Massive Bauteile innovativ geschweißt

Steinbeis-Projektteam entwickelt Schweißverfahren und -pulver

Aluminium und dessen Legierungsgruppen gewinnen als Konstruktionswerkstoff in den unterschiedlichsten industriellen Einsatzgebieten ungebremst an Bedeutung. Die geringe Dichte macht das Material im Leichtbau vor allem für die Fahrzeugindustrie, Luft- und Raumfahrttechnik sowie den Schiffs- und Schienenfahrzeugbau interessant. In den industriellen Anwendungen als rohr- oder profilförmige Bauteile werden Aluminiumbleche mit der geforderten Wandstärke zu Rohren gewalzt und anschließend eine Längsnaht geschweißt. Die Fertigung größerer Bauteilquerschnitte ist bisher nicht wirtschaftlich, da mit den herkömmlichen Verfahren Mehrlagenschweißungen notwendig werden, die sehr zeitaufwendig und damit teuer sind. Alternativ dazu werden die Elektroschlacken- und Unterpulver-Schweißverfahren verwendet. Für diese Verfahren haben das Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation und sein Projektpartner Bavaria Schweißtechnik eine neue innovative Verfahrenstechnologie und deren Schweißpulver entwickelt, die die notwendige Leistung zum Fügen großer Aluminium-Bauteilquerschnitte bereitstellt.

Beim Unterpulver-Schweißen brennt der Lichtbogen verdeckt in einer Gaskaverne unter einer Schicht aus Schweißpulver. Im Schweißprozess wird das Pulver mit aufgeschmolzen und bildet eine flüssige Schlacke, die auf dem Schweißgut aufschwimmt, dieses formt und vor Oxidation schützt. Das Verfahren bietet gegenüber den anderen Lichtbogen- Schweißverfahren eine Vielzahl von Vorteilen: So lassen sich aufgrund der hohen Stromstärken bei der Verwendung von dicken Drähten (> 3,0 mm) sehr hohe Abschmelzleistungen erzielen, wodurch sich große Nahtvolumen wirtschaftlich füllen lassen. Dickwandige Aluminiumbauteile bieten zahlreiche Einsatzmöglichkeiten, wie Straßenbrücken für Maut-Erfassungssysteme, Schiffsbauteile für Schnellboote, Aluminiumfelgen für LKW oder Komponenten für Großmotoren. Daher waren eine Unterpulver-Verfahrenstechnologie und ein Schweißpulver gefragt, um das Aluminium-Unterpulver-Schweißen zum wirtschaftlich rentablen Fügeverfahren weiterzuentwickeln und in der Industrie zu etablieren. Gemeinsam mit dem Industrieberater, der Bavaria Schweißtechnik GmbH, entwickelten die Experten am Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation daher ein innovatives Schweißpulver und dessen Technik zum Unterpulver- Schweißen von dickwandigen Aluminium-Bauteilen. Zu Projektbeginn wurden die chemischen Bestandteile des entwickelten Schweißpulverkonzeptes prozesstechnisch untersucht und optimiert, um die Nahtqualität zu verbessern. Die Hauptaufgabe der Pulverbestandteile liegt darin, die Aluminium-Oxidschicht während des Schweißprozesses zu beseitigen sowie Porenbildung, Lunker und Bindefehler im Schweißnahtbereich zu vermeiden. Dafür erarbeitete das Steinbeis- Team unterschiedliche Pulvergemische mit ihrer chemischen Zusammensetzung und prozentualen Mengenbestandteilen. Im Anschluss gaben die schweißtechnischen Untersuchungen Aufschluss über die Auswirkung der Pulverbestandteile auf Lichtbogenzündung und –verhalten sowie die Naht- und Schlackenbildung. „Wir haben dabei festgestellt, dass bei den geschweißten Proben mit den konzipierten Pulvergemischvarianten – Hauptbestandteile waren Oxide – ein relativ stabiler Schweißprozess und eine gute Nahtausbildung entstanden sind“, erläutert Dr.-Ing. Khaled Alaluss, einer der Leiter des Dresdner Steinbeis-Zentrums. Die dabei abgebildeten Schweißschlacken bilden einen stabilen Schweißprozess und lassen sich gut ablösen und entfernen.

Für die Verbesserung der chemischen Pulverzusammensetzung ermittelten die Projektpartner signifikante Einflussgrößen und stellten daraus mit dem entwickelten Pulvergemisch poren-, bindefehlerfreie und qualitätsgerechte Aluminium-Schweißverbindungen her. Schließlich erarbeiteten die Schweißspezialisten eine Schweißtechnologie, mit der Unterpulver- Schweißungen von Aluminium und Aluminium-Legierungen (AlMg4.5Mn) hergestellt wurden.In Abhängigkeit

  • der entkoppelten Unterpulver-Prozessparameter (Schweißstrom, -spannung, -geschwindigkeit und Brennerabstand „Steak Out“),
  • der Bauteilabmessungen (Dicke 10 – 30 mm),
  • der Wärmeabführbedingungen (Streckenenergie, Bauteilerwärmung/- abkühlung) und
  • der definierten Aluminiumlegierungen

entstanden qualitätsgerechte Schweißverbindungen. Unter den definierten betriebspraktischen Bedingungen evaluierte das Projekt-Team abschließend die entwickelte Unterpulver-Verfahrenstechnologie, indem sie Aluminium-Demonstratorbauteile in Form von qualitätsgerechten Stoßart-Verbindungen (I-, V-, und Doppel V-Naht) herstellten und prüftechnisch charakterisierten.

Am Ende des erfolgreichen Projekts konnten Steinbeis und Bavaria Schweißtechnik nachweisen, dass die erreichte Nahtgüte den geforderten Bauteileigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Porosität, Wurzelausbildung und Härte/Gefügestruktur entsprach. „Damit konnten wir zeigen, dass die erreichbaren mechanisch-technologischen Eigenschaften der geschweißten Aluminium-Verbindungen entscheidend von den Hauptprozessparametern abhängen“, beschreibt Zentrumsleiter Prof. Dr.-Ing. Gunnar Bürkner das erreichte Ergebnis. Die damit erzielten Festigkeitswerte an geschweißten Stoß-Verbindungen von 75% des Mindestwert- Grundwerkstoffes AlMg4.5Mn belegen die erreichten Nahtgüten.

Kontakt

Dr.-Ing. Khaled Alaluss und Prof. Dr.-Ing. Gunnar Bürkner leiten das Dresdner Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation. Das Zentrum ist in der angewandten Forschung, Entwicklung, Konstruktion und Exploitation von Bauteilen und Werkstoffen aktiv. Oleg Nuss ist Mitarbeiter des Zentrums und war Teil des Projektteams bei der Entwicklung des Schweißverfahrens. Hubert Lettner ist Geschäftsführer der Bavaria Schweißtechnik GmbH im bayerischen Unterschleißheim. Das Unternehmen ist Spezialist für Pulver, Drähte und Bänder.

Dr.-Ing. Khaled Alaluss, Prof. Dr.-Ing. Gunnar Burkner, Oleg Nuss
Steinbeis-Innovationszentrum Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweisund
Fugeverfahren, Exploitation
(Dresden)
khaled.alaluss@stw.de

Hubert Lettner
Bavaria Schweistechnik GmbH (Unterschleisheim)
hubert@subarcflux.com

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