Laser- MSG- HybridschweiÃŸen mit einem ... - SLV Rostock

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4. Kolloquium Laserstrahlhandbearbeitung, Halle, 24.11.2004; Beitrag der SLV M-V 10 % auch aus A36. Die Dicke der anzuschließenden Stege liegt im Bereich 4..15 mm. Die auf dem Gurtblech (Deck) aufgebrachte Primerschicht wird dabei im Schweißbereich entweder belassen oder entfernt, der Steg ist geprimert und plasmageschnitten oder im Falle der Hollandprofile in Walzzustand und an der Aufsatzkante sandgestrahlt. Mit dem derzeit angewendeten konventionellen MSG- Schweißen werden Schweißgeschwindigkeiten von 0,6..0,8 m/min bei einem Energieeintrag von 8..15 kJ/cm realisiert. 2.2 Konventionelle Stumpfstöße Abbildung 2 zeigt einen einseitig UP- geschweißten Stumpfstoß in der Paneelfertigung. Deutlich sichtbar sind die durch die eingebrachte Wärme hervorgerufenen Verformungen. Abbildung 2: UP- geschweißter Stumpfstoß Die zu verschweißende Blechdicke beträgt 4..10 mm, zur Anwendung kommt ausschließlich Schiffbaustahl Grad A. Die Platten sind geprimert, die Kanten plasmageschnitten. Derzeit wird das Unterpulverschweißen einseitig und zweiseitig angewendet. Die Toleranz des plasmaschnittes liegt bei 1 mm. Je nach angewendetem UP- Verfahren liegt die Schweißgeschwindigkeit zwischen 0,36..0,6 m/min und die eingebrachte Schweißenergie bei 20..51,5 kJ/cm. 2.3 Stumpfstöße an Sandwichpaneelen Die als Sandwich- Paneele bezeichneten schiffbaulichen Strukturen sind in Abbildung 3 dargestellt. Die Sandwich- Paneele bestehen überwiegend aus dem Material QStE 380 TM, die als Badstütze und Versteifung verwendeten Vierkantrohre bestehen aus St 37-0. Die zu verschweißenden Blechdicken variieren im Bereich 1,5..5 mm, wobei bei 5 mm Blechdicke Schiffbaustahl Grad A zur Anwendung kommt. Die Rohrwandstärke beträgt 2..5 mm. Die Sandwich- Paneele haben lasergeschnittenen Kanten und sind nicht mit einem Primer beschichtet. Der Spalt zwischen den zu verbindenden Blechen beträgt maximal 2 mm. Die vollständige Anbindung des Vierkantrohres ist für die Funktionalität und Bewertung der Schweißnaht nicht notwendig und abhängig von dem zwischen Oberblech und Vierkantrohr bestehenden Spalt. Derzeit werden die Sandwich- Paneele untereinander mittels konventionellem MSG- Schweißprozess verbunden. Abbildung 3: Stumpfstöße an Sandwich- Paneelen 3 Erfahrungen und Ergebnisse aus der ersten Projektphase 3.1 Ausrüstung für das traktorgeführte Laserstrahl- MSG- Hybridschweißen Für alle oben aufgeführten Anwendungen wird die gleiche Ausrüstung verwendet. Lediglich die Laserstrahloptik ist von T- Stoß zu Stumpfstoß zu wechseln (Abbildungen 5 und 6). Als Laserquelle dient ein Trumpf Nd:YAG- Laser HL 4006D, welcher zusammen mit den Kühlaggregaten in einen 40 Fuß Container untergebracht ist (Abbildung 4). Abbildung 4: Container mit Laserquelle, Schweißtraktor und Schweißprozesssteuerung, Eine Standardstromquelle TPS 9000 von Fronius wird für den MSG- Schweißprozess verwendet. Der eingesetzte Schweißtraktor ist eine speziell für „DOCKLASER“ entwickelte Konstruktion von Fronius. Ein Drei- Linien- Lasersensor von META dient der Nahtnachführung bei horizontaler und vertikaler Abweichung und in der
4. Kolloquium Laserstrahlhandbearbeitung, Halle, 24.11.2004; Beitrag der SLV M-V Stumpfstoßanwendung zusätzlich der Erfassung von Spaltbreite und Versatz. Anhand dieser Parameter soll nach erfolgter Testphase und der Ermittlung der erforderlichen Parameter auf den Werften die Regelung der Schweißparameter gemäß der erfassten Schweißspaltgeometrie erfolgen. Die Prozesssteuerung erfolgt über einen FPA 2003 Manager von Fronius, dieser übernimmt sowohl die Ansteuerung des Lasers als auch der Stromquelle und des Lasersensors. Die Programmierung des Prozesses und der Traktorbewegung erfolgt über eine einfach zu bedienende Fernsteuerung. Kreuzsupport Lasersensor 110° Optik Abbildung 5: Lasersensor mit T-Stoß- Optik Der Lasersensor ist ausgerüstet mit einer „Look-ahead“ Funktion, es zeigte sich jedoch, dass bei ihrer Aktivierung die Nahtnachführung wesentlich schlechter ausfiel. Der Grund hierfür ist in der Traktoranwendung an sich zu finden. Der Sensor befindet sich in einem bestimmten Abstand zum Prozess. Dieser beträgt am T- Stoß ca. 55 mm, am Stumpfstoß sogar mehr als 150 mm. Da der Traktor das zu schweißende Blech als Fahrbahn nutzt, bewegt er sich auch bei jeder Unebenheit mit und verursacht dadurch leichte räumliche Verschiebungen, welches bei Portalanlagen nicht auftreten kann. Diese Winkelverschiebungen vervielfachen sich mit steigendem Abstand zwischen Lasersensor und Prozess in ihrer Größe, d.h. dass die relative Position des Traktors zum Stoß an der Schweißstelle von der vorher gemessenen Position um Millimeter abweichen kann. Bei einem sensiblen Schweißprozess wie dem Laserstrahl- MSG- Hybridschweißen führt das unweigerlich zu Unregelmäs- Stumpfnaht optik MSG- Brenner Lasersensor Abbildung 6: Traktor mit Stumpfstoß- Optik sigkeiten, vor allem Bindefehler und Einbrandkerben. Für die Anwendung des Schweißtraktors ist also eine ebene und steife Fahrbahn zu gewährleisten, um eine sichere Nahtnachführung nach Höhe und Seite zu erzielen. Während der ersten Versuche zeigte sich, dass die Standzeit des Schutzglases für die Optiken trotz eingesetzter Querluftstromdüse sehr gering ausfiel. Es musste eine weitere Querluftstromdüse angebracht werden. Insgesamt leistete das System bisher sehr gute Arbeit und ist auch robust genug, sich im Einsatz auf einer Werft zu behaupten. Zur Zeit befindet sich die Ausrüstung im Testeinsatz bei IZAR Construcciones Navales Puerto Real, Spanien (Abbildung 7). Abbildung 7: Schweißtraktor im Testeinsatz auf einer spanischen Werft 3.2 Schweißen von T-Stößen Gemäß den Vorgaben von Seiten der im Projekt involvierten Werften wurden erste Tests durchgeführt, um den Einfluss der Primerbeschichtung auf Schweißprozess und das -ergebnis festzustellen. Die untersuchten Primer sollten nach Herstellerangaben ohne Einschränkungen überschweißbar sein. Aus den Tests ergab sich, dass bei im Schweißspalt vorhandener Primerschicht große Probleme mit Poren auftraten. Insbesondere im Falle des beidseitigen Steganschlusses werden große Teile des bei der Verbrennung des Primers entstehenden Gases innerhalb der Naht eingeschlossen und verursachen große Hohlräume (Abbildung 8). Die Ursache liegt dabei in der schnellen Erstarrung des Schmelzbades aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeit und des geringen Abbildung 8: Gaseinschlüsse an einem T- Stoß, hervorgerufen durch Primerbeschichtung im Schweißspalt
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