Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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 den letzten Jahren hat vor allem die Nachfrage nach additiven Fertigungstechnologien und Reparaturverfahren für Hochfeste Werkstoffe einen starken Aufschwung erlebt. Ein Verfahren, welches sich neben der Herstellung von Beschichtungen besonders für diese Anwendungen eignet, ist das Laser-Pulver-Auftragschweißen. Es wird besonders für Reparaturen bzw. zur Herstellung von teuren Bauteilen, wie Werkzeuge oder Turbinenteilen, eingesetzt. Da diese Teile oft großen mechanischen sowie thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es besonders wichtig, dass die erzeugte Struktur eine hohe Qualität aufweist. In dieser Arbeit wird die statistische Versuchsplanung genutzt, um Modelle für die Oberflächenbeschaffenheiten von Inconel 718 zu generieren. Als Grundlage dient hierbei ein zentral zusammengesetzter Versuchsplan mit großem Parameterfenster. So wird die Leistung zwischen 550 Watt und 1950 Watt, der Vorschub von 530 mm/min bis 920 mm/min, der Pulvermassenstrom von 3 g/min bis 12 g/min sowie der Spotdurchmesser von 1 mm bis 2 mm variiert. Auf diese Weise wird die Spurgeometrie beeinflusst. Darüber hinaus wird das Überlappungsverhältnis zwischen 20% bis 50% verändert. Die Auswertung der Oberflächenbeschaffenheit erfolgt mit dem auf der Fokusvariation basierendem Oberflächenmessgerät Alicona Infinite-Focus. Dieses Verfahren der 3D Mikrokoordinatenmesstechnik gewährleistet eine zuverlässige Auswertung der Spurgeometrie, der Welligkeit sowie die Messung der mittleren arithmetischen Höhe Sa zur Bestimmung der Oberflächenrauheit. Anschließend werden die generierten Modelle verifiziert. Ziel dabei ist, kostenintensive Vorversuche in Zukunft einzusparen. Darüber hinaus wird das Prozessverständnis erweitert und signifikante Einflussfaktoren identifiziert.
The development within the offshore wind energy sector towards more powerful turbines combined with increasing water depth for new wind parks is challenging both, the designer as well as the manufacturer of support structures. Besides XL-monopiles the jacket support structure is a reasonable alternative due to the high rigidity combined with low material consumption. However, the effort for manufacturing of the hollow section joints reduces the economic potential of jacket structures significantly. Therefore, a changeover from an individual towards a serial production based on automated manufactured tubular joints combined with standardized pipes must be achieved. Hence, this paper addresses the welding process chain of automated manufactured tubular joints including digitization of the relevant manufacturing parameters such as laser scanning of the weld seam geometry. Additionally, a methodology for the computation of the notch radius as well as the weld seam angle is presented based on the scanned profiles of three analysis points of an automated manufactured tubular X-joint. Subsequently, these parameters are considered within the notch stress approach based fatigue design and their impact is quantified by a comparison with the structural stress approach using equivalent stress concentration factors.
In diesem Vortrag werden die Möglichkeiten vernetzter Sensorik zur Digitalisierung der schweißtechnischen Prozesskette aufgezeigt. Besonderer Fokus liegt auf der Fusion von Messdaten aus unterschiedlichen physikalischen Domänen. Dies ermöglicht die Korrelation relevanter den Schweißprozess charakterisierenden elektrischen Kenngrößen mit optisch gemessenen geometrischen Qualitätsmerkmalen der Schweißnaht. Die dynamische Prozessführung ermöglicht hierbei das Generieren großer inhomogener Datenmengen, was ein entsprechendes Schweißdatenmanagement erfordert. Durch Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens konnten Regressionsmodelle abgeleitet werden, welche Grundlage für eine adaptive Prozessführung sind.
In diesem Vortrag werden aktuellen Forschungsarbeiten bezüglich der Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungskette dargestellt. Anwendungsbeispiel ist das automatisierte Schweißen von Hohlprofilknoten, welche für die Fertigung von Jacket-Gründungsstrukturen für Offshore Windenergieanlagen eingesetzt werden. Besonderer Fokus liegt hierbei auf der Datenübergabe an nachgelagerter Prozessschritte bzw. externe Forschungspartner. Die Rückverfolgbarkeit des Fertigungsprozesses ermöglicht die zeitliche und räumliche Zuordnung von Prozessparametern (elektrische Signale) zu geometrischen Eigenschaften der Schweißnaht (Kerbgeometrie) bis hin zur numerisch berechneten Lebensdauer.
In diesem Vortrag werden die aktuellen Forschungsergebnisse im Bereich der ökologischen Bilanzierung von Schweißprozessen dargestellt. Der Fokus liegt hierbei in der automatisierten Berechnung der Umweltwirkungen der Schweißprozesse unter Berücksichtigung vor- und nachgelagerter Prozessschritte. Die Ermittlung der Ökobilanz eines Schweißprozesses erfordert lediglich die Sachbilanzierung relevanter In- und Outputströme. Letztere werden auf Basis entsprechender Sensormessdaten (Leistungsaufnahme Schweißanlagen, Medienverbrauch, etc.) automatisiert nachverfolgbar für jede Schweißung ermittelt.
In diesem Vortrag werden die aktuellen Forschungsergebnisse im Bereich der ökologischen Bilanzierung von Schweißprozessen dargestellt. Der Fokus liegt hierbei in der Ermittlung relevanter Wirkkategorien zur Charakterisierung der Umweltwirkungen von Schweißprozessen. Exemplarisch für verschiedene Verfahrenskombinationen werden die ökologischen Umweltwirkungen auf Basis eines Life Cycle Assessments ermittelt und verfahrensspezifische Einflussgrößen analysiert.
Aktuell werden Prozessmonitoringsysteme in der additiven Fertigung (AM) zur Überwachung der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren aus den Bereichen der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete Umsetzungen in die Praxis.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Projekt gestartet, dessen Ziel die Entwicklung von Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Bauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen ist. Verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie Thermografie, optische Tomografie, optische Emissionsspektroskopie, Wirbelstromprüfung und Laminografie werden in verschiedenen AM-Prozessen zum Einsatz gebracht und die Ergebnisse fusioniert. Die evaluierten Ergebnisse werden mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Ziel ist eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion.
Hier wird das Projekt als Ganzes vorgestellt und der Fokus auf verschiedene Methoden der Temperaturmessung mit Hilfe der Thermografie gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert.
EM-Schmelzbadunterstützung auch auf ferromagnetische Werkstoffe übertragbar
Erfolgreiche Kompensation des hydrostatischen Drucks von bis zu 20 mm dicken Werkstücken aus Duplex- und Baustahl
Erfolgreiche Porenreduktion beim Laserstrahlschweißen von Aluminium-Druckguss unter EM-Einfluss von bis zu 75 % Flächenanteil
Entfernung von großvolumigen Poren aus dem Schmelzbad
Einige kleine metallurgische Poren verbleiben im Schmelzbad aufgrund des Volumen-Flächenverhältnisses
Restporosität ist abhängig vom Ausgangsgasgehalt im Grundmaterial
The laser hybrid welding process offers many advantages regarding deep penetration, increased welding velocity and with the help of the supplied filler wire an improved bridgeability to gap and misalignment tolerances. High power laser systems with a power of approx. 30 kW are already available on the market. Nevertheless, multi-layer technology with an arc process is still used for welding of plates from a thickness from 20 mm. A potential cause is the process instability with increasing laser power. It is inevitable that gravity drop-out due to the high hydrostatic pressure at increasing wall thickness especially at welding in flat position and with a low welding speed. The surface tension decreases with increasing root width resulting from low welding velocities. To prevent such inadmissible defects of the seam a use of weld pool support is required. Usual weld pool support systems such as ceramic or powder supports require a mechanical detachment which is time-consuming. The electromagnetic weld pool support system described in this work shows an alternative weld pool support which works contactless. It is based on generating Lorentz forces in the weld pool due to oscillating magnetic field and induced eddy currents. This innovative technology offers single pass welds up to 28 mm in flat position and reduced welding velocity with a laser power of just 19 kW. It also leads to improved mechanical-technological properties of the seams because of the slow cooling rate. With usage of an electromagnetic weld pool support the limitation of the hybrid laser arc welding process in the thick sheet metal will be extend.
Additive Fertigungsverfahren gewinnen aufgrund der schnellen, flexiblen und kostengünstigen Fertigung von Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserpulverauftragschweißen (LPA) wurde anfangs hauptsächlich als Beschichtungsverfahren eingesetzt. Diese Technologie bewerkstelligt aber auch das Reparieren von verschlissenen Bauteilen, sodass diese zeitsparend und ressourcenschonend erneuert werden können. Die hohe Aufbaurate, die flexible Pulverzusammensetzung sowie die hohe Endkonturnähe ermöglichen die Entwicklung und additive Fertigung von neuen Materialien.
Im Rahmen dieses Beitrages wurde das Verfahren des Laserpulverauftragschweißens zur additiven Fertigung von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen angewandt. Diese Legierungsgruppe ist aufgrund der Eigenschaft der Gestalterinnerung ein äußerst interessantes Legierungssystem mit unterschiedlichen Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Medizintechnik. Zur Erzeugung einer äquiatomaren NiTi-Legierung wurden die Elementpulver in einem Verhältnis von 55,9 wt.% Nickel und 44,1 wt.% Titan miteinander vermischt. Das Auftragen von Einzelspuren, Schichten und dreidimensionalen Körpern erfolgte auf unterschiedlichen Substratplatten aus Titan-, Nickel- und Nickeltitanlegierungen. Die metallographischen Untersuchungen zeigten, dass sich in Abhängigkeit des Substratmaterials unterschiedliche Phasen ausbilden und Risse vom Substrat durch den additiven Aufbau auftreten. Bei mehrlagigem Aufbau kam es sogar zur Ablösung des additiven Aufbaus von der Substratplatte. Der artgleiche additive Aufbau, sprich NiTi-Legierung auf einem NiTi-Substrat (Ni50,8Ti49,2 in at.%), führte zur keiner Materialablösung. Das Gefüge sowie die Phasenzusammensetzungen bieten in diesem Bereich noch viel Forschungsbedarf.
Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Im-plants) auf Stahloberflächen, durch ein diskontinuierliches dispergieren von keramischen Partikeln mittels gepulster Laserstrahlung. Durch die flexible Anordnung separierter Implants zu komplexen Mustern erlaubt das Verfahren eine gezielte Oberflächenstrukturierung zur Beeinflussung des Reibungs- und Verschleißverhaltens. Insbesondere erwies sich Titandiborid (TiB2) als Implantationsmaterial für geeignet, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden kann, ohne dass Materialdefekte, wie Risse oder Poren auftreten. Zudem weisen die Implants auf Kaltarbeitsstahlwerkzeugen Härtewerte von bis zu 1800 HV1 auf. Hierdurch lassen laserimplantierte Oberflächen eine deutlich höhere Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu umschmelzstrukturierten Wirkflächen erwarten. Daher eignet sich das Verfahren insbesondere zur Strukturierung hochbelasteter Wirkflächen, wie sie an Umform- oder Schneidwerkzeugen zu finden sind.
Ziel der Untersuchungen ist es, den Einfluss laserimplantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu erkennen und geeignete Parameterbereiche zur Oberflächenstrukturierung zu identifizieren. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an punktuell wiederaufgeschmolzenen Zonen sowie an TiB2 implantierten Zonen durchgeführt. High-Speed-Kameraaufnahmen ermöglichten die Beschreibung der Partikeleinbringung aus Vorbeschichtungen. Des Weiteren wurden an Schliffen (Mikro-) Härtemessungen durchgeführt, um die die Materialeigenschaften zu charakterisieren und den Einfluss der eingebrachten Hartstoffpartikel feststellen zu können. Die Materialmikrostruktur wurde abschließend an lichtmikroskopischen- sowie elektronenmikroskopischen Aufnahmen erfasst. Mithilfe der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) sowie der Röntgendiffraktometrie (XRD) wurden die implantierten Bereiche hinsichtlich gebildeter Phasen analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund hoher Restaustenitgehalte (γR) führt. Im Gegensatz dazu führt das Laserimplantieren von TiB2-Partikeln zu einer deutlichen Härtesteigerung in den kuppel- oder ringförmigen Implants. Härtewerte von bis zu 1800 HV1 resultieren aus dispergierten TiB2-Primärpartikeln sowie in-situ ausgeschiedenen Sekundärphasen, durch die der Restaustenitanteil deutlich reduziert wird.
Hybrides Auftragschweißen: Potentiale des laserunterstützten Plasma-Pulver-Auftragschweißens (PTA)
(2018)
In diesem Beitrag wurden Untersuchungen zu einem neuartigen hybriden Laser-Plasma-Beschichtungsverfahren vorgestellt. Mit dem Ziel, die Produktivität und Wirtschaftlichkeit von Korrosions- und Verschleißschutzschichten zu steigern, wurde das kostengünstige PTA-Verfahren durch einen Laser als zweite Energiequelle ergänzt. Die vorlaufende Laserstrahlung stabilisiert den Plasmalichtbogen und ermöglicht erst eine Auftragsschweißung bei hohen Geschwindigkeiten. Die hohen Auftragraten von 4,2-5,7 kg/h bei gleichzeitig Streckenenergien von 630-720 J/cm zeigen das mögliche Potential des vorgestellten hybriden Ansatzes. In weiteren Untersuchungen muss der Prozess z.B. in Bezug auf die Oberflächenwelligkeit der Beschichtungen über eine Parameteroptimierung weiter verbessert werden. Nach den bisherigen gesammelten Erfahrungen mit dem Hybridprozess ist davon auszugehen, dass durch eine Anpassung der Energiedichteverteilung das Lasers, die Prozessgeschwindigkeiten noch einmal gesteigert werden können.
▪ Laserstrahl-Hybridschweißen wird bisher erfolgreich für das Schweißen von geraden Nähten eingesetzt (Start/Stop-Bereich kann außerhalb des Bauteilkörpers rausgeführt werden, z.B. durch Anlauf/Auslauf-Bleche);
▪ Interesse am Schweißen von Rundnähten besteht. Das Orbitalschweißverfahren von Rohrleitungen wird erforscht. Die Technologie wurde bisher nicht eingeführt, da die Endkraterproblematik nicht gelöst ist;
▪ Die Ausbildung des Endkraters beim Laserstrahlschweißen kann durch die Anpassung von Schweißparametern wie Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit sowie Defokussierung des Laserstrahls deutlich minimiert werden;
▪ Mit einer Rückwärtsbewegung des Schweißkopfes am Ende der Laserschweißnaht können Erstarrungsrisse im oberen Drittel der Wanddicke vermieden werden;
▪ Ein komplexes Lösungskonzept wird für die Ausführung eines defektfreien Überlappbereiches beim Laserhybridschweißen umgesetzt
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.
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.
Elektromagnetische Schmelzbadkontrolle wurde erfolgreich für Laser-MSG-Hybridprozess an einem (ferromagnetischen) 20 mm Baustahl und einem Pipelinestahl eingesetzt.
Einlagiges Laserstrahlschweißen von dickwandigen(>20 mm) in PA-Position bei geringeren Schweißgeschwindigkeiten prinzipiell möglich.
Reduzierung der Schweißgeschwindigkeit beim Laserstrahlschweißen hat eine Verringerung der notwendigen Laserleistung und eine Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Schweißverbindungen zur Folge.