Stöbern Sie in der
Publikationsliste »

0 Dokumente
auf der Merkliste »

EFB-Forschungsbericht Nr. 045

Prozesssteuerungskonzept zum spritzerfreien MIG-Impulslichtbogenschweißen von dünnen Aluminiumblechen

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Dilthey, Dipl.-Ing. M. Grave, Dipl.-Ing. U. Reisgen, Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

215 Seiten (Sw 164 Abb.)

ISBN: 978-3-86776-113-0

Preis (Digital) EUR 97,00

Preis (Print) EUR 109,10

Schlagwörter: Aluminiumblechen

Zusammenfassung

Die zahlreichen positiven Eigenschaften von Aluminiumwerkstoffen, z.B. hinsichtlich Gewicht, Recyclingfähigkeit, Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, führen zu einem ständig steigenden Praxiseinsatz dieser Werkstoffe.

Dabei haben sich die Werkstoffe AlMg 3 für den Innenbereich und AlMg 0,4 Si 1,2 (Anticorodal 120) für den Außenbereich wegen ihrer guten Umformbarkeit und Festigkeit in Europa große Anwendungsgebiete erschlossen . Nur in wenigen Fällen entsteht jedoch durch das Umformen ein fertiges Endprodukt fast immer sind zusätzlich Verbindungsvorgänge notwendig, um Funktionsteile und Verstärkungen in die Gesamtstruktur einzubinden. Hier bietet sich das Impulslichtbogenschweißen als Verfahrensvariante des Metall-Schutzgasschweißens als zuverlässiges und wirtschaftliches Fügeverfahren an. Zunehmende Anwendung findet diese Technik z.B. im Automobilbau, wo insbesondere auch Schweißungen in Zwangslage erforderlich sind.
Ein wesentliches Kriterium zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens ist die Spritzerarmut Durch Reduzierung der entstehenden Schweißspritzer können Nacharbeit und damit Personalkosten verringert werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden für die genannten Werkstoffe Schweißparameter ermittelt, die ein sehr spritzerarmes Verschweißen im I-Stoß, Übertappstoß und T-Stoß ermöglichen. Diese Schweißparameter wurden in Kennlinienfeldern zusammengefaßt, welche auch die Einstellung von interpolierten Zwischenwerten zulassen, Bilder A86 bis A103. Dazu wurden die Zusatzwerkstoffe S-AlMg 5 bzw. S-AlSi 5 verwendet.

In einer vorausgehenden Grundlagenuntersuchung wurden zunächst die Einflüsse von Kontaktrohrabstand und -durchmesser, Brennerpositionierung, Schutzgaszusammensetzung und einer Chromatierung der Blechoberfläche bestimmt. Danach wurden anhand von Auftragschweißungen erste Schweißparameter an 2 mm dicken Blechen bei sechs verschiedenen Impulsfrequenzen (50, 70, 90, 120, 150, 200 Hertz) ermittelt. Eine Feinoptimierung mittels Hochgeschwindigkeitsfilmaufnahmen und eine Übertragung der gefundenen Parameterwerte auf die verschiedenen Stoßarten schlossen sich an. Anschließend erfolgte die Anpassung dieser Parameter an Blechdicken von 1 mm und 3 mm.

Bei den Grundlagenuntersuchungen konnte kein wesentlicher Einfluß des Kontaktrohrabstandes auf das Schweißergebnis festgestellt werden. Wegen der guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Aluminium wirken sich Abstandsänderungen praktisch nicht auf den Widerstand am freien Drahtende aus. Eine Beeinflussung der Strom- und Spannungswerte ist nicht meßbar. Damit ist die Lichtbogenspannung auch nicht als Regelparameter für eine sensorische Lichtbogenlängenregelung nutzbar. Bei einer Vergrößerung des Kontaktrohrdurchmessers wird der Schweißprozeß deutlich unruhiger. Die Stromkontaktierungspunkte des Schweißdrahtes im Kontaktrohr wechseln häufig, wodurch kein gleichmäßiger Stromübergang möglich ist.

Bei der Brennerpositionierung erwies sich ein Neigungswinkel des Schweißbrenners von 10° als sinnvoll, um die Vorkrümmung des Drahtendes auszugleichen. Durch schleppendes Schweißen wird die Schutzgasabdeckung des Schmelzbades verbessert, wodurch sich die Oxidation der Schweißnahtoberfläche verringert. Bei Überlappschweißungen mußte der Schweißbrenner um 20 ° gegen die Stoßkante angestellt werden, um einen gleichmäßigen Einbrand in Unter- und Oberblech zu erreichen.

Eine Chromatierungsschicht auf der Blechoberfläche verändert die elektrischen Parameter bei gleicher Blechstärke nicht wesentlich. Durch die Beschichtung wird aber die Nahtoberfläche glatter ausgebildet und der vom Reinigungseffekt erfaßte Bereich neben der Schweißnaht wird schmaler. Im Rahmen der Grundlagenuntersuchung wurde auch der Einfluß unterschiedlicher Oxidschichtdicken auf das Schweißergebnis untersucht.

Hier zeigte sich in Bezug auf die Porenhäufigkeit eine erhöhte Anfälligkeit von im Freien gelagerten Blechen, wenn die Stoßkanten vor dem Schweißen nicht weiter bearbeitet wurden.
Beim Verschweißen des Werkstoffes AlMg 3 wurden im unmittelbaren Nahtbereich pulverförmige, schwarze Oberflächenablagerungen registriert. Eine Analyse mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie, der Mikrosondenanalyse und der Röntgenbeugung ließ darauf schließen, daß die rußähnlichen Ablagerungen aus MgO sowie a-Al203 in hexagonaler und tetragonaler Form bestehen und durch eine verbesserte Schutzgasabdeckung zumindest teilweise vermindert werden können.

Insgesamt bestätigte sich bei der Optimierung der Schweißparameter, daß der WerkStoffübergang mit einem Tropfen pro Impuls ein Optimum hinsichtlich Spritzerfreiheit, Einbrand und Nahtausbildung bietet. Dabei sind Unterschiede zwischen verschiedenen Impulsfrequenzen insofern gegeben, als ein höheres Energieangebot, z.B. bei einer Impulsfrequenz von 200 Hz, zu einem besseren Verlaufen des heißen Schmelzbades und zu besserem Einbrandverhalten führt. Bei höheren Impulsfrequenzen wird der Lichtbogen auch unempfindlicher gegen Störungen des Schweißvorgangs z.B. bei Lichtbogenverkürzungen durch gewellte Bleche, da das Tastverhältnis zunimmt und somit das Selbstregelverhalten verbessert wird. Die schnelle Tropfenfolge führt zu einer feinen Schuppung der Nahtoberfläche, wodurch sich optisch ansprechende Schweißnähte ergeben.

Der Zusatzwerkstoff S-AlMg 5 konnte nicht absolut spritzerfrei verschweißt werden. Als Ursache hierfür konnte nach Auswertung der Hochgeschwindigkeitsfilmaufnahmen eine Vergrößerung des Tropfenvolumens ermittelt werden. Diese Volumenvergrößerung ist auf das Verdampfen der Magnesiumbestandteile im Zusatzwerkstoff zurückzuführen, da der Siedepunkt des Magnesiums von 1100 ° C im Lichtbogenraum erreicht wird. Das schlagartige Verdampfen des Magnesiumanteiles im übergehenden Tropfen bei hohen Impulsspannungen und somit schneller Tropfenerwärmung führt zum Herausschleudern von schmelzflüssigem Material und zur Spritzerbildung.
Durch eine weitgehende Reduzierung der Impulsspannung konnte dieser Effekt stark verringert werden, so daß sich ein spritzerarmer, stabiler Schweißprozeß einstellen ließ.

Für den Zusatzwerkstoff S-AISi 5 ließen sich hingegen quasi spritzerfreie Schweißparameter ermitteln. Da Silizium in der Lichtbogenstrecke nicht verdampft, bleibt die plötzliche Volumenerhöhung aus, so daß die Impulszeit verringert werden kann. Es bildet sich eine fein geschuppte, ansprechende Nahtoberfläche aus. Die Schweißgeschwindigkeit muß erhöht werden, um ein Durchfallen des Schweißbades zu verhindern, während die anderen Parameter fast unverändert bleiben können. Auffällig ist die starke Porenbildung im Überlappstoß bei diesem Werkstoff. Bei den schlechteren Entgasungsmöglichkeiten in dieser Stoßart ist der Si-legierte Werkstoff besonders anfällig für das Einschließen von Wasserstoff im Schweißgut Abschließend wurden die ermittelten Parameter auf Blechstärken von 1 mm und 3 mm übertragen. Bei 1 mm Blechstärke mußte die Impulsspannung reduziert werden, um den Lichtbogendruck zu verringern.

Gleichzeitig war eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit notwendig, um ein Durchfallen des Schweißbades zu vermeiden. Der Wärmeverzug war bei dieser Blechstärke sehr groß, so daß auf eine feste Einspannung der zu verschweißenden Bleche geachtet werden mußte. Die abschließenden Untersuchungen an 3 mm starken Blechen erforderten eine Absenkung der Schweißgeschwindigkeit im Vergleich zu den 2 mm dicken Blechen, um die größere Wärmeabfuhr auszugleichen.
Eine interessante Erweiterung der Untersuchungsergebnisse wären sicherlich Versuche zur Ermittlung der maximal zulässigen Fertigungstoleranzen der zu fügenden Blechteile.

Da sich vor allem bei den dünnen Blechen mit Blechstärken von 1 mm und 2 mm eine deutliche Abhängigkeit der Schweißnahtausbildung von Geometrieabweichungen ergab, würde ein "Merkblatt" bzw. eine Datenbank mit den zulässigen Grenzwerten für Spaltbreite, Stirnflächenabstand, Brenner- und Kantenversatz sowohl dem Konstrukteur als auch dem Fertigungstechniker wertvolle Hinweise auf die einzuhaltenden Toleranzen liefern und somit schon in der Entwicklungsphase zur Kostenreduzierung beitragen.

Toleranzfelder sollten auch für die zulässigen maximalen und minimalen Schweißgeschwindigkeiten ermittelt werden, um gezielt den Einbrand bzw. die Schweißgeschwindigkeit und somit die Wirtschaftlichkeit optimieren zu können. Hier sollte sich die Bestimmung weiterer fertigungstechnisch relevanter Daten anschließen, wie z.B. eine Untersuchung des benötigten Arbeitsraumes und die Abhängigkeit des a-Maßes von Schweißgeschwindigkeit, Drahtvorschubgeschwindigkeit und Drahtdurchmesser.

Im Hinblick auf die stärkere Porenentstehung bei den Übertappstößen sollte überprüft werden, ob durch einen Spalt zwischen den Blechen eine Verbesserung der Entgasung erzielt werden kann, um eine höhere Nahtqualität zu gewährleisten. Von besonderem Interesse ist eine Untersuchung der werkstoffkundlichen Ursachen für die Entstehung der sehr fein verteilten Porosität im Siliziumhaitigen Werkstoff. Hier sind in der Fachliteratur keine gesicherten Erkenntnisse zu finden. Auch im Hinblick auf Schweißungen an Aluminium-Gußwerkstoffen, die im allgemeinen höhere Siliziumanteile enthalten, ist der Einfluß der Legierungselemente auf die Porenentstehung von Bedeutung.

Das Forschungsvorhaben „Prozesssteuerungskonzept zum spritzerfreien MIG-Impulslichtbogenschweißen von dünnen Aluminiumblechen“ wurde unter der Fördernummer AiF-Nr.: 8318 von der EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V.) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 45 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.   

Inhalt

1. Problemstellung
2. Auswertung des Schrifttums
2.1 Physikalische Grundlagen des Schutzgasschweißens
2.2 Metall-Inertgasschweißen von Aluminiumwerkstoffen
2.3 Eigenschaften von Aluminium und Aluminiumlegierungen
2.3.1 Grundlagen
2.3.2 Einteilung der Aluminiumsorten
2.3.3 Eigenschaften und Gefügeaufbau von Al-Legierungen
2.4 Eigenschaften der Schutzgase
2.4.1 Argon
2.4.2 Helium
2.5 Einflüsse auf Spritzerentstehung und Werkstoffübergang
2.6 Ursachen für Schweißnahtfehler
3. Versuchswerkstoffe, Versuchsaufbau und Auswerteverfahren
3.1 Verwendete Werkstoffe und Schutzgase
3.2 Schweißeinrichtungen
3.3 Meßeinrichtungen und Meßmethoden
3.4 Hochgeschwindigkeitsfilmtechnik
3.5 Auswertegeräte und -verfahren
4. Vorgehensweise bei der Ermittlung der Schweißparameter
5. Grundlagenuntersuchungen
5.1 Einfluß des Kontaktrohrabstandes
5.2 Einfluß des Kontaktrohrdurchmessers
5.3 Brennerpositionierung: Schweißung in Horizontalposition
5.4 Brennerpositionierung: Schweißung in senkrechter Position
5.5 Einfluß der Schutzgaszusammensetzung
5.6 Einfluß von Beschichtungen
5.7 Einfluß der Oxidschicht
6. Werkstoffkundliche Untersuchung entstehender Oberflächenablagerungen
6.1 Transmissionselektonenmikroskopische Untersuchung
6.2 Mikrosondenuntersuchung
6.3 Röntgenbeugung
7. Einfluß der Werkstoffe und Nahtformen
7.1 AlMg 3 und S-AlMg 5
7.1.1 Auftragschweißung
7.1.2 I-Stoß
7.1.3 Übertappstoß
7.1.4 T -Stoß
7.2 AlMg 0,4 Si 1,2 und S-AlSi 5
7.2.1 Auftragschweißung
7.2.2 I-Stoß
7.2.3 Übertappstoß
7.2.4 T-Stoß
8. Einfluß der Blechdicke
8.1 Blechdicke 1 mm
8.2 Blechdicke 3 mm
9. Einfluß der senkrechten Schweißposition
9.1 I-Stoß
9.2 Übertappstoß
10. Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Praxis
11. Zusammenfassung und Ausblick
12. Literaturverzeichnis
13. Bildanhang