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EFB-Forschungsbericht Nr. 300

Integration und Überwachung des Schweißens von Normteilen in Blech-Verbundwerkzeuge

EFB300.jpg

Verfasser:
Dr.-Ing. Dipl.-Oec. Rouven Nickel, Dipl.-Ing. Dominic Gruß, IPH Hannover - Dipl.-Ing. Franz Zech, Dr.-Ing. Heide Cramer, SLV München

146 Seiten (sw, 93 Abb.,19 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-335-6

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 59,00

Zusammenfassung

Ziel des Projektes „Integration und Überwachung des Schweißens von Normteilen in Blech-Verbundwerkzeuge“ (AiF 14938 N/1) war die Entwicklung einer Schweißstufe, die integriert in einem Blech-Verbundwerkzeug einen vollautomatisierten Bolzenschweißprozess während der Blechteilefertigung ermöglicht. Als Verfahren wurde das Lichtbogen-Bolzenschweißen mit Spitzenzündung im Kontaktverfahren gewählt. Zur Integration dieser Fügeoperation wurde ein geeignetes Konzept für die Zuführung der Fügeelemente über den Blechniederhalter ins Werkzeug entwickelt. Abgestimmt wurde das Versuchswerkzeug auf den Einsatz von Gewindebolzen mit Zündspitze nach DIN EN ISO 13918 der Größe M5x16.

Das Versuchswerkzeug besteht aus einer Loch, Füge- und Abschneidestufe. Der Schweißvorgang erfolgt über einen an die Werkzeugkinematik angepassten Schweißkopf, der im Oberwerkzeug montiert ist. Die Zuführung der Schweißelemente erfolgt durch pneumatischen Einschuss von einem Vibrationswendelförderer in das Werkzeug. Eine Absaugung und eine Abschirmung des Schweißbereiches gewährleisten eine effiziente Entfernung von Schweißemissionen wie Schweißspritzern und Verbrennungsrückständen. Ausgestattet mit entsprechenden Sensoren wurde das Versuchswerkzeug über eine SPS-Steuerung mit dem Wendelförderer, der Schweißstromquelle, dem Blechvorschub sowie der Presse gekoppelt.

Für die Steuerung wurde ein Programm entwickelt, das sämtliche Aktoren abhängig von der Stößelposition der Presse steuert und einen vollautomatisierten Betrieb ermöglicht. Der Spannungs- und Stromverlauf während des Schweißprozesses sowie die Bolzenbewegung wurden mit einer Überwachungssoftware aufgezeichnet und ausgewertet. Die Ergebnisse zeigten eine gute Prozessstabilität bei hohen Auftreffgeschwindigkeiten des Bolzens in das Schmelzbad.

In Versuchsserien wurden durch Variation der Parameter Blechdicke, Oberflächenzustand, Fügekraft und Kondensator-Ladespannung Einstellungen für eine möglichst hohe Verbindungsfestigkeit sowie eine Minimierung der Schweißemissionen bei Erreichen einer Mindestfestigkeit ermittelt. Die Schweißüberwachung zeigte dabei stets eine gute Reproduzierbarkeit des Fügeprozesses. Die Tragfähigkeit der Schweißverbindungen wurde durch Biegewechselversuche geprüft und wies bei geeigneten Einstellungen für das verwendete Blechmaterial maximal erreichbare Werte auf. Schliffbilder der Fügeverbindungen belegen eine sehr gute Schweißqualität mit geringen Lunkeranteilen und guter Reproduzierbarkeit. Sämtliche Schweißergebnisse sowie Veränderungen und Verschleiß am Werkzeug sind fotografisch dokumentiert.

Dauerversuche mit Stahlblech der Güte DC 04 in einer Stärke von 1,00 mm zeigten eine hohe Zuverlässigkeit der Versuchsanlage und der Prozessüberwachung. Die auftretenden Störungen und eingestreute Störgrößen wurden sicher erkannt. Abschließend wurden zusätzliche Versuche mit austenitischem Chrom-Nickel-Stahl (1.4301) sowie mit feuerverzinktem Blech (DX54D+Z100) durchgeführt, um die Auswirkungen der dabei veränderten Schweißemissionen zu untersuchen.

Die Projektergebnisse zeigen, dass sich der Bolzenschweißprozess mit Spitzenzündung im Kontaktverfahren aufgrund der Fügekinematik und hohen Fügegeschwindigkeit prozessstabil in Blech-Verbundwerkzeuge integrieren lässt. Den auftretenden Emissionen kann ohne negative Auswirkungen auf die Schweißergebnisse durch Abschirmung des Schweißbereiches zusammen mit einer gesteuerten Absaugung begegnet werden.

Das Forschungsvorhaben „Integration und Überwachung des Schweißens von Normteilen in Blech-Verbundwerkzeuge“ wurde unter der Fördernummer AiF 14938N 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. 300 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Abstract

Aim of the project "Integration and control of welding of standard parts in sheet metal tools" (AiF 14938 N/1) was the development of a welding stage which allows a fully automated stud welding process of sheet metal parts during manufacturing by being integrated into a progressive die. The chosen procedure was condenser discharge arc stud welding in contact method. To integrate this welding operation into a progressive die a concept was developed for feeding the joining elements into the tool though the blank holder. The test tool was aligned to threaded bolts with ignition tips in accordance with DIN EN ISO 13918 of the size M5 x 16. The welding process is conducted via a welding head that is adapted to the kinematics of the progressive die and mounted to the upper tool.

The test tool consists of punching, welding and cutting stages. The joining elements are fed into the welding phase of the test tool by pneumatic injection from a vibrating spiral conveyor. From there they are inserted into the bolt holder of the welding head through the internal feeding mechanism of the die. Systematic protection of the welding area and an extraction system guarantee an efficient removal of welding residue from combustion or spillings. Equipped with appropriate sensors, the test tool was connected with the spiral conveyor, the welding power source (a condenser with a capacity of 66,000 ?F), the slit strip feeder and the hydraulic press, and steered by a programmable logic controller (PLC). For the steering process, a programme was developed that controls all actuators in dependence from the position of the slide of the press, and allows completely automated operation. Voltage and current flow during the course of the welding process and the movement of the bolt are recorded and evaluated by the monitoring software STUD-DI.

The movement of the bolt provides information on the impact speed of the bolt into the weld pool. In experimental series, optimal settings of the welding process for achieving high joint strength and a minimum of emissions were determined by varying the parameters thickness, surface condition, joining force and capacitor charging voltage. Welding process monitoring consistently showed good reproducibility of the welding process. Bearing strength of the welded joints was tested by two-way bending fatigue tests. Polished cut images of the joints show very good bond quality, reproducibility and process safety under favourable settings. All the welding results as well as changes and wear of the test tool have been documented photographically. For duration tests, steel sheet metal of the quality DC04 with a thickness of 1.00 mm was chosen. Robustness, reliability and maintenance costs of the test tool have been documented. Finally, additional experiments with austenitic chromium-nickel steel (1.4301) and zinc coated sheet metal (DX54D + Z100) were conducted to study the effects of the altered welding emissions. The project results show that, due to its high welding speed and beneficial process kinematics, stud welding with tip ignition in contact method can be integrated into progressive dies without destabilizing the welding process. Occurring emissions can be compensated without any negative effects on the welding results by an adequately controlled extraction removal system.

Inhalt

1 Einleitung
2 Aufgabenstellung
2.1 Ausgangssituation
2.2 Forschungsziel
2.3 Vorgehensweise
2.3.1 Konzeptioneller und konstruktiver Teil
2.3.2 Inbetriebnahme und versuchstechnischer Teil
3 Experimentelle Randbedingungen
3.1 Anlagenkomponenten der Umformtechnik
3.1.1 Hydraulikpresse und Pressensteuerung
3.1.2 Abwickelhaspel
3.1.3 Zangenvorschub
3.2 Anlagenkomponenten der Schweißtechnik
3.2.1 Schweißstromquelle
3.2.2 Bewegungsvorrichtung
3.2.3 Schweißstromkreis
3.2.4 Vibrationswendelförderer zur Bolzenvereinzelung und Zuführung
3.2.5 Absaugaggregat
3.3 Anlagensteuerung
3.4 Werkstoffe und Probenabmessungen
3.4.1 Werkstoffe
3.4.2 Probenabmessungen
3.5 Schweißüberwachung, Messtechnik und Prüfmethoden
3.5.1 Schweißüberwachung
3.5.2 Bauteilvermessungen
3.5.3 Sichtprüfung
3.5.4 Biegeprüfungen
3.5.5 Schliffuntersuchungen
3.6 Arbeitsprogramm der Schweißversuche
4 Ergebnisse
4.1 Werkzeugkonzeption und Anforderungen
4.1.1 Konzeption des Zuführ- und Fügemoduls
4.1.2 Anforderungen an das Versuchswerkzeug und die Gesamtanlage
4.2 Konstruktion des Versuchswerkzeuges
4.2.1 Bolzenzuführung
4.2.2 Abschirmung des Schweißraumes
4.2.3 Schweißkopf
4.2.4 Absaugung
4.2.5 Grundwerkzeug und Integration der Bolzenschweißstufe
4.3 Steuerung und Automatisierung
4.3.1 Pressensteuerung
4.3.2 Werkzeugsteuerung
4.3.3 Strategie gegen Fehler und Folgeschäden
4.3.4 Auswahl und Integration der Sensorik
4.4 Inbetriebnahme der Versuchsanlage
4.5 Mechanische Kennwerte des Schweißkopfes
4.5.1 Ermittlung der Auftreffgeschwindigkeit
4.5.2 Anpresskraft
4.6 Schweißversuche
4.6.1 Optimierung der Schweißparameter
4.6.2 Dauerversuche
4.6.3 Störgrößenversuche
4.6.4 Werkstoffeinfluss
4.7 Erfahrungen mit der Versuchsanlage
4.7.1 Störungen
4.7.2 Maßnahmen gegen Verschmutzung
4.7.3 Zuführmechanismus
4.7.4 Schweißkopf
4.8 Ergebnisse der Bauteilvermessungen
4.8.1 Positionsgenauigkeit
4.8.2 Orientierungsgenauigkeit
5 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit den Zielsetzungen
5.1 Verwendung der Sachzuwendungen
5.2 Anwendbarkeit der Methode
5.3 Umsetzung der Forschungsergebnisse
5.4 Technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
6 Diskussion und Ausblick
7 Zusammenfassung
8 Veröffentlichungen
8.1 Zeitschriften
8.2 Vorträge
8.3 Präsentations-Video
8.4 Präsentations-Poster
9 Literatur
9.1 Normen und Richtlinien
9.2 Allgemeine Literatur
10 Anhang
10.1 Anforderungskatalog
10.2 FMEA
10.3 Übersicht der Versuchsreihen
10.4 Vermessungsergebnisse
11 Abbildungsverzeichnis
12 Tabellenverzeichnis
13 Abkürzungen und Formelzeichen