Wirtschaftli­ches Fügen durch magnetisches Pendeln des Lichtbogens

© Martin Hertel

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Prozesssicherheit beim WIGSchweißen und -Löten durch eine periodische magnetische Auslenkung des Lichtbogens zu erhöhen. Hierdurch sollte die Nacharbeit reduziert und die Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden.

Im Rahmen des Projekts wurde ein kompakter und gut gekühlter WIG-Demonstrator mit magnetischer Lichtbogenpendeleinheit entwickelt und erprobt. Hierbei wurde erkannt, dass hochdynamische Ferritwerkstoffe (Weichferrite) im untersuchten Frequenzbereich keine Vorteile bei der Leitung des Magnetfeldes gegenüber Eisenkernen aus Baustahl besitzen. Über ein Magnetjoch, welches die beiden Spulenkerne miteinander verbindet und so genannte Polschuhe konnte die Leistungsfähigkeit der Elektromagnete und somit die Stärke der Lichtbogenauslenkung deutlich gesteigert werden. Durch die aktive Kühlung der Eisenkerne wird die thermische Überlastung der Spulen verhindert. Die aus einem lackisolierten Kupferdraht mit vergleichsweise großem Leitungsquerschnitt (Ø1,25 mm) bestehenden Spulen sind direkt auf die aktiv gekühlten Eisenkerne gewickelt. Die hieraus entstehende geringe Induktivität der Spule ermöglicht die Erzeugung starker Magnetfelder auch bei hohen Pendelfrequenzen. Die durch das Auslenken des Lichtbogens veränderte Prozessgasströmung wurde durch numerische und diagnostische Methoden (Schlierentechnik und PIV-Messungen) untersucht. Mit dem in ANSYS CFX entwickelten Lichtbogenmodell konnte die Beeinflussung der Schutzgasströmung durch den ausgelenkten Lichtbogen analysiert werden. In einem Variantenvergleich wurde eine in Auslenkungsrichtung vergrößerte ovale Düsenform als beste Schutzgasdüsengeometrie bestimmt und am Demonstrator praktisch umgesetzt. Die Erkenntnisse wurden in Konstruktionsempfehlungen zusammengefasst und ein Demonstrator entwickelt und erprobt.

Am Demonstrator wurden, wie im Projekt beantragt, Untersuchungen zur Quantifizierung der Lichtbogenauslenkung durchgeführt. Neben der bisher vor allem optisch in Hochgeschwindigkeitsaufnahmen bestimmten Lichtbogenauslenkung wurde die Auslenkung des Lichtbogens über die Strom- und EnergieeintragsGegenüberstellung von Ergebnissen und Zielsetzung Wirtschaftliches WIG-Fügen durch magnetisches Pendeln des Lichtbogens 52 messung am Werkstück ermittelt. Hierfür wurde das Geteilte-Anoden-Verfahren verwendete, welches die genaue Lokalisierung der Strom- und Energieeintragsverteilung am Werkstück erlaubt. Hierüber konnte die Lichtbogenauslenkung auf Basis der Energieeinbringung ermittelt werden, welche sich deutlich von der optisch bestimmten Lichtbogenauslenkung unterscheidet. Über die Variation der Prozessparameter wurden die sensitiven Parameter zur Beeinflussung der Lichtbogenauslenkung ermittelt, so dass dem Anwender umfangreiche Erkenntnisse zur Beeinflussung der Lichtbogenauslenkung zur Verfügung stehen.

Mit Hilfe des Demonstrators wurden geeignete Parameter zum Löten von Referenzbauteilen mittels pendelndem Lichtbogen ermittelt und erprobt. In Versuchen wurde die Verbesserung der Toleranzfähigkeit des Fügeprozesses durch magnetisches Pendeln des Lichtbogens im Vergleich zum konventionellem Prozess beim Löten verzinkter Stahlbleche im Bördelstoß untersucht. Es wurden der seitliche Brennerversatz zur Fuge, der Höhenversatz und der Lötspalt zwischen den Blechen sowie die Lötgeschwindigkeit variiert. Die Versuche haben gezeigt, dass vor allem in Hinblick auf die noch beherrschbare Spaltüberbrückbarkeit zwischen den Fügepartnern und der Positionierung des Brenners über dem Bördel Verbesserungen gegenüber dem konventionellem Prozess ohne Lichtbogenauslenkung erzielt werden konnte.

Zusätzlich zum eigentlichen Projektumfang und auf Wunsch des PA's wurde ein Demonstrator zum magnetischen Pendeln des Lichtbogens im Engspalt entwickelt. Als Basis diente ein Engspaltschweißbrenner mit mechanisch gependelter Elektrode. Am Brenner wurde eine Magnetfeldbaugruppe zum berührungslosen, magnetischen Auslenken des Lichtbogens adaptiert. Mittels Eisenspänen erfolgte eine Visualisierung des Magnetfeldes. Der Demonstrator zum magnetisch gependelten WIG-Engspaltschweißen wurde an einer simulierten Engspaltgeometrie getestet. Untersucht wurde die im Engspalt maximal erreichbare Lichtbogenauslenkung sowie das Lichtbogenpendelverhalten zu den Flanken hin.