Neue Technik beim Lichtbogenbolzenschweißen im Anlagenbau

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1 43. Sondertagung der SLV München Neue Technik beim Lichtbogenbolzenschweißen im Anlagenbau Vortragende: Dipl.-Ing. Andreas Jenicek Dr.-Ing. Thomas Reiter Forschungsvorhaben der Bayerischen Forschungsstiftung Bewilligungszeitraum: ; verlängert bis Verbundpartner des Projektes: Universität der Bundeswehr Neubiberg Heinz Soyer Bolzenschweißtechnik GmbH GSI Niederlassung SLV München GSI mbh NL SLV München

2 1 Einleitung, Gliederung 1 Einleitung 2 Verfahrensprinzip und -merkmale 3 Gerätetechnik 4 Lichtbogendiagnostik 5 Schweißtechnische Bewertung 6 Verfahrensvergleich und Wiederholbarkeit 7 Werkstoffeinfluss 8 Anwendungen 9 Zusammenfassung, Ausblick GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2

3 1 Einleitung: Hülsenschweißen, Mutternschweißen Prinzip Überlagertes Magnetfeld unter Schutzgas (z.b. Ar+10% CO 2 ) gleichmäßige Libo- Rotation und Anschmelzung an ringförmiger Stirnfläche Gas Spule Hülse Gas Feldformung X6CrNi18 10, gleichmäßiger Wulst GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 3

4 1 Einleitung: Problemstellung Blaswirkung Masseanschluss, einseitig oder symmetrisch? Praxis: z.b. bei mehreren Schweißungen oder an großen Bauteilen mit begrenzter Wirksamkeit Bekannt: magnetische Abschirmung der Schweißstelle. Früher zur Verminderung von Blaswirkung genutzt (z.b. CrNi Stahlbolzen) Symmetrischer Masseanschluss ABHILFE Einseitiger Masseanschluss einseitige Anschmelzung ferritische Ausgleichsmasse GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 4

5 2 Verfahrensprinzip und -merkmale Neu und Innovativ: Kombination Libo-Bolzenschweißen mit Hubzündung mit I s zusätzlichem Magnetfeld für bessere Lichtbogenbeweglichkeit Nutzung geeigneter Schutzgasatmosphäre F Zielsetzung: Verbesserte Schweißqualität durch minimale und äußerst gleichmäßige Anschmelzung von Bolzen und Blech niedriger Wärmeeintrag in die Schweißverbindung B Q B Bs Magnetspulensystem kleiner Wulst und sehr gute Wiederholbarkeit Alle Schweißpositionen möglich SRM = Schweißen in Radialsymmetrischem Magnetfeld SRM-Bolzenschweißung M12 GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 5

6 3 Gerätetechnik Zusätzliche Vorrichtung zur Erzeugung von Magnetfeld und Schutzgasabschirmung Stärke der Magnetfelder von Größe der Zusatzvorrichtung abhängig (Quelle: UNI Bw München) klein bis M12 groß bis M20 kleine Zusatzvorrichtung, Fa. Soyer GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 6

7 4 Diagnostik Prozessablauf beim SRM-Bolzenschweißen mit Hubzündung Stromstärke Weg M12 Bolzen an unlegiertem Blech Spannung 150 ms Schutzgas: Ar+20%He+2%CO 2 Schweißenergie: 2,6 kj Schweißstrom : 960 A Schweißzeit: 115 ms Bolzen mit und ohne Flansch z.b. beim Typ HZ1 GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 7

8 4 Lichtbogendiagnostik Schema optischen Aufbaus zur Lichtbogenbeobachtung aus orthogonal versetzten Blickrichtungen Diagnostikmodul Stereooptik, montiert am Bolzenschweißtisch, rechts der Bolzenschweißkopf SK 5AP, Fa. Soyer Bildquellen: UNI Bw München GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 8

9 4 Lichtbogendiagnostik Vorstromphase Hauptstromphase Gleichmäßigere Libo-Verteilung mit zunehmendem Spulenstrom erkennbar Quelle: UNI Bw München GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 9

10 4 Lichtbogendiagnostik Einfluss Schutzgas auf Libo-Beweglichkeit Argon liefert bessere Libo-Beweglichkeit als M21-Marc-18 Gute Übereinstimmung des quasi optisch ermittelten Wärmeeintrages mit realen Einbrandformen Quelle: UNI Bw München GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 10

11 5 Schweißtechnische Bewertung Allgemeine Zielsetzung: Erfüllung aller Anforderungen der Din EN ISO an Bolzenschweißverbindungen SRM-Schweißung mit Bolzen M12x40 an Blech S355 (t=5 mm). Schweißbedingungen: Stromstärke: 650 A, Schweißzeit: 200 ms, Abhub: 1,7 mm, Eintauchtiefe: 0,6 mm, SRM-Feld: 800 ma, Schweißenergie: 2,6 kj, Schutzgas: M21 ArC 18 Sehr geringe Anschmelzung des Bleches GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 11

12 5 Schweißtechnische Bewertung Vergleich Einbrandformen M16 Bolzen (S235) SRM-Bolzenschweißung Bolzenschweißung mit Keramikring Dünne Schmelzzone, Schweißenergie: 6,0 kj, Stromstärke: 1170 A, Schweißzeit: 220 ms, SRM-Feld: 1100 ma Schutzgas M21 ArC 18 Dicke Schmelzzone, Schweißenergie: ca. 20 kj, Stromstärke 1360 A, Schweißzeit: 560 ms GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 12

13 SRM-Bolzenschweißen 5 Schweißtechnische Bewertung Belastungsfähigkeit (statisch) unterschiedlicher SRM-Bolzenschweißungen: Biegeprüfung M16 Bolzen S235 Zugprüfung M12 Bolzen S235 Biegeprüfung: Biegewinkel > 60 Grad erfüllt Bruchlage Bolzen nach Einschnürung im Gewinde erfüllt GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 13

14 5 Schweißtechnische Bewertung Zugprüfungen von Bolzen X5CrNi18 10, M16, artgleich verschweißt an entfettetem Blech, Variation: Schutzgas, Anzahl: je Zugkräfte auf sehr hohem Niveau, entsprechen der Bruchkraft des Bolzens Zugkraft [kn] , ,6 130,2 128, Ar+18%CO2 Ar+10%CO2 Ar+2,5%CO2 Ar46 Bruchlagen: 5 x Fügeebene 4 x Bolzen 1 x Fügeebene 2 x Bolzen 3 x Fügeebene 5 x Bolzen Bewertung der Bruchlagen nach DIN EN ISO 14555: Standard Qualitätsanforderungen: erfüllt Umfassende QA: nur bei Argon erfüllt; mit Ar+10%CO 2 auch erfüllbar GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 14

15 6 Verfahrensvergleich und Wiederholbarkeit SRM-Bolzenschweißen Schutzgasbolzenschweißen Keramikringbolzenschweißen Stromstärke: 800 A Schweißzeit: 220 ms SRM: 315 ma Bolzenform: HZ1 Schutzgas: M21 ArC 18 Schutzgasmenge: 10 l/min Stromstärke: 960 A Schweißzeit: 240 ms SRM: ohne Bolzenform: PD Schutzgas: M21 ArC 18 Schutzgasmenge: 10 l/min Stromstärke: 960 A Schweißzeit: 240 ms SRM: ohne Bolzenform: PD Bolzen M12x40, Werkstoff: S235 FK 5.8, alle Bolzen aus gleicher Charge gefertigt Blech: S355, 10 mm dick GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 15

16 6 Verfahrensvergleich und Wiederholbarkeit SRM-Bolzenschweißen, Keramikringbolzenschweißen, Schutzgasbolzenschweißen Zugprüfungen an M12 Bolzenschweißungen: 20 Prüfungen je Variante Bruchlage Bolzen Werkstoff Bolzen S 235 FK 5.8 SRM-Bolzenschweißen ist hinsichtlich Wiederholbarkeit und Prozesssicherheit gleichwertig mit konventionellen Bolzenschweißverfahren GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 16

17 7 Werkstoffproblematik Allgemeine Beurteilung von Stahlwerkstoffen für das Bolzenschweißen Rissgefahr durch Aufhärtung und Alterung Verformungsfähigkeit der Schweißzone Versprödung des Werkstoffes in der WEZ Verfahrensbedingtes sehr schnelles Abkühlen nach dem Schweißen Nichtrostender Stahl: Zulassungsbescheid Z des Institutes für Bautechnik Neufassung 2014, Gültigkeit bis 2017 Gilt für Bolzenwerkstoffe entsprechend der DIN EN ISO 13818: Artgleiche Verbindungen aus CrNi-Stählen: Bleche: , , , 1,4307, , , , , , , , Mindestens Standardqualitätsanforderungen (DIN EN ISO 14555) sind zu erfüllen. GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 17

18 7 Werkstoff: Schwarz-Weiß-Verbindungen Problemstellung bei s/w - Verbindungen Vorgang Vermischung Kohlenstoffdiffusion Wasserstoffdiffusion Auswirkung Martensitbildung, evtl. Heißrisse, Härtesteigerung Härtespitze, schmaler Saum verzögerter Bruch bei frühzeitiger Belastung GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 18

19 7 Werkstoff: Schwarz-Weiß-Verbindungen Kombinationsmöglichkeiten Ungeeignet Geeignet Risse querverlaufend zur Schmelzzone Beispiel: SRM, Bolzen Ø 16 mm, Blech S235JR, 10 mm, Gas M21-ArC-18 Geringere Rissanfälligkeit bei dünnen, fehlerarmen Schmelzzonen GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 19

20 7 Werkstoff: Schwarz-Weiß-Verbindungen Zulassungsbescheid Z des Instituts für Bautechnik Gilt für Bolzenwerkstoffe entsprechend der DIN EN ISO 13818: Artfremde Verbindungen, schwarz-weiß sind zugelassen, es gelten u.a.: Bolzen legiert bis einschließlich 12 mm Durchmesser Bolzenschweißvariante mit Keramikring oder Schutzgas oder SRM Bolzen müssen bei Verwendung von Keramikringen über einen Al-Zusatz verfügen Werkstück und Keramikringe dürfen nur im trockenen Zustand verschweißt werden Der ursprüngliche Korrosionsschutz der schwarzen Unterkonstruktion muss wieder hergestellt werden und den Schweißwulst einschließen.. GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 20

21 7 Werkstoff: Höherfester Stahl Problemstellung: Aufhärtung in Schweißnaht und WEZ SRM-Bolzenschweißung Keramikringbolzenschweißung Bolzen: S235JR, Ø 16 mm Blech: S690, 10 mm Härte HV Bolzen GW WEZ Bolzen Schweißzone WEZ Blech Blech GW Dünne Schmelzzone Dicke Schmelzzone Schnellere Abkühlung bei SRM, daher etwas höhere Härtewerte in SZ und WEZ GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 21

22 7 Werkstoff T24 Kopfbolzen SD10 an Rohr aus 7CrMoVTiB10-10 (T24, C-Gehalt ca. 0,1%): SRM-Bolzenschweißung Bolzenschweißung mit Keramikring Dünne Schmelzzone, Einbrandtiefe ca. 0,5 mm Schutzgas M21 ArC 18, Dicke Schmelzzone, Einbrandtiefe ca. 2 mm kleineres Schmelzbad und geringerer Einbrand mit SRM GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 22

23 7 Werkstoff T247 Werkstoff: Höherfester Bolzen SRM Bolzenschweißung: Bolzen der FK 8.8 aus 7MnB8, Ø 8 mm Bolzen 8.8 Blechwerkstoff Härte HV10 S235 T24 S690 Bolzen GW 265 bis 285 WEZ Bolzen Schweißzone WEZ Blech Blech GW Dünne Schmelzzone Mit zunehmender Festigkeit des Grundwerkstoffes erhöhen sich die Härtewerte in SZ und WEZ GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 23

24 8 Anwendungen Schienensystem in der Medizintechnik Erdungsbolzen im Schaltschrank GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 24

25 8 Anwendungen Befestigungen auf einem Wärmetauscher GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 25

26 8 Anwendungen Vorteil der SRM-Technik: vollständiger, gleichmäßiger Wulst auch in Schweißposition PC erreichbar, u.a. im Bauwesen, Maschinenbau, Fahrzeugbau) Nur ein Masseanschluss unterhalb der Schweißstelle Bolzen: M12, S235 Blech : S235JR, 3 mm Stromstärke: ca. 900 A Schweißzeit: ca. 170 ms Abhub: 2,0 mm Schutzgas: M21-ArC-18 Eine gleichmäßige Anschmelzung ohne übermäßigen Schmelzabfluss in Gravitationsrichtung ist gegeben. GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 26

27 8 Anwendungen Pyrotechnischer Gasgenerator (Fa. Autoliv) Variante: Kurzzeitbolzenschweißen mit Schutzgas Wandstärke 2,0 mm, Stahl speziell angepasste Schutzgasglocke veränderte Polarität(+ Schweißbolzen) Vermeidung von Kerben am Wulstansatz verbesserte Reinigungswirkung im Bereich der Schweißung undefinierte Blaswirkung am äußeren Schweißbolzen möglich nicht exakte runder Grundkörper, veränderliche Massekontakte, unterschiedliche Leitfähigkeit Gasgenerator 2 x M 6 x 18 mm (sicherheitsrelevantes Bauteil) 10 Mio. Stück / Jahr GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 27

28 8 Anwendungen Variante: Kurzzeitbolzenschweißen mit Schutzgas Bauteil: pyrotechnischer Gasgenerator (Fa. Autoliv) - sehr geringe Anschmelzung des Rohres - abgeschmolzenes Flanschmaterial füllt den Schweißspalt Gasgenerator 2 x M 6 x 18 mm (sicherheitsrelevant) GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 28

29 8 Anwendungen Variante: SRM-Technik mit Schutzgas und bewegtem Lichtbogen Bauteil: pyrotechnischer Gasgenerator Gasgenerator 2 x M 6 x 18 mm (sicherheitsrelevant) Rohr: höherfester Stahl, Wanddicke 1,2 mm Schweißung Innenseite Anlauffarbe GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 29

30 8 Anwendungen Variante: SRM-Technik mit Schutzgas und bewegtem Lichtbogen Bauteil: pyrotechnischer Gasgenerator, höherfestes Stahlrohr, WD 1,2 mm Geringe Porosität in Schweißzone beeinflusst nicht das Tragverhalten, abgeschmolzenes Bolzenmaterial füllt entstehenden Schweißspalt. M 6 Kerndurchmesser 4,77mm Schweißung Durchmesser 8 mm Sicherheitsfaktor 2,85!! 8 Poren x 0,19mm 2 = 1,52mm 2 50,2mm 2 8.0mm nur 3 % der verschweißten Fläche 285% 0,19mm 2 6.0mm Bruch erfolgt immer im Gewinde des Schweißbolzens 1.2mm 17,6 mm 2 2.0mm 4.77mm Gewichtseinsparung 54% GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 30

31 8 Anwendungen Landmaschinen Fa. Rauch Düngerstreuer - Bolzen 12 x 16 mm Innengewinde M 8 aus CrNi-Stahl GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 31

32 8 Anwendungen Minibrauerei SRM Schweißung mit Automatikkopf teilautomatisiert Verschluss Gärkessel - Bolzen 10 x 15 mm Sonderbolzen - Automatikschweißkopf mit integriertem Längenausgleich GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 32

33 8 Anwendungen Roboteranwendung mit Automatikschweißkopf Elektrofilter für Rauchgasreinigung - Bolzen M 12 x Automatikschweißkopf mit integriertem Längenausgleich - automatische Bolzenzuführung GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 33

34 8 Anwendungen Kundenlösung vollautomatische Fertigungslinie ( Automobilzulieferung) - Bolzen M 6 x 20 Rohr Wandstärke 1,2 mm - jede Schweißung mit Qualitätsüberwachung - Nutzungszyklus 3 Schichten Teile/ Tag GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 34

35 9 Zusammenfassung Verfahrensvergleich für Bolzen M12 Hubzündung mit Keramikring SRM Technik mit Schutzgas und Magnetfeld Abfall Schweißbolzen: PD Schweißbolzen: HZ1 GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 35

36 9 Zusammenfassung Verfahrensvergleich für Bolzen M12 Hubzündung mit Keramikring SRM Technik mit Schutzgas und Magnetfeld Schweißbolzen: PD Schweißstrom: 800 A Schweißzeit: 450 ms Schweißenergie: 9500 Ws Schweißbolzen: HZ1 Schweißstrom: 720 A - 10 % Schweißzeit : 170 ms - 60 % Schweißenergie: 2800 Ws - 70 % 1,5mm 2,5mm 4 mm Bolzenverkürzung 1 mm 290 mm 3 Schmelzvolumen 4 mm % Zugfestigkeit 100 % 1,5 mm Schmelzbaddicke 0,3 mm 2,5 mm Einbrandtiefe 1,0 mm 0,3mm 1,0mm E C B A Nutzbare Schweißpositionen D C B A GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 36

37 9 Zusammenfassung Vorteile SRM Technik: Schweißen in allen Positionen möglich bis 16 mm Bolzendurchmesser, kombiniert Vorteile des Hubzündungsbolzenschweißens, mit denen des CD Bolzenschweißens, nahezu blaswirkungsfrei, auch bei nur einer Masseklemme, sehr geringer Energieeintrag und geringer Einbrand, Anwendung: Bolzen Blech Verhältnis bis 10:1. sehr gute Reproduzierbarkeit des Schweißergebnisses geeignet für stationäre und mobile Anwendung, hohe Schweißqualität gemäß DIN EN ISO 14555, GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 37

38 9 Zusammenfassung Projektpartner: Universität der Bundeswehr München Heinz Soyer Bolzenschweißtechnik GmbH GSI mbh, NL SLV München Gefördert durch die Bayerische Forschungsstiftung AZ Herzlichen Dank GSI Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh, NL SLV München 2013/ TR 38