Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Aktive Gestaltung des Tropfenübergangs beim gepulsten Metallschutzgasschweißen

Mit dem Metall-Schutzgas-Schweißverfahren (MSG-Schweißverfahren) können die am häufigsten in der Industrie verwendeten Metalle wirtschaftlich geschweißt werden. Traditionell werden beim Schweißen im Impulslichtbogenbetrieb die Formverläufe der Strompulse zum Ablösen der Tropfen von der Elektrode vorgegeben. Bei auftretenden Prozessunregelmäßigkeiten können diese Formverläufe nicht oder nur geringfügig durch die Stromquellenregelung abgeändert werden. Dies hat zur Folge, dass sich nicht alle Tropfen gleichartig ablösen. Somit resultiert häufig eine Verschlechterung der Schweißqualität. Zudem werden die Strompulse so energiereich gestaltet, dass eine Tropfenablösung pro Puls auch bei unterschiedlicher Tropfengröße mit möglichst hoher Wahrscheinlichkeit stattfindet. Um die Schweißqualität zu verbessern und den Energieeintrag zu verringern, ist es daher sinnvoll, den Vorgang der Tropfenablösung an den aktuellen Prozesszustand dynamisch anzupassen. Dies ist das Ziel dieses Vorhabens.

Das Ziel soll erreicht werden, indem mithilfe eines Prozessmodells individuelle Pulsformen innerhalb einer frei programmierbaren Stromquelle dynamisch generiert werden. Durch Detektieren des Schwingungszustands der Restschmelze und ihres Volumens auf Basis von Strom- und Spannungsmessungen sollen anhand des Modells individuelle, optimale Pulsphasen für kontrollierte Tropfenablösungen in Echtzeit umgesetzt werden. Durch diese Variabilität der Pulsgenerierung soll innerhalb des Vorhabens das Impulsverfahren auch für 100 % CO2 als kostengünstiges Schutzgas durch Generieren von Doppelpulsen zur Tropfenablösung zugänglich gemacht werden.

Aufgrund des Forschungsansatzes kann das MSG-Verfahren im Bereich der Qualität und Effizienz – bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten für den Schweißvorgang und des Energieeintrags – für Anwender aus dem KMU-Bereich bei einem zu erwartenden geringen Investitionsvolumen wesentlich verbessert werden. Stromquellenhersteller können verbesserte Quellen anbieten.

Ergebniszusammenfassung:

Bei einem Metallschutzgas-Schweißen (MSG-Prozess) können Instabilitäten auftreten, die die Schweißnahtqualität stark beeinflussen bzw. verschlechtern. Da die Regelung der Schweißstromquelle einen

wesentlichen Einfluss auf den Tropfenübergang und damit auf die Stabilität eines MSG-Prozesses hat, bietet eine

aktive und dynamische Regelung des Tropfenübergangs eine Möglichkeit zur Stabilisierung von MSG-Prozessen.

Dieses Forschungsvorhaben hat daher das Ziel verfolgt, durch ein aktives Eingreifen in die Strom-Zeit-Funktion

einer Schweißstromquelle mit Hilfe eines ereignisbasierten Echtzeit-Mess-Steuer-Systems den Tropfenübergang

zu steuern. Das Erreichen des Projektziels wäre insbesondere für KMU von großem Interesse gewesen, da nach

einer Störung sehr schnell ein für die Nahtqualität erstrebenswerter „one drop per puls (ODPP)“ Zustand, also „ein

Tropfen pro Puls“-Betrieb, wiederhergestellt hätte werden können. Infolgedessen hätten ein zu hoher

Wärmeeintrag ins Bauteil sowie eine erhöhte Emission von Metalldampf vermieden werden können. Wie die

erzielten Forschungsergebnisse zeigen, lässt sich das Ablöseereignis eines Tropfens aus den elektrischen

Signalen des Prozesses detektieren und damit der Schwingungszustand der Restschmelze nach der Ablösung

bestimmen. Es zeigte sich allerdings, dass das Versetzen des Strompulses relativ zum Schwingungszustand der

Restschmelze keine signifikante Auswirkung auf den Ablösezeitpunkt des nächsten Tropfens hat. Damit ist eine

aktive Beeinflussung des Materialtransfers durch Ausnutzung der Analyse der Restschmelzeschwingung nicht

möglich. Als Konsequenz dessen lässt sich aus den Forschungsergebnissen wohl kein wirtschaftlicher Nutzen für

das MSG-Schweißen ziehen. Aus wissenschaftlicher Sicht hingegen ist der erbrachte Nachweis, dass sich der

Restschmelzezustand und der Zeitpunkt der Tropfenablösung beim MSG-Schweißen mit handelsüblichen

Schweißquellen aus den elektrischen Signalen detektieren lassen, als ein Erfolg zu werten.