Thermische Fügeverfahren

CHARAKTERISIERUNG THERMISCHER FÜGEVERFAHREN

Thermische Fügeverfahren: Ein weiter Anwendungsbereich

App. Rohkarosserie (Quelle: Fotolia)
Rohkarosserie (Quelle: Fotolia)

Die kommerzielle Anwendung von Schweißverfahren in der industriellen Produktion erfordert einen hohen Grad von Planungssicherheit. Die Entwicklung eines geeigneten Schweißplans, der für die Definition von Schweißfolgen, Intervallen und Programmierung der Schweißroboter benötigt wird, ist maßgeblich für die Qualität eines Schweißprozesses. Außerdem sollte man das richtige Material, den passenden Schweißprozess und die optimale Spannvorrichtung auswählen können.

EN 14610 definiert das Schweißen als „unlösbares Verbinden von Bauteilen unter Anwendung von Wärrme und / oder Druck”. Die Werkstücke werden durch Schmelzen oder Erwärmen verbunden, und durch zusätzliche Krafteinwirkung (Druck). Kein anderes Fügeverfahren ermöglicht so belastbare und dichte Verbindungen auf kleinstem Raum. Darüber hinaus ist das Schweißen die Methode der Wahl, wenn es sich um das Verbinden von Baugruppen mit hoher Komplexität handelt. Es gibt über 100 verschiedene Schweißverfahren, die sich nach der Art der Wärme- und Druckaufbringung unterscheiden. Neben der gewohnten Anwendung bei Metallen gewinnt das Schweißen auch als Verbindungsmethode für Kunststoff und Glas immer mehr an Bedeutung.

Schweißverfahren werden zwar hauptsächlich zum Fügen verwendet, aber auch zum Erzeugen langlebiger und harter Flächen durch Auftragschweißen oder Plattieren.

TYPISCHE INDUSTRIEN UND ANWENDUNGSFELDER

Die Schweißtechnologie wird in den folgenden Industrien verwendet:

  • Transport
    • Automobilindustrie (Karosserie und Rahmen, Abgassysteme, Anbauteile, z.B. Türen und Klappen)
    • Sonderfahrzeuge (Landmaschinen, Kranbau)
    • Schienenfahrzeugbau (Außenhaut, Drehgestelle)
    • Luft- und Raumfahrtindustrie (Außenhaut, Triebwerke, Tanks)
    • Schiffbau (Rumpf, Antrieb)
  • Energiesektor
    • Offshore (Windkrafttürme, Fundamentstrukturen)
    • Turbinen
    • Rohrleitungsbau
  • Stahlbau und Anlagenbau
    • Brücken
    • Türme
    • Druckbehälter
  • Medizintechnik
    • CT- und MRT-Geräte
    • Gehäuse von Röntgengeräten
    • Implantate (additive Fertigung)

TRENDS UND ENTWICKLUNGEN

Fertigungsstraße mit Robotern (Quelle: KUKA GmbH)
Fertigungsstraße mit Robotern (Quelle: KUKA GmbH)

In den letzten Jahren stellt die Industrie zwei wesentliche Anforderungen an die Forschung. Erstens soll die Energieeffizienz in der Autoindustrie weiter erhöht werden, dadurch wird die Leichtbauweise immer wichtiger. Die Entwicklung neuer hochfester Werkstoffe, aber auch das Schweißen artfremder Legierungen, wie Stahl-, Titan- und Aluminiumlegierungen, sind eine echte Herausforderung für die Fügetechnik. Zweitens möchte man auch den Energieverbrauch bei der Produktion reduzieren. Es wird weniger Schweißzusatzmaterial verwendet, und Überlappnähte werden durch Stumpfnähte ersetzt, um das Gesamtprodukt leichter zu machen. Schweißverfahren mit niedrigem Energieaufwand, numerische Schweißsimulation und die Verwendung virtueller Schweißtrainer bringen uns dem globalen Ziel näher, die Fügetechnik energie- und materialeffizienter zu machen.

Große Fortschritte gibt es bei der Kombination verschiedener Schweißverfahren (Hybridschweißen). Insbesondere wurde die Kombination des Metall-Lichtbogenschweißens mit dem Laserstrahlschweißen erfolgreich für die industrielle Produktion erschlossen. Dabei werden die Vorteile beider Prozesse genutzt: hohe Energiedichte, tiefe Einbrände und die hohe Schweißgeschwindigkeit des Laserschweißens vereint mit der hohen Spaltüberbrückbarkeit und minimalen Schweißfehlern beim Lichtbogenschweißen. Die Verknüpfung von beidem ermöglicht einlagiges Schweißen von dickwandigen Bauteilen, was mit einem der Verfahren allein nicht möglich wäre. Ein weiterer Aspekt ist das Schweißen von Aluminiumteilen – hier kann der Hybridansatz die Verwendung von Flussmitteln reduzieren, die Prozesskette vereinfachen und die Anzahl der benötigten Produktionsschritte verringern.

Solche Hybridprozesse haben großes wirtschaftliches Potential. Andererseits neigt die Industrie dazu, die Investitionen in Schweißtechnologie so gering wie möglich zu halten, so dass es nicht zu Investitionen in neue Technologien kommt. Teure Mitarbeiterschulungen spart man sich teilweise durch externe Auftragsvergabe, dies reduziert gleichzeitig den eigenen Personalaufwand. So hat man heute den Eindruck, dass die kürzlich entwickelten Schweißverfahren sich auf dem Markt nicht durchsetzen werden. Nur die Schweißanlagen für etablierte Verfahren scheinen die Investition wert zu sein. In diesem Fall werden Investitionen in neue Schweißanlagen wahrscheinlicher, wenn die Zeit kommt, alte zu ersetzen. Da erfahrene Schweißexperten fehlen, müssen die verfügbaren Fachleute mehr anspruchsvolle Arbeit in kürzerer Zeit erledigen. Die „leichten“ Aufgaben gibt man also die weniger erfahrenen Arbeitskräfte. Diese Situation – unzureichend ausgebildete Mitarbeiter und Überlastung der erfahrenen Spezialisten - führt zu einer erhöhten Fehlerhäufigkeit. So ist zu erwarten, dass im Endeffekt die Arbeitskosten sowie die Gesamtkosten für Entwicklung und Versuche steigen.

Software für die Schweißsimulation bietet die Möglichkeit, das gesammelte Wissen über Schweißverfahren zu erfassen. Mit der Software können virtuelle Tests durchgeführt werden, um Prozessparameter und ihren Einfluss auf die Ergebnisse eines angewandten Schweißprozesses zu untersuchen, und sie hilft beim Finden und Dokumentieren geeigneter Prozessparameter.

Frei nach der Studie von T.A. Cook: „Schweißtechnik in der Prozessindustrie: Der unerkannte Kostentreiber"

HERAUSFORDERUNGEN BEIM THERMISCHEN FÜGEN

Generelle Schweißbarkeit

Um nachzuweisen, dass eine Struktur generell schweißbar ist, müssen die Schweißsicherheit (Konstruktion), die Schweißeignung (Materialauswahl) und die Durchführbarkeit (Herstellung) in die Planung einbezogen werden. Alle diese Bereiche stehen in Wechselwirkung miteinander – besonders im Hinblick auf den Schweißverzug.

 

Schweißverzug und andere physikalische Effekte

Mit Simufact Welding berechnete Verzüge
Mit Simufact Welding berechnete Verzüge

Schweißverzüge gehen wirtschaftlich einher mit reduzierter Festigkeit eines Werkstücks – dem wichtigsten Kriterium bei der Auslegung eines Schweißprozesses oder einer Schweißbaugruppe. Unerwartete Schweißverzüge wieder zu richten erfordert oft teure Nachbearbeitungsschritte.

Noch weitere Effekte beeinflussen möglicherweise die Qualität des fertigen Produktes. Je nach Materialauswahl, Schweißfolge und Schweißprozess können Eigenspannungen die Festigkeit einzelner Verbindungen oder der ganzen Baugruppe beträchtlich reduzieren. Zudem können die Materialeigenschaften sich beim Erwärmen und Abkühlen ändern, was auch zu unerwünschten Effekten führt (Kerbwirkung und Spannungskonzentrationen aufgrund von Gefügeänderungen). Um solche Effekte zu kompensieren, greift man gewöhnlich zu mehr und dickerem Material und macht die Baugruppe dadurch größer, schwerer und entsprechend teurer. Dies beeinflusst wiederum den Schweißprozess selbst, es kann z.B. mehrlagiges Schweißen nötig werden.

Hier finden Sie mehr über die Gründe für Schweißverzug.

Typische Anwendungsfelder für die Schweißsimulation

Berechnungen mit Simufact Welding haben vor allem die Ermittlung der Schweißverzüge zum Ziel. Dank der Implementierung von Materialmodellen können aber auch Phasenanteile, Werkstoffzustände und resultierende lokale Materialeigenschaften berechnet werden, sowie weitere Effekte wie die umwandlungsinduzierte Plastizität und Umwandlungsdehnung.

Wie kann Ihnen Simufact Welding bei der Auslegung eines Schweißprozesses oder einer Schweißvorrichtung helfen?

Je nach gewünschter Ergebnisqualität und Rechenzeit können Sie Simufact Welding verwenden zur

Beide Anwendungen können den Testaufwand erheblich reduzieren, indem man verschiedene Varianten des Aufbaus, der Spannvorrichtungen und Schweißfolgen virtuell ausprobiert, schon bevor Geld und Zeit in Prototypen, Bauteile und Schweißanlagen investiert wird. Die oben genannten Vorteile von Simufact Welding reduzieren auch deutlich die Entwicklungszeit und –kosten und verkürzen damit die Zeit bis zur Markteinführung.

WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN DER SCHELLEREN SCHWEISSPROZESSAUSLEGUNG

App. wirtschaftlicher Nutzen
(Quelle: Fotolia - Africa Studio)
  • Hocheffizienter Entwicklungsprozess dank geringerer Anzahl von Fehlversuchen
  • Kosteneinsparung, weil weniger Prototypen hergestellt werden müssen
  • Kosteneinsparung, weil weniger Nachbearbeitung und Richten nötig sind
  • Kürzere Entwicklungszeiten - kürzere Markteinführungszeit
  • Weniger Material- und Energieverbrauch für Versuche
  • Weniger Arbeitsaufwand für Versuche
  • Bessere Chancen bei Projektausschreibungen durch überzeugende Machbarkeitsstudien

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

Produktbeschreibung Simufact Welding