Technologische Untersuchung zum MIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen im Fahrzeugbau

Diplomarbeit von Christian Brückner

Einleitung:

Das Werk in Dingolfing: Die in Dingolfing gefertigten Vorderachsträger der aktuellen Modelle E87 und E90 werden im Werk 2.1, Halle 87 zusammengeschweißt. Dabei kommen in der gesamten Vorderachsträgerfertigung MIG-Schweißanlagen der Firma CLOOS zur Anwendung. Heutige Schweißverfahren zum Fügen von Aluminiumwerkstoffen erreichen höchste Nahtqualitäten. Doch die steigende Nachfrage und der immer größer werdende Konkurrenzkampf auf dem heutigen Weltmarkt, erfordern ständige Optimierungen und Anpassungsstrategien zur Verbesserung der Schweißnahtqualität und Wirtschaftlichkeit auf diesem Gebiet. In der Fertigung im Werk 2.1 existieren drei Linien, welche parallel gleiche Vorderachsträgerkomponenten zusammenschweißen. An allen drei Linien wurden dazu, im Laufe meine Diplomarbeit, verschiedenen Untersuchungen zur Optimierung der Schweißnahtqualität durchgeführt.

Gasoptimierung: (Linie1): Bei der ersten Untersuchung, kamen verschiedene Schutzgasgemische zum Einsatz. Als Referenzmaß dienten 100% Argon ohne Sauerstoff. Im Versuch1 kamen dann 300ppm Sauerstoff hinzu. Im zweiten und dritten Versuch wurden jeweils 15% und dann 10% Helium dem Schutzgas hinzugemischt. Zur Untersuchung des Einbrandes, wurden Schliffbilder angefertigt.

Brenneroptimierung: (Linie2): Bei einer weiteren Optimierung der Schweißnahtqualität in der Fertigung, wurde der Einsatz eines optimierten Serienbrenners der Firma CLOOS in Linie2 untersucht. Bei symmetrischen Bauteilen kommen immer zwei Brenner gleichzeitig zum Einsatz. Zum besseren Vergleich der Schweißnähte, wurde daher in einer Schweißanlage der alte Stand mit normaler Flaschenhals-Gasdüse auf einer Seite beibehalten. Die andere Seite wurde durch den neuen Brenner mit konische Gasdüse und Keramikgasverteiler ersetzt. Insgesamt wurden dazu acht Vorderachsträger der Fertigung entnommen.

Hauptuntersuchung: (Linie3): Die letzte Optimierung in Linie3, beschäftigte sich mit der Prozesssicherheit und Wiederholbarkeit des Schweißvorganges. Diese Untersuchung konzentrierte sich speziell auf die von der Firma CLOOS entwickelte Schweißstromquelle Quinto II, in Zusammenhang mit der Verlegung der Stromversorgungskabel in der Fertigung. Stromversorgungskabel für den MIG-Schweißprozess zwischen Brenner und Stromquelle, bzw. Werkstück und Stromquelle verschiedener Anlagen, wurden bei der Installation der Fertigungshalle in Kabelschächten verlegt. Daraus ergaben sich längere Stromversorgungskabel mit teilweise verwickelter Anordnung, was sich wiederum negativ auf die Prozesssicherheit auswirken kann. Aufgrund der Tatsache aber, dass die Stromkabel aus Sicherheitsgründen nicht am Boden liegen dürfen und somit nicht kürzer gehalten werden können, wurden hardware- und softwareseitig Optimierungsversuche durchgeführt. Diese Untersuchungen in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern der Firma CLOOS, zur Kompensation der Kabellängen, erwiesen sich als sehr umfangreich. Die Vielzahl der möglichen Schweißkonfigurationen, mit unterschiedlichen Prozessparametern und Einstellungen, hinsichtlich Impulsform und Lichtbogenlängenregelung, ergab nach Absprache mit meinen Betreuern Herrn Dipl.-Ing. Markus Speiseder (FH) und Herrn Prof. Dr.-Ing. Eugen Pfütze†, die Notwendigkeit dieser Diplomarbeit.

Bei dieser Diplomarbeit sollte speziell der Einfluss der Stromversorgung auf die Schweißnahtqualität in Abhängigkeit ändernder Massekabelkonfigurationen näher untersucht werden. Zum Einsatz kamen Hard- und Softwarekomponenten der Firma CLOOS zum MIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen im Fahrzeugbau. Die Untersuchung wurde an einer separaten Schweißanlage durchgeführt. Aus Planung, Durchführung und Auswertung von Schweißversuchen, sollten vergleichende Betrachtungen verschiedener Einstellungen vorgenommen werden, um spätere Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten für die Fertigung zu diskutieren.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 4.5.3. Gasvorströmzeit: Eine weitere vorgenommene Änderung zur Annäherung fertigungsähnlicher Zustände für die Versuchsschweißnähte, war die Gasvorströmzeit. In der Fertigung sind die Schweißanlagen im Dauereinsatz, d.h. der Schutzgasstrom reißt nur selten und dann auch nur für einige Sekunden ab. Bei den Schweißversuchen dagegen kam es aufgrund von Messungen und Konfigurationsänderungen, zu längeren Wartezeiten am Brenner, bevor die nächste Schweißnaht gefahren werden konnte. Dies ist nachteilig für nachstehende Schweißnähte, da Sauerstoff aus der Umgebung zurück in die Gasdüse strömt und bei Neuzündung des Lichtbogens den Schutzgasmantel verunreinigt. Das Ergebnis ist dann eine schlechte Reinigungszone mit Schmauchspuren. Somit wurde die Gasvorströmzeit des Schutzgases zwischen Anschalten der Anlage und Zündung des Lichtbogens auf 9s erhöht. Wie bereits erläutert, arbeiteten Stromquelle und Brennersteuerung relativ unabhängig voneinander. Deshalb musste zur Erhöhung der Gasvorströmzeit stromquellenseitig die Zündung und steuerseitig der Brennervorschub auf 9s verzögert werden.

4.5.4. Leistungs- und Impulsparameter: Kapitel 4.5.4.1, Brennervorschub (vB): Zusammen mit dem Drahtvorschub bestimmt der Brennervorschub das Nahtvolumen. Dabei werden jedoch die Eigenschaften des Lichtbogens nicht verändert. Ein geringer Brennervorschub bewirkt immer eine hohe Wärmeeinbringung in das Bauteil, gefolgt von einem tiefen Einbrand. Im Extremfall kann es zu einem vorlaufenden Schmelzbad und zum Durchfallen des Schweißgutes kommen. Prozesssichere Brennervorschübe bewegen sich zwischen 40 bis 150 cm/min.

Kapitel 4.5.4.2, Drahtvorschub (vD) Der Drahtvorschub beeinflusst wesentlich die Abschmelzleistung. Je nach dem wie die Stromstärke an dem Drahtvorschub angepasst wurde, brennt zwischen der Drahtelektrode und der Werkstück ein kurzer bzw. langer Lichtbogen.

Kapitel 4.5.4.3, Impulsfrequenz (fP): Die Impulsfrequenz beschreibt die Anzahl der Impulse pro Sekunde und steht im direkten Verhältnis zum Drahtvorschub. Mit Hilfe der Impulsfrequenz lässt sich die Tropfengröße bestimmen. Bei einer geringen Frequenz und einem relativ hohen Drahtvorschub entsteht ein großer Tropfen. Zu hohe Frequenzen dagegen machen eine kontrollierte Tropfenablösung aufgrund des sehr kleinen Tropfens fast unmöglich. Je höher der Drahtvorschub oder der Drahtdurchmesser, desto höher muss auch die Impulsfrequenz eingestellt werden, um ein Abschmelzen des geförderten Drahtes zu gewährleisten. Heutige Anwendungen werden im Bereich von 60 bis 200 Hz gefahren.

Kapitel 4.5.4.4, Grundstromphase (IG & UG): In der Grundstromphase sollte der Strom so gewählt werden, dass der Lichtbogen stabil brennt und gleichzeitig das Bauteil reinigt und das Drahtende für die bevorstehende Tropfenablösung vorwärmt, ohne aber dabei einen Tropfen abzulösen. Der Grundstrom als Leistungsparameter, muss bei der Parameterfindung auf den Impulsstrom abgestimmt werden. Zu niedrig gewählte Grundströme erfordern große Impulsströme, gefolgt von einem sehr kurzen Lichtbogen. Bei zu hoch gewählten Grundströmen steigt auch die Strömfläche gemeinsam mit der Lichtbogenlänge. Sowohl bei der U/I-Regelung als auch bei der I/I-Regelung, orientiert sich die Grundspannung am fest eingestellten Grundstrom.

Kapitel 4.5.4.5, Impulsstromphase (IP & UP): Erst während der Impulsstromphase sollte der Strom angehoben werden um die Tropfenablösung einzuleiten. Am Ende der Impulsphase sollte dann genau ein kegelförmiger Tropfen pro Impuls kurzschlussfrei abgelöst werden. Ebenfalls erfordert dies eine genaue Abstimmung wiederum mit dem Grundstrom. Grundstrom und Impulsstrom ergeben zusammen mit der Impulszeit die lichtbogenlängenentscheidende Stromfläche. Bei U/I wird die Impulsspannung fest eingestellt und der Impulsstrom stellt sich dann über den Lichtbogenwiderstand selbst ein. Bei I/I verhält sich der Sachverhalt genau anders herum.

Kapitel 4.5.4.6, Impulszeit (tP): Die Impulszeit beschreibt die Dauer der Impulsstromphase. Nicht richtig gewählte Impulszeiten können die Tropfenablösung teilweise zu früh bzw. zu spät ablaufen lassen aufgrund der sich ändernden Lichtbogenlänge. Bei sehr langen Wirkzeiten gehen mehrere Tropfen je Impuls über. Dabei baut sich vorübergehend ein Sprühlichtbogen auf. Typische Anwendungen im Fahrwerksbereich, arbeiten heutzutage mit Impulszeiten von 1,5 bis 2,5 ms, abhängig vom Stromquellenfabrikant.

Kapitel 4.5.5, Stromfläche und Lichtbogenlänge:

Kapitel 4.6, Impulsform:Kapitel 4.6.1, Erläuterung: Die Geometrie der Impulsform wird durch eine Vielzahl von Einstellungen beeinflusst. Allgemein kann man Unterscheidungen in analoge und digitale Impulsformen treffen. Die eigentliche Impulsstromphase, wird dann noch einmal von der jeweiligen Regelung beeinflusst. Beim MIG-Schweißen mit gepulstem Lichtbogen in Zusammenhang mit der Schweißstromquelle Quinto II der Firma CLOOS, können für die Verfahren MIG Puls U/I analoge als auch digitale Signale erzeugt werden. Für die I/I-Regelung ist generell nur eine digitale Signalerzeugung vorgesehen. Weiterhin besteht noch zusätzlich die Möglichkeit, auf die positiven und negativen Impulsanstiege sowie die Umschaltpunkte Einfluss zu nehmen. Dies geschieht über Veränderung einer separaten Datei zur Impulsformerzeugung auf der Stromquelle, in Abhängigkeit der verwendeten Lichtbogenlängenregelung (U/I- und I/I-Regelung). Diese Unterscheidung ist wichtig, da beide Regelungen, wie schon genannt unterschiedlich aufgebaut sind und unterschiedlich regeln, speziell während der Impulsstromphase. Bei der U/I-Regelung (Abbildung-066) wird der Impuls durch eine steigende (S) und drei fallende Flanken (F1-F3) erzeugt. Impulsformen der I/I-Regelung (Abbildung-067) bestehen aus zwei steigenden (S1, S2) und drei fallenden Flanken (F1-F3). Zwischen zwei aufeinander folgenden Flanken befindet sich immer ein Umschaltpunkt. Deswegen besitzt die letztere Regelung zur Impulsformerzeugung auch drei Umschaltpunkte (Um1-Um3). Die im späteren Abschnitt 4.8.2 beschriebene Kurzschlussbehandlung, kann bei Aktivierung im Kurzschlussfall zur Kurzschlussauflösung ebenfalls Einfluss auf die fallenden Flanken nehmen. Dadurch kommt es relativ unabhängig von der zuvor eingestellten Impulsform zu erneuten Änderungen der Geometrie und der damit verbundenen Stromfläche. Wie eben erläutert wird die Stromfläche durch Grundstrom, Impulsstrom und der Impulszeit bestimmt. Eine geringe Stromfläche steht immer im Zusammenhang mit einem kurzen Lichtbogen, aufgrund der geringeren Leistung. Die Tropfenablösung wird dann zu früh eingeleitet. Ein zu früher Tropfen verkocht während der Flugphase und verursacht Spritzer und es entstehen zwar relativ glatte Schweißnähte aber mit sehr schmaler Reinigungszone. Bei mehr Stromfläche wird auch automatisch der Lichtbogen länger. Durch die höhere Leistung wird jedoch die Tropfenablösung etwas später eingeleitet. Ein zu später, kalter Tropfenübergang dagegen verringert ebenfalls die Qualität des Werkstoffüberganges. Weitere Erscheinungen sind dann raue flache aber breite Schweißnähte mit breiter Reinigungszone auf der Werkstückoberfläche.