP stålen, med en hög andel martensit, kan lasermodifieras till formbara varianter genom en kraftig minskning av martensitandelen och en förfining av strukturen trots att hårdhetsnivåerna är något högre än kraven. Det är viktig att peka på några faktorer som komplicerar laserbehandling när flera intilliggande spår används. Till exempel så utgörs utgångsmikrostrukturen för varje nytt spår på DOC 1400DP av anlöpt martensit d.v.s. av värme påverkat område från redan utförda spår och delvis den ursprungliga kontiglödgade martensitiska mikrostrukturen. Dessutom anlöper det successiva spåret den martensit som förekommer i den färdiga glödgade mikrostrukturen av martensit och ferrit. I figur 49 visas skillnader mellan anlöpt martensit av DOC 1400DP(kontiglödgat tillstånd) och anlöpt mikrostruktur av laserglödgad ferrit och martensit. Följaktligen, uppnås till en viss grad upprepad, inhomogen mikrostruktur tvärs de behandlade spåren vilket kan försämra formbarheten. För rostfria stål är det största problemet distorsionen som kraftig försämrar kvaliteten på de laserbehandlade områdena. Distorsionsproblem är för de höghållfasta DP stålen mindre allvarliga men uppträder även här. 7 Slutsatser 7.1 Rostfria stål 1. Generellt, minskar hårdheten med en stigande glödgningstemperatur. En kraftig minskning av hårdheten observeras när en rekristalliserad mikrostruktur skapats efter behandling vid förhållandevis höga temperaturer. 2. Genom att anpassa laserparametrarna kan man åstadkomma en önskad hårdhetsnivå med stor noggrannhet. 3. Genom laserbehandling kan man uppnå 335HV för AISI 301(1000) och 355HV för AISI 301(1500). Med denna hårdhetsnivån kan man antaga att mikrostrukturen innehåller austenit och martensit. - 18 -

4. Det går även att uppnå en hårdhet på 220 och 240 HV för respektive AISI 301(1000) och AISI 301(1500). I dessa fall visar sig mikrostrukturen bestå av rekristalliserad austenit. 5. Karbidutskiljningar uppträder i de laserbehandlade 301 stålet efter mjukglödgning till omkring 300HV. Dessa utskiljningar hänger troligen ihop med martensitens sönderfall och/eller med diffusionsfenomen vid temperaturer mellan 450-800 o C. 6. När laserbehandlingen förorsakar bildning av en fullständigt rekristalliserad austenitisk mikrostruktur till följd av högre temperatur syns inga karbidutskiljningar. 7. Uppkomst av den rekristaliserade austenitiska mikrostrukturen hos 301 stålet leder till en kraftig sänkning av hårdheten. Den mikrostrukturen är överlägsen vad det gäller korrosionsbeständighet. Formningsprocessen kan i efterföljande steg förorsaka återbildning av martensit. 8. Karbidutskiljningarna hos 301 stålet bör vara kopplad till svalningshastigheten. Av denna anledning bör laserbehandling vara överlägsen vanlig glödgning vad det gäller möjligheten att eliminera eller minska olägenheterna med karbidutskiljningar. 9. Mikrostrukturella förändringar hos 316 stålet omfattar i första hand austenitens återhämtning och rekristallisation. Inga karbidutskiljningar har observerats. En jämförelsevis liten hårdhetssänkning ger inga synliga förändringar av mikrostrukturen i LOM. En sänkning av hårdheten på ca. 100HV till 280HV uppstår till följd av delvis rekristalliserad austenit. Genom att uppnå en helt rekristalliserad, austenitisk mikrostruktur får man hårdheter på ca.220-230hv. 10. Lokala laserbehandlingar leder till stora formförändringar hos de undersökta rostfria stålen. Detta kan vara en kritisk begränsning för att effektivt utnyttja laser för mjukglödgning av tunna plåtar av rostfria stål. 7.2 DP - stålen 1. Höghållfasta DP stål med en hög andel martensit kan lasermodifieras till formbara varianter med fin ferritkornstorlek och låg andel martensit. 2. För att åstadkomma detta bör man anpassa laserparametrarna så att glödgning sker vid låga temperaturer i "+# området. 3. Laserglödgning i det austenitiska området leder till bildning av 100% martensit och/eller bainit med hög hårdhet. 4. Vid uppvärmning till temperaturer under Ac 1 sker martensitanlöpning. 5. Omkring 230HV är den minimala hårdhetsnivån vilken kan uppnås genom laserbehandling av DOC 1000DP. 6. Omkring 250HV är den minimala hårdhetsnivån vilken kan uppnås genom laserbehandling av DOC 1500DP. 7. Distorsionsproblem i de höghållfasta DP stålen är mindre allvarlig jämfört med de rostfria stålen men uppträder även här. 8. Genom multispårbehandling går det inte att uppnå en homogen mikrostruktur. Mikrostrukturen tvärs behandlade spår varierar mellan ferrit och finkorning martensit samt ferrit och anlöpt, finkornig martensit. - 19 -

600X a) b) 400X c) 1000X 1000X d) Figur 2 Stål 301 i kallvalsat tillstånd. a,b) 1000 MPa i sträckgräns. c,d) 1500 MPa i sträckgräns - 20 -

a) Glödgningstemperatur-700oC Hårdhet-360HV0,5 c) Glödgningstemperatur-870oC Hårdhet-250HV0,5 600X b) Glödgningstemperatur-800oC Hårdhet-335HV0,5 600X d) Glödgningstemperatur-1050oC Hårdhet-220HV0,5 Figur 3. AISI 301(1000) - Uppnådda mikrostrukturer och hårdhetsnivåer genom saltbadsvärmebehandling vid temp. 700, 800, 870 och 1050oC. - 21-600X 600X

a) 600X b) 600X Hårdhet 350HV 0,5 Figur 4. Stål 301(1000) - Mikrostrukturer uppnådda genom laserbehandling. Laser parameter: 520W(1ms/5,2J/100Hz), V=600mm/s 520W(1ms/5,2J/100Hz), V=600mm/s 450 406 408 399 409 409 400 386 381 390 HV 0,5 367 355 354 362 359 351 364 364 356 350 300 0 2 4 6 8 10 Avstånd (mm) Figur 5. Stål 301(1000) Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 22 -

a) 600X b) 600X Hårdhet 320HV 0,5 Figur 6. Stål 301(1000) - Mikrostrukturer uppnådda genom laserbehandling. Laser parameter: 540W(1ms/5,2J/100Hz), V=600mm/s 540W (1ms/5,6J/100Hz), V=600mm/s 400 387 389 387 375 371 376 358 HV0,5 350 325 345 345 336 333 330 331 328 325 325 327 326 323 324 322 320 300 0 2 4 6 8 10 12 Avstånd, mm Figur 7. Stål 301(1000) Hårdhetsprofil mätt tvärs genom laserspåret på ytan. - 23 -

a) 1000X b) 1000X Hårdhet 320HV 0,5 Figur 8. Stål 301(1000)-Mikrostrukturer uppnådda genom laserbehandling 520W(1ms/5,2J/100Hz), V=600mm/s. Tydliga karbidutskiljningar. - 24 -

a) 600X b) Hårdhet 220HV 0,5 600X Figur 9. Stål 301(1000)-Mikrostrukturer uppnådda genom laserbehandling. 560W(1ms/5,2J/100Hz), V=300mm/s 360W(1ms/3,6J/100Hz), V=300mm/min 450 395 404 400 398 372 367 350 342 330 323 336 HV0,5 301 250 251 241 210 218 213 217 209 213 213 209 150 0 2 4 6 8 10 Avstånd, mm Figur 10. Stål 301(1000) Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 25 -

a) 600X b) Hårdheten 190HV 0,5 600X Figur 11. Stål 301(1000)-Mikrostrukturer uppnådda genom laser behandling 380W(1ms/3,8J/100Hz), V=300mm/s 380W(1ms/3,8W/100Hz), V=300mm/min 400 350 383 356 351 361 351 399 300 322 317 HV0,5 250 281 200 225 220 201 195 193 195 194 196 187 187 185 150 0 2 4 6 8 10 Avstånd, mm Figur 12. Stål 301(1000) Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 26 -

a) 600X b) Hårdhet 350HV 0,5 1000X Figur 13. Stål 301(1000) Värmepåverkat området i det laserbehandlade spåret. Laserparametrar:380W(1ms/3,8J/100Hz), V=300mm/s - 27 -

a) 1000X b) 1000X Hårdhet 350HV 0,5-360HV 0,5 Figur 14. Stål 301(1500)-Mikrostruktur uppnådd genom laser behandling 730W(1ms/7,3J/100Hz), V=800mm/min 730W(1ms/7,3J/100Hz), V=800mm/min 550 HV0,5 500 450 400 515 500 472 416 506 520 466 473 445 350 367 360 359 353 360 360 370 387 300 0 2 4 6 8 10 Avstånd, mm Figur 15. Stål 301(1500) Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 28 -

a) 600X b) 1000X Hårdhet 230HV 0,5 Figur 16. Stål 301(1500)-Mikrostrukturer uppnådda genom laser behandling 360W(1ms/3,6J/100Hz), V=300mm/s 360(1ms/3,6J/100Hz) V=300mm/min 550 505 512 514 512 500 471 450 436 HV0,5 400 350 407 396 377 397 300 250 200 242 241 236 239 240 238 230 230 257 269 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Avstånd, (mm) Figur 17. Stål 301(1500) Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan - 29 -

550 500 450 HV0,5 400 350 300 250 200 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Avstånd, mm 360(1ms/3,6J/100Hz) V=300mm/min 640(1ms/6,4J/100Hz), V=600mm/min 380(1ms/3,8J/100Hz), V=300mm/min 680W(1ms/6,8J/100Hz), V=600mm/s Figur 18. Stål 301(1500) - Hårdhetsprofiler tvärs över behandlade spår Stål 301 (1500) - multispårbehandling HV 500 440 360 280 359 339 350 367 379 371 362 339 331 325 369 344 360 329 389 379 355 376 374 338 392 379 341 376 376 331 337 348 200 0 1 2 3 4 5 6 Avstånd (cm) 680W(1ms/6,8J/100Hz) V=800mm/s) Figur 19. Hårdhetsvariationer vid multispårlaserbehandling. - 30 -

a) 600X b) 400X Figur 20. Deformerad, kallvalsad mikrostruktur hos 316 stålet. Hårdhet 370-380HV 0,5-31 -

a) 600X b) 600X Hårdhet 330HV 0,5 Figur 21. Stål 316 Mikrostrukturer uppnådda genom laser behandling. 420W(1ms/4,2J/100Hz), V=600mm/s (deformerad austenit) 420W(1ms/4,2J/100Hz) V=600mm/min HV0,5 380 375 370 365 360 355 350 345 340 335 330 325 376 374 376 370 366 367 360 359 356 351 348 346 348 340 340 333 333 332 333 334 0 2 4 6 8 10 Avstånd, mm Figur 22. Stål 316 Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan - 32 -

a) 600X b) 1000X Hårdhet 280HV 0,5 Figur 23. Stål 316 Mikrostrukturer uppnådda genom laser behandling. 560W(1ms/5,6J/100Hz), V=800mm/s (deformerad och delvis rekristalliserad austenit) 560W(1ms/5,6J/100Hz), V=800mm/min 390 383 378 378 383 370 362 357 HV0,5 350 330 310 334 329 317 298 324 326 333 290 289 283 279 280 282 270 250 0 2 4 6 8 10 Avstånd, (mm) Figur 24. Stål 316 Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan - 33 -

a) 1000X b) 220HV 0,5 Figur 25. Stål 316 Mikrostrukturer uppnådda genom laser behandling. 600W(1ms/6J/100Hz), V=800mm/s (rekristalliserad austenit) 1000X 600W(1ms/6,0J/100Hz), V=800mm/min HV0,5 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 0 2 4 6 8 10 383 380 373 369 374 376 380 345 353 337 325 327 267 245 221 228 224 229 227 226 Avstånd, mm Figur 26. Stål 316 Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan - 34 -

316 400 380 360 340 HV0,5 320 300 280 260 240 220 200 0 2 4 6 8 10 Avstånd, mm 560W(1ms/5,6J/100Hz), V=800mm/min 600W(1ms/6,0J/100Hz), V=800mm/min 460(1ms/4,6J/100Hz), V=600mm/min 340(1ms/3,4J/450Hz), V=600mm/min 420W(1ms/4,2J/100Hz) V=600mm/min Figur 27. Stål 316 Jämförelse mellan olika hårdhetsprofiler. - 35 -

DOC1000DP- Kontiglödgat tillstånd $20% ferrit och $80% martensit (låg anlöpt) Hårdhet - 340HV Figur 28. DOC 1000DP utgångs mikrostruktur 1000X DOC1400DP-Kontiglödgat tillstånd 100% martensit (låg anlöpt) Hårdhet - 460-470HV Figur 29. DOC 1400DP utgångs mikrostruktur 1000X - 36 -

Figur 30. DOC1000DP. Martensitisk mikrostruktur. För hög glödgningstemperatur vid laser behandling. Glödgning i # området Hårdhet - 370HV Laserparametrar: 520W(1ms/5,2J/100Hz) V=450mm/min Figur 31. DOC1000DP. Mikrostrukturen innehåller martensit och ferrit. För hög glödgningstemperatur vid laser behandling. Glödgning i "+# området Hårdhet - 270-280HV Laserparametrar: 730W(1ms/7,3J/100Hz) V=600mm/min - 37 -

Figur 32. DOC 1000DP. Den optimala mikrostrukturen av ferrit och martensit. Glödgning vid låg temperatur inom "+# området Hårdhet - 225HV Laserparametrar: 300W(1ms/3J/100Hz) V=300mm/min (interaktionstid 1,1s) 300W(1ms/3,0J/100Hz), V=300mm/min 380 360 340 355 350 336 356 345 349 HV0,5 320 300 312 300 284 293 306 317 280 260 240 273 260 241 241 236 234 235 237 234 236 259 267 220 0 2 4 6 8 10 12 Avstånd, mm Figur 33. DOC1000DP Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 38 -

Figur 34. DOC 1000DP Den optimala mikrostrukturen av ferrit och martensit. Glödgning vid låg temperatur inom "+# området Hårdhet 230HV Laserparametrar: 450W(1ms/4,5J/100Hz) V=450mm/min (interaktionstid 0,7s) 450W(1ms/4,5J/100Hz), V=450mm/min 340 320 300 330 313 302 303 297 320 323 HV0,5 280 281 271 260 255 251 240 235 233230 236 236231 235 236235 229 220 0 2 4 6 8 10 12 Avstånd, mm Figur 35. DOC1000DP Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 39 -

Figur 36. DOC 1000DP Den optimala mikrostrukturen av ferrit och martensit. Glödgning vid låg temperatur inom "+# området. Hårdhet 230HV Laserparametrar: 610W(1ms/6J/100Hz) V=600mm/min (interaktionstid 0,5s) 610W(1ms/6,1J/100Hz), V=600mm/min HV0,5 360 340 320 300 280 260 240 220 335 330 324 319 302 297 284 280 270 256 258 262 253 243 236 235 232 234 228 223 225 200 0 2 4 6 8 10 12 Avstånd,mm Figur 37. DOC1000DP Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 40 -

Figur 38. DOC 1000DP Anlöpt martensit förekommande i mikrostrukturen framkallad genom laserbehandling med multispårbehandling. Glödgning vid låg temperatur under A 1 temperaturen. Hårdhet - 250HV 0,5 Laserparametrar: 280W(1ms/2,6J/100Hz) V=300mm/min 280W(1ms/2,8J/100Hz), V=300mm/s HV0,5 380 360 340 320 300 280 260 240 357 344343 314 294 286 271 265 250250249 251250 258 274 286 303 322 341 353 220 0 2 4 6 8 10 12 Avstånd,mm Figur 39. DOC1000DP Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 41 -

DOC 1000DP HV0,5 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 0 2 4 6 8 10 12 Avstånd,mm 300W(1ms/3,0J/100Hz), V=300mm/min 450W(1ms/4,5J/100Hz), V=450mm/min 610W(1ms/6,1J/100Hz), V=600mm/min 280W(1ms/2,8J/100Hz), V=300mm/s Figur 40. DOC 100DP Jämförelse mellan olika hårdhetsprofiler - 42 -

Figur 41. DOC 1400DP. Mikrostruktur innehållande ferrit och finkorning martensit. Glödgning vid låg temperatur inom "+# området Hårdhet - 250HV Laserparametrar: 610W(1ms/6,1J/100Hz) V=600mm/s 610W(1ms/6,1J/100Hz), V=600mm/min HV0,5 450 400 350 300 250 415 397 436 416 395 366 363 338 336 315 299 297 289 277 274 251 250 250 256 243 248 243 200 0 2 4 6 8 10 12 Avstånd,mm Figur 42. DOC1400DP. Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 43 -

Figur 43. DOC 1400 DP. Mikrostruktur innehållande ferrit och martensit. Glödgning vid låg temperatur inom "+# området. Hårdhet - 255HV Laserparametrar: 450W(1ms/4,5J/100Hz), V=450mm/min 450W(1ms/4,5J/100Hz), V=450mm/min 420 400399 390 404 HV0,5 380 340 300 366 339 303 280 369 352 322 301 279 260 252 256255258258260 256 251 258 220 0 2 4 6 8 10 Avstånd, mm Figur 44. DOC1400DP Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 44 -

Figur 45. DOC 1400DP. Anlöpt martensit i laserbehandlade spår. Glödgning vid temperatur under Ac 1 Hårdhet - 290HV Laserparametrar: 300W(1ms/3,0J/100Hz) V=300mm/min 300W(1ms/3J/100Hz), V=300mm/min 450 430 410 390 435 411 377 391 381 420 425 HV0,5 370 350 330 310 290 270 360 342 328 305 297 290289290290 289290289 327 343 359 250 0 2 4 6 8 10 12 Avstånd,mm Figur 46. DOC1400DP Hårdhetsprofil mätt tvärs över laserspåret på ytan. - 45 -

Anlöpt martensit Temp.<A 1 Glödgad utgångsmikrostruktur till låg martensithaltig DP mikrostruktur. Temp > A 1 Figur 47. Gräns mellan glödgad mikrostruktur av martensit och ferrit och anlöpt martensit. 470 DOC1400DP 420 HV0,5 370 320 270 220 0 2 4 6 8 10 12 Avstånd, mm 300W(1ms/3J/100Hz), V=300mm/min 610W(1ms/6,1J/100Hz), V=600mm/min 450W(1ms/4,5J/100Hz), V=450mm/min 280(1ms/2,8J/100Hz),V=300mm/min Figur 48. DOC 1400DP Jämförelse mellan olika hårdhetsprofiler. - 46 -