SB_19514BLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Prozesssicheres Schweißen
von technisch beschichteten
Blechen bei Änderung der
Beschichtungseigenschaften

Prozesssicheres Schweißen
von technisch beschichteten
Blechen bei Änderung der
Beschichtungseigenschaften
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.514 B
DVS-Nr.: 03.118
RWTH Aachen, Institut für Schweißtechnik
und Fügetechnik (ISF)
INP Greifswald, Leibniz-Institut für
Plasmaforschung und Technologie e.V.
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.514 / DVS-Nr.: 03.118 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 482
Bestell-Nr.: 170592
ISBN: 978-3-96870-482-1
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
I Abbildungsverzeichnis ......................................................................................... 1
II Tabellenverzeichnis ............................................................................................. 1
1. Anlass für den Forschungsantrag ........................................................................ 2
1.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ................ 2
1.2 Ausgangssituation ......................................................................................... 3
2 Stand der Technik ............................................................................................... 5
3 Forschungsziel und Lösungsweg ...................................................................... 10
3.1 Ziel ............................................................................................................... 10
3.2 Lösungsweg ................................................................................................ 11
4 Durchgeführte Untersuchungen ........................................................................ 14
4.1 AP1 - Auswahl eines Referenzfalles............................................................ 14
4.2 AP2 - Schweißversuche für den Referenzfall zur Identifikation und Korrelation
von charakteristischen Mustern der transienten Signale ................................ 18
4.3 AP3 - Schweißversuche für den Referenzfall zur Identifikation des
Prozessverhaltens ......................................................................................... 25
4.4 AP4 - Schweißversuche von beschichteten Blechen mit nahezu konstanten und
mit leicht variierenden Schichteigenschaften ................................................. 35
4.5 AP5 - Schweißen von beschichteten Blechen mit suboptimalen
Schweißprozesseinstellungen ........................................................................ 41
4.6 AP6 - Korrelation der Ergebnisse zum Prozessverhalten, zur Mustererkennung
und zum Schweißergebnis sowie Austausch zu adaptierten und verbesserten
Diagnostikmethoden ...................................................................................... 41
4.7 AP7 - Definition von Anforderungen an Schichtsysteme und die Sensibilität von
Prozessparametern ........................................................................................ 42
4.8 AP8 - Auswahl eines zweiten Schichtsystems ........................................... 43
4.9 AP9 - Korrelation der Ergebnisse für das zweite Schichtsystem ................. 45
4.10 AP10 - Erarbeitung und erste Tests zur Machbarkeit von Kontrollmethoden
46
4.11 AP11 - Erarbeitung von Anwenderhinweisen zum zweiten Schichtsystem . 48
5 Veröffentlichungen und Vorträge ....................................................................... 50
6 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der
Forschungsergebnisse für kleine und mittlere Unternehmen ............................ 51
7 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den
Zielen des Projektes .......................................................................................... 52
8 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ...................................................... 56
VI

Inhaltsverzeichnis
9 Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts ............................................................................................... 59
10 Literatur ............................................................................................................. 60
VII

Konkrete Handlungsvorschläge
1. Anlass für den Forschungsantrag
1.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
In der industriellen Fertigung gewinnt der Einsatz von beschichteten Bauteilen zum
Schutz vor Korrosion stetig an Bedeutung. Ziel dieser Maßnahmen ist es, die Korrosion
am Bauteil soweit zu verlangsamen, das während der Lebensdauer keine Schädigung
auftritt, die schlussendlich zum Funktionsverlust führt. Typische Anwendungsbereiche
für beschichtete Bauteile sind der Automobilbau, der Stahlbau und der Schiffbau. In
diesen Bereichen werden meistens organische Beschichtungen, metallische
Überzüge oder Kombinationen aus beiden eingesetzt. Hierbei kommen Halbzeuge aus
modernen Funktionswerkstoffen zur Anwendung, die durch die Beschichtung eine
Oberflächenveredelung erfahren.
Der Grundwerkstoff bildet i.d.R. einen unlösbaren Verbund mit der Beschichtung,
welcher sich bei der fertigungstechnischen Verarbeitung aufgrund der z.T. stark
unterschiedlichen chemisch-physikalischen Eigenschaften komplex verhält.
Divergierende Schmelz- und Siedepunkte, Dichteunterschiede (sowohl in den festen
als auch flüssigen Phasen) und Unterschiede in der elektrischen als auch thermischen
Wärmeleitfähigkeit führen oftmals zu Problemen bei der schweißtechnischen
Verarbeitung.
Insbesondere temperaturabhängige chemische Reaktionen bei Beschichtungssystemen
und die daraus entstehenden Produkte erhöhen die Komplexität bei der
Anwendung thermischer Fügeverfahren, die nach wie vor am häufigsten zum Einsatz
kommen. Deshalb wurden in der Vergangenheit intensive Forschungsarbeiten mit dem
Ziel der Qualifizierung der Schweißverfahren für den speziellen Einsatz zum Fügen
von beschichteten Bauteilen durchgeführt. Hierbei handelte es sich jedoch meistens
um Parameterstudien, wobei Einflüsse der Beschichtungen beim Schweißen auf die
physikalischen Wirkzusammenhänge im Lichtbogen oder der Schmelze nicht
Gegenstand dieser Untersuchungen waren.
Bei modernen, stromgeregelten MSG-Schweißverfahren werden die Prozesse vielfach
an Probebauteilen für die jeweiligen Anwendungen in Form von Kennlinien optimiert.
Diese stellen die Schweißgerätehersteller den Anwendern zur Verfügung. In der
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Konkrete Handlungsvorschläge
Produktion können jedoch die Beschichtungen der Bauteile bezüglich ihrer Dicke,
Dichte und Morphologie variieren und dementsprechend zu Störungen im
Schweißprozess führen. Um dies möglichst einzuschränken kommen extrem kurze
Lichtbögen zur Stabilisierung der Schweißprozesse und zur Reduktion des Wärmeeintrages
zum Einsatz. Allerdings sind diese kurzen Lichtbögen zwangsläufig mit
kleinen Prozessfenstern verbunden, die dann oftmals auch zu Störungen führen
können.
1.2 Ausgangssituation
Derzeit wird die prozesssichere schweißtechnische Verarbeitung von beschichteten
Blechen in erster Linie durch statische Adaption des Schweißparameterfensters an die
jeweilige Beschichtung erzielt. Eine Anpassung an wechselnde Schichtdicken oder
zeitlich begrenzte Prozessereignisse ist hierdurch kaum möglich, so dass oftmals
Beschichtungen im Rahmen einer Eingangsprüfung als „schweißbar“ oder „nicht
schweißbar“ eingeordnet werden.
In der Praxis sind geforderte Fehlergrößen deshalb durch die produzierenden
Unternehmen nicht immer einhaltbar, mit der Folge hoher Nacharbeitskosten oder
hoher Ausschussanteile.
Derzeit am Markt erhältliche Sensoriklösungen sind bislang nicht dazu geeignet, eine
Prozessanpassung an die Beschichtungssituation zu gewährleisten. Lediglich im
Nachgang kann zur Qualitätssicherung eine Defekterkennung mit automatisierten
Sensoriklösungen gewährleistet werden.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an Lösungen, die eine Adaption des
Schweißprozesses, besonders an variierende Schichteigenschaften, ermöglichen.
Voraussetzung hierfür ist die Bereitstellung von Informationen mittels der Strom-
/Spannungsverläufe über physikalische Situationen und Abläufe im Lichtbogen und
Schmelzbad.
Deshalb sollen in diesem Forschungsvorhaben die Einflüsse der
Beschichtungseigenschaften auf die physikalischen Mechanismen des MSG-
Schweißens analysiert werden. Voruntersuchungen von MSG-Prozessen an
unbeschichteten und beschichteten Werkstücken belegen, dass die Kopplung
optischer und spektroskopischer Beobachtungen von Lichtbogen und Schmelzbad mit
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Konkrete Handlungsvorschläge
der Zeitreihenanalyse in den elektrischen transienten Signalen hier neue und
erfolgversprechende Ansätze ermöglichen.
Ferner werden aus den charakteristischen Mustern, der physikalischen Abläufe im
Lichtbogen und Schmelzbad, in den elektrischen Signalen neue Regelungsoptionen
für die Schweißgerätehersteller erwartet.
Die Untersuchungen sind zuerst an Blechen mit Fertigungsbeschichtungen
vorgesehen. Als Anwendungsfelder sind hier die Bereiche Schiffbau aber auch
Baugruppen sowie Konstruktionen im Stahl- und Behälterbau zu sehen, bei denen es
sich vorwiegend um KMU-Firmen handelt. Auf der Basis der hierbei gewonnenen
Erkenntnisse ist anschließend eine Übertragung der Vorgehensweise auf eine andere
Beschichtung vorgesehen. Hierbei kann es sich um eine organische Beschichtung
oder um Beschichtungssysteme aus einer Kombination von feuerverzinkter und
organischer Beschichtung handeln.
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Konkrete Handlungsvorschläge
2 Stand der Technik
Bei der schweißtechnischen Verarbeitung von beschichteten Blechen und von Blechen
mit Fertigungsbeschichtungen muss häufig, aufgrund der Verdampfung der
Beschichtung sowie durch die Entgasungsvorgänge, mit Prozessinstabilitäten und mit
der Neigung zur Porenbildung in der Schweißnaht gerechnet werden. Zur Erarbeitung
von Lösungsansätzen wurde deshalb in der Vergangenheit eine Vielzahl von
Forschungsvorhaben durchgeführt, auf die im Folgenden näher eingegangen werden
soll.
Historisch bedingt wurden die ersten Untersuchungen zur Schweißbarkeit von Primer
beschichteten Blechen und Fertigungsbeschichtungen schon in den 1960er und
1970er Jahren durchgeführt. Besonders beim Einsatz des
Metallschutzgasschweißens wurde hier bei Kehlnähten am T- oder Überlappstoß
aufgrund der Entgasung im Wurzelspalt beim Überschweißen von Primer
Porenbildung beobachtet. Die Häufigkeit und Größe der Poren ist abhängig vom
Primertyp, von der Schichtdicke, von den Schweißbedingungen, dem eingesetzten
Schutzgas und dem Schweißzusatzwerkstoff [4-9]. Beim Schweißen von I-Stößen und
beim Auftragschweißen wurden kaum Poren beobachtet, da hier eine ausreichende
Entgasung der verdampften Beschichtungsanteile gewährleistet ist. Bei
Untersuchungen bezüglich des Schutzgases zur Verminderung der Porenbildung
wurde eine Erhöhung des CO2-Anteiles auf 18 % bis 25 % als vorteilhaft ermittelt.
Speziell bei Blechen mit Fertigungsbeschichtungen, wie sie üblicherweise im Schiffbau
und Stahlbau zur Anwendung kommen, werden auch heute noch Schutzgase mit bis
zu 40 % CO2-Anteil eingesetzt, teilweise sogar auch reines CO2 in Kombination mit
Massiv- oder Fülldrähten [10-11].
Des Weiteren gab es Untersuchungen an Fertigungsbeschichtungen, die sich mit dem
Vergleich unterschiedlicher Shopprimer hinsichtlich der Porenbildung beschäftigten.
So wurden in [12] MSG-Schweißversuche, gemäß der DVS-Richtlinie 0501 an
Blechen, die mit verschiedenen PVB-Shopprimern und einem Zinksilikat-Shopprimer
beschichtet waren, als Doppelkehlnaht, sowohl unter Verwendung von CO2 als auch
Argon-CO2-Mischgas M21, ausgeführt [13]. Hierbei wurde ein günstigeres Verhalten
hinsichtlich der Porenbildung beim Zinksilikat-Shopprimer festgestellt, wobei auch hier
beim MAG-Schweißen mit reinem CO2 Schutzgas die Gesamtporenfläche gegenüber
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