Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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 technischen Entwicklungen in der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten haben eine neue Generation von Hochleistungslasersystemen im Leistungsbereich bis zu 100 kW auf den Markt gebracht. Dennoch ist die industrielle Anwendung des Hochleistungslaserstrahlschweißens auf bis zu 15 mm dicke Bleche beschränkt. Mögliche Ursachen der Einschränkungen des Verfahrens sind z.B. die Sensibilität des Verfahrens auf Fertigungstoleranzen wie Spalt und Kantenversatz, die erhöhte Tropfenbildung bei höheren Blechdicken und eine inhomogene Verteilung des Zusatzwerkstoffes beim Laserhybridschweißen. In dieser Studie wird ein auf extern angelegte Magnetfelder basierte elektromagnetische Schmelzbadstütze eingesetzt, um die Grenzen des Verfahrens zu erweitern und die Herausforderungen zu minimieren. Der wesentliche Vorteil der elektromagnetischen Schmelzbadstütze ist, dass sie berührungslos arbeitet. Mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnten bei 20 mm dicken Proben aus S355J2 die Tropfenbildung an der Wurzel vermieden werden. Zudem wurde der Einfluss der Kantenqualität auf die Schweißnahtqualität untersucht, wobei verschiedene Schneidverfahren zur Kantenvorbereitung eingesetzt wurden, wie z.B. Plasma-, Brenn- oder Laserschneiden. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei schlechteren Kantenvorbereitung im Gegensatz zu gefrästen Bauteilen die Werkstoffe einlagig mittels Laserhybridschweißen bei einer hohen Schweißnahtqualität gefügt werden konnten. Bei plasmageschnittenen Proben wurden zudem eine Spaltüberbrückbarkeit bzw. Kantenversatz von bis zu 2 mm sicher überbrückt. Des Weiteren war es mit Hilfe der externen Magnetfelder möglich, die Durchmischung des Zusatzwerkstoffes über die gesamte Schweißnahttiefe deutlich zu homogenisieren.
Vor allem in den letzten Jahren ist das Interesse der Industrie an der additiven Fertigung deutlich gestiegen. Die Vorteile dieser Verfahren sind zahlreich und ermöglichen eine ressourcenschonende, kundenorientierte Fertigung von Bauteilen, welche zur stetigen Entwicklung neue Anwendungsbereiche und Werkstoffe führen. Aufgrund der steigenden Anwendungsfälle, nimmt auch der Wunsch nach Betriebssicherheit unabhängig von anschließenden kostenintensiven zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des von der BAM durchgeführten Themenfeldprojektes „Prozessmonitoring in Additive Manufacturing“ verschiedenste Verfahren auf ihre Tauglichkeit für den in-situ Einsatz bei der Prozessüberwachung in der additiven Fertigung untersucht. Hier werden drei dieser in-situ Verfahren, die Thermografie, die optische Emissionsspektroskopie und die Schallmissionsanalyse für den Einsatz beim Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet.
In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Untersuchungen eines Verfahrens zum fehlerfreien Laserstrahl Hybridschweißen von geschlossenen Rundnähten vorgestellt. Das Verfahren zielt auf die Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich einer laserstrahlhybridgeschweißten Rundnaht. Eine Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht wurde entwickelt, mit der ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht wird. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG Schweißprozess realisiert. Experimentelle Untersuchungen wurden an 12 mm bis 15 mm dicken Rohrabschnitten durchgeführt. Der Einfluss von Prozessparametern wie der Laserleistungsrampe und Rampenzeit, der Veränderung des Abbildungsmaßstabes und der Defokussierung des Laserstrahls auf die Erstarrungsbedingungen am Ende der Rundnaht wurde untersucht, um eine optimale Strategie zum Herausführen der Prozessenergie zu finden. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Defokussierung des Laserstrahls im Bereich zwischen 60 mm und 100 mm über einen kurzen Auslaufbereich der Naht von ca. 15 mm zu einer deutlich besseren Nahtausbildung im Überlappbereich führte. Es konnte eine günstige kelchförmige Schweißnahtform ohne eine Tendenz zur Rissbildung erzielt werden. Die Laseroptik mit motorisch angesteuertem Linsensystem ermöglichte dabei eine Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers ohne eine Veränderung der Position des MSG-Lichtbogens relativ zur Bauteiloberfläche.
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.
Duplexstähle finden aufgrund ihrer Eigenschaften, wie der guten Korrosionsbeständigkeit, einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität häufig industrielle Anwendung. Durch die hohen Abkühlraten beim Laserstrahlschweißen weisen Schweißnähte jedoch anstelle eines ausgeglichenen Duplexgefüges einen deutlich erhöhten Ferritanteil, im Vergleich zum Basiswerkstoff, auf. Dies führt zu einer verringerten Duktilität sowie Korrosionsbeständigkeit. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Prozess entwickelt, der auf einer Kantenbeschichtung mit nickelhaltigem Zusatzmaterial der zu fügenden Bleche mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) basiert.
Die resultierenden Schweißnähte wurden zerstörend anhand von Schliffbildern, EDX-Aufnahmen, Härtemessungen und Kerbschlagbiegeversuchen geprüft.
Vermeidung von Schweißimperfektionen im Überlappbereich bei laserstrahlhybridgeschweißten Rundnähten
(2019)
Die Laserstrahl-Hybrid-Schweißtechnologie erweist sich in der schweißtechnischen Fertigung immer mehr als innovative Alternative gegenüber anderen Schweißverfahren. Obwohl das Laserstrahl-Hybridschweißverfahren viele wirtschaftliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren aufweist, wie z.B. große Einschweißtiefe und dadurch eine reduzierte Anzahl von Schweißlagen, geringe thermische Belastung des Grundwerkstoffes aufgrund reduziertem Wärmeeintrag, konnte das Schweißverfahren überwiegend für das Schweißen von Längsnähten demonstriert werden. Eine Vielzahl von Schweißaufgaben, z.B. beim Schweißen von Segmenten von Windkraftanlagen oder dem Orbitalschweißen beim Verlegen von Großrohrleitungen sieht vor, dass die zu schweißenden Bauteile mit einer Rundnaht zusammengefügt werden. Die schweißtechnische Herausforderung ist hier, dass beim Schließen einer Rundnaht mit der Entstehung eines fehlerbehafteten Überlappbereiches zu rechnen ist. Ein zentrales Problem im Überlappbereich einer laserstrahl- sowie laserhybridgeschweißten Rundnaht ist die Bildung von Imperfektionen wie Poren, Rissen sowie die Bildung eines Endkraters, welcher als geometrische Kerbe wirkt. Bisher liegen keine universellen Lösungen zur fehlerfreien Ausführung von geschlossenen Rundnähten beim Laserstrahl-Hybridschweißen vor. Diese Studie befasst sich mit der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die Entstehung von o.g. Schweißimperfektionen vermieden wird. Die Strategie der Prozessführung beim Schließen der Rundnaht sieht hervor, dass ein fehlerfreier Überlappbereich durch die Kontrolle der Erstarrungsbedingungen am Schweißnahtende erreicht werden kann. Die kontrollierte Wärmeführung wird durch eine Anpassung der Parameter von beiden beteiligten Schweißprozessen, dem Laserstrahl- sowie MSG-Schweißprozess realisiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Serie von Schweißversuchen an 9,5 mm dicken Rohabschnitten aus hochfestem Pipelinestahl X100Q mit Variation der Prozessparameter wie der Laserleistung, der Defokussierung des Laserstrahls sowie der Endkraterfüllzeit im Überlappbereich der Rundnaht durchgeführt. Nachfolgend werden die erzielten Ergebnisse dargestellt und diskutiert.
Laserhybridschweißen von dickwandigen Stählen mit elektromagnetischer Schmelzbadunterstützung
(2019)
Die steigenden Anforderungen in Hinsicht auf Sicherheitsfaktoren von gefügten Bauteilen führen zu einer Zunahme der zu schweißenden Bauteildicken. Das Laserstrahl-Lichtbogen-Hybridschweißverfahren – verbreitet im industriellen Einsatz vor allem im Schiffs- und Windkraftanlagenbau – ermöglicht das einlagige Fügen von dickwandigen Strukturen. Eine Herausforderung stellt das Schweißen von dickwandigen Bauteilen mit reduzierter Geschwindigkeit in Wannenlage (PA-Position) da. Sie ist aufgrund des erhöhten hydrostatischen Druckes und die daraus resultierenden Tropfenbildung an der Wurzelseite bedingt realisierbar. Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadunterstützung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Dabei werden unterhalb der Schweißzone mit Hilfe eines extern angelegten oszillierenden Magnetfeldes Wirbelströme im Werkstück induziert, die eine nach oben gerichtete Lorentzkraft erzeugt. Die Lorentzkraft wirkt dem hydrostatischen Druck entgegen und stellt einen sicheren Schweißprozess ohne Tropfenbildung dar. Mit dem Hybridschweißverfahren mithilfe der elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung gelingt es mit einem 20-kW Faserlaser bis zu 30 mm dicke Bleche in einer Lage zu schweißen. Bei 25 mm dicken einlagig geschweißten Platten aus S355 konnte ein Spalt bis 1 mm und ein Kantenversatz bis zu 2 mm sicher überbrückt werden. Die Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit hat eine Verringerung der notwendigen Laserleistung zur Folge und begünstigt außerdem die mechanisch-technologischen Eigenschaften, infolge der reduzierten Abkühlgeschwindigkeit. Durch die geringe Martensitbildung führt dies zu einer Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit.
Das bislang zur Vermeidung unzulässiger Wurzelüberhöhungen beim Laserstrahlschweißen von Aluminiumlegierungen bzw. austenitischem Stahl eingesetzte Verfahren der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnte innerhalb der vorliegenden Untersuchung erfolgreich zur Kompensation des hydrostatischen Druckes von ferromagnetischen Stählen übertragen werden. Es wurden dabei Laserstrahlschweißversuche in PA-Position an bis zu 20 mm dickem Duplexstahl 1.4462 sowie Baustahl S235JR durchgeführt. Unter konstanten Schweißparametern wurden Durchschweißungen generiert. Dem hydrostatischen Druck wurde unter Verwendung der Technologie zur elektromagnetischen Schmelzbadunterstützung durch Variation der Oszillationsfrequenz und der AC-Leistung des Magnetsystems entgegengewirkt.
Zunächst konzentrierten sich die Versuche auf den Duplexstahl 1.4462, welcher jeweils aus 50 % Ferrit und Austenit besteht. Hierbei konnte festgestellt werden, dass zur idealen Kompensation von 15 mm bei einer Frequenz von 1,7 kHz eine AC-Leistung von 1,6 kW erforderlich ist, die Schweißnähte aber bereits bei einer AC-Leistung von ca. 0,8 kW in die Bewertungsgruppe B der DIN EN ISO 13919-1:1996-09 eingeordent werden können. Zur idealen Kompensation des hydrostatischen Druckes bei 20 mm dickem Duplexstahl war eine um 20 % höhere AC-Leistung notwendig. Im Anschluss an die Versuche mit dem Duplexstahl wurden die Untersuchungen auf bis zu 20 mm dicke Proben aus Baustahl S235JR erweitert. Für 15 mm konnten die Schweißnähte bei einer Frequenz von 1,7 kHz ab einer AC-Leistung von 1,3 kW in die Bewertungsgruppe B eingeordnet werden. Zur idealen Kompensation von 20 mm dickem Baustahl war eine AC-Leistung von 1,6 kW bei einer Frequenz von 636 Hz nötig. Mit steigender AC-Leistung konnte in allen Versuchsreihen eine sukzessive Verringerung
der Wurzelüberhöhung demonstriert werden.