Rostocker Schweißtage Wirtschaftliches UP-Quer-Schweißen an größeren Blechdicken in der Offshorestruktur und Schiffskörperendmontage

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1 Rostocker Schweißtage 2013 Wirtschaftliches UP-Quer-Schweißen an größeren Blechdicken in der Offshorestruktur und Schiffskörperendmontage K.-M. Henkel, R. Peters, A. Gericke, A. Sumpf Vortragender: M.Sc. (SFI) Andreas Gericke 1

2 Agenda Hintergrund Rahmenbedingungen Lösungsansätze Versuchsdurchführung Ergebnisse Zusammenfassung & Ausblick Tripod 2

3 Hintergrund Fertigungsprozesse in Offshore-/ Schiffbauindustrie erfordern häufig Positionsschweißungen in PC MSG-Schweißen UP-Quernahtschweißen bisher nur im Tank-/ Behälterbau, Kugelbehälter für Bleche 20mm Träger-/ Führungssysteme industriell nur für zylindrische Bauteile verfügbar Einhängen notwendig Heftschweißungen für Führungsschienen bei neueren Anlagen Problem-/ Zielstellung Quelle: Kobelco 3

4 Hintergrund hochproduktive UP-Mehrdrahtvarianten in Querposition bei größeren Blechstärken bisher wenig untersucht Entwicklung flexibler Geräte-/ Führungstechnik für UP-Quernahtschweißen außerhalb der bisherigen Anwendungsfelder ohne Heftschweißungen (SLV MV) Prozess-/ Parametervalidierung für verschiedene Hochleistungsverfahrensvarianten in PC zur Erfüllung der mechanisch-technologischen Anforderungen (FhG AGP) Übertragung der bekannten Vorteile des UP-Prozesses von Position PA auf PC Problem-/ Zielstellung 4

5 Abschmelzleistung [kg/h] Theoretische Abschmelzleistungen Referenzproben bei 100%ED in PC Hintergrund Motivation Ø d=4mm (UP) S3Si 500A / Kopf 26 30V cm/min Ø d=1,2mm (MSG) T ,5Ni P A 24 26V 6 7cm/min 0 Eindraht Twin Tandem Tandem-Twin MSG 5

6 Eindraht Twin Tandem Tandem-Twin MAG-Schweißen Kosten pro Meter Schweißnaht [ /msn] Schweißaufgabe Rundnaht: Maschinen- und Fertigungskosten / msn Hintergrund Motivation 60 α = Maschinenkosten pro Meter SN Fertigungskosten pro Meter SN Verfahren 6

7 Rundnähte d 120mm DV-Naht mit tiefer Fuge und engem Spalt (43 ) häufig mechanisierter / simultaner MSG- Prozess an rundlaufenden Magnetschienen Schweißung z.t. außerhalb Fertigungshalle Einhängen der Anlage nicht möglich Offshore-Anforderungen an Verbindungen Hochfeste Feinkornbaustähle (R p0,2 355MPa) Tieftemperaturzähigkeit (z.t. bis T = -60 C) Besondere Anforderungen an Nahtoberfläche (kerbfrei, nacharbeitungsarm) Rahmenbedingungen Offshore Tripodfertigung 7

8 Schiffskörperendmontage auf Helling Rahmenbedingungen Lange Quernähte; verschiedene Blechstärken (13 bis 70mm; HV-Naht mit 45 / 35 ) Gütegrad A bis D36 derzeit mechanisiertes MSG- Schweißen Ziel: - geringe Raupenzahl - einseitiges Schweißen - Einhaltung der Anforderungen nach GL Rules Schiffbau Blockfertigung 8

9 Anlagenführung auf flexiblen Schienen Zwei Aluminiumschienen Schaltbare Magneten (100kg/Magnet) Gewichtsreduzierte Anlage ca. 115kg Masse Fahrgeschwindigkeit bis 150cm/min Mehrdrahtschweißen mit bis zu 4 Schweißelektroden; Ø max = 4mm Schwerpunkt nah an Schweißstelle (ca. 340mm) Handelsübliches Pulverband Lösungsansatz Konzept Anlagen-/ Führungstechnik UP-Automat Untersicht 9

10 Lösungsansatz Konzept Anlagen-/ Führungstechnik 10

11 Lösungsansatz Konzept Anlagen-/ Führungstechnik Untersuchung der maximalen Haltekraft (Drehmoment): Einzelmagnete (BUG-O Magswitch MSQ 1000) Magnetpaare, Profilgeometrien Einfluss Temperatur Einfluss Kontaktfläche, Verunreinigung Simulation und experimentelle Validierung Verschiedene Profilanordnungen an Magnetschiene Schaltbarer Magnet Draufsicht 11

12 Lösungsansatz Konzept Anlagen-/ Führungstechnik Haltekraft von Magnetpaar 10-fach höher als einzelner Magnet (M max = 500Nm bei Vollkontakt) 50% Haltekraft bei Luftspalt s=1mm M Anlage = 380Nm bei M zulässig = 1000Nm (4 wirkende Magnete) 12

13 Lösungsansatz Herausforderungen Zugänglichkeit Wurzel, verlaufendes Schmelzbad Feste Schlacke / Schlackeeinschlüsse Heißrisse / Aufhärtungen Einhaltung mech./techn. Anforderungen

14 Lösungsansatz Parameterstudien Parameterstudien zu Wurzelschweißungen Problematiken: Schlackeanhaftungen Blaswirkung Verlaufendes Schmelzbad Lösung: Einbrandkerben Lange Schmelzbadstandzeit und kurzer Lichtbogen Bei Tandem-Prozessen annähernd identische Parameter Kein Einfluss der Polungsvariante Ausreichende Pulverabdeckung Proben zu Wurzelschweißungen 14

15 Lösungsansatz Parameterstudien Parameterstudien zu Decklagenschweißung Problematiken: Lösung: Einbrandkerben Überwölbung Verlaufen des Schmelzbades Tandem -Twin, V10 Twin, V16 Varianten mit einem Schweißkopf unkritisch Geometrie: Schweißköpfe müssen fluchten Wechselstrom (Tandem-Twin) gutes Fließverhalten Tendenzielle Parameter: v ; I ; U variabel Tandem- Twin, V13 (AC/AC) Tandem- Twin, V19(DC/DC) 15

16 Lösungsansatz Pulverschüttung Konventionelle Pulverschüttung, -pflüge, Druckbehälter für tiefe Fugen / Mehrdrahtschweißen unzureichend Konstruktion von Förderschnecke 16

17 Konstruktion von Förderschnecke Lösungsansatz Pulverschüttung 17

18 Versuchsdurchführung S355G10+M in d=60mm; A36 in d=20mm, 13mm Eindraht, Twin, Tandem, Tandem-Twin C Si Mn P S Cr Ni Mo % % % % % % % % S355 G10+M 0,044 0,25 2,48 0,0033 <0,0005 0,053 0,245 0,021 GL A36 0,15 0,34 1,37 0,0087 0,0025 0,06 0,018 0,0083 Lincoln Electric Drahtzug Stein Böhler Oerlikon Ø 2,4mm Ø 4mm Ø 2,4mm Ø 4mm Ø 2,4mm Ø 3,2mm Gefüge S355 G10+M Draht -LNS 168 -L61 -L50M -L61 -SDA D3 -TC 735B -TC731B -SDA D3 -TC 731B -S3 CrNiMo -OE SD3 1Ni 1/4Mo Pulver -Flux 888 (FB) -Flux 860 (AB) -842H (FB) -ST55 (FB) -OP 121 TT W (Oerlikon) -OP 121 TT W (FB) Gefüge A36 18

19 Versuchsanlage Fa. Lincoln 2 Inverterstromquellen je 1000A Autogene Vorwärmanlage Lösungsansatz Prozess-/ Parametervalidierung Autogenes Vorwärmen 19

20 I. Horizontal II. Vertikal 35 Lösungsansatz 35 Lagenaufbau bzw mm Tandem-Schweißung 10mm Eindraht-Schweißung Überhöhung 2mm

21 Ausgewählte Ergebnisse Offshore-Versuche / Tandem-Prozess 2 x 4mm Lincoln L50M / Flux 888 S355 G10+M, d=60mm DC+/AC Polung Tp = 120 C / Ti(max) = 170 C Abschmelzleistung = 15 kg/h Raupen-Nr. Schweißkopf 1 Schweißkopf 2 U [V] I [A] U [V] v [cm/min] T v [ C] E [kj/cm] 1 28, , , , , ,2 I [A] Decklage UP-Quer-Tandem- Schweißung 21

22 Härtewert HV10 Härtewert HV10 Ausgewählte Ergebnisse Offshore-Versuche / Tandem-Prozess 20mm Härtewert HV C3L4 Decklage Abstand [mm] 300 C3L4 Fülllagen Abstand [mm] 300 C3L4 Wurzel Makroschliff UP-Quer- Tandem-Schweißung Abstand [mm]

23 Zug- und Biegeprüfungen bestanden Wasserstoffprüfungen unter 2,2 ml/100g Abschmelzleistungen bis 20kg/h Kerbschlagbiegeprüfungen in Deck-, Füll-, Wurzellagen bestanden bei T=-40 C Ausgewählte Ergebnisse Offshore-Versuche 20mm UP- Quer-Twin-Schweißung

24 Av (-40 C) [J] Ausgewählte Ergebnisse Kerbschlagarbeit Wurzellage "Offshore" bei T = -40 C Eindraht S3Si Tandem S3Si Eindraht S3Si Tandem-Twin Fülldraht Twin S3 CrNiMo Tandem-Twin S3 CrNiMo Anforderung (-40 C) 0 Schweißgut Schmelzlinie WEZ Ø Grundwerkstoff Unlegierter Draht vergleichbare Werte wie legierter Draht 24

25 Härtewert HV10 10mm Ausgewählte Ergebnisse SB-A1L4 Decklage GW WEZ SG WEZ GW Schiffbau-Versuche Abstand [mm] 10mm Reduktion der Raupenzahl von 10 auf 5 Erfüllung mechanisch-technologischer Anforderungen des GL Gefahr von Aufhärtungen und Heißrissen bei ungünstigen Parametern

26 Zusammenfassung und Ausblick Konzeptionelle Entwicklung von flexiblen Geräteträger und Führungstechnik zum UP-Quernahtschweißen erfolgt Verifizierung optimaler Magnetanordnung auch ohne Vollkontakt Entwicklung von Pulverschüttung für tiefe Fugen (Förderschnecke) Parameterermittlung für Wurzel- und Decklagenschweißung Optimierung des Lagenaufbaus erfolgt Prozessvalidierung durch große Zahl an Schweißversuchen Erfüllung der mechanisch-technologischen Anforderungen bei Schiffbau- und Offshoreproben 26

27 Zusammenfassung und Ausblick (2) Obere Grenze für eingebrachte Streckenenergie und Schweißgeschwindigkeit bei Schiffbaublechen Untere Grenze für wirtschaftliche Blechdicke aufgrund der hohen Produktivitätsentfaltung in Fülllagen Sehr großes Potential für Quernahtschweißungen im dickeren Blechbereich Versuche am Demonstrator ab November Das Vorhaben wurde gefördert von der gemeinnützigen Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.v. Zweck der Stiftung ist die Förderung der Forschung auf dem Gebiet der Stahlverarbeitung und - anwendung in der Bundesrepublik Deutschland. Geprüft wurde das Forschungsvorhaben von einem Gutachtergremien der Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie e.v. (AVIF), das sich aus Sachverständigen der Stahl anwendenden Industrie und der Wissenschaft zusammensetzt. Begleitet wurde das Projekt von einem Arbeitskreis des Center of Maritime Technologies e.v. 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 28