UP-Series-Arc-Schweißen AC - WELTRON-Steuerungs

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Dr.- Ing. E. Oster, Rudersdorf
UP-Einseitenschweißen im Schiffbau
1. Einleitung
Die Herstellung von Paneelen für die Außenhaut sowie Decks in der schiffbaulichen
Vorfertigung geschieht vor dem Beplanken mit Schiffbauprofilen durch das Fügen von
Blechstreifen zu Plattenplänen. Die mechanisierte Fertigung dieser Stumpfnähte erfolgt in
der einfachsten Variante in Lage-Gegenlagetechnik, s. Bild 1. Hierbei sind jedoch
entsprechend hohe Wendehallen mit geeigneter Bekranung bzw. aufwändige
Plattenwendeanlagen erforderlich. Eine höhere Produktivität kann durch den Einsatz von
Einseitenschweißverfahren erreicht werden. Im Folgenden wird auf die Besonderheiten
dieser Technologie im Hinblick auf Nahtvorbereitung, Badsicherung, Spanntechnik und
Prozesstechnik eingegangen.
Bild 1: Zweiseitenschweißen mit UP-Eindrahtschweißprozess, 2 Schweißköpfe, DrahtElektrodendurchmesser 4,0 mm, DC +
2. Nahtvorbereitung
Beim Einseitenschweißen muss die Nahtvorbereitung hinsichtlich des Fertigungsverfahrens
sowie der Geometrie dem zur Anwendung kommenden Schweißprozess angepasst werden.
Im Blechdickenbereich von 5 – 14 mm kann eine I-Nahtvorbereitung mit Spaltbreiten von 2 –
7 mm gewählt werden. Ab 12 mm Blechdicke wird alternativ eine V-Nahtvorbereitung
realisiert, Nahtöffnungswinkel üblicherweise 45° - 50°, Spalt 0 – 4 mm.
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N:\VORTRÄGE\UP-EINSEITENSCHWEISSEN\UP-EINSEITENSCHWEISSEN IM SCHIFFBAU.DOC
Bei der Fertigung der Nahtvorbereitung ist zu beachten, dass UP-Tandem- bzw.
Eindrahtschweißverfahren nur geringe Fertigungstoleranzen im Bereich von ± 0,2 mm
erlauben, weshalb in diesem Falle die Nahtvorbereitung vorteilhaft durch spanende
Bearbeitung, z. B. mit Plattenfräsmaschinen, erfolgen sollte. Das UP-Series-ArcSchweißverfahren (s. Kap. 4.2) hingegen erlaubt größere Fertigungstoleranzen (bis max. ±
1,5 mm), d.h. die Nahtvorbereitung kann mit Hilfe des autogenen Brennschneidens oder
Plasmaschneidens durchgeführt werden.
3. Badsicherung
Bekannte Badsicherungsmethoden sind anschmelzende Stützbleche, Kupferschienen,
keramische Badsicherungen und pneumatisch angedrückte Pulverkissen /1/. Für das
Einseitenschweißen nicht geeignet sind anschmelzende Stützbleche, da diese nach dem
Schweißen aufwändig entfernt werden müssen und damit wiederum ein Wenden des
Paneels erforderlich machen. Keramische Badsicherungen sind nach dem Heften der Platten
von unten anzubringen und damit ebenfalls wenig geeignet. Kupferschienen können
pneumatisch von unten an den gehefteten Plattenstoß angedrückt werden, müssen jedoch
spaltfrei anliegen und können zu Lötrissen in der Schweißnaht führen, wenn sie von einem
Schweißlichtbogen partiell angeschmolzen werden.
Bewährt haben sich beim Einseitenschweißen im Schiffbau wassergekühlte Kupferschienen
mit Nuten, die mit einer Schweißpulverschüttung aufgefüllt werden, s. Bild 2.
Bild 2: Kupfer-Badsicherung mit Pulverbadabstützung
Aufgrund einer geringen Überhöhung der Pulverschüttung (Schüttradius z. B. 300 mm) kann
beim pneumatischen Anpressen der Schiene von unten an den Plattenstoß eine
ausreichende Stützwirkung des Pulverkissens erzielt werden, auch wenn die Kupferkanten
der Schiene nicht in allen Bereichen völlig spaltfrei (was anzustreben ist) anliegen. Müssen
unterschiedliche Blechdicken verschweißt werden, wird der Blechdickensprung vorteilhaft an
der Unterseite des Plattenplanes realisiert, so dass die Oberseite eben bleibt und so ein
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problemloses Aufsetzen von Versteifungsprofilen in der weiteren Fertigung möglich ist. Damit
die Wurzelausbildung den Spezifikationen der Klassifikationsgesellschaften genügt, muss in
diesem Fall das dickere Blech an der Unterseite angeschärft sein (< 1:4, s. Bild 3).
Bild 3: Kupfer-Badsicherung mit Pulverstütze bei unterschiedlichen Blechdicken
Eine in geeigneter Weise schwenkbar gelagerte Badsicherung in Verbindung mit einer
erhöhten Pulverschüttung gewährleistet eine ausreichende Wurzelausbildung der
Schweißnaht.
4. UP-Schweißverfahren
Bewährt haben sich beim Einseitenschweißen die UP-Verfahren mit einer Drahtelektrode
(Gleichstrom, Drahtelektrode am Pluspol), das UP-Tandem-Verfahren mit 2 bzw. 3
Drahtelektroden (1. Drahtelektrode Gleichstrom – Pluspol, folgende Drahtelektroden
Wechselstrom) sowie das Series-Arc- bzw. Modified-Series-Arc-Verfahren.
4.1 UP-Tandem-Verfahren
Eindraht- bzw. Tandemverfahren erfordern eine präzise, in der Regel durch Fräsen
hergestellte Nahtvorbereitung (s. Kap. 2) mit geringen Spaltbreiten und Spalttoleranzen. Es
sind jedoch höhere Schweißgeschwindigkeiten und damit geringere Streckenenergien
möglich im Vergleich zu den Series-Arc-Verfahren. Durch mechanisches Pendeln der ersten
Drahtelektrode lassen sich größere Spalttoleranzen beherrschen, jedoch wieder auf Kosten
der Schweißgeschwindigkeit. Bei größeren Blechdicken (> 14 mm, V-Nahtvorbereitung) wird
mehrlagig geschweißt, wobei die erste Lage (Wurzellage) mit einer oder zwei
Drahtelektroden geschweißt wird, während für Füll- und Decklagen auch das
Tandemschweißen mit 3 Drahtelektroden eingesetzt werden kann. Eine Besonderheit stellt
hierbei das FMI-Verfahren dar (Flux-Micro-Injection /2/), wobei für die 2. Drahtelektrode ein
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Fülldraht mit Micro-Legierungselementen (Ti, B, Impfelemente zur Erzielung eines
feinkörnigeren Gefüges) verwendet wird, Bild 4. Es werden so auch bei höherfesten
Werkstoffen die geforderten mechanisch-technologischen Gütewerte im Tieftemperaturbereich erreicht.
Bild 4: UP-Tandemschweißen mit 3 Drahtelektroden (FMI-Prozess)
1. Kopf: Massivdraht, ø 4,0 mm, DC + Pol
Schweißstrom 500 – 950 A
Schweißspannung 32V
2. Kopf: Fülldraht, ø 4,0 mm, AC
Schweißspannung 38V
3. Kopf: Massivdraht, ø 4,0 mm, AC
Schweißspannung 39 - 40V
Schweißgeschwindigkeit 65 – 105 cm/min
Scott-Schaltung 2. u. 3. Kopf, 90°-Phasenverschiebung, CC-Kennlinien
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Bild 5 zeigt eine ausgeführte UP-3-Draht-FMI-Einseitenschweißanlage komplett mit
Pulverzuführ- und Absauganlage, Schüttvorrichtung für Badsicherungspulver und
Spaltmesssystem (CCD-Kameras mit Image-Processing-System).
Bild 5: FMI-3-Drahtanlage
4.2 Series-Arc-Verfahren
In /1/ wird ein Mehrdrahtverfahren, das sogenannte Parallel-Lichtbogenschweißen,
beschrieben, bei dem sich der Strom der ersten Drahtelektrode so aufteilt, dass ein
Lichtbogen zwischen der ersten Drahtelektrode und dem Werkstück sowie ein zweiter
Lichtbogen zwischen der ersten und der zweiten Drahtelektrode brennt. Hierbei wird eine
hohe Abschmelzleistung bei vergleichsweise geringem Einbrand erzielt. In /3/ wird eine zum
Einseitenschweißen geeignete Modifikation dieses Verfahrens, das sogenannte Series-ArcVerfahren behandelt. Es werden Drahtelektroden in geänderter Anordnung und mit
verschiedenen Durchmessern verwendet, 1. Drahtelektrode ø 4,8 mm, 2. Drahtelektrode ø
3,2 mm. Hiermit wird eine Stromaufteilung auf die Einzellichtbögen wie folgt erzielt: 56% auf
den Lichtbogen zwischen 1. Drahtelektrode und Werkstück, 44% auf den Lichtbogen
zwischen den beiden Drahtelektroden. Durch Variation der Drahtelektrodendurchmesser,
was in Nordamerika teilweise praktiziert wird, lassen sich hier auch andere Verhältnisse
erzielen. Als Schweißstromquelle wird ein Schweißtransformator mit fallender Kennlinie
verwendet. Zur Leistungssteigerung kann zusätzlich eine in relativ großem Abstand geführte
dritte Drahtelektrode, die konventionell ebenfalls von einem Schweißtransformator mit
Energie versorgt wird, eingesetzt werden (Modified-Series-Arc-Vefahren). Die möglichst
exakt einzuhaltende Drahtelektrodenanordnung geht aus Bild 6 hervor.
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Bild 6: UP-Modified-Series-Arc-Schweißen mit 3 Drahtelektroden
1. Kopf: Massivdraht, ø 4,8 mm
Schweißgeschwindigkeit 30 – 70 cm/min,
1. u. 2. Kopf AC, Series-Arc-Schaltung, 3. Kopf AC, Scott-Schaltung, CC-Kennlinien
Die Series-Arc-Verfahren ermöglichen aufgrund der relativ geringen Wärmeeinbringung in
den Grundwerkstoff eine verbesserte Spaltüberbrückbarkeit bis max. 7 mm, je nach
Blechdicke. Hierbei können Plattenstöße mit einfacher, durch Brennschneiden oder
Plasmaschneiden hergestellter Nahtvorbereitung verschweißt werden. Beachtet werden
muss jedoch, dass die Schweißgeschwindigkeiten niedriger sind als bei den UP-TandemSchweißverfahren und damit aufgrund der höheren Streckenenergien die Eignung für
höherfeste Werkstoffe nur bedingt gegeben ist. Bild 7 zeigt eine ausgeführte Anlage zum
Modified-Series-Arc-Schweißen
mit
TV-Überwachungssystem
und
automatischer
Schweißkopfführung (induktive Höhenabtastung, taktile Seitenabtastung).
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Bild 7: Modified-Series-Arc-Anlage
Die Nahtausbildung einer typischen Einseiten-Series-Arc-Schweißung ist in Bild 8 dargestellt.
Bemerkenswert ist hier die fast gleichmäßige Ausbildung von Nahtwurzel und Nahtoberfläche
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Bild 8: Schweißnahtausbildung beim Series-Arc-Schweißen (Oberseite oben, Querschliff
Mitte, Wurzel unten)
Bechdicke: 9,5 mm; Nahtvorbereitung; I-Stoß, Spalt 5 mm;
Schweißstrom: 830 A
Schweißspannung: 38V
Schweißgeschwindigkeit: 38 cm/min
Werkstoff: ABS EH 36
5. Spanntechnik
Das Schweißergebnis beim Einseitenschweißen hängt wesentlich davon ab, dass sich die zu
fügenden Bauteile während des Schweißprozesses so wenig wie möglich relativ zueinander
bewegen /4/ und die Badsicherung möglichst spaltfrei unten am Plattenstoß anliegt. Dies
kann erreicht werden, indem entweder der Plattenstoß von oben auf die feststehende
Badsicherung gedrückt wird oder aber auf eine feste Bauauflage, und die Badsicherung dann
separat von unten z. B. pneumatisch gegen den Plattenstoß gepresst wird. Das Anpressen
des Plattenstoßes auf eine feste Bauauflage erfolgt entweder durch "Drücken" z. B.
hydraulisch von oben (s. Bild 9) oder durch "Ziehen" magnetisch (s. Bild 10) bzw.
pneumatisch (Vakuumspannung) von unten.
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Bild 9: Hydraulische Werkstückspannung von oben
Bild 10: Magnetische Werkstückspannung von unten
Die hydraulische Spannung von oben ermöglicht entsprechend der konstruktiven Auslegung
der Spanneinrichtung höhere Spannkräfte, also höhere Sicherheit bzgl. Plattenbewegungen
während des Schweißens, schränkt aber die Zugänglichkeit zur Schweißstelle stark ein, s.
Bild 11.
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Bild 11: Einseitenschweißen mit hydraulischer Werkstückspannvorrichtung
Die magnetische Spannung (Spannkräfte bis 70 kN/m /4/) erlaubt bei geringeren
Spannkräften optimale Zugänglichkeit zur Schweißstelle und ist mit geringerem
konstruktivem Aufwand und damit Kosten zu realisieren, s. Bild 12.
Bild 12: Einseitenschweißen mit magnetischer Werkstückspannvorrichtung
Eine pneumatische Vakuumspannung ist aufwändiger zu realisieren als ein magnetisches
Spannsystem, ist aber dann erforderlich, wenn auch austenitische Werkstoffe geschweißt
werden sollen. Zu erwähnen ist noch, dass die Schweißstromrückleitungen bei hydraulischer
Spannung direkt an die Anpresselemente angeschlossen werden können, während sie bei
magnetischer oder pneumatischer Spannung separat an den Plattenplan angeklemmt
werden müssen.
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Es muss an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass Bewegungen des Plattenplanes
aufgrund von thermischem Verzug währen des Schweißens erhebliche Spannungen in der
entstehenden Schweißnaht und damit Heißrisse im Bereich des Schweißnahtendes zur
Folge haben können. Deshalb müssen die Plattenpläne zumindest bei magnetischer oder
pneumatischer Spannung vor dem Schweißen geheftet werden. Über weitere Maßnahmen
zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Heißrissen im Nahtendebereich wird in /4/ ausführlich
berichtet.
6.
Schlussbemerkung
Das Einseitenschweißen mit den beschriebenen UP-Verfahrensvarianten stellt den Stand der
derzeit am weitesten verbreiteten Technik dar. Im Einzelfall wird bereits in Verbindung mit
großen Plattenfräsanlagen das Laser-Hybrid-Schweißverfahren im Blechdickenbereich bis
ca. 10 mm eingesetzt /5/. Neuere Entwicklungen führten zu einer Pilotanwendung für
Blechdicken bis zu 20 mm. Hierbei wird für die Wurzelschweißung (Y-Nahtvorbereitung,
Steghöhe 8 mm) das Laser-Hybrid-Verfahren mit einem Hochleistungs-Faserlaser
eingesetzt, die Füll- und Decklagen werden mit dem MAG-Tandem-Verfahren erstellt /6/.
Vor dem Hintergrund des derzeit enormen Investitionsvolumens für solche neuen
Technologien (ca. 100.000, -- € / kW Laserleistung, ca. 1 kW Laserleistung / mm zu
verschweißender Blechdicke) werden daher die UP-Verfahren für kleinere und mittlere
Werften insbesondere für die größeren Blechdickenbereiche auch auf längere Sicht attraktiv
sein.
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Literaturverzeichnis
/1/ Müller, P. u. L. Wolff: Handbuch des Unterpulverschweißens, Teil I
Fachbuchreihe Schweißtechnik, Bd. 63
DVS-Verlag, Düsseldorf, 1983
/2/ Engindeniz, E.: Unterpulver-Hochleistungsschweißen mit Fülldrahtelektroden
DVS-Berichte Bd. 155, S. 170 – 178
/3/ Oster, E.: Rechnergestützte Prozess- und Schweißkopfführung beim vollmechanisierten
Lichtbogenschweißen im Behälter- und Schiffbau
DVS-Bereichte Bd. 186, S. 129 – 133
/4/ Herold, H., M. Streitenberger, A. Pchennikov, E. Makarov u. R. Neumann: Modellierung
der Einseitenschweißung zur Berechnung der Heißrissbildung am Ende langer
Schweißnähte
/5/ Roland, F.: Laserstrahlschweißen im Schiffbau – Chancen, Probleme, Beispiele
/6/ Seyffarth, P. u. R. Gaede: Hochleistungsfaserlaser-Hybridschweißung mit MAGTandemschweißung gekoppelt – weltweit erstmaliger Einsatz auf einer Werft für
Blechdicken bis 20 mm
Zum Autor:
Dr.-Ing. Eckhard Oster studierte an der RWTH Aachen Maschinenbau mit der ZusatzQualifikation "Schweißfachingenieur"; 1986 Promotion am Institut für Schweißtechnische
Fertigungsverfahren (ISF) in Aachen. Als technischer Geschäftsführer der WELTRONSteuerungs- und Schweißanlagenbau GmbH beschäftigt er sich u. a. mit der Entwicklung
und Inbetriebnahme von Sondermaschinen zum mechanisierten Lichtbogenschweißen,
insbesondere auch Einseitenschweißanlagen in Europa, Nordamerika und Asien.
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