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Stefan Krinke Henning Zeidler (Hrsg.)
Modellentwicklung zum Berechnen der Schweißhöhe für das formgebende MSG-Schweißen in Zwangslagen
240 Seiten, m. Abb. und Tab., A5, Broschur
ISBN: 9783957351760
Verlag Wissenschaftliche Scripten
Vorwort des Herausgebers In der Schriftenreihe BEITRÄGE ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG werden in loser Folge Forschungsergebnisse aus der Professur Additive Fertigung des Instituts für Maschinenelemente, Konstruktion und Fertigung der Technischen Universität Bergakademie Freiberg veröffentlicht.
Band 1 adressiert die additive Fertigung durch formgebendes MSG-Schweißen im Lichtbogen mit abschmelzender Drahtelektrode (DED-Arc/M, Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM). Stand der Technik ist dabei die Nutzung der sogenannten Wannenlage bzw. PA-Position, bei der der Schweißbrenner stets vertikal verbleibt, das Werkstück durch die Maschine unter dem Brenner gekippt/geschwenkt wird und dadurch eine weitgehend gleichbleibende Schweißraupengeometrie umsetzbar ist. Im Gegensatz dazu fokussiert sich die hier veröffentlichte Dissertationsschrift auf das Schweißen mit bewegtem/gekipptem Brenner in sogenannten Zwangslagen, außerhalb der etablierten Wannenlage.
Dieser zusätzliche Freiheitsgrad ist sehr vorteilhaft bei der hybriden additiven Fertigung – z.B. dem Aufbauen auf existenten Bauteilen – und bei der Fertigung von großen Bauteilen, die nicht effizient im Prozess bewegt werden können. Um in diesen Zwangslagen formgetreu und prozessstabil additiv zu fertigen, sind tiefgehende Kenntnisse über das Verhalten der entstehenden Schweißraupe und somit den Prozess und seine Einflussgrößen zwingende Voraussetzung. Nur damit ist eine verlässliche Bahnplanung möglich, die wiederum die Voraussetzung für eine fehlerfreie additive Fertigung bildet.
Herr Krinke beleuchtet mit seiner Dissertation daher ein besonders relevantes und zugleich komplexes Feld, welches enormes Potenzial zur Weiterentwicklung und industriellen Applikation der additiven Fertigung mit Draht bietet. Seine Untersuchungen leisten einen Beitrag zum Verständnis und zur Nutzbarmachung der drahtbasierten additiven Fertigung mit Lichtbogen, indem sie grundlegende Zusammenhänge der Schweißparameter zum mehrlagigen Schweißraupenaufbau herstellen. Die von ihm erstellten Modelle ermöglichen es, stabile Parameter für das formgebende Schweißen in Zwangslagen zu ermitteln. Sie legen damit die Grundlagen für eine angepasste Bahnplanung, die für die additive Fertigung einen großen Stellenwert besitzt.
Prof. Dr.-Ing. Henning Zeidler
Freiberg, im August 2023
Aus dem Inhalt:
1 Einleitung
2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Kategorisierung des Schweißprozesses nach DIN 8580
2.2 Fügen durch Schweißen
2.3 Schweißposition
2.4 Schweißbarkeit
2.5 Lichtbogenschweißen
2.5.1 Prinzip und Kraftwirkung
2.5.2 Metallschutzgasschweißen
2.5.3 Kennlinien des MSG-Prozesses
2.5.4 Stromstärke und Spannung beim MSG-Verfahren
2.5.5 Einbrandverhalten
2.6 Auftragschweißen
2.6.1 Grundlegendes zum Auftragschweißen
2.6.2 Pfadplanungsstrategie mit dynamischer Schweißraupenbreite
2.6.3 Variierender Schweißraupenabstand
2.6.4 Raupenbreitenberechnung
2.6.5 Schweißgut
2.6.6 CMT – Cold Metal Transfer
2.7 Prozessrelevante Größen und Fehler
2.7.1 Schweißraupenquerschnitt und Kontaktwinkel
2.7.2 Prozessfehler
2.7.3 Fehler durch die Kinematik
2.7.4 Messfehler
2.8 Hybridmaschine 2.9 Zusammenfassung Stand der Wissenschaft und Technik
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Experimentelle Untersuchung & Prozessanalyse
4.1 Versuchsplanung
4.1.1 Vorgehen
4.1.2 Grundlegende Versuche
4.1.2.1 Versuchsreihe 1: Reproduzierbarkeit
4.1.2.2 Versuchsreihe 2: Geschwindigkeitsverhältnis
4.1.2.3 Versuchsreihe 3: Parameterkombination
4.1.2.4 Versuchsreihe 4: Zwangslagen PC, PF, PG
4.1.2.5 Versuchsreihe 5: Blockschweißungen in Wannen- und Zwangslagen
4.1.3 Validierungsversuchsreihe an komplexen Geometrien
4.2 Versuchsaufbau
4.2.1 Anlagen und Systemtechnik
4.2.2 Stellgrößen
4.2.3 Pfadplanungsstrategie
4.2.4 Messtechnik
4.3 Werkstoffprüfung
4.3.1 Proben
4.3.2 Zugversuch
4.3.3 Kerbschlagbiegeversuch
4.4 Versuchsdurchführung und Auswertung
4.4.1 Versuchsreihe 1: Reproduzierbarkeit
4.4.2 Versuchsreihe 2: Geschwindigkeitsverhältnis
4.4.3 Versuchsreihe 3: Parameterkombination
4.4.3.1 Streckenenergie
4.4.3.2 Drahtvorschub vD
4.4.3.3 Schweißraupendimensionen
4.4.4 Versuchsreihe 4: Zwangslagen PC, PF, PG
4.4.4.1 Zwangslagen
4.4.4.2 Steignaht - Einzelnaht
4.4.4.3 Fallnaht – Einzelnaht
4.4.4.4 Horizontalnaht – Einzelnaht
4.4.4.5 Steignaht – Doppelnaht
4.4.4.6 Fallnaht – Doppelnaht
4.4.4.7 Horizontalnaht - Doppelnaht
4.4.5 Versuchsreihe 5: Blockschweißungen in Wannen- und Zwangslagen
4.4.5.1 Fünfspurige Blockschweißungen in PA und PC
4.4.5.2 Zehnspurige Einfachschweißungen in PA
5 Modellentwicklung
5.1 Positionsabhängiges Geschwindigkeitsverhältnis
5.2 Entwicklung der Breiten und Höhen
5.3 Überschlagsgleichungen
5.4 Kontaktwinkel
5.5 Schweißraupenquerschnitt
5.6 Berechnungsmodell 1 – Interpolation der Zwischenlagen
5.6.1 Herangehensweise
5.6.2 Steignaht – Einzelnaht
5.6.3 Steignaht – Doppelnaht
5.6.4 Fallnaht – Einzelnaht
5.6.5 Fallnaht – Doppelnaht
5.6.6 Horizontalnaht – Einzelnaht
5.6.7 Horizontalnaht – Doppelnaht
5.6.8 Bewertung des Berechnungsmodells 1
5.7 Berechnungsmodell 2 - Matrizeninterpolation
5.7.1 Modellentwicklung über alle Positionen
5.7.2 Modellübertragung auf den Sprungfaktor k
5.7.3 Zusammenhänge des Sprungfaktors k
5.7.4 Untersuchung mit zweiter Kennlinie
5.8 Bewertung der Berechnungsmodelle
6 Modellprüfung
6.1 Validierungsversuchsreihe an komplexen Geometrien
6.1.1 Quadratischen Wandschweißungen auf geneigter Ebene
6.1.2 Erzeugung von Viertelbögen – ausgehend von der 0°-Lage
6.1.3 Erzeugung von Viertelbögen – ausgehend von der 45°-Lage
6.2 Fehlerabschätzung mithilfe des Fronius-Explorers
6.3 Fehlerbetrachtung
6.4 Temperaturverhalten
6.5 Genauigkeit des Berechnungsmodells
6.6 Prüfung der Schweißungen
6.6.1 Vorgehen
6.6.2 Zugversuch
6.6.3 Kerbschlagbiegeversuch (KBV)
6.6.4 Zusammenfassung der Materialuntersuchungen
7 Zusammenfassung und Ausblick
8 Literaturangaben
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
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