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Wednesday, September 28, 2011, Saal D 11:25 AM Forschung und Entwicklung - Fügeverfahren |
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Dynamische Beeinflussung des Plasmastichlochschweißprozesses |
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Erwan Siewert* / Universität der Bundeswehr München, Bayern Gerald Wilhelm / Linde Gas, Bayern Jochen Schein/ Universität der Bundeswehr München / Institut für Plasmatechnik und Mathematik, Bayern |
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Die größten Vorteile des Plasmastichlochschweißverfahrens liegen in einem geringen Aufwand für die Nahtkantenvorbereitung, hohen Schweißgeschwindigkeiten sowie hochqualitativen Nähten. Bei dickeren Blechen, variierender Spaltbreite und Kantenversatz kommt es jedoch insbesondere bei un- und niedriglegierten Stählen zu Prozessinstabilitäten. Hierdurch bildet sich die Naht unregelmäßig aus, hängt und fällt durch oder es bilden sich Einbrandkerben aus. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Instabilitäten durch die dynamische Beeinflussung des Lichtbogens gemindert oder vermieden sowie die Schweißgeschwindigkeit gesteigert werden können. Die dynamische Beeinflussung des Lichtbogens wurde bisher durch das Pulsen des Schweißstroms und der Plasmagasmenge erreicht. Die physikalischen Auswirkungen der Lichtbogendynamik sind jedoch nicht vollständig geklärt. Zudem fehlen Einstellparameter für die Anwender und eine Gegenüberstellung der Methoden, aus welcher der praktische Nutzen hervorgeht. Im vorliegenden Beitrag werden Apparaturen zur dynamischen Zuführung des Plasmagases und des Fokussiergases vorgestellt, die auf handelsübliche Schweißbrenner adaptiert werden können (Add Ons). Entgegen bisheriger Untersuchungen kann nicht nur die Durchflussmenge zeitlich variabel gestaltet werden, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Prozessgase bis zu einer Frequenz von ca. 20 Hz. Dadurch können die positiven Eigenschaften unterschiedlicher Gase kombiniert werden, wie z.B. den Tiefschweißeffekt von Argon und den hohen Energieeintrag durch Helium. Weiterhin sind die Impulslängen, die Frequenzen, die Impulsformen, die Amplituden und Offsets frei einstellbar. Für das Fokussiergaspulsen wurden unterschiedliche Düsenkonzepte entwickelt, die sich durch ihre Wirkstelle im Lichtbogen und am Werkstück unterscheiden sowie Düsen, die das Pendeln des Lichtbogens ermöglichen. Für das Strompulsen wird eine moderne Inverterstromquelle eingesetzt. Die Modulation des Schweißstroms erfolgt bei unterschiedlichen Frequenzen (Hertz- bis Kilohertz), Amplituden und Offsets. Die Effekte der Einstellparameter aller Pulsvorrichtungen werden diagnostisch durch Schlierenaufnahmen und dynamische Staudruck- und Stromdichtemessungen untersucht. Die Auswirkungen der dynamischen Lichtbogenbeeinflussung auf die Schmelzbadausbildung werden anhand von Schliffen und ausgetriebenen Schmelzbädern dargestellt. Für den Anwender werden die Vorteile der einzelnen Add-Ons im Vergleich zum herkömmlichen Plasmaprozess dargestellt und die drei Ansätze hinsichtlich des Aufwandes und des Nutzens verglichen. |