Innovationen in der Schweißtechnik Technologie, Qualitätssicherung, Reparatur. Möglichkeiten für den Kraftwerksbau?

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1 Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt München Niederlassung der GSI mbh Innovationen in der Schweißtechnik Technologie, Qualitätssicherung, Reparatur Dr.-Ing. H. Cramer, S. Pommer Möglichkeiten für den Kraftwerksbau?

2 Innovationen in der Schweißtechnik Einleitung Schutzgasschweißen (WIG, MIG/MAG) Rührreibschweißen Magnetimpulsschweißen Simulation Sensortechnik Zusammenfassung Poren durch Zugluft Bindefehler mangelhafte Drahtoberfläche 2

3 Stichlochschweißen mit WSG-Prozessen I-Nähte an Stumpfstoß t = 3 bis ca. 10 mm Für Gleich- und Wechselstrom geeignet Nur für Gleichstrom geeignet

4 WIG-Schweißen Vergleich Stichloch- mit herkömmlichem WIG-Schweißen Stichloch WIG-Schweißen , 10,5 mm dick I-Naht ohne Spalt 50 g/m Zusatzwerkstoff 1 Lage, v S = 300 mm/min Lichtbogenbrennzeit 3 20 sec /m konventionelles WIG-Schweißen , 10,5 mm dick einfache V-Nahtvorbereitung 1000 g/m Zusatzwerkstoff 7 Lagen, v S = 200 mm/min Lichtbogenbrennzeit 35 min/m

5 Anwenderwünsche beim MSG-Schweißen Vermeidung von Einbrandmängeln und Spritzerbildung am Raupenanfang Steuerbare Lichtbogenleistung am Raupenende Begrenzung der Leistungsspitzen bei Werkstoffübergängen mit Lichtbogenunterbrechungen während der Lichtbogenneuzündung zur Minimierung der Schweißbadschwingungen und Spritzerbildung Hohe Prozessstabilität beim Auftreten von Störungseinflüssen Steuerung des Wärmeeintrags, der Abschmelzrate, der Lichtbogenform und des Lichtbogendrucks für das Beherrschen von Bauteiltoleranzen und verschiedenen Schweißpositionen Vermeidung von Poren und Einbrandkerben Einfache Parametereinstellung und Parameteranpassungen beim Schweißen

6 Verbesserungen beim MSG-Schweißen Lösungsangebote für das Schweißen mit allen Werkstoffübergangsarten: Optimierung der Lichtbogenzündung Heißstart am Raupenanfang und Leistungsreduzierung am Raupenende Schutzgaszusammensetzung für den Werkstoffübergang, das Raupenprofil und die Schlackenmenge abstimmen Lösungsangebote für das Schweißen mit dem Kurzlichtbogen: Kurzlichtbogen mit Triggerstellen im Prozessablauf CMT-, CP-, ColdArc-, DIP-Puls-, FastROOT-, STT-Prozess,... Kurzlichtbogen mit gesteuertem Impulsstrom Lösungsangebote für das Schweißen mit dem Hochleistungs-Kurzlichtbogen (kurzer Sprühlichtbogen): Beruhigung des Schweißbades und Spritzervermeidung durch Vermeidung von hohen Kurzschlussströmen Steuerung des Einbrandprofiles durch pulsierenden Strom und Anpassung der Lichtbogenlänge Lösungsangebote für das Schweißen mit dem Impulslichtbogen: Verbesserung der Impulsstromform (Lichtbogensteifigkeit) Minimierung der Lichtbogenlänge Lösungsangebote für das Schweißen bei größeren Bauteiltoleranzen und verschiedenen Schweißpositionen: Stufenlose Leistungsänderung beim Schweißen (durch den Schweißer, Sensoren) Anwendung von periodisch wechselnder Lichtbogenleistung Alupuls, Doppelpuls, Mixpuls, Superpuls,... Automatische Leistungsänderungen bei Positionsänderungen

7 coldarc-prozess EWM (KLB mit reduzierter Lichtbogenleistung beim Wiederzünden) Phase 1 Lichtbogen brennt Phase 2 Kurzschluß Phase 3 Auflösung des Kurzschlusses und erneute Brennphase coldarc Verfahren coldarc konventioneller KLB Us Is Us Is t t t Durch eine neuartige hochdynamische Inverterschaltung in Verbindung mit einer sehr schnellen digitalen Stromregelung wird beim Wiederzünden des Kurzlichtbogens die Leistungsspitze drastisch vermindert. Die Folge davon ist ein spritzerfreies und wärme- und druckreduziertes Fügeverfahren Der Lichtbogen ist infolge Leistungs - reduzierung beim Wiederzünden kälter, so dass dünnere Bleche mit weniger Wärmeeinbringung geschweißt oder gelötet werden können.

8 coldarc-prozess nach Unterlagen der Firma EWM

9 Getriggerte Kurzlichtbögen mit gleichmäßiger Drahtförderung (Auswahl) kleine Leistung bei der Lichtbogen-Neuzündung STT-Prozess ColdArc FastRoot

10 Kurzlichtbogen mit reversibler Drahtförderung CMT - Cold Metal Transfer (Fronius) Stromstärke [A] Spannung [V] Die Tropfenablösung und Lichtbogen-Wiederzündung wird durch die Rückbewegung der Drahtelektrode unterstützt. Mechanische Erfassung und Einstellung der Lichtbogenlänge Werkstoffübergang und Lichtbogen-Wiederzündung erfolgt bei geringer Stromstärke

11 Sonderanwendung MSG - Pinstrukturen Prinzipablauf Warmup and deposit phase Cooling phase Sculpturing phase Mögliche Pinformen Metall-CFK flächig Kunststoff-Metall

12 Sonderanwendung MSG - Pinstrukturen Multifunktionale Pinstrukturen Prinzipablauf Mögliche Pinformen Metall-CFK flächig Kunststoff-Metall h h sc d h d Quelle: Fronius h 3 mm h sc 1-1,5 mm d = 0,8 mm h 3 mm d = 0,8-1,2 mm

13 MSG-Schweißen mit forciertem Sprühlichtbogen MSG Sprühlichtbogen - bei normaler Lichtbogenlänge spritzerarm, aber leicht abzulenken durch magnetische Blaswirkung - Bei einer Verkürzung des Lichtbogens treten Kurzschlüsse und Spritzerbildung auf. EWM-forceArc Lichtbogen - keine Spritzerbildung, auch bei sehr kurzem Lichtbogen - besonders richtungsstabil

14 MAG-Schweißen mit dem kurzen Sprühlichtbogen Werkstoffübergang kurz vor der Brückenbildung Werkstoffübergang kurz nach der Brückenauflösung

15 MSG-Schweißen mit forciertem Sprühlichtbogen EWM-forceArc Lichtbogen Richtungsstabiler, ruhiger Lichtbogen Vorteile - sichere Wurzelerfassung bei sehr engen Fugen und Kehlnähten - schnelle Ausregelung von Stickoutlängenveränderungen - kein Springen des Lichtbogens, selbst bei langem Stickout bis zu 40 mm Materialdicke: 8 mm Materialdicke: 16 mm Materialdicke: 20 mm

16 MSG-Schweißen mit zwei Drahtelektroden MSG-Doppeldrahtschweißen MSG-Tandemschweißen ermöglichen hohe Arbeitsgeschwindigkeiten und Abschmelzleistungen und bessere Beherrschung von Bauteil- und Lagetoleranzen 16

17 Hybrid-Prozesse (Laser-MSG-Schweißen) Laser-MSG-Schweißen Laser-MSG-Tandemschweißen ermöglichen sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeiten, günstigere Einbrandprofile und bessere Beherrschung von Bauteil- und Lagetoleranzen 17

18 Vorteile von LaserHybrid-Twin v s = 4 m/min v dges = 14 m/min Dr = 1,2 mm Zusatzw.: 31,2 g/m v s = 3 m/min v dges : 22 m/min Dr = 1,2 mm Zusatzw.: 65 g/m 50% weniger Verschleißteile Quelle: Fronius Vorteile: Gewichtseinsparung durch geringeren Materialüberstand Höhere Schweißgeschwindigkeit bei tieferen Einbrand 40% geringere Schmelzbadfläche geringerer Verzug

19 Hybrid-Prozesse (Plasma-MSG-Schweißen) Anordnung des Plasma-Lichtbogens konzentrisch seriell Möglichkeit der Bauteilvorwärmung, Bindefehlervermeidung, günstige Beeinflussung der Nahtübergänge, kostengünstiger gegenüber Laser-MSG-Schweißen 19

20 Intelligent gesteuerte, serielle Kopplung des Plasmaund MSG-Prozesses Forschungsprojekt gefördert durch das Land Bayern Ziel: systematische Weiterentwicklung des Schweißbrenners und der Prozesssteuerungen für einen wirtschaftlichen und qualitätsgerechten Einsatz des Plasma-MSG-Prozesses in serieller Kopplung im Anlagen- und Behälterbau. Untersuchungsschwerpunkte Weiterentwicklung des seriellen Plasma-MSG-Brenners und der Schweißprozesssteuerungen Untersuchungen von typischen Applikationsbeispielen aus dem Anlagen- und Behälterbau Ermittlung mechanisch technologischer Kennwerte Optimierung der Schweißprozessabläufe (Schweißstart, -ende, Hefterüberschweißung) Qualifizierung des Plasma-MSG-Schweißprozesses für die Anforderungen im Anlagen- und Behälterbau in hoher Qualität wirtschaftlicher Fügen Sicherung von Produktionsstandorten in Deutschland (Bayern) Stefan Pommer SLV München, NL der GSI mbh Abt. FuE Schachenmeierstraße München Tel Fax e-mai:

21 Rührreibschweißen Rührreibschweißen (EN 14610:2004) Pressstumpfschweißen in viskoplastischer Phase, wobei Wärme durch Reibung zwischen einer verschleißfesten rotierenden Werkzeugspindel und den Werkstücken erzeugt wird. Vorrangig zum Fügen niedrig schmelzender Metalle z.b. Aluminium oder Magnesium und deren Legierungen, Kupfer auch Guss- und Druckgusswerkstoffe Entwicklungsbedarf bei höher schmelzenden Werkstoffen Werkstoffauswahl zur Herstellung der Werkzeuge eingeschränkt Einsatz von Schutzgasen mit steigender Prozesstemperatur zunehmend sinnvoll (auch Schutz der Werkzeuge vor der Atmosphäre) Werkstoffkombinationen Al-St, Al-Cu, Al-Mg, Al-Ti, Cu-CuSn, Cu-CuZn, St-CrNi,... Schweißung von S700MC mit Werkzeug aus pcbn unter Schutzgasabdeckung (Quelle: SLV B-B) oben: Baustahl an Chrom-Nickel-Stahl unten: Kupfer an Baustahl (Quelle: SLV B-B) Quelle: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Berlin-Brandenburg - Niederlassung der GSI mbh 21

22 Rührreibschweißen Nickelbasislegierungen und Stähle S235, t = 5 mm mit induktiver Vorwärmung S700MC, t = 3 mm mit Schutzgasabdeckung Ni-Basislegierung, t = 6 mm S700MC, t = 3 mm S700MC, t = 3mm (PCBN-Werkzeug und Schutzgas) Quelle: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Berlin-Brandenburg - Niederlassung der GSI mbh 22

23 Rührreibschweißen Bevorzugter Einsatz Fügen von Blechen und Profilen mit langen geraden Nähten: größere verzugsarme Bleche und Panele herstellbar als mittels Walzen oder Strangpressen möglich 2D-Konturen in der X/Y-Ebene (Behälter verschließen) oder Bahnen mit großen Krümmungsradien in Z-Richtung (große Rohre) können mit entsprechenden Maschinen gut verarbeitet werden Verwendeten Stoßformen vorrangig Stumpf-, T- und Überlappstöße auch Mehrblechverbindungen möglich Panele aus strangepressten Profilen (Quelle: Beachte! Rückseitige Zugänglichkeit zum Anbringen einer Schweißunterlage oder bauteilseitige Abstützung nötig Mögliche Stoßformen für das FSW (Quelle: Quelle: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Berlin-Brandenburg - Niederlassung der GSI mbh 23

24 Rührreibschweißen Anwendungen - Energieindustrie z.b. porenfreies Verschweißen von 50 mm dicken Kupfermaterial Einsatzort: Außenhaut der schwedischen Castorbehälter FSW von 50 mm dickem Kupfer / Werkzeug für 50 mm Kupfer (Quelle: Bauteildimensionen des Castorbehälters (Quelle: Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co.) Quelle: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Berlin-Brandenburg - Niederlassung der GSI mbh 24

25 Rührreibschweißen Anwendungen - Raumfahrt z.b. porenfreies Schweißen von speziellen Raumfahrtlegierungen mit enorm hohen Qualitätsansprüchen Einsatzort: Tankbehälter für Raketen, Raumfähren 5-Achs Bearbeitungsmaschine zum FSW / Spitzensektion eines rührreibgeschweißten Raketentanks (Quelle: Quelle: Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Berlin-Brandenburg - Niederlassung der GSI mbh 25

26 Magnetimpulsschweißen Einsatz der Magnetimpulstechnologie Schweißen Verpressen Umformen Schneiden & Perforieren notwendig: Spalt zwischen den Teilen und hohe Verformungsgeschwindigkeit kein Spalt zwischen den Teilen und niedrige Verformungsgeschwindigkeit Tablett, Korrosionsbeständiger Stahl /PULSAR/ 26

27 Magnetimpulsschweißen und Krimpen, Verfahrensprinzip und Fügegeometrien Bei der Elektromagnetischen Impuls Technologie wird mittels Kondensatorentladung ein Hochstromimpuls im Bereich ka (10 kv, 100 kj) erzeugt. Der Hochstromimpuls durchfließt eine Spule und generiert ein starkes, impulsartiges Magnetfeld. Ein metallisches Werkstück wird in der Spule platziert. Der im Werkstück induzierte Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld mit entgegengesetzter Richtung. Daraus entsteht die elektromagnetische Kraft zwischen Spule und Werkstück. Unter der Voraussetzung, dass die Spule stabil ist und nicht verformt wird, erzeugt die magnetische Kraft eine Verformung des Werkstückes innerhalb der Spule in Form einer radialen Kompression. 27

28 Magnetimpulsschweißen Rohr-Schlauchverbinder Überblick und Querschliff: Kupfer 17 mm ( 21,8 mm) Aluminium 25 x 1,5 mm Radialspalt 2,5 mm Schweißnahtlänge 11 mm Al99,5 Cu99,5 28

29 Magnetimpulsschweißen Stromkabel MP-Schweißen von Stromkabeln /PULSAR/ 29

30 Schweißsimulation Allgemein rechnerische Vorhersage der aufgeführten Größen Verzugsminimierung Rundlauftoleranz, Passgenauigkeit, optische Anforderungen Nahtgüte bewerten Aufhärtungen, Vorwärmtemperatur, Schweißfolge, Werkstoffwahl Spannungsbeherrschung Risse durch nahtnahe und -ferne Spannungen?, Lebensdauer Temperaturbeeinflussung Abstand von hitzeempfindlichen Anbauteilen/ Beschichtungen Bauteilverbesserung durch den Vergleich von Varianten Kostensenkung durch Einsparen von Versuchen für viele Schweißverfahren, alle metallischen Werkstoffe, komplexe Geometrie 30

31 Schweißsimulation Beispiel 1 ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Deuterium-Tritium-Forschungsreaktor zur Erzeugung der Kernfusion. Ziel: Kernfusion als wirtschaftliche und ökologische künftige Energiequelle. Berechnungen an der SLV München Simulation zur Verzugsabschätzung bei der schweißtechnischen Fertigung der Kühlmodule (Aufschweißen von Deckeln auf Kammprofile), Strenge Toleranzvorgaben sind dabei einzuhalten. Abdeckung Querschnitt des Kühlringprofils z Berechnung und Auswertung von Verzügen an den Kühlrohren in Richtung der vordefinierten Koordinatenachsen (im Bild in Richtung der z-achse). Auswertung des Temperaturfeldes während des Schweißens sowie des Gefüges nach dem Schweißen 31

32 Schweißsimulation Beispiel 2 Mehrlagenschweißung + Wärmebehandlung MAG, 37 Raupen, Werkstoff: S275 keine Vorwärmung, WNB: 570 C, 4 Stunden Erste Hauptspannung σ I [N/mm²] 32

33 Intelligente Sensortechnik beim Schweißen Funktion und Möglichkeiten von Lasersensoren Lasersensoren auf dem Prinzip des Triangulationsverfahren können: - Bauteile hochpäziese vermessen - Lage des Bauteils 3-dimensinal bestimmen - die Nahtvorbereitung erfassen - die fertige Naht vermessen und auf Fehler überprüfen Prinzip beim Vermessen 3D-Scan einer Schweißnaht 33

34 Intelligente Sensortechnik beim Schweißen Unterschiedliche Strategien für unterschiedliche Aufgaben Offline Bauteilsuche vor dem Schweißprozess Korrekturdaten zur Bauteilposition Online Nahtverfolgung während des Schweißprozesses Erkennung von Änderungen der Nahtvorbereitung direkte Regelung der Parameter in Echtzeit Off- oder Online Nahtinspektion nach dem Schweißrozess Prüfung der Naht 34

35 Intelligente Sensortechnik beim Schweißen Intelligentes Echtzeit Nahtverfolgungssystem Robot with laser-vision Intelligent vision system and process controller Laser profile of joint Prozessablauf Torch path computation Real-time control of welding parameters Data extraction 35

36 Intelligente Sensortechnik beim Schweißen Nahtverfolgung mit Parameteranpassung durch Echtzeit-Vermessung der Nahtvorbereitung Schweißparameter wie z.b. Schweißgeschwindigkeit und Pendelamplitude werden in Abhängigkeit der Spaltbreite durch die intelligente Sensorsteuerung adaptiv geregelt Without control With control optimales Schweißergebnis 36

37 Sensortechnik Adaptive Sensorsteuerung zum Mehrlagenschweißen Cross section area computed by laser-camera Multi-pass bead placement schedule Automatic control of welding bead position and dimension Real-time adjustment of welding parameters for each layer based on automatic multi-pass bead placement module fill control algorithm

38 Intelligente Sensortechnik beim Schweißen Qualitätskontrolle durch Nahtinspektion Vermessung der Naht und Erkennung von Fehlern wie - Nahtüberhöhung - Nahtübergang - Kerben - Poren - Risse - Bindefehler 3D-Scan einer Schweißnaht Profilansicht 38

39 Innovationen in der Schweißtechnik Zusammenfassung Die neuere Generation der Stromquellen mit Leistungselektronik zum Schutzgasschweißen bietet vielfältige Strategien gegen Störungseinflüsse und zur Qualitätssicherung z.b.: - modifizierte Lichtbogenarten und Werkstoffübergänge, Rampenprogramme, Spritzervermeidung, Steuerung der Streckenenergie und Optimierung des Raupenprofiles. - optimierte Kennlinien u. Programme Poren für verschiedene durch Zugluft Werkstoffe Hybridprozesse und Mehrdrahtanwendungen ermöglichen hohe Arbeitsgeschwindigkeiten, günstigere Einbrandprofile und bessere Beherrschung von Bauteil- und Lagetoleranzen im Vergleich zu den Einzelprozessen Magnetimpulsschweißen und Rührreibschweißen können als wirtschaftliche Fügetechnologien für definierte Anwendungen entwickelt werden. Die Schweißsimulation zur Ermittlung des Verzuges bzw. der Eigenspannungen ist ein geeignetes Werkzeug zur Reduzierung des experimentellen Aufwandes, für eine wirtschaftliche Fertigung. Der Einsatz der Sensortechnik ermöglicht bei vollmechanisierten Schweißprozessen u.a. die Erkennung von Bauteil- Bindefehler und Lagetoleranzen und sichert mangelhafte Drahtoberfläche somit eine gleichbleibende Nahtqualität. 39

40 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Haben wir Ihr Interesse geweckt? Wir freuen uns auf Ihre Teilnahme in den Arbeitsgruppen Gerne prüfen und beurteilen wir den wirtschaftlichen Einsatz der vorgestellten Prozesse auch an Ihren Bauteilen herstellerunabhängig und neutral. 40