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Thursday, September 28, 2017, Saal M 4:00 PM Stahlbau - Fertigung |
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Einsatz einer elektromagnetischen Schmelzbadstütze beim Laserstrahl-(Hybrid)schweißen dickwandiger Stahlbauteile |
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André Fritzsche* / Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Deutschland Marcel Bachmann/ Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Deutschland Andrey Gumenyuk/ Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Deutschland Kai Hilgenberg/ Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Deutschland Michael Rethmeier/ Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Deutschland |
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Die Entwicklung moderner Hochleistungs-Festkörperlaser eröffnet das Potenzial, dickwandige Bauteile einlagig und somit effizient zu fügen. Gerade im Offshorebereich, im Schiff- und Pipelinebau besteht auf diesem Gebiet eine große Nachfrage. Allerdings steigt beim einlagigen Laserstrahlschweißen dickwandiger Bauteile der hydrostatische Druck der schmelzflüssigen Metallsäule, wodurch eine unzulässige Wurzelüberhöhung nach der Erstarrung resultieren kann. Um aufwändige Nacharbeiten zu vermeiden, ist eine Schmelzbadstütze erforderlich. Einen innovativen Ansatz bietet hierbei ein kontaktlos wirkendes, elektromagnetisches Schmelzbadunterstützungssystem. Dieses induziert mittels eines oszillierenden Magnetfeldes Ströme innerhalb des Schmelzbades, die in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld Lorentzkräfte generieren. Diese wirken dem hydrostatischen Druck entgegen, sodass im Idealfall eine Wurzelüberhöhung verhindert wird. Für Durchschweißungen in Wannenlage wurde dieses Verfahren bereits erfolgreich an austenitischen Stählen sowie Aluminiumlegierungen erprobt. In der vorliegenden Arbeit wurde das Verfahren sowie erstmals das Laserhybridschweißverfahren auf ferromagnetische Werkstoffe ausgeweitet, bei denen beim Einsatz oszillierender Magnetfelder Verluste aufgrund von Hystereseeffekten zu berücksichtigen sind. Zudem verlieren das Schmelzbad und ein Teil der Wärmeeinflusszone durch Überschreitung der Curie-Temperatur ihre ferromagnetischen Eigenschaften, wodurch das Magnetfeld in Regionen höherer relativer Permeabilität verdrängt wird und der Kompensationseffekt erschwert wird. Zunächst wird mit Hilfe eines reinen Laserstrahlschweißprozesses die erfolgreiche Kompensation des hydrostatischen Drucks von bis zu 20 mm dicken Platten aus Duplexstahl (1.4462) sowie Baustahl (S235JR) über Variation der elektromagnetischen Leistung und Oszillationsfrequenz gezeigt. Die Wurzelüberhöhung befindet sich demnach bereits ab einer AC-Leistung von 1 kW innerhalb der Bewertungsgruppe B und wird sukzessive mit steigender AC-Leistung reduziert. Weiterführend wird gezeigt, dass die elektromagnetische Schmelzbadstütze auch beim Laserstrahl-Hybridschweißen angewandt werden kann, indem praxisrelevante Y-Nähte an 20 mm dicken Pipelinestählen ohne Wurzelüberhöhung einlagig in Wannenlage geschweißt wurden. Trotz der Beeinflussung des Lichtbogens durch das oszillierende Magnetfeld sowie des zusätzlich zum hydrostatischen Druck zu berücksichtigenden Lichtbogendruckes wurde eine ideale Kompensation auf der Wurzelseite erzielt. |