Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hochproduktives MSG-Verbindungsschweißen durch den Einsatz von Zusatzheißdraht und einer magnetinduzierten zweidimensionalen Lichtbogenauslenkung

Aufgrund seiner Vorteile hinsichtlich Automatisierbarkeit, Handhabung, Verfügbarkeit und Investitionskosten wird das Metall-Schutzgas- (MSG) Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen metallischer Werkstoffe insbesondere in kmU sehr häufig angewendet. Eine Steigerung der Produktivität über die Abschmelzleitung wird bisher durch die verfahrensbedingte Kopplung der Material- und Wärmeeinbringung begrenzt. So bedingt eine Erhöhung der abgeschmolzenen Materialmenge bisher eine Steigerung der Wärmeeinbringung in das Bauteil, wodurch die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißverbindung unzulässig herabgesetzt werden.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird ein MSG-Heißdraht (MSH-HD) Prozess für das Verbindungsschweißen entwickelt und erprobt, mit dem der Wärmeeintrag in das Bauteil flexibel an die Schweißaufgabe und die Werkstoffanforderungen angepasst werden kann. Den bisherigen Restriktionen des MSG-HD-Schweißprozesses (Unzulässige Verringerung des Einbrandes und des Benetzungsverhaltens) wird durch eine zweidimensionale magnetische Auslenkung des Lichtbogens begegnet. Dadurch wird neben der Anpassung des Gesamtwärmeeintrags eine gezielte Steuerung des Wärme- und Temperaturfeldes am Werkstück ermöglicht. Durch die Entkopplung des Material- und Wärmeeintrages werden Abschmelzleistungen größer als 15 kg/h und zugleich eine davon unabhängige und definierte Einstellung der mechanisch-technologischen Eigenschaften ermöglicht.

Das Vorhaben liefert fundierte wissenschaftliche und anwendungsbezogene Erkenntnisse wie das MSG-HD-Verbindungsschweißen sowohl mit bestehender Gerätetechnik als auch mithilfe eines zu entwickelnden kompakten Brenneraufsatzes auf unterschiedliche Werkstoffe und Schweißaufgaben angewendet werden kann. KmU werden hierdurch in die Lage versetzt, die Produktivität in der schweißtechnischen Fertigung zu steigern und gleichzeitig die Bauteilqualität im Vergleich zum konventionellen MSG-Prozess zu erhöhen.

Ergebniszusammenfassung:

Das abgeschlossene Forschungsvorhaben adressierte ein heißdrahtunterstütztes MSG-Hochleistungs- schweißverfahren für das Verbindungsschweißen, welches sich durch eine Entkopplung von Material- und Energieeintrag durch Nutzung einer dynamischen, zweidimensionalen Lichtbogenauslenkung auszeichnet. Dadurch kann sowohl der Wärmeeintrag durch den Lichtbogen, als auch der Werkstoffübergang an die Nahtgeometrie angepasst und damit die thermische Beanspruchung des Grundwerkstoffes unabhängig von der Abschmelzleistung gesteuert werden.

Die wesentlichen Ergebnisse aus dem Vorhaben beinhalten die Analyse eines gesteuerten Wärmefeldes auf die Größe und Form der Wärmeeinflusszone und den erzeugten mechanisch-technologischen Eigenschaften der Schweißnaht. Darüber hinaus erfolgte die Herstellung einer adaptiven Magneteinheit und die konstruktive Anpassung der Drahtführung zweier AC-Heißdrähte, zur zweidimensionalen Auslenkung des MSG-Lichtbogens. Anhand wissenschaftlicher Untersuchungen zum Lichtbogenverhalten, dem Werkstoffübergang, sowie numerischer Simulationen konnte die erforderliche Lagenanzahl zur Herstellung einer hochqualitativen Schweißverbindung reduziert und somit die Produktivität gesteigert werden. Dies ermöglicht dem Anwender des Verfahrens die Verbindungseigenschaften gezielt an die Anwendungsanforderungen anzupassen.

So profitieren Anwender und insbesondere kmU von einer wissenschaftlich fundierten Erweiterung des Einsatzbereichs eines etablierten und kostengünstigen Lichtbogenschweißverfahrens. Dies betrifft insbesondere Endanwender für die schweißtechnische Verarbeitung von Dickblechen, sowie Entwickler und Hersteller von Schweißgerätetechnik. Somit resultiert ein direkt quantifizierbarer, wirtschaftlicher Nutzen für kmU.