Unterpulverschweißen mit einer 5-Draht-UP-Schweißanlage

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1 Dr. Sergej Gook, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier Unterpulverschweißen mit einer 5-Draht-UP-Schweißanlage Industrieworkshop Unterpulverschweißen dickwandiger Bauteile 12. Mai 2016 Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik, IPK Berlin

2 Inhalt Anwendungsgebiete des Mehrdraht-UP-Schweißens 5-Draht-UP-Schweißanlage Erste Ergebnisse: UP-Schweißen von Flachproben 5-Draht-UP-Längsnahtschweißen an Großrohren aktuell laufende Schweißversuche an der 5-Draht-UP-Schweißanlage Geplante Forschungsaktivitäten Zusammenfassung 2

3 Anwendungsgebiete des Mehrdraht-UP-Schweißens Großrohrherstellung Bauteile der Windkraftanlagen Behälter- und Apparatebau Quelle: OERLIKON Schweißtechnik GmbH Quelle: MARTIN BUSCH & SOHN 3

4 5-Draht-Testschweißstand für UP- und MAG-Schweißen Technische Daten: Rohrdurchmesser: 406,4 mm mm Rohrwandstärke: 6 mm mm Rohrlänge: Schweißgeschwindigkeit max mm max. 6 m/min UP-Schweißen max. 12 m/min MAG-Schweißen 5 x Schweißdrähte 2 mm 5 mm 1x DC + 4 x AC für UP-Schweißen 1x MAG-Schweißen 5 x Schweißstromquellen Typ: Perfect Arc AC/DC 4

5 Anwendungsfall: UP-Längsnahtschweißen an Großrohren 5

6 Neue 5-Draht-Unterpulverschweißanlage an der TU Berlin W ehem. Wasserbauhalle, seit 2015 Labor für Maschinensysteme Straße des 17. Juni 144 und 144A Anlieferung der UP-Schweißanlage Montagebeginn Inbetriebnahme

7 Neue Hochleistungs-PerfectArc-Schweißstromquellen vollständig digitalisierte Stromquelle: sekundär getaktete Leistungselektronik; Schweißstrom wird komplett digital gesteuert; Regelfrequenz 20kHz; Wirkungsgrad: >90 %; Dauerleistung (100 % ED): 1500 A / 44 V Einsatzmöglichkeiten: Konstantstromprozesse für AC/DC UP-Schweißen Konstantspannungsprozesse für AC/DC UP- und MIG/MAG-Schweißen 7

8 Erste Ergebnisse UP-Schweißen von Flachproben, Schweißnahtlänge bis 2000 mm Parameteroptimierung an Blechen 3-Draht UP-Schweißnaht in Lage-Gegenlage Technik 8

9 Erste Ergebnisse UP-Längsnahtschweißen an Großrohren, Rohrlänge bis 6000 mm Außenlage: 5-Draht UP-geschweißt, Wanddicke 39 mm 9

10 Erste Ergebnisse aktuell laufende Schweißversuche an der UP-Schweißanlage: Einfluss von Verunreinigungen auf die Eigenschaften von UP-Schweißverbindungen Stahldrähte einer Pipelinebürste Einfluss von Spalt auf die Stabilität des MAG- Heftprozesses Untersuchungen von Prozessgrenzen; Festlegung von Parameterfenstern für verschiedene Spaltmaße UP-Naht ohne Stahldrähten UP-Naht mit Stahldrähten MAG-Heftnaht mit technischem Nullspalt 10

11 Geplante Forschungsaktivitäten Weiterentwicklung der UP-Technologie UP-Schweißen von hochfesten und ultrahochfesten Stählen: Einsatz von modernen Lichtbogentechnologien / Schweißstromquellen; Verfahrenskombination UP + Laserhybrid Laserstrahl-Hybridschweißen an hochfestem Pipelinestahl für die Großrohrproduktion Ausgangslage Bedarf an Großrohren zum Transport von Erdgas und Erdöl nimmt zu Klassisches Schweißverfahren mit MSG-Heftnaht wird zum Engpass bei immer steigendem Durchsatz in der Rohrfertigung Anwendung von Hochleistungsfügeverfahren, wie Laserstrahl- Hybridschweißen trägt zur Effizienz der Rohrfertigung erheblich bei Quelle: Wingas Das IGF-Vorhaben (16415N) der FOSTA 11

12 Ausgangssituation für Pipelinefertigung Potentiale des Laserstrahl- Hybridschweißverfahrens Bisher: X-Nahtvorbereitung Heftnaht notwendig max. Nahtsteg ca. 8 mm großer Nahtquerschnitt» viel Zusatzwerkstoff» großer Wärmeeintrag Neu: DY-Naht für Laserstrahl-Hybridprozess Wegfall der Heftnaht Nahtsteg 12 mm bis 14 mm Verminderung des Nahtquerschnittes» weniger Zusatzwerkstoff» geringer Wärmeeintrag 12

13 Werkstoffe: Pipelinestähle X80, X120 nach API 5L Werkstoff / Element in % C Si Mn P S Al Cr Ni Mo Cu V Nb Ti B N Fe X80 0,052 0,33 1,82 0,008 0,0008 0,04 0,17 0,01 0,14 0,02 0,004 0,04 0,012 0,0002 0,004 rest. X120 (alform 700) 0,054 0,31 1,6 0,009 0,0006 0,03 0,41 0,04 0,21 0,03 0,038 0,04 0,012 0,001 0,006 rest. Zusatzwerkstoffe: Massiv- und Fülldrähte für hochfeste Feinkornbaustähle Werkstoff / Element in % C Mn Si P S Cr Ni Mo Fe ZW Böhler ZW Drahtzug Stein Massivdraht Böhler NiMo 1-IG 0,1 1,55 0,65 1,1 0,4 rest. Massivdraht Böhler X 90 IG 0,1 1,8 0,8 0,35 2,3 0,6 rest. Metallpulverdraht alform 700 MC 0,07 1,6 0,7 0,35 2,0 0,3 rest. Metallpulverfülldraht MF 940 M 0,05 1,4 0,6 <0,015 <0,015 2,0 rest. Metallpulverfülldraht MF 742 M 0,05 1,6 0,4 <0,015 <0,015 0,5 2,2 0,5 rest. Rutilfülldraht MF 821 R 0,05 1,3 0,5 <0,015 <0,015 0,7 rest. Hochbasischer Fülldraht MF 740 B 0,05 1,4 0,4 <0,015 <0,015 0,9 rest. 13

14 Randbedingungen Blechdicke: 20 mm (X120); 23,7 mm (X80) Probengeometrie: zwei Streifen 240 mm x 80 mm zusammengeheftet Kantenvorbereitung: gefräste Kante Nahtgeometrie: Y-Naht t, mm α, t s, mm α 1. Lage - Laser-Hybrid , 14 23, , 14 t t s 2. Lage MSG normal 14

15 Härteuntersuchungen X80 mit Metallpulverdraht MF 940 M Härte HV oben Mitte unten Abstand von Nahtmitte in mm max. Härte 304 HV 10 gegenüber dem GW 220 HV 10 15

16 Härteuntersuchungen X120 mit Massivdraht Böhler X90-IG Härte HV oben Mitte unten Abstand von Nahtmitte in mm max. Härte 357 HV 10 gegenüber dem GW 320 HV 10 16

17 Kerbschlagbiegeversuche X80 mit Metallpulverdraht MF 940 M Kerbschlagarbeit in J Prüftemperatur in C X120 mit Metallpulverdraht alform 700 MC Kerbschlagarbeit in J Prüftemperatur in C 17

18 Querzugversuche X80/MF 740 B X120/alform 700 MC X80 Bruchlage: alle im Grundwerkstoff X120 Bruchlage: alle im Beriech der WEZ 18

19 Spannung in MPa Querzugversuche X120_Union X85 X120_MF 742 M X80_Union MoNi Übersicht der Zugversuche (Mittelwerte aus jeweils 3 Proben) Werkstoffe R m in MPa X80/Böhler NiMo 1-IG 640 X80/MF 940 M 651 X80/MF 740 B 638 X80/MF 821 R X80_MF 940 M 200 X80_MF 740 B 100 X80_MF 821 R Dehnung in % X120/MF 742 M 948 X120/ Union X X120/alform 700 MC 942 Mechanische Eigenschaften des Grundwerkstoffes GW Rp0,2 in MPa Rm in MPa X80 (quer) X120 (quer) Mit Bruchspannung von 950 MPa haben die Proben aus X120 die Mindestgrenze der Zugfestigkeit erreicht (Rm 915 MPa nach DIN EN ISO 3183) 19

20 Demonstrator, Technologievergleich große Wärmeeinflusszone geringe Wärmeeinflusszone Dillinger Salzgitter Mannesmann Forschung, BAM Konventionelle UP-Schweißnaht Blechdicke 38 mm, Nahtsteg 8 mm MSG-Heftung und UP-Schweißlagen mit 5-Draht-Schweißkopf Laser-Hybrid-Schweißnaht mit UP-Fülllagen Blechdicke 37,5 mm, Nahtsteg 14 mm ca. 2,7-fache Reduzierung des Nahtquerschnittes Verminderter Wärmeeintrag in den Grundwerkstoff 20

21 Zusammenfassung Voll maßstäbliche 5-Draht-UP-Schweißanlage für die industrienahe Forschung: UP-Schweißen von Flachproben, Schweißnahtlänge bis 2000 mm; UP-Längsnahtschweißen an Großrohren, Rohrlänge bis 6000 mm; MAG-Schweißen bis 12 m/min Modellieren der Schweißergebnisse (Einbrand, Nahtform, Abschmelzleistung) durch den Einsatz von modernen digital gesteuerten Schweißstromquellen Forschungsthemen: Mehrdraht-UP-Schweißen von ultrahochfesten Stählen Untersuchungen zur Verbesserung von mechanisch-technologischen Eigenschaften der Mehr-Draht-UP-Nähte Weiterentwicklung der Verfahrenskombination Mehrdraht-UP + Laserhybrid 21

22 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 22