ULM. Besser Schweißen - Prozessoptimiertes WIG-Schweißverfahren. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht.

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht ULM Besser Schweißen - Prozessoptimiertes WIG-Schweißverfahren Daniel Weiß Schule: Moll-Gymnasium Feldberstsraße Mannheim Jugend forscht 2011

2 2011 Bundeswettbewerb Kiel Arbeitswelt Prozessoptimiertes WIG-Schweißverfahren Teilnehmer: Daniel Weiß Am Bildstöckle Herbertingen

3 Kurzfassung Prozessoptimiertes WIG-Schweißverfahren Bei dem sogenannten WIG-Schweißverfahren, welches sich durch viele Vorteile auszeichnet besteht das Problem, dass bei einem unbeabsichtigten Kontakt die Elektrode mit dem Werkstück verschweißt wird. Man spricht von einem Auflegieren der Elektrode aufs Werkstück. Dies ist vor allem bei ungeübtem Personal und bei schwer zugänglicher Schweißverbindung an komplexen Werkstücken der Fall, tritt aber durchaus auch bei geübter Hand öfters auf. Des Weiteren wird durch Verwendung von Schweißzusatz, der sogenannte flüssige Schweißzusatz-tropfen an die Elektrodenspitze herangezogen und kann sich an dieser festsetzen. Nach einem Auflegieren muss die Elektrode mit einem Kraftaufwand von dem Werkstück getrennt werden, der Materialeinschluss muss entfernt werden und die Elektrodenspitze muss in eine wiederverwendbare Form gebracht werden. Setzt sich ein Schweißzusatz-tropfen an die Elektrode, so ist es nicht mehr möglich eine Schweißverbindung herzustellen, weil das Schweißbild enorm verfälscht würde. Mir ist es gelungen einen Schweißkopf zu entwickeln bei dem sich das Auflegieren so wie das tropfenförmige Festsetzen des Schweißzusatzes an die Elektrode vollständig ausschließen lässt. Dadurch wird mühevolles nachschleifen der Elektrode so wie aufwendiges herausschleifen des Materialeinschlusses im Werkstück nicht mehr nötig sein. Des Weiteren können auch kompliziertere Schweißarbeiten von weniger erfahrenen Personen ausgeführt werden. Darüber hinaus muss bei robotergesteuerten Schweißanlagen kein zusätzliches Personal bereitgestellt werden, um diesen Vorgang auf Richtigkeit zu beobachten. Letztendlich führt dies zu enormer Zeit-, Material- und damit zur Kosteneinsparung.

4 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Vorgeschichte Verfahren Prinzip Erläuterung Anwendung und Vorteile Problembeschreibung Folgen Stand der Technik Forschungsfrage Vorgehensweise Vorüberlegungen Die Idee Versuche Erklärungen Widerstandserhöhung Relaxationszeit Prototyp Ergebnisse Messung Untersuchungen Makro-Schliff Mikro-Schliff Weitere Vorteile Wirtschaftlichkeit Herstellungskosten Kosten-Nutz-Faktor Diskussion Weiterentwicklung Ausblick Schlusswort Danksagung Quellen... 14

5 Daniel Weiß Bundeswettbewerb Arbeitswelt 1. Einleitung 1.1.Vorgeschichte Schon in jungen Jahren, als ich das sogenannte WIG-Schweißverfahren bei meinem Vater in unserer Werkstatt beobachten durfte, fand ich eine Begeisterung daran. Dies lag wohl vor allem daran, dass dieses Verfahren ren beim Schweißvorgang nahezu geräuschlos, geruchsarm und sauber war. Des Weiteren faszinierte mich der feine Lichtbogen mit dem man extrem dünne Schweißverbindungen herstellen konnte. Schnell erlernte ich dieses Verfahren, machte später einen Schweißkurs und nutzte die Fähigkeit in meinem Nebenjob bei einem Edelstahl-verarbeitenden erarbeitenden Unternehmen und während meiner Ausbildung zum Mechatroniker bei der Firma Blank in Riedlingen. Zurzeit absolviere ich die einjährige Fachhochschule und werde diese voraussichtlich im Juli mit der Fachhochschulreife verlassen. 1.2.Verfahren Prinzip Kernstück des WIG-Schweißbrenners (1) ist die nicht abschmelzende, extrem temperaturbeständige Wolframelektrode (2). Der davon ausgehende Lichtbogen (3) erwärmt und verflüssigt den Werkstoff (8). Das Zünden des Lichtbogens (3) erfolgt neuerdings ohne Berührung der Wolframelektrode ode (2) mit dem Werkstück (8). Dazu dient eine Hochspannungsquelle, die beim Zündvorgang kurzzeitig zuschaltet. Das Schweißen erfolgt hauptsächlich mit Gleichstrom, nur beim Alu-Schweißen muss Wechselstrom verwendet werden. Um die Wolframelektrode (2) sind eine Gasdüse (5) und eine Keramikhülse (6) angeordnet. Die austretende Gasströmung (4) schützt den erhitzten Werkstoff (8) vor chemischen Reaktionen mit der umgebenden Luft und gewährleistet dadurch die gebotene Festigkeit und Zähigkeit des Schweißguts. Als Schutzgase können verschiedene Edelgase dienen. In den meisten Fällen ist dies Argon. Alle diese Gase sind reaktionsträge, worauf die aus dem Griechischen stammende Fachbezeichnung Inert hinweist. Wenn nötig kann manuell zusätzliches Schweißmaterial (7) zugeführt werden Abbildung 1: Prozessdarstellung S e i t e 1

6 1.2.2.Erläuterung Das WIG Schweißverfahren stammt aus den USA und wurde ca erfunden. Erst gegen 1950 wurde dieses Verfahren auch im europäischen Raum bekannt. Die Verfahrens- Bezeichnung Wolfram-Inert-Gas (WIG) Schweißen resultiert aus der Bezeichnung des Elektrodenmaterials (Wolfram) und dem Schutzgas (Inert-Gas). Mit dem englischen Begriff für Wolfram, Tungsten, heißt das Verfahren Tungsten-Inert-Gas (TIG) Schweißen. [1] Anwendung und Vorteile Das WIG-Schweißen ist ein vielseitiges Verfahren, das sich für alle schweißbaren Materialien und Anwendungen anbietet. Das Hauptanwendungsgebiet sind rostfreie Stähle, Aluminiumund Nickellegierungen. Der konzentrierte, stabile Lichtbogen sorgt für eine hohe Qualität des Schweißguts und eine ebene Naht, ohne Spritzer oder Schlacke. Zudem entstehen bei diesem Verfahren gegenüber dem E- oder Schutzgas-Schweißen wesentlich weniger giftige Schweißrauche. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der nicht abschmelzenden Elektrode, dadurch lassen sich der zu benötigende Schweißstrom und die Zugabe von Schweißmaterial individuell auf das Werkstück anpassen Problembeschreibung Beim Schweißen mit diesem Verfahren besteht für den Fall, dass der Schweißbrenner von Hand geführt wird, immer wieder die Gefahr, dass bei einem unbeabsichtigten mechanischen Kontakt während des Schweißvorgangs ein sogenanntes Auflegieren der Elektrode eintritt, das heißt dass die Elektrode unabsichtlich mit dem Werkstück verschweißt wird. Dies ist vor allem bei ungeübtem Personal und bei schwer zugänglicher Schweißverbindung an komplexen Werkstücken der Fall, tritt aber durchaus auch bei geübter Hand öfters auf. Abbildung 2: Auflegieren Abbildung 3: Folgen S e i t e 2

7 Außerdem wird bei Verwendung von Schweißzusatz der flüssige Schweißzusatz-tropfen durch Thermische Fluktuation und Kapillarwirkung von der Elektrode angesaugt. Dies hat ein Festsetzen von Schweißzusatz an der Elektrode zur Folge. Das kann sowohl beim Handschweißen als auch beim Roboter-gesteuerten Schweißvorgang passieren. In beiden Fällen werden das Schweißbild und dadurch die Schweißverbindung verfälscht. Nach einem Auflegieren kann meist keine Schweißverbindung mehr hergestellt werden und nach einem Festsetzen des Schweißzusatzes ist eine Schweißverbindung erst recht nicht mehr möglich. Abbildung 4: Unstabiler Lichtbogen nach Festsetzen Abbildung 5: Festgesetzter Schweißzusatz-Tropfen Folgen Nach einem Auflegieren muss man die Elektrode wieder vom Werkstück trennen. Beim Trennvorgang bricht in der Regel aufgrund der Materialeigenschaften von Wolfram ein Stück der Elektrodenspitze ab und bleibt als Materialeinschluss mit dem Werkstück verbunden. Solche Materialeinschlüsse erfordern aufwendige Schleif- und ähnliche Nachbesserungsarbeiten oder können gar zu Ausschuss führen, wenn die Nachbesserungsarbeiten zu aufwendig sind oder, wenn durch letztere die mechanischen Anforderungen an das Werkstück nicht mehr erfüllt werden können. Bei Werkstücken aus hochwertigen korrosionsbeständigen Legierungen können solche Materialeinschlüsse zudem der Ausgangspunkt für Korrosionserscheinungen sein. Darüber hinaus wird sowohl beim Auflegieren als auch beim Festsetzen eines Schweißzusatz-tropfens ein Nachschleifen der Elektrode in eine wieder verwendbare Form notwendig. Dadurch entsteht ein zusätzlicher hoher Kostenfaktor, zum einen durch den enormen Zeitverlust durch Nachbearbeitung an der Schweißverbindung als auch an der Elektrode und zum anderen durch den Materialverschleiß an der Elektrode sowie Schleif- oder ähnlichem Bearbeitungsmaterial. S e i t e 3

8 Stand der Technik Zwar lassen sich unter Verwendung einer Vorrichtung zur Führung bzw. Annäherungsverhinderung des Schweißkopfes an das zu bearbeitende Werkstück die beschriebenen Nachteile bei einigen handgeführten Schweißarbeiten verhindern. Doch lohnt sich dies im Allgemeinen aber aus Kostengründen nur dann, wenn es sich dabei um gleichartige Schweißarbeiten handelt. Darüber hinaus ist auch aus Platzgründen die Verwendung solcher Vorrichtungen nicht immer möglich. Um die vorstehend beschriebenen Nachteile insbesondere bei höheren Schweißströmen etwas abzumildern, wird beim sogenannten TCS (TIG-Comfort-Stop) Schweißen bei Annäherung der Elektrode an das Werkstück der Schweißstrom automatisch heruntergesetzt. Dadurch fallen die mit einer Auflegierung verbundenen Schäden an Elektrode und Werkstück etwas geringer aus, werden aber dennoch nicht behoben. [2] Abbildung 6: TCS-Verfahren 1.3. Forschungsfrage Es stellte sich nun die Frage, ob die Möglichkeit besteht, einen Schweißkopf zu entwickeln, der das Auflegieren komplett verhindert, ohne dabei die Schweißarbeiten zu behindern. 2. Vorgehensweise 2.1. Vorüberlegungen Es ist klar, dass eine Verhinderung des Auflegierens keinen Einfluss auf das Schweißverhalten haben darf. Also muss eine Lösung gefunden werden, welche bei einem Kontakt zwischen Elektrode und Werkstück, das Auflegieren verhindert und gleichzeitig keinen Einfluss auf den eigentlichen Schweißvorgang nimmt. Die Überlegung, die Steuerung des Schweißapparates zu modifizieren wurde nicht weiter verfolgt. Selbst bei ausreichender Reaktionszeit der Steuerung würde das aufgeschmolzene Schmelzbad bei einer unbeabsichtigten Berührung immer noch flüssig sein und die Elektrode würde in das flüssige Element eingetaucht werden und unmittelbar danach erstarrt werden. Eine Elektrodenmaterialänderung schien ebenfalls unrealistisch, da nur eine Wolframlegierung solch einer Hitze standhalten kann. S e i t e 4

9 2.2. Die Idee Vor dem Hochspannungszünden, wie es heute praktiziert wird, wurde der Lichtbogen mit dem Streichverfahren gezündet. Man musste die Elektrode über das Werkstück ziehen und dabei langsam abheben, so dass ein Lichtbogen entstand. Dieses Prinzip ähnelt der Bewegung, wenn man ein Streichholz anzündet. Das Verfahren wird auch heute noch in Sonderfällen verwendet, wenn zum Beispiel Bauteile in Kontakt zum Werkstück stehen, welche solch einer Hochspannung nicht standhalten können. Bei diesem sogenannten Streichzündverfahren wird also die Elektrode über das Werkstück bewegt, ohne sich mit dem Werkstück zu verbinden. Diese Bewegung erschien mir Ideal um das Auflegieren zu verhindern, weshalb ich diesen Ansatz weiter verfolgt und eine technische Umsetzung entwickelt habe Versuche Ich führte nun mehrere Versuche mit verschiedenen Bewegungsarten durch. Zum einen testete ich die Bewegung längs der Elektrode in Form einer Vibration, zum anderen die Bewegung um die eigene Achse der Elektrode. Letztendlich war das Ergebnis eine Drehbewegung, weil dies die einzig mögliche Bewegungsform ist, welche die Elektrode dauerhaft ohne kurzzeitigen Stilstand bewegen kann. Bei einem Stillstand, wird die Elektrode sofort auflegiert ganz unabhängig davon, von welcher Dauer der Stillstand ist. Aufgrund dieser Tatsache konnte ich nun einen Prototyp erstellen, mit welchem man längere Zeit schweißen kann. Weitere Versuche wie zum Beispiel Schweißen an verschiedenen Schweißpositionen und an verschiedenen Materialien konnten durchgeführt werden. Abbildung 7: Mein erster Versuch mit externem Schalter und externer Stromversorgung durch Batterieblock S e i t e 5

10 2.4.Erklärungen Widerstandserhöhung Durch die Bewegung wird eine Widerstandsveränderung hervorgerufen, die vermutlich so groß ist, dass der Kurzschlussstrom bei einem Kontakt so gering gehalten wird, dass die Elektrode nicht Auflegieren kann. Ich habe nach ausgiebiger Recherche ein Diagramm zusammengestellt, welches die vom Kontaktwiderstand abhängigen Faktoren zeigt. Abbildung 8: Schematische Abhängigkeit des Kontaktwiderstands Der Engewiderstand (blau) ergibt sich aus der wahren Kontaktfläche zwischen Elektrode und Werkstück. Durch mikroskopische Unebenheiten ist die wahre Kontaktfläche wesentlich geringer als die sichtbare Kontaktfläche. Dieser Engewiderstandes ist der am stärksten beeinflussende Faktor des Kontakt-widerstands (rot). Der Fremdschichtwiderstand, die Temperatur (orange) und die Materialeigenschaft und die Flächengröße (hellblau) verändern sich bei Bewegung nicht und sind deshalb in diesem Fall nicht relevant. Die Bewegungsgeschwindigkeit, die Kontaktkraft und die Kontaktdauer (grün) sind dagegen die wichtigen veränderbaren Faktoren, welche in diesem Fall die größte Rolle spielen werden.[3] Relaxationszeit Die Relaxationszeit ist die Zeit die zwei Materialien benötigen um sich verbinden zu können. Deshalb wird diese Zeit zusätzlich zur Widerstandserhöhung eine große Rolle spielen, weil durch die Bewegung vermutlich die Relaxationszeit nicht ausreicht die Materialien miteinander verbinden zu können. [4] S e i t e 6

11 2.5. Prototyp Den Prototyp-Schweißkopf (1) gestaltete ich von der Bauart her so, dass er in den bisher verwendeten Schweißgriff gespannt werden kann. Die Kontaktstellen von Schutzgaszufuhr und Schweißstromübertragung sind ebenfalls angepasst worden. Des Weiteren sollten die ursprüngliche Gasdüse (5) sowie die Keramikhülse (6) verwendet werden können. Der Elektromotor (10) stellt das wohl wichtigste Bauteil dar, er wird benötigt, um die Elektrode (2) anzutreiben und damit in Bewegung zu versetzen. Die Kupferhülse, die in diesem Fall als Läufer (12) bezeichnet werden kann, dient einerseits als Verbindungsglied von Elektromotor (10) und Elektrode (2) und andererseits zur Stromübertragung von der Schleifkohle (16) auf die Elektrode (2). Die Schleifkohle (16) wird in einer Führungshülse (18) gehalten und durch eine Feder (17) auf den Läufer (12) gedrückt, so dass eine sichere elektrische Verbindung gewährleistet wird. Die Spannvorrichtung wird benötigt, um die Elektrode zentrisch zu spannen und wiederum einen sicheren elektrischen Kontakt zur Elektrode (2) herzustellen Dabei wird der kegelförmige Spanneinsatz (13) durch eine Spannmutter (14) in die Bohrung im Läufer gedrückt und damit gespannt. Abbildung 9: Prototyp mit Transparentem Gehäuse zur Darstellung aller Komponenten S e i t e 7

12 3.Ergebnisse Durch die bewegliche Lagerung der Elektrode des neu entwickelten Prototyp- Schweißkopfes tritt auch für den Fall einer Kontaktierung zwischen Elektrode und Werkstück kein Auflegieren mehr auf. Dadurch tritt nahezu kein Verschleiß der Elektrode mehr ein. Außerdem findet auch kein Einschluss von Elektrodenmaterial in das Werkstück mehr statt. Ein Nachschleifen der Elektrode nach Kontakt mit dem Werkstück ist daher erst nach vielen Einsätzen erforderlich. Letztendlich kann man beim handgeführten Schweißen erheblich Zeit sowie Material und dadurch auch Kosten sparen. Da ein Kontakt der Elektrode mit dem Werkstück nicht zwangsläufig zu einer Arbeitsunterbrechung führt. Darüber hinaus können auch kompliziertere Schweißarbeiten von weniger erfahrenen Personen ausgeführt werden, wodurch ebenfalls Kosten gespart werden können. Abbildung 10: Fertiggestellter Prototyp 3.1. Messung Die aufgestellte Behauptung, der Widerstandserhöhung in der Vorgehensweise soll jetzt durch eine Messung des Widerstandes bewiesen werden. Da der Schweißapparat als Stromquelle dient und dabei der Strom immer konstant bleibt, besteht die Möglichkeit die Spannungen der stillstehenden Elektrode und der bewegten Elektrode gegenüberzustellen. Dazu wurden die Messspitzen eines Multimeters jeweils an Ein- und Ausgangsseite der +,- Pole des Schweißapparates befestigt. Somit wird die Spannung zwischen Schweiß-Brenner und Werkstück gemessen. S e i t e 8

13 Abbildung 11: Messungsaufbau Aus den festgehaltenen Spannungswerten wurde zunächst die Spannungs-Differenz berechnet und mit dem Ohmschen Gesetz die einzelnen Widerstände so wie die Widerstandsdifferenz ermittelt und in folgender Tabelle aufgeführt. Ω Stillstand Bewegung Differenz I (A) Us (V) Rs (mω) Ub (V) Rb (mω) U (V) R (mω) 10 0, , ,5 75 1,6 80 0, ,05 68,33 2,15 71,66 0,1 3,3 40 2,23 55,75 2, ,13 3,3 50 2,46 49,2 2,6 52 0,14 2,8 60 2,61 43,5 2,89 48,17 0,28 4,6 70 2,85 40,71 3,18 45,29 0,33 4,7 80 3,19 39,88 3,61 45,13 0,42 5,3 Tabelle 1: Widerstandsdifferenzbestimmung Die dargestellte Widerstandszunahme beweist meine Behauptung, wonach bei einer Bewegung der Kontaktwiderstand erhöht wird. Es ist aber Fragwürdig ob diese Widerstandserhöhung - da diese sehr gering ist - tatsächlich alleinig eine Auflegierung verhindern kann. Meine Vermutung ist, dass die Relaxationszeit ein wesentlich größerer Einfluss auf die Auflegierung hat. Desto schneller sich die Elektrode bewegt, desto kleiner wird die Relaxationszeit und somit kann die Auflegierung verhindert werden. S e i t e 9

14 3.2. Untersuchungen Makro-Schliff Nach dem das Funktionsprinzip einwandfrei funktionierte, wollte ich nun auch die Schweißgüte überprüfen. Ich habe dazu mit Hilfe Tellerschleifmaschinen und Ätzmittel, sowie einem Mikroskop mit 40facher Vergrößerung ein Makro-Schliffbild einer T-Verbindung erstellt. Dazu wurde das geschweißte T-Stück, bei welchem eine Seite mit rotierender- und die andere Seite mit fester Elektrode geschweißt wurde in der Mitte auseinander gesägt und die Innenkante des Stücks bis zur 1200-fachen Porung der Schleifleinwand geschliffen, und anschließend ca. 5min in ein Ätzbad gelegt und unter dem Mikroskop untersucht. Abbildung 12: Rotierende Elektrode Abbildung 13: Feste Elektrode Es ist kein deutlicher Unterschied beim Vergleich der Einbrandtiefe zu erkennen. Daraus lässt sich Vermuten, dass auch die Festigkeit der Schweißnahten gleich bleibt Mikro-Schliff Durch eine Materialprüfungsanstalt wurde mir die Möglichkeit gegeben einen Mikro-schliff der Schweißnahten zu erhalten. Bei diesen Schliffbildern ist nun auch die Struktur deutlich zu erkennen. Abbildung 14: Rotierende Elektrode Abbildung 15: Feste Elektrode Es ist eine deutliche Strukturveränderung zu erkennen, welche Einflüsse diese hat kann aber durch optische Betrachtung nicht behauptet werden. S e i t e 10

15 4.Weitere Vorteile Für den Fall, dass zur Durchführung des Schweißvorganges zusätzliches Schweißmaterial zugeführt wird, ergibt sich infolge der Bewegung der Schweißelektrode der weitere Vorteil, dass die bei ortsfester Schweißelektrode immer wieder auftretende, tropfenförmige Anheftung von verflüssigtem Schweißmaterial auf der Schweißelektrode und die damit verbundene Verschlechterung des Schweißbildes praktisch vollständig vermeiden. Somit findet der neue Schweißkopf nicht nur vorteilhafte Anwendung beim handgeführten Schweißen, sondern er lässt sich vorteilhafterweise auch für Schweißarbeiten einsetzen, bei denen zum Beispiel durch robotergesteuerte Schweißköpfe zwar keine Gefahr des unbeabsichtigten Kontakts von Elektrode und Werkstück besteht, aber nach wie vor eine Verschlechterung des Schweißbildes durch die Anheftung von tropfenförmigen verflüssigtem Schweißmaterial verhindert werden soll. 5.Wirtschaftlichkeit 5.1.Herstellungskosten Materialkosten Motor 2xKeramikkugellager Schleifkohle Spannhülse Kupfer-Rundmaterial 14x100 Kunststoff-Rundmaterial PEEEK 25x160 75,00 8,75 2,99 5,00 2,00 44,00 Maschinenstunden 0,3h Drehmaschine 0,1h Fräsmaschine 6,00 2,00 Bearbeitungsaufwand 0,3h Drehmaschine 0,1h Fräsmaschine 0,2h Zusammenbau 15,00 5,00 5,00 Gesamtkosten 170,74 Tabelle 2: Herstellungskostenermittlung Die Gesamtherstellungskosten des Schweißkopfes belaufen sich auf ca. 170, wobei zu beachten ist, dass die Materialkosten bei einer Serienanfertigung um mindestens 70 verringert werden können. Vergleicht man den neuen Schweißkopf mit einem herkömmlichen Schweißkopf der für beispielsweise 29,99 als Ersatzteil erworben werden kann, dann lässt sich auf eine Kostenerhöhung von ca. 70 schließen. Die errechneten Werte der Maschinenstunden so wie der Bearbeitungs-aufwand sind alles Schätzwerte. S e i t e 11

16 5.2. Kosten-Nutz-Faktor Der Kosten-Nutz-Faktor zu analysieren ist in diesem Fall sehr schwierig, da das Auflegieren nach dem Zufallsprinzip passiert. Es hängt zudem vom Fachpersonal und vom zu schweißenden Werkstück ab. Außerdem findet das Verfahren durch die Verhinderung der Schweißzusatz-tropfen Festsetzung nicht nur Anwendung in Schlossereien, Gießereien, Flaschnereien, Medizintechnik und Werkzeugbau sondern auch dort wo robotergesteuerte Schweißanlagen eingesetzt werden, wie z.b. Fahrzeugbau, Karosseriebau und allgemein metallverarbeitende Betriebe. Dennoch wurde eine Beispielaufstellung von einem Schlosserbetrieb, bei Verwendung des Schweißkopfes ohne Schweißzusatz eines geübten Schweißers, entnommen. Dabei ist zu beachten, dass beim Geländerbau nicht dauerhaft, sondern durch Richt-, Schleif- und Spannarbeiten, nur gelegentlich geschweißt wird. Bezeichnung Aktueller Schweißkopf Prozessoptimierter Schweißkopf Anschaffungskosten Auflegieren 3 - Nachschleifen der Elektrode 3 0,3 Verschleißkosten (Elektrode, Schleifmaterial) 0,30 0,03 Lohnkosten (30 /h) 3,00 0,30 Mehrkosten 3,30 0,33 Ersparnis/Stunde 2,97 Tag (8h) 23,76 Monat (22T) 522,72 Jahr (11M) 5.749,92 Tabelle 3: Kosten-Nutz-Tabelle Bei Beantrachtung dieser Kostentabelle ist eine deutliche Zeit, Material und damit Kosteneinsparung zu erkennen, obwohl von keiner dauerhaften Verwendung des Schweißkopfes die Rede sein kann. Die Amortisationszeit lässt sich nach folgender Formel berechnen , ,76 Der Schweißkopf wäre in einem Mittelständischen Unternehmen nach diesem Beispiel schon in weniger als einer Woche amortisiert. S e i t e 12

17 6. Diskussion 6.1. Weiterentwicklung Der Prototyp kann noch um einiges Optimiert werden. Die Größe und das Gewicht kann noch deutlich reduziert werden, dabei wäre auch eine 90 Versetzung des Motors in den Griff mittels eines Winkelgetriebes denkbar. Somit würde der Schweißkopf, durch eine Griffintegrierung des Motors, wesentlich weniger Kopflastig werden und gleichzeitig von der Bauart gekürzt werden. Abbildung 16: Weiterentwicklung durch Winkelgetriebe Des Weiteren könnte die Spanntechnik der Elektrode vereinfacht werden, so dass man die Elektrode mit wenigen Handgriffen austauschen könnte. Die Spannmutter könnte durch einen beweglichen Spannstift gehalten werden und im hinteren Bereich durch eine gefräste Schlüsselweite die Spannhülse gespannt werden. Eine weitere Idee wäre auch die Antriebseinheit durch eine Turbine zu ersetzen, welche durch das durchströmende Schutzgas oder durch das zirkulierende Kühlwasser angetrieben werden könnte. Dies hätte den Vorteil, dass nur das Schlauchpaket, bzw. der Schweißbrenner ausgewechselt werden müsste ohne, dass der komplette Schweißapparat ausgetauscht werden muss. Abbildung 17: Weiterentwicklung durch Turbine und verbesserte Spanntechnik S e i t e 13

18 6.2. Ausblick Die Schweißnaht mit dem Optimierten Verfahren konnte bis jetzt nur durch Sichtprüfung durch Schliffproben untersucht werden. Ich will nun die Schweißverbindungen auch auf Zugund Dauerbelastung überprüfen lassen um somit einen eindeutigen, wirklichen Festigkeitsunterschied erkennen zu können Schlusswort Die Forschungsfrage Verhinderung des Auflegierens - konnte ich befriedigend lösen und durch den hergestellten Prototyp überzeugend realisieren. Darüber hinaus konnte sogar ein weiteres Problem - das Festsetzen von Schweißzusatz Tropfen - beim WIG-Schweißen gelöst werden. Diese Erfindung kann die Technik ein Stück weit nach vorne bringen, da sie das WIG-Schweißen deutlich einfacher und effizienter macht. Mit meinem Ergebnis bin ich sehr zufrieden, weshalb ich dieses zum Patent angemeldet habe. Nun hoffe ich, dass sich meine Erfindung in der Praxis durchsetzt. Hierzu stehe ich bereits im Kontakt mit Firmen, die an einer Nutzung des Schweißkopfes Interesse zeigen. 7. Danksagung Ich möchte mich an dieser Stelle bei dem SFZ Südwürttemberg mit dessen Leiter, Herr Rudolf Lehn, welcher bei Fragen immer ein offenes Ohr hatte für die Unterstützung bedanken. Ein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Günther Bautz, der als Patentanwalt ehrenamtlich im SFZ mitarbeitet und mir bei der Erstellung einer Patentanmeldung grundlegende Unterstützung gegeben hat. Ohne diese Unterstützung wäre mir sowohl dieses Projekt, als auch die Patentanmeldung als Schüler nicht möglich gewesen. VIELEN DANK 8. Quellen Formeln Physik (Europa Lehrmittel) 6. S e i t e 14