Strom & Wärme Ausgabe 1 - Institut für Elektrothermische ...

Außerplanmäßige Professur
E. Baake zum Apl. Professor ernannt
Honorarprofessor Dr.-Ing. Egbert
Baake, Akademischer Direktor
am Institut für Elektroprozesstechnik
(ETP) der Leibniz Universität
Hannover, wurde am 05. März
2009 durch den Präsidenten der
Leibniz Universität Hannover
(LUH) Prof. Dr.-Ing. Erich Barke
zum Außerplanmäßigen (Apl.) Professor
ernannt. Prof. Dr.-Ing. Baake
vertritt an der LUH das Lehrgebiet
„Magnetofluiddynamik“.
Prof. Dr.-Ing. E. Baake
Professor Baake, geboren 1960,
studierte nach einer Berufsausbildung
als Elektromonteur und dem
Abitur Elektrotechnik an der Universität
Hannover. Am damaligen Institut
für Elektrowärme arbeitete er ab
1989 als wissenschaftlicher Mitarbeiter
und wurde 1993 mit einer Dissertation
über das Grenzleistungsund
Aufkohlungsverhalten von Induktionstiegelöfen
promoviert. Er
befasst sich seit dieser Zeit insbesondere
mit der experimentellen und numerischen
Untersuchung von turbulenten
Wärme- und Stofftransportvorgängen
in Metallschmelzen von
4 Institut für Elektroprozesstechnik
Induktionsöfen. Nach der Promotion
bearbeitete und leitete Herr Baake
als Akademischer Rat und Oberrat
zahlreiche nationale und internationale
Forschungs- und Entwicklungsprojekte
auf den Gebieten der
elektrothermischen Prozesstechnik
und ressourcenschonenden Energienutzung.
Zusätzlich zu seiner Tätigkeit an
der Leibniz Universität Hannover ist
Herr Professor Baake seit 1998
Lehrbeauftragter für die Vorlesung
„Theorie der elektromagnetischen
Felder“ und seit 2004 Honorarprofessor
an der TU-Clausthal für das
Fachgebiet Elektroprozesstechnik.
Herr Professor Baake ist aktives
Mitglied in verschiedenen nationalen
und internationalen Fachverbänden
und Arbeitskreisen der metallurgischen
und elektrischen Prozesstechnik
und verfügt über gute Kontakte
zu entsprechenden Industrieunternehmen
sowie zu anerkannten
nationalen und internationalen Forschungseinrichtungen.
Neben dem geschäftsführenden
Leiter des ETP Prof. Nacke, der den
Bereich „Thermische Prozesse und
elektromagnetische Materialbeeinflussung“
führt, leitet Prof. Baake
heute den Bereich „Magnetofluiddynamische
Prozesse und ressourcenschonende
Energienutzung“ am
ETP.
Redaktion:
Dipl.-Ing. Sebastian Wipprecht
Prof. Dr.-Ing. Egbert Baake
Telefon: 05 11 /762-2366
Telefax: 05 11 /762-3275
E-Mail: etp@etp.uni-hannover.de
URL: www.etp.uni-hannover.de
Hannover Messe
ETP stellte aus
Zum zweiten Mal in Folge präsentierte
sich die Leibniz Universität
Hannover mit einem eigenen
Stand auf der Hannover Messe in
Halle 2. Der zwischen Niedersachsenstand
und Tech Transfer gelegene
Universitätsstand lud ein zu einer
Reise in die hannöversche Forschungswelt.
Der Gemeinschaftsstand
des Produktionstechnischen
Zentrums und der zugehörigen Institute
der Energietechnik war mit
einer Vielzahl an spannenden Exponatenvertreten
und präsentierte
sich
souverän mit
einem sehr
gelungenen
Gesamtkonzept.
Der mit
Halogenlic
Standgespräch
ht und Nebel
animierte Induktortiegel fand mit
den ebenfalls ausgestellten, am ETP
gezüchteten, Kristallen großes Interesse.
Die intensiven Gespräche mit
Vertretern aus Industrie und Forschung
lassen auf zukünftige, neue
Forschungsprojekte hoffen. Der
Messeauftritt des ETP war insgesamt
ein großer Erfolg. Auch in Zukunft
plant das ETP, auf der Hannover
Messe vertreten zu sein und sich
als starker und kompetenter Partner
zu präsentieren.
Herausgeber:
Institut für Elektroprozesstechnik
und Vereinigung zur Förderung
des Instituts für Elektrowärme der
Universität Hannover e.V.
ETP Institut für Elektroprozesstechnik
Ausgabe 1 - 2009
Verbesserte Schweißverfahren durch Induktionsunterstützung
Abschluss des europäischen Forschungsprojektes INDUCWELD
Ursprünglich in der Automobilindustrie
zur Gewichtsreduzierung
eingesetzte höherfeste
Stähle werden
zunehmend in
vielen Industriezweigen,
wie etwa
dem Anlagenbau,
bei schweren
Baumaschinen und
dem Schiffsbau,
verwendet. Gewichtsreduzierung,
hohe Verschleißfestigkeit,
kombiniert
mit einer hohen Zähigkeit
in einem
großen Temperaturbereich, und andere
signifikante Vorteile von höherfesten
Stählen sind für den Einsatz
ausschlaggebend. Aufgrund der
metallurgischen Eigenschaften sind
diese Stähle relativ schwierig zu
schweißen. Diese Beschränkung für
eine breitere Anwendung von höherfesten
Stählen kann durch den
Einsatz von angepassten Schweißverfahren
kombiniert mit induktiver
Erwärmung überwunden werden.
Vor diesem Hintergrund wurde
die letzten drei Jahre das europäische
Forschungsprojekt INDUC-
WELD bearbeitet, welches nun erfolgreich
abgeschlossen werden
konnte. Mit dem Ziel, die Tempera-
tur im Nahtbereich während des
Schweißprozesses gezielt zu führen
Einfluss der Prozesskombinationen auf die Abkühlzeiten (t85)
und die Abkühlzeiten zu erhöhen,
sollte eine verbesserte Verformbarkeit
und Zähigkeit der Bauteile erreicht
werden.
Das Institut für Elektroprozesstechnik
hatte die Aufgabe, für verschiedene
Anwendungen mit flachen
sowie mit rotationssymmetrischen
Bauteilen das induktive System
optimal auszulegen. Hierzu
wurde ein numerisches Modell entwickelt,
um das thermische Verhalten
des gesamten Prozesses nachbilden
zu können. Neben der elektromagnetisch-thermischen
Berechung
der induktiven Erwärmung wird
auch die eingebrachte Energie der
Strahlverfahren berücksichtigt.
Über ein Interface-Modul können
verschiedene Strahlverfahren (z.B.
Laser, Laser-MSG-Hybrid, Plasma,
MAG) und die induktive Erwärmung
in unterschiedlichen Kombinationen
simuliert werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen,
dass die zusätzliche Energieeinbringung
durch die induktive Erwärmung
einen positiven Einfluss
auf die Schweißbarkeit haben kann.
Durch Optimierung der Prozessparameter
Frequenz, Leistung und Erwärmungszeit
sowie des Designs
des induktiven Systems kann eine
gezielte Temperaturführung erreicht
werden. Dies kann zum einen zur
Verbesserung der Nahteigenschaften
führen und zum anderen eine erhöhte
Produktivität ermöglichen.
Ein hohes Potential bietet die Anwendung
einer zusätzlichen Energieeinbringung
insbesondere bei
schwer schweißbaren Stahlsorten.
Inhalt
Verbessertes Schweißverfahren
durch Induktionsunterstützung
Simultanes Laserschweißen
1
und Induktionshärten
Abschluss des ALUHEAT-
2
Projekts 3
Außerplanmäßige Professur 4
Hannover Messe 4

Simultanes Laserschweißen und Induktionshärten
FOSTA-Forschungsprojekt erfolgreich abgeschlossen
Im Rahmen eines zweijährigen,
durch die Forschungsvereinigung
Stahlanwendung e.V. (FOSTA) geförderten
Projektes, wurde in Kooperation
mit dem Laserzentrum
in Hannover
(LZH) ein neues
Fertigungsverfahren
entwickelt, mit dem
Vergütungsstähle
schneller und mit einer
höheren Effektivität
direkt während des
induktiven Härteprozesseslasergeschweißt
werden können.
In der industriellen
Fertigungstechnik ist
das Schweißen von
Vergütungsstählen für
stark beanspruchte
Konstruktionsteile ein
wichtiger Produktionsschritt,
der aus mehreren separaten
Prozessen besteht. Üblicherweise
werden die Bauteile zunächst
vergütet. Anschließend erfolgt eine
Wärmebehandlung vor dem
Schweißen zur Vermeidung von
Rissen in der Schweißnaht. Nach
dem Schweißprozess wird durch ein
erneutes Anlassen die Aufhärtung
im Bereich der Naht vermindert. Zur
Vereinfachung dieser aufwendigen
Prozessabfolge werden in dem neuen
Verfahren das induktive Härten
des Vergütungsstahls und der
Schweißvorgang miteinander kombiniert.
Die Energie des Härtens
wird zum Vorwärmen des Schweißbereiches
genutzt, so dass Ferti-
gungszeit und Energie eingespart
werden können.
Für die Auslegung des Fertigungsprozesses
wurde am Institut
Experimenteller Prozessaufbau mit Induktor, Laserschweißkopf (in Betrieb)
und Abschreckbrause
für Elektroprozesstechnik (ETP) ein
numerisches Modell zur Beschreibung
des thermischen Verhaltens
des Laser-Induktionsverfahrens entwickelt.
Dieses Modell stellt eine
umfassende Beschreibung der zu
kombinierenden Prozesse und ihrer
Wechselwirkungen dar und liefert
Kenntnisse über die zeitliche und
örtliche Temperaturverteilung innerhalb
der zu verschweißenden
Bauteile. Das ausgelegte Induktionshärtesystem
umfasst die Vorerwärmung
der Bauteile auf 900°C,
das Temperaturhalten während des
Laserschweißens, sowie den optionalen
Vorschubhärtevorgang und
das konsequente Abschrecken des
gesamten wärmebehandelten Be-
reichs. Für die praktischen Prozessuntersuchungen
wurden am ETP der
induktive Erwärmer und die Abschreckbrause
konstruiert und anschließend
am LZH in
einen integrierten Laserbearbeitungskopf
eingebaut. Die Funktionalität
wurde durch
zahlreiche Versuche
an verschiedenen Probekörpern
und konsequenteMaterialanalysen
überprüft.
Die Ergebnisse des
Forschungsvorhabens
zeigen, dass die Verarbeitbarkeit
von Vergütungsstahl
weiter verbessert
werden konnte.
Mit Hilfe des vor-
geschlagenenVerfahrens können Vergütungsstähle
schneller
und mit einer höheren Effektivität
lasergeschweißt werden. Durch Benutzung
der Energie des Härtens zur
Vorwärmung des Schweißbereichs
kann Energie und Fertigungszeit
eingespart werden. Weiterhin kann
durch die induktive Vorwärmung
der Bauteile die Einschweißtiefe gegenüber
nicht vorgewärmten Bauteilen
um ca. 25 % gesteigert werden.
Durch die homogenen Eigenschaften
im Bereich der Schweißnaht
und der wärmebeeinflussten
Zone kann dieser Bereich des Bauteils
als Funktionsoberfläche genutzt
werden. Dies bietet neue konstruktive
Möglichkeiten, wodurch
Gewicht bzw. Bauraum gespart werden
kann.
Abschluss des ALUHEAT Projekts
Supraleitung erhöht die Effizienz
In unserer Ausgabe der Strom und
Wärme 01/07 berichteten wir
über das von der Europäischen
Union im Rahmen des 6ten Rahmenprogrammsjekts
ALUHEAT.
geförderten Pro-
Ziel des Projektes ist es gewesen,
mit Hilfe neuer Konzepte die Energieeffizienz
durch den Einsatz der
Supraleitung bei der Erwärmung
von Aluminiumbolzen (Billets) zu
steigern. Das für Ende Mai 2008 geplante
Projektende wurde um 6 Monate
auf November 2008 verschoben.
Durch die sehr positive und unbürokratische
Zusammenarbeit der
beteiligten europäischen Partner ließ
ein erstes mechanisches Konzept
nicht lange auf sich warten. Unterstützt
wurden alle Planungen durch
begleitende numerische Berechnungen
des elektromagnetischen Sys-
tems. Sowohl der norwegische Partner
SINTEF mit Sitz in Trondheim
wie auch das Institut für Elektroprozesstechnik
(ETP) implementierten
Finite Elemente Modelle (FEM) zur
Systemanalyse. Die gewonnenen
Numerisches Modell des Bolzenerwärmers und Berechnungsergebnisse der Temperaturverteilung
in einem Aluminiumbolzen
numerischen Erkenntnisse ließen
die Notwendigkeit zweier Redesigns
im mechanischen Konzept
sinnvoll erscheinen. Änderungen in
der Spulengeometrie wirkten sich
direkt auf die Statik des Systems aus
und erforderten eine Neuberechnung
der Konstruktionsteile. Die
Entwicklung der mechanischen
Konstruktion durch Institute der
Fraunhofer Gesellschaft wurde im
Herbst 2008 abgeschlossen und
Pläne zur Fertigung erstellt. In Kooperation
mit den Universitäten in
Samara und St. Petersburg wurde
das Systemverhalten des Erwärmungsvorgangs
bis zum Umformprozess
analysiert und Opti-
mierungsansätze untersucht. Die Ergebnisse
dienten der Ausarbeitung
des Regelkonzeptes des Erwärmers
mit anschließender Integration der
wesentlichen Systemkomponenten
der Aktorik und Sensorik. Das berührungslose
Messsystem wurde im
Rahmen des Projekts auf die Erfordernisse
des Erwärmers zugeschnitten
und industriell für den Einsatz in
einer Produktionsumgebung getestet.
Die supraleitenden Spulen mit
umgebenden Kryostaten wurden in
Zusammenarbeit mit der Universität
in Tampere bei SINTEF in Norwegen
aufgebaut und getestet.
Bisher offene Punkte umfassen
den mechanischen Aufbau des Heizers,
die Montage des Systems am
ETP und der sich anschließende
Testbetrieb. Verzögerungen in der
Lieferung der mechanischen Komponenten
veranlassten das Konsortium
im Sommer 2008, einen Antrag
auf eine weitere, kostenneutrale Projektverlängerung
zu stellen. Nach
intensiver Diskussion mit den Vertretern
der EU und dem zuständigen
Direktorat ließ sich das entscheidungstragende
Gremium auch unter
Hinweis auf den aktuellen Stand des
Projekts und die durchweg positive
Erfolgsaussicht nicht zu einer Verlängerung
bewegen. Somit blieb nur
der Weg des vorzeitigen Abschlusses
des Projekts. Die bisher erzielten
Ergebnisse sind demnach vielversprechend;
sie bestätigen die Erwartungen
zu Beginn des Projektes. Daher
wird zur Zeit die mögliche Fortführung
des Projekts unter den Projektpartnern
diskutiert.
2 Institut für Elektroprozesstechnik Institut für Elektroprozesstechnik 3