Lichtbogen- und Strahlschweißen (ARC/BEAM)

Charakterisierung Lichtbogen- und Laserschweißen (ARC/BEAM)

Lichtbogen- und Strahlschweißen - thermische Fügeverfahren mit enormem Einsatzspektrum

Der wirtschaftliche Einsatz von Schweißprozessen in der industriellen Fertigung setzt ein hohes Maß an Planungssicherheit voraus. Maßgeblich für die Qualität des Prozesses ist die korrekte Entwicklung des Schweißplanes, wie es unter anderem für die Programmierung von Schweißrobotern, Schweißfolgen und Pausenzeiten erforderlich ist. Die Auswahl geeigneter Werkstoffe, das zum Einsatz kommende Schweißverfahren sowie die richtige Anwendung von Spannvorrichtungen kommen hinzu.

Die EN 14610 definiert Schweißen als „das unlösbare Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärme und/oder Druck“. Dabei werden die Fügepartner entweder aufgeschmolzen oder durch Wärmezufuhr und zusätzliche Krafteinwirkung (Druck) auf das Werkstück verbunden. Kaum ein anderes Fügeverfahren ermöglicht eine so hoch beanspruchbare und dichte Verbindung bei zeitgleich minimalem Raumbedarf der Fügestelle und eignet sich besser zur Herstellung von komplexen Baugruppen. Abhängig von der Art des Energieeintrages oder der Druckaufbringung sind mehr als 100 verschiedene Schweißverfahren klassifiziert. Hierbei werden i.d.R. metallische Werkstoffe verarbeitet, wobei auch vermehrt Kunststoffe und Glas geschweißt werden.

Neben dem Verbindungsschweißen stellt das Auftragsschweißen eine Möglichkeit dar, Oberflächen mit hochfesten und harten Werkstoffen zu beschichten.

Typische Branchen und Anwendungsfelder

Die Schweißtechnik wird beispielsweise in folgenden Industriezweigen eingesetzt:

  • Verkehr und Transport
    • Automobilbau (Karosserie und Rahmen, Abgasanlagen, Anbauteile z.B Türen, Heckklappen)
    • Sonderfahrzeugbau (Landmaschinen, Kranbau)
    • Schienenfahrzeugbau (Außenhaut und Drehgestelle)
    • Luft- und Raumfahrt (Außenhautassembling, Triebwerke, Tanks)
    • Schiffs-, Yachten- und Bootsbau (Rumpf und Antrieb)
  • Energiewirtschaft
    • Offshore (z.B Türme und Gründungsstrukturen)
    • Turbinen
    • Rohrleitungsbau (Pipelines)
  • Stahl- und Anlagenbau
    • Brücken
    • Türme
  • Medizintechnik
    • CT- und MRT- Anlagen
    • Gehäuse von Röntgengeräten
    • Implantate (Generative Verfahren)

Trends und Entwicklungen

Bildquelle: JUREC / pixelio.de

Die Forschung wurde in den vergangenen Jahren insbesondere mit zwei industriellen Anforderungen konfrontiert. Erstens, um energieeffizientere Fahrzeuge zu fertigen, geht der Trend im Automobilbau hin zum Leichtbau. Die Entwicklung von neuen festeren Werkstoffen bringt allerdings die Fügetechnik an Ihre Grenzen. Um Gewicht zu sparen, darf immer weniger zusätzliches Material beim Schweißen eingebracht werden und aus Überlappnähten werden Stumpfnähte. Zweitens wird ein geringerer Energieverbrauch bei der Produktion, also während des Prozesses an sich, gefordert.  Die Entwicklung von Schweißverfahren mit niedriger Energiezufuhr, rechnergestützte Schweißsimulationen und eine verstärkte Ausbildung mit Hilfe virtueller Schweißtrainer tragen dazu bei, die Fügetechnik energiefreundlicher und materialschonend zu machen.

Große Fortschritte wurden bei der Kombination verschiedener Schweißprozesse (Hybrid-Schweißprozesse) erzielt. Besonders schnell und erfolgreich hat die Industrie bisher die Kombination aus Metalllichtbogen- und Laserstrahlschweißen eingeführt. So können die Vorteile beider Prozesse optimal genutzt werden. So liefert der Laser die hohe Energiedichte, die große Eindringtiefe und ermöglicht eine hohe Schweißgeschwindigkeit. Der Lichtbogen bietet zusätzlich eine gute Spaltüberbrückbarkeit und geringe Bindefehler. So lassen sich größere Wanddicken etwa durch Kombination beider Prozesse viel besser einschichtig verbinden, als dies mit jedem einzelnen Prozess je möglich wäre.

Solche Hybridprozesse können zukünftig zu einer beträchtlichen Einsparung führen. Allerdings sparen Unternehmen Ausgaben in der Schweißtechnik meist soweit wie möglich ein, anstatt in neue Technologien zu investieren. Weitere werden vorhandene Personalbedarfe umfangreich durch Subunternehmer gedeckt, wodurch gleichzeitig kostenintensive Maßnahmen im Bereich der Aus- und Weiterbildung zurückgefahren werden. Daher ist derzeit davon auszugehen, dass sich neue Verfahrensmethoden nicht durchsetzen werden. Nur bei Schweißgeräten, die auf bewährte Verfahren setzten, können sich Inventionen auch in der Praxis durchsetzen. Bei diesen ist letztendlich die Wahrscheinlichkeit hoch, dass neue verbesserte Geräte nachgekauft werden, wenn alte Geräte ausgetauscht werden. Bedingt durch den Mangel an schweißkundigen Fachkräften müssen vorhandene Fachkräfte mehr anspruchsvolle Arbeiten in immer kürzeren Abständen durchführen, da nicht ausreichend qualifizierte Mitarbeiter verfügbar sind. Gleichzeitig werden „einfachere“ Prozessschritte beim Schweißen an weniger erfahrene Mitarbeiter vergeben. Fehler aufgrund unzureichender Fähigkeiten oder durch Überlastung der vorhandenen Fachkräfte sind die Folge. Damit ist auch zu erwarten, dass die Personal- und Versuchskosten steigen werden.

Eine Möglichkeit das schweißtechnische Know-how firmenintern zu sichern und Versuchskosten einzusparen, bieten Schweißsimulationsprogramme an. So können im Vorfeld Einflussgrößen virtuell untersucht und günstige Prozessparameter dokumentiert werden.

 

basierend auf der T.A. Cook Studie: „Schweißtechnik in der Prozessindustrie: Der unerkannte Kostentreiber"

Herausforderungen beim Schweißen

Der Nachweis der Schweißbarkeit von Konstruktionen setzt eine detaillierte Planung der Schweißsicherheit (Konstruktion), der Schweißeignung (Werkstoffauswahl) und der Schweißmöglichkeit (Fertigung) voraus. Alle drei Bereiche können jedoch Wechselwirkungen aufeinander haben – insbesondere im Hinblick auf die beim Schweißen entstehenden Verzüge.

Schweißverzüge stellen neben verminderten Festigkeiten das wirtschaftlich größte Problem bei der Auslegung von Schweißprozessen dar.

Die häufig notwendigen Nacharbeiten und Richtoperationen verursachen hohe Kosten, welche in der Regel nur schwer kalkulierbar sind. Darüber hinaus können hohe Kosten durch Ausschuss entstehen. Weiter kann der Schweißprozess den optimierten Werkstoffeinsatz negativ beeinflussen, so dass mehr Material und damit mehr Gewicht, größerer Bauraum und höhere Kosten notwendig werden.

Wie entstehen Schweißverzüge?

Schweißverzüge entstehen

  1. infolge des Schrumpfens des aufgebrachten und aufgeschmolzenen Werkstoffs
  2. infolge des durch die Wärme aufgestauchten umgebenden Werkstoffs.

Insbesondere das plastische Aufstauchen stellt ein hochgradig nichtlineares Werkstoffverhalten dar. Die partielle Behinderung der thermischen Ausdehnungen der erwärmten Zone durch den umgebenden kälteren und damit steiferen Werkstoff führt zu einer über den Querschnitt inhomogenen plastischen Formänderung. Dieser Mechanismus wird beispielsweise beim Flammrichten genutzt. Durch die thermischen Ausdehnungen und Schrumpfungen werden im Bauteil Spannungen erzeugt, die sich durch Verformungen und Spannungsumlagerung in den Querschnitten ausgleichen. Kommt es während dieses Prozesses zu keinen plastischen Dehnungen, formt sich das Bauteil während der Abkühlung wieder in seine Ausgangslänge zurück. Aufgrund der bei hohen Temperaturen veränderten Werkstoffeigenschaften, wie beispielsweise die Fließspannung, werden beim Erwärmen allerdings schon bei geringen Spannungen plastische Verformungen erzeugt. Eine zusätzliche Zwängung durch das Spannkonzept oder die Bauteilgeometrie selbst kann die auftretenden Spannungen erhöhen.

Als Folge der Temperaturverteilung kann bei der Entstehung von plastischen Dehnungen beim Erwärmen und beim Abkühlen eine Asymmetrie beobachtet werden. Hierbei sind drei wesentliche Mechanismen zu nennen:

  1. die plastischen Dehnungen beim Erwärmen entstehen lokal konzentriert. Beim Abkühlen hingegen hat sich der umliegende Werkstoff erwärmt, drückt gegen den schrumpfenden Werkstoff und verhindert damit eine Teilrückbildung der plastischen Dehnungen beim Abkühlen.
  2. durch die breitere Temperaturverteilung ist die Elastizität des umliegenden Werkstoffs herabgesetzt.
  3. beim Erwärmen entstehen die plastischen Dehnungen dort, wo die Fließspannungen temperaturbedingt am geringsten sind und die thermischen Dehnungen am größten. Beim Abkühlen werden zunächst die vorhandenen Druckeigenspannungen abgebaut, so dass plastische Dehnungen erst bei dem stärker geschrumpften Material bei geringeren Temperaturen und damit bei höheren Fließspannungen entstehen. Nach einem Erwärmungs- und Abkühlzyklus, bei dem plastische Formänderungen aufgetreten sind, bleiben schließlich Eigenspannungen im Bauteil zurück, welche die Ermüdungsfestigkeit beeinflussen können.

Laserschweissen - Spaltenbildung (Schweissverzug)

Laserschweissen -  Schweissverzug wird durch Heften verhindert.

Typische Aufgabenstellungen der Schweisssimulation

Ziel der Berechnungen mit Simufact.welding ist insbesondere die Vorhersage von Schweißverzügen. Durch die Implementierung von Werkstoffmodellen können ebenfalls Gefügeanteile und Werkstoffzustände und die daraus resultierenden lokalen Werkstoffeigenschaften einschließlich weiterer Effekte (Umwandlungsdehnungen und -plastizität) berechnet werden.

Schweißverzüge sind i.d.R. aber nicht völlig vermeidbar und stellen erst ein Problem dar, wenn bestimmte charakteristische Anforderungen an ein Werkstück nicht mehr erfüllt sind. Nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die typischen Einsatzgebiete von Simufact.welding zum Verständnis, der Kontrolle und Minimierung von Schweißverzügen.

Pain Points - Schweissverzüge

Wie kann Simufact.welding bei der Prozessauslegung helfen?

Breiteres Prozessverständnis und Reduzierung der Entwicklungsschleifen durch

  • Visualisierung der Einflussgrößen insbesondere der Temperaturverteilung, Spannungen und Verzüge.
  • virtueller Try-out von Spannkonzepten, Schweißreihenfolgen, Pausen- und Ausspannzeiten, Werkstoffvariationen, Vorwärmeinflüsse etc...

Die Schweißreihenfolgen und Pausenzeiten können beispielsweise relevant bei einzuhaltenden Zwischenlagentemperaturen sein. In der Serienproduktion werden Abkühlzeiten bis zum Ausspannen so gering wie möglich gehalten, um einen möglichst hohen Durchsatz zu haben. In vielen Fällen sind es aber nur Sekunden, die den Verzug signifikant beeinflussen.

Weiterer Vorteil gegenüber experimenteller Untersuchungen im Labor: Prozessvarianten können untersucht werden noch bevor die Equipmentwahl getroffen wurde bzw. Geld in Geräte investiert wurde.

Unsere Lösung für die Schweißsimulation

Die Produktlinie Simufact.welding

Simufact.welding bietet Ihnen aus einer Benutzeroberfläche heraus die Möglichkeit Verzüge, Eigenspannungen und Werkstoffzustände zu berechnen. Das heißt für Sie:

  • Mögliche Probleme im Voraus identifizieren
    • Identifizieren Sie mögliche kritische Verzüge, z.B. im Hinblick auf den Zusammenbau, Beulen, Unwuchten und Spaltmaße
    • Gewinnen Sie Sicherheit bei der Einhaltung von Toleranzen
  • Kompetenzen optimal nutzen
    • Legen Sie eine Grundlage für die Konstruktion, den Schweißfachingenieur und die Fertigung, um gemeinsam die optimale Konstruktion auszulegen
    • Sie haben ein Werkzeug, das Sie bei der Entwicklung von Schweißplänen unterstützt
    • Sie können Erfahrungen aus realen und virtuellen Versuchen systematisch sammeln und Kompetenzen mitarbeiterunabhängig erhalten
    • Erschließen Sie sich ein wirkungsvolles Instrument für die Entwicklung und Ausbildung
  • Systematische Prozessoptimierung
    • Beeinflussen Sie die Lage der Nähte schon während der Konstruktionsphase so, dass der entstehende Verzug konstruktionsbedingt minimiert wird. Damit minimieren Sie auch den Einfluss der Schweißer und Schweißgeräte auf den Verzug.
    • Untersuchen und optimieren Sie Spannkonzepte, noch bevor Sie in irgendein Werkzeug investieren
    • Identifizieren Sie die optimalen Schweißrichtungen und -folgen
    • Bestimmen Sie die Auswirkungen von Ausspannzeiten auf den Verzug und die verbleibenden Eigenspannungen
    • Nutzen Sie ein Werkzeug, das Sie bei der Entwicklung von Schweißplänen unterstützt
    • Testen Sie Varianten virtuell, die im realen Versuch extrem teuer wären
    • Untersuchen Sie das Verhalten neuer Werkstoffe beim Schweißen
  • Gewährleistung von Schweißnahtqualitäten
    • Nutzen Sie ein Werkzeug, das Sie bei der Gewährleistung von Schweißnahtqualitäten unterstützt z.B. durch Berechnung von spröden Gefügeanteilen, der Härte und Auswirkungen von Vorwärmtemperaturen
    • Gewinnen Sie Kenntnisse über die Ausprägung der Wärmeeinflusszone
    • Ziehen Sie Rückschlüsse auf die Eigenschaften von Schweißnähten (z.B. Eigenspannungen, die die Ermüdungsfestigkeit oder ein Beulverhalten beeinflussen) Exportieren Sie die Ergebnisse in ein offenes Format (Universal File Format) und rechnen Sie damit in vielen anderen FE-Programmen weiter
  • Untersuchen Sie Prozessketten in Ihrer Fertigung

     

Schneller den Prozess richtig auslegen heißt aus betriebswirtschaftlicher Sicht:

  1. höhere Effizienz in der Entwicklung durch weniger kostenintensive Fehlversuche
  2. Minimierung von Kosten für Prototypen
  3. Einsparungen bei Nacharbeitskosten
  4. Verkürzung der Entwicklungszeit --> schneller am Markt
  5. Einsparung von Material und Energie für experimentelle Untersuchungen
  6. Reduzierung des Personalbedarfs für Routineuntersuchungen bei der experimentellen Produktentwicklung
  7. Effiziente Machbarkeitsuntersuchungen in der Angebotsphase und damit schnellere und fundiertere Angebote

Für eine funktionale Betrachtung von Simufact.welding lesen Sie bitte unsere Produktbeschreibung:

Produktbeschreibung Simufact.welding