Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
Additive Fertigungsverfahren gewinnen aufgrund der schnellen, flexiblen und kosten-günstigen Fertigung von Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserpulverauf-tragschweißen (LPA) wurde anfangs hauptsächlich als Beschichtungsverfahren ein-gesetzt. Diese Technologie bewerkstelligt aber auch das Reparieren von verschlisse-nen Bauteilen, sodass diese zeitsparend und ressourcenschonend erneuert werden können. Die hohe Aufbaurate, die flexible Pulverzusammensetzung sowie die hohe Endkonturnähe ermöglichen heutzutage die Entwicklung und additive Fertigung von neuen Materialien, wie zum Beispiel Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen.
In dieser Studie wurde die Heißrissanfälligkeit beim Laserstrahlschweißen für die Werkstoffe 1.4376, 1.4301 und 1.4828 mit Hilfe des CTW Test quantifiziert. Bei den Versuchen konnten Erstarrungsrisse in den Proben generiert werden. Zusätzlich können mit der Bildkorrelations-Technik die lokalen Dehnungen und Dehnungsraten während des Heißrisstests gemessen wer den. In Verbindung mit einem externen Diodenlaser zum Beleuchten der zu messende Oberfläche und lnterferenzfiltern an den Kameras konnten die DIC Messungen ohne optische Störungen durchgeführt werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Heißrissbildung bei einer externen Belastung von 3 % für die Stahlsorte 1.4376 zu erwarten ist. Für die Stahls orte 1.4301 beträgt dieser Grenzwert 2 % und 1,5 % für die Stahlgüte 1.4828. Außerdem ist zu beobachten, dass die Gesamtrisslänge mit zu nehmender äußerer Zugbeanspruchung steigt
In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine entscheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierungen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben Negativstrukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aber aufgrund der besonderen Verschleißproblematik erhabener Strukturen momentan limitiert, so dass in der Regel zusätzliche verschleißreduzierende Beschichtungen notwendig werden.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, mit dem erhabene und separierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungsschritt erzeugbar sind. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität zur Erzeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen angewandt. Versuche wurden auf dem Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 unter Anwendung von Titandiborid als Hartstoff durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Härten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich, die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlichtinterferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Pulsleistung und Pulsdauer zu steuern.
In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine ent-scheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierun-gen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben Negativstrukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aber aufgrund der besonderen Verschleißproblematik er-habener Strukturen momentan limitiert, so dass in der Regel zusätzliche verschleißreduzierende Be-schichtungen notwendig werden.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, mit dem erhabene und sepa-rierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungsschritt erzeugbar sind. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität zur Erzeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen angewandt. Versuche wurden auf dem Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 unter Anwendung von Titandibo-rid als Hartstoff durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Härten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich, die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlichtinterferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Puls-leistung und Pulsdauer zu steuern.
Zur Effizienzsteigerung beim Einsatz von Lichtbogenverfahren für Fügeaufgaben im Dickblechbereich werden häufig angepasste Verfahren mit möglichst geringer Nahtquerschnittsfläche angewendet, beispielsweise das MSG-Engspaltschweißen für I-Nähte. Die Herausforderung für die Automatisierung des Verfahrens besteht neben der komplexen Prozessführung auch in der oftmals schlechten Zugänglichkeit der Prozesszone für optische Sensorik, weswegen verstärkt auf prozessorientierte Sensorik zurückgegriffen wird. Zur Steigerung des Prozessverständnisses und Entwicklung neuer Regelungskonzepte wurde ein Versuchsaufbau umgesetzt, der sowohl optische Messsysteme als auch prozessorientierte Sensorik in einer gemeinsamen Steuerungsumgebung vereint. Die umfassende prozessbegleitende Sensorik ermöglicht die sukzessive Erweiterung des Prozesswissens, welches direkt zur Umsetzung neuer Steuer- und Regelalgorithmen basierend auf Regressionsmodellen genutzt werden kann. Der gemeinsame Einsatz optischer und prozessorientierter Sensorik wurde zur Auslegung eines Lichtbogensensors zur Höhenführung genutzt. Die Versuchsdurchführung mit dem Ziel der Ableitung nichtlinearer Regressionsmodelle erfolgt automatisiert mit Hilfe eines optischen Sensors. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt dabei neben der schnellen Umsetzbarkeit in der direkten Korrelation der Messwerte zu realen physikalischen Systemgrößen und der schnellen Adaption auf unterschiedliche Schweißparameter und -prozesse.
Automatisierungs- und Regelkonzepte für das MSG-Engspaltschweißen - Pendel- und Füllgradregelung
(2018)
Das MSG-Engspaltschweißen eignet sich auf Grund der I-Nahtvorbereitung besonders für das wirtschaftliche Fügen bei hohen Blechdicken über 100 mm und bietet darüber hinaus zusätzliche technologische Vorteile. Für die automatisierte Anwendung des Verfahrens unter Produktionsbedingungen muss dabei die Prozesssicherheit auch für mitunter große Variationen der Spaltbreite entlang der Schweißnaht gesichert bleiben. In erster Linie betrifft dies bei mechanischer Auslenkung der Drahtelektrode die Adaption der Pendelbewegung auf die jeweilige Spaltbreite um eine ausreichende Flankenanbindung zu garantieren. Für die Online-Regelung der Pendelbewegung mittels Lichtbogensensorik wurde eine Methode implementiert die die notwendigen Pendelwinkel an jeder Nahtflanke unabhängig ermittelt und darüber hinaus Fehlstellungen des Brenners sowie Veränderungen des Kontaktrohrabstandes und der Prozessparameter eigenständig kompensiert. Eine Füllgradregelung auf Grundlage optischer Erfassung und Auswertung der Schweißnahtgeometrie wurde zusätzlich eingesetzt um bei veränderlichen Nahtquerschnittsflächen einen vorgegebenen, gleichbleibenden Lagenaufbau zu erzielen.
Die Weiterentwicklung des Laser-Pulver-Auftragschweißens im Bereich der additiven Fertigung stellt dieses Verfahren vor neue Herausforderungen.
Bauteile können schnell und endformnah hergestellt werden, was diese Technik für den Prototypenbau sowie Kleinserienfertigung interessant macht.
Die Vielzahl an Varianten, um ein Volumen aus einzelnen Schichten aufzubauen, erhöhen die Möglichkeiten die Eigenschaften des entstehenden Bauteils zu beeinflussen. Hierfür müssen Strategien entwickelt werden, welche einen gleiclunäßigen Materialauftrag bei gleichzeitig optimalen Materialeigenschaften gewährleisten.
Die durchgeführten Untersuchungen behandeln den Einfluss von Pendelstrategien sowie Spiralstrategien auf die Temperaturentwicklung und stellen diese vergleichend gegenüber. Um den unterschiedlichen Bedingungen bei der Bauteilfertigung Rechnung zu tragen, wurden Versuche in Randbereichen sowie im zentralen Bereich des Testobjekts untersucht. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit angepasste Baustrategien zu entwickeln, um durch einen stabilen Fertigungsprozess Qualität und Eigenschaften eines Bauteils gewährleisten zu können.
Die Wärmeverteilung des Lasers beim Laserstrahltiefschweißen ist für die Formgebung der Dampfkapillare und für die Schweißbaddynamik entscheidend. In dieser Arbeit werden die Laserwärmeverteilung und deren Einflüsse auf die Schweißbadtiefe sowie -breite numerisch anhand des Ray-Tracing-Verfahrens analysiert. Hierbei wird der La-serstrahl in mehreren Strahlenbündeln bzw. Subrays unterteilt. Diesbezüglich soll der Pfad der Subrays präzis be-rechnet werden, um die Dynamik der Dampfkapillare und des Schweißbades eines realen Schweißprozesses rich-tig abzubilden. Zu diesem Zweck beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Genauigkeitsverbesserung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays auf der freien Oberfläche anhand der Level-Set-Methode. Um die Güte dieses Simulationsansatzes zu gewährleisten, wurde eine Gegenüberstellung mit den zwei klassischen Ray-Tracing-Verfahren mittels drei verschiedenen Benchmark-Testreihen durchgeführt. Anschließend wurden die Versuchsergebnisse zur Validierung der implementierten numerischen Ansätze verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit kann es gezeigt werden, dass unterschiedliche Wärmeverteilung aufgrund der verschiedenen Ray-Tracing-Verfahren deutlich zu erkennen ist, welche wiederum die Schweißbaddynamik sowie die lokalisierte Dampfkapil-lardynamik stark beeinflussen. Ferner wurde es bestätigt, dass die implementierte Level-Set-Methode zu einer ge-naueren Ermittlung der Kontaktposition und der Reflexionsrichtung der Subrays und somit zu einer Verbesserung der simulierten Schmelzkontur führt.
Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich.
Die experimentellen Untersuchungen innerhalb dieses Berichtes zeigen die erfolgreiche Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laser-strahl(hybrid)schweißen von ferromagnetischen Stäh-len mit einer Werkstückdicke von bis zu 20 mm. Bis-lang wurde dieses System zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von Aluminiumlegierungen und austenitischen Stählen eingesetzt. Zunächst wur-den die Versuche an Duplexstählen vorgenommen, die jeweils zur Hälfte aus Austenit und Ferrit bestehen. Im Anschluss daran wurden die Versuche auf bis zu 20 mm dicke Werkstücke aus Baustahl erweitert. In-nerhalb der Versuchsreihen wurden die AC-Leistung sowie die Oszillationsfrequenz variiert. Für Werk-stückdicken von 15 mm war eine AC-Leistung von ca. 1 kW notwendig, um die Wurzelüberhöhung in die Bewertungsgruppe B der für laserstrahlgeschweißten Stähle gültigen DIN EN ISO 13919-1:1996-09 einord-nen zu können. Mit zunehmender AC-Leistung wird die Wurzelüberhöhung sukzessive reduziert. Nach erfolg-reicher Erweiterung auf ferromagnetische Werkstoffe wurde die Anwendung der Technologie für das Laser-strahlhybridschweißen demonstriert, indem praxisrele-vante Y-Nähte an 20 mm dicken Baustählen ohne Wurzelüberhöhung einlagig in Wannenlage geschweißt wurden. Trotz der Beeinflussung des Lichtbogens durch das oszillierende Magnetfeld sowie des zusätz-lich zum hydrostatischen Druck zu berücksichtigenden Lichtbogendruckes wurde eine ideale Kompensation auf der Wurzelseite erzielt.
Die Erweiterung des Anwendungsspektrums der elekt-romagnetischen Schmelzbadstütze auf ferromagneti-sche Werkstoffe sowie auf das Laserstrahlhybrid-schweißen eröffnet für zukünftige industrielle Anwen-dungen ein großes Potenzial. Das einlagige Schwei-ßen dickwandiger Bauteile mittels Hochleistungslasern wird in Kombination mit der elektromagnetischen Schmelzbadstütze attraktiver. In nachfolgenden Un-tersuchungen wird der Einsatz der elektromagneti-schen Schmelzbadstütze beim Laserstrahlhybrid-schweißen von Pipelinestählen angestrebt, v. a. im Hinblick auf die Spaltüberbrückbarkeit und der me-chanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindungen. Zudem ist beim Schweißen von Duplexstählen der Einsatz von Zusatzwerkstoffen zu berücksichtigen, um das Gleichgewicht zwischen austenitischer und ferritischer Phasen zu stabilisieren.