Technologische Untersuchung zum MIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen im Fahrzeugbau

Brückner, Christian

Technologische Untersuchung zum MIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen im Fahrzeugbau

Zusammenfassung

Inhaltsangabe: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 […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Christian Brückner

Technologische Untersuchung zum MIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen im

Fahrzeugbau

ISBN: 978-3-8366-2347-6

Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2009

Zugl. Hochschule Mittweida (FH), Mittweida, Deutschland, Diplomarbeit, 2006

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http://www.diplomica.de, Hamburg 2009

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III

Christian Brückner

VORWORT

Die hier folgende Diplomarbeit wurde im Zeitraum vom 01.Mai bis 17.Oktober 2006

erstellt. Dabei war Standort der Entstehung das BMW Werk 2.1. in Dingolfing,

Prototypenabteilung Methoden TA-349 (Technologien für Antriebs- und

Fahrwerkssysteme) und die Hochschule in Mittweida.

An erster Stelle möchte ich mich bei der BMW Group in Dingolfing und der

Hochschule Mittweida (FH) bedanken, die mir diese Diplomarbeit ermöglichten. Mein

besonderer Dank gilt dabei Herrn Dipl.-Ing. Josef Goetz, Gruppenleiter der Abteilung

TA-349 und meinem Betreuer Herrn Dipl.-Ing. Markus Speiseder (FH), für die

Bereitstellung des Themas und Herrn Prof. Dr.-Ing. Frank Müller, Vorsitzender des

Prüfungsausschusses des Fachbereiches Maschinenbau/ Feinwerktechnik, für die

Zulassung der Diplomarbeit.

Weiterhin möchte ich noch einmal meinem Betreuer Herrn Dipl.-Ing. Markus

Speiseder (FH) seitens der BMW Group und meinem Betreuer Herrn Prof. Dr.-Ing.

Eugen Pfütze seitens der Hochschule Mittweida (FH) für die Betreuung Dank

aussprechen, die mir stets mit Rat und Tat zur Seite standen.

Auch die Zusammenarbeit mit Herrn Johann Bauer und Herrn Dieter Glass tat einen

sehr wesentlichen Beitrag zum Gelingen dieser Arbeit bei. Ich möchte auch einen

großen Dank allen anderen Mitarbeitern der Abteilung TA-349 für die hilfsbereite

Zusammenarbeit und kollegiale Unterstützung aussprechen.

Eine weitere Danksagung richtet sich an meinen Betreuer Herrn Prof. Dr.-Ing. Frank

Weidermann seitens der Hochschule Mittweida (FH) für die Bereiterklärung der

abschließenden Bewertung meiner Diplomarbeit.

Mein ganz besonderer Dank gilt meiner Familie, die mich während meines Studiums

uneingeschränkt unterstützt hatte.

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Christian Brückner

AUFGABENSTELLUNG

Diplomand: Christian

Brückner

Hochschule: Hochschule Mittweida (FH)

Fachbereich: Maschinenbau/

Feinwerktechnik

Studiengang: Maschinenbau

Vertiefungsrichtung: Konstruktion

Unternehmen:

BMW Group, Dingolfing

Betreuer, Hochschule Mittweida (FH): Prof. Dr.-Ing. Eugen Pfütze

Betreuer, Hochschule Mittweida (FH): Prof. Dr.-Ing. Frank Weidermann

Betreuer, BMW Group, Dingolfing:

Dipl.-Ing. Markus Speiseder (FH)

Thema: Technologische

Untersuchung zum MIG-Schweißen von

Aluminiumwerkstoffen im Fahrzeugbau

Problematik:

Zielsetzung:

Heutige Schweißverfahren zum Fügen von Aluminiumwerkstoffen

erreichen höchste Nahtqualitäten. Doch die steigende Nachfrage und

der immer größer werdende Konkurrenzkampf auf dem heutigen

Weltmarkt, fordern ständige Optimierungen und

Anpassungsstrategien zur Verbesserung der Qualität und

Wirtschaftlichkeit auf diesem Gebiet.

Bei dieser Diplomarbeit soll speziell der Einfluss der

Stromversorgung auf die Schweißnahtqualität in Abhängigkeit

ändernder Massekabelkonfigurationen näher untersucht werden. Aus

Planung, Durchführung und Auswertung von Schweißversuchen,

sollen vergleichende Betrachtungen verschiedener Einstellungen

vorgenommen werden um spätere Anwendungs- und

Einsatzmöglichkeiten für die Fertigung zu diskutieren.

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Christian Brückner

INHALTSVERZEICHNIS

VORWORT ... III

ERKLÄRUNG... IV

AUFGABENSTELLUNG... V

INHALTSVERZEICHNIS... VI

TABELLEN UND ABBILDUNGEN... XI

ABKÜRZUNGENS- UND FORMELVERZEICHNIS... XV

1. EINLEITUNG ... 1

1.1. Firmenportrait: ... 1

1.1.1. Historische Entwicklung: ... 1

1.1.2. Das Unternehmen: ... 1

1.1.3. Marken:... 2

1.1.4. Innovationen:... 2

1.2. Standort Dingolfing: ... 3

1.2.1. Allgemein: ... 3

1.2.2. Fertigungsbereiche: ... 4

1.2.3. Abteilung TA-3: ... 5

2. STAND DER TECHNIK ... 6

2.1. Werkstoff-Aluminium: ... 6

2.1.1. Grundlagen: ... 6

2.1.2. Legierungen:... 9

2.1.3. Schweißeignung: ... 11

2.2. Grundlagen - Schweißen:... 15

2.2.1. Allgemein: ... 15

2.2.2. Einteilung: ... 15

2.2.3. Schweißbarkeit: ... 17

2.2.4. Schweißanordnungen: ... 18

2.3. MIG-Schweißprozess:... 20

2.3.1. Allgemein: ... 20

2.3.2. Schutzgase: ... 21

2.3.3. Vorgänge im Lichtbogen:... 24

2.3.4. Werkstoffübergang:... 25

2.3.5. Lichtbogenarten:... 27

2.3.6. Impulslichtbogen: ... 28

2.3.7. Stromquelle: ... 31

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VII

Christian Brückner

3. PRAKTISCHE VORUNTERSUCHUNGEN ... 34

3.1. Allgemein:... 34

3.2. Gasoptimierung: [L1]... 34

3.2.1. Erläuterung: ... 34

3.2.2. Schweißnähte:... 35

3.2.3. Auswertung: ... 38

3.3. Brenneroptimierung: [L2]... 39

3.3.1. Erläuterung: ... 39

3.3.2. Schweißnähte:... 40

3.3.3. Auswertung: ... 42

4. PRAKTISCHE HAUPTUNTERSUCHUNG ... 43

4.1. Problematik:... 43

4.1.1. Aufgabenstellung:... 43

4.1.2. Stromversorgungskabel: ... 44

4.1.3. Theoretische Grundlagen: ... 46

4.1.4. Theoretische Berechnung: ... 47

4.2. Versuchsanlage: ... 50

4.2.1. Schweißbrenner: ... 50

4.2.2. Stromquelle: ... 51

4.2.3. Steuereinheit:... 52

4.2.4. Gasanschluss: ... 52

4.2.5. Drahtabwicklung: ... 52

4.2.6. Messwerterfassung: [Hall-Effekt] ... 54

4.2.7. Messung und Messbereich: ... 55

4.2.8. Messwertcharakter:... 56

4.2.9. Weitere Untersuchungen: ... 57

4.3. Versuchswerkstoffe: ... 58

4.3.1. AlSi5 - Zusatzwerkstoff: ... 58

4.3.2. AlMg3 - Grundwerkstoff:... 59

4.3.3. Reinigungsprozess:... 59

4.4. Schweißkonfigurationen: ... 60

4.4.1. Erläuterung: ... 60

4.4.2. Übersicht: ... 61

4.5. Parameterfindung:... 62

4.5.1. Erläuterung: ... 62

4.5.2. Drahtvorschub: ... 65

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VIII

Christian Brückner

4.5.3. Gasvorströmzeit:... 66

4.5.4. Leistungs- und Impulsparameter: ... 66

4.5.5. Stromfläche und Lichtbogenlänge:... 68

4.6. Impulsform:... 69

4.6.1. Erläuterung: ... 69

4.6.2. Einstellungen: ... 71

4.6.3. Analoge und Digitale Signale:... 75

4.7. Lichtbogenlängenregelung:... 76

4.7.1. Erläuterung: ... 76

4.7.2. Regelung:... 76

4.7.3. U/I-Regelung: ... 77

4.7.4. I/I-Regelung:... 78

4.8. Prozessregler:... 79

4.8.1. RPA-Datei: ... 79

4.8.2. Kurzschlussbehandlung:... 80

4.8.3. L-Kennlinienregler: ... 82

5. VERSUCHSAUSWERTUNG ... 84

5.1. U/I-Regelung - Übersicht1:... 84

5.1.1. Erläuterung: ... 84

5.1.2. Grundkonfigurationen: [U/I] ... 85

5.1.3. Feste Prozessparameter - 15m gewickelt: ... 90

5.1.4. Kompensierte Prozessparameter - 15m gewickelt: ... 95

5.2. U/I-Regelung - Übersicht2:... 100

5.2.1. Feste Prozessparameter - Massekabeländerung: ... 100

5.2.2. Massekabeländerung - Analog KSB: ... 104

5.2.3. Massekabeländerung - Analog NoKSB:... 113

5.3. I/I-Regelung - Übersicht: ... 116

5.3.1. Grundkonfigurationen: [I/I]... 116

5.3.2. Massekabeländerung - Digital NoKSB: ... 118

5.3.3. Massekabeländerung - Digital KSB: ... 121

6. ZUSAMMENFASSUNG ... 126

7. FAZIT... 130

ANLAGEN... 131

LITERATURVERZEICHNIS ... 135

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Christian Brückner

TABELLEN UND ABBILDUNGEN

Tabelle-01: Eigenschaften - Aluminium und Eisen... 8

Tabelle-02: Schweißpositionen und Nähte [ISO 6947]... 19

Tabelle-03: Beispiele für Stöße und Nähte... 19

Tabelle-04: Aktivgaszumischungen ... 22

Tabelle-05: Eigenschaften - Argon... 22

Tabelle-06: Eigenschaften - Helium... 23

Tabelle-07: Lichtbogenarten... 27

Tabelle-08: Stromquelle - Datenblatt ... 51

Tabelle-09: Mechanische Eigenschaften [AlSi5] ... 58

Tabelle-10: Chemische Zusammensetzung in % [AlSi5]... 58

Tabelle-11: Mechanische Eigenschaften [AlMg3]... 59

Tabelle-12: Chemische Zusammensetzung in % [AlMg3] ... 59

Tabelle-13: Basisparameter ... 64

Tabelle-14: Impulsformen - U/I-Regelung... 72

Tabelle-15: Impulsformen - I/I-Regelung ... 72

Tabelle-16: Prozessregler - Kurzschlussbehandlung... 81

Tabelle-17: Prozessregler - L-Kennlinienregler ... 83

Tabelle-18: Diagramme - Übersicht1 [U/I-Regelung] ... 84

Tabelle-19: K2 mit festen PP 5m normal - Messwerte... 86

Tabelle-20: K3 mit festen PP 5m normal - Messwerte... 87

Tabelle-21: K2 mit festen PP 15m gewickelt - Messwerte ... 90

Tabelle-22: K3 mit festen PP 15m gewickelt - Messwerte ... 92

Tabelle-23: K2 mit kompensierten PP 15m gewickelt - Messwerte ... 96

Tabelle-24: K3 mit kompensierten PP 15m gewickelt - Messwerte ... 97

Tabelle-25: Diagramme - Übersicht2 [U/I-Regelung] ... 100

Tabelle-26: K2 mit festen PP - Messwerte ... 105

Tabelle-27: K3 mit festen PP - Messwerte ... 105

Tabelle-28: K2 mit kompensierten PP - Messwerte ... 109

Tabelle-29: K3 mit kompensierten PP - Messwerte ... 109

Tabelle-30: K3 mit festen PP Analog NoKSB - Messwerte... 114

Tabelle-31: Diagramme - Übersicht [I/I-Regelung] ... 116

Tabelle-32: I/I Digital NoKSB - Prozessparameter... 120

Tabelle-33: I/I Digital KSB - Prozessparameter... 124

Tabelle-34: U/I-Regelung - Zusammenfassung... 128

Tabelle-35: I/I-Regelung - Zusammenfassung ... 128

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Christian Brückner

Tabelle-36: U/I-Regelung - Alle gefahrenen Versuche... 131

Tabelle-37: I/I-Regelung - Alle gefahrenen Versuche ... 132

Tabelle-38: RPA-Regler - Teil1 ... 132

Tabelle-39: RPA-Regler - Teil2 ... 133

Tabelle-40: U/I-Regelung - Impulsformen... 134

Tabelle-41: I/I-Regelung - Impulsformen ... 134

Abbildung-001: Werk 2.1, Dingolfing ... 3

Abbildung-002: Presswerk ... 4

Abbildung-003: Rohbau ... 4

Abbildung-004: Lackiererei... 4

Abbildung-005: Montage... 4

Abbildung-006: Fahrwerks- und Antriebskomponenten ... 5

Abbildung-007: Bayer-Prozess... 7

Abbildung-008: Schmelzflusselektrolyse... 7

Abbildung-009: Wasserstofflöslichkeit ... 12

Abbildung-010: Fertigungsverfahren nach DIN 8580... 15

Abbildung-011: Fügeverfahren nach DIN 8593... 16

Abbildung-012: Schweißverfahren nach DIN 1910 ... 16

Abbildung-013: Schweißbarkeit... 17

Abbildung-014: Brennerstellung - Längs zur Naht ... 19

Abbildung-015: MSG-Schweißprozess ... 21

Abbildung-016: Einbrand - Argon... 23

Abbildung-017: Einbrand - Helium... 23

Abbildung-018: Kräfte im Lichtbogen ... 26

Abbildung-019: Lichtbogenvorgänge... 26

Abbildung-020: Leistungsbereich ... 28

Abbildung-021: DC-Lichtbogen - [IG +] ... 30

Abbildung-022: DC0-Lichtbogen - [IG +/0] ... 30

Abbildung-023: AC-Lichtbogen - [ IG +/0/-]... 30

Abbildung-024: Einteilung Transistorstromquellen ... 31

Abbildung-025: Schweißnahtpositionen ... 34

Abbildung-026: Optimierungsversuche... 34

Abbildung-027: Schliffbilder1 - [Nahtquerschnittsfläche]... 35

Abbildung-028: Schliffbilder2 - [Nahtquerschnittsfläche]... 36

Abbildung-029: Schliffbilder3 - [Nahtquerschnittsfläche]... 37

Abbildung-030: Schliffbilder - [a-Maß] ... 37

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Christian Brückner

Abbildung-031: Visueller Eindruck ... 38

Abbildung-032: Brenner & Schweißnahtposition ... 39

Abbildung-033: Visueller Eindruck ... 40

Abbildung-034: Visueller Eindruck und Schliffbilder ... 41

Abbildung-035: Schliffbilder - [a-Maß] ... 42

Abbildung-036: Stromversorgungskabel... 44

Abbildung-037: Massekabelkonfiguration ... 45

Abbildung-038: Ohmsche & Induktive Widerstände ... 46

Abbildung-039: Brenner - CLOOS ... 50

Abbildung-040: Stromquelle ... 51

Abbildung-041: Hauptplatine [K2/K3]... 51

Abbildung-042: Brenner [Pull]... 53

Abbildung-043: Probeblech... 53

Abbildung-044: Drahtwicklung [Push] ... 53

Abbildung-045: Steuereinheit... 53

Abbildung-046: Gasanschluss ... 53

Abbildung-047: Analysator-Hannover ... 54

Abbildung-048: Hall-Sensor... 54

Abbildung-049: Messbereich der Versuchsreihen... 55

Abbildung-050: LEICA-Mikroskop ... 57

Abbildung-051: KODAK-Kamera ... 57

Abbildung-052: Schliffbild... 57

Abbildung-053: Tropfenablösung ... 57

Abbildung-054: Schweißkonfigurationen U/I ... 61

Abbildung-055: Schweißkonfigurationen I/I... 61

Abbildung-056: Sehr schlechte Schweißnaht... 63

Abbildung-057: Sehr gute Schweißnaht... 63

Abbildung-058: Reinigungszone ... 63

Abbildung-059: Struktur-Blechoberfläche ... 63

Abbildung-060: Struktur-Reinigungszone... 63

Abbildung-061: Schweißparameter ... 64

Abbildung-062:

lechabmessungen... 65

Abbildung-063: vD1 = 4,0m/min ... 65

Abbildung-064: vD2 = 3,0m/min ... 65

Abbildung-065: Gasvorströmzeit ... 66

Abbildung-066: Impulsformerzeugung - U/I-Regelung... 70

Abbildung-067: Impulsformerzeugung - I/I-Regelung... 71

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XII

Christian Brückner

Abbildung-068: Erläuterung der Diagramme ... 73

Abbildung-069: Impulsformen - U/I Analog KSB... 74

Abbildung-070: Impulsformen - U/I Digital KSB... 74

Abbildung-071: Impulsformen - I/I Digital KSB ... 75

Abbildung-072: I-Regelung ... 77

Abbildung-073: U-Regelung... 78

Abbildung-074: CompactFlash auf der Hauptplatine der Schweißstromquelle ... 79

Abbildung-075: K2 mit festen PP 5m normal - Schweißnähte ... 86

Abbildung-076: K2 mit festen PP 5m normal - Strom & Spannung... 86

Abbildung-077: K3 mit festen PP 5m normal - Schweißnähte ... 87

Abbildung-078: K3 mit festen PP 5m normal - Strom & Spannung... 87

Abbildung-079: K2/K3 mit festen PP - Schliffbilder der Grundkonfigurationen ... 88

Abbildung-080: K2/K3 mit festen PP - Stromflächen der Grundkonfigurationen... 89

Abbildung-081: K2 mit festen PP 15m gewickelt - Schweißnähte ... 90

Abbildung-082: K2 mit festen PP 15m gewickelt - Strom & Spannung... 91

Abbildung-083: K3 mit festen PP 15m gewickelt - Schweißnähte ... 92

Abbildung-084: K3 mit festen PP 15m gewickelt - Strom & Spannung... 93

Abbildung-085: K2 mit festen PP 15m gewickelt - Stromflächen ... 94

Abbildung-086: K3 mit festen PP 15m gewickelt - Stromflächen ... 94

Abbildung-087: K2 mit kompensierten PP 15m gewickelt - Schweißnähte ... 96

Abbildung-088: K2 mit kompensierten PP 15m gewickelt - Strom & Spannung... 96

Abbildung-089: K3 mit kompensierten PP 15m gewickelt - Schweißnähte ... 97

Abbildung-090: K3 mit kompensierten PP 15m gewickelt - Strom & Spannung... 97

Abbildung-091: K2 mit kompensierten PP 15m gewickelt - Stromflächen ... 99

Abbildung-092: K3 mit kompensierten PP 15m gewickelt - Stromflächen ... 99

Abbildung-093: K2 mit festen PP Analog NoKSB - Strom & Spannung... 100

Abbildung-094: K2 mit festen PP Analog KSB - Strom & Spannung... 101

Abbildung-095: K2 mit festen PP Digital NoKSB - Strom & Spannung... 101

Abbildung-096: K2 mit festen PP Digital KSB - Strom & Spannung ... 102

Abbildung-097: K3 mit festen PP Analog NoKSB - Strom & Spannung... 102

Abbildung-098: K3 mit festen PP Analog KSB - Strom & Spannung... 103

Abbildung-099: K3 mit festen PP Digital NoKSB - Strom & Spannung... 103

Abbildung-100: K3 mit festen PP Digital KSB - Strom & Spannung ... 104

Abbildung-101: K2 mit festen PP - Schweißnähte... 105

Abbildung-102: K3 mit festen PP - Schweißnähte... 105

Abbildung-103: K2 mit festen PP - Strom & Spannung ... 106

Abbildung-104: K3 mit festen PP - Strom & Spannung ... 106

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XIII

Christian Brückner

Abbildung-105: K2/K3 mit festen PP - Stromflächen... 108

Abbildung-106: K2/K3 mit festen PP - Schliffbilder ... 108

Abbildung-107: K2/K3 mit festen PP - Häufigkeitsverteilung I

& U

... 108

Abbildung-108: K2 mit kompensierten PP - Schweißnähte... 109

Abbildung-109: K3 mit kompensierten PP - Schweißnähte... 109

Abbildung-110: K2 mit kompensierten PP - Strom & Spannung ... 110

Abbildung-111: K3 mit kompensierten PP - Strom & Spannung ... 110

Abbildung-112: K2/K3 mit kompensierten PP - Stromflächen... 112

Abbildung-113: K2/K3 mit kompensierten PP - Schliffbilder ... 112

Abbildung-114: K2/K3 mit kompensierten PP - Häufigkeitsverteilung I

& U

... 112

Abbildung-115: K3 mit festen PP Analog NoKSB - Schliffbilder... 113

Abbildung-116: K3 mit festen PP Analog NoKSB - Schweißnähte ... 114

Abbildung-117: K3 mit festen PP Analog NoKSB - Strom & Spannung... 114

Abbildung-118: mit festen PP Analog NoKSB - Häufigkeitsverteilung I

& U

... 115

Abbildung-119: K3 mit festen PP Analog NoKSB - Stromflächen ... 115

Abbildung-120: I/I Grundkonfigurationen - Strom & Spannung ... 117

Abbildung-121: I/I Grundkonfigurationen - Stromflächen ... 117

Abbildung-122: I/I mit festen PP Digital NoKSB - Strom & Spannung... 119

Abbildung-123: I/I mit kompensierten PP Digital NoKSB - Strom & Spannung... 119

Abbildung-124: I/I Digital NoKSB - Schweißnähte ... 120

Abbildung-125: I/I Digital NoKSB - Schliffbilder... 120

Abbildung-126: I/I Digital NoKSB - Häufigkeitsverteilung I

& U

... 121

Abbildung-127: I/I Digital NoKSB - Stromflächen ... 121

Abbildung-128: I/I mit festen PP Digital KSB - Strom & Spannung... 123

Abbildung-129: I/I mit kompensierten PP Digital KSB - Strom & Spannung... 123

Abbildung-130: I/I Digital KSB - Schweißnähte ... 124

Abbildung-131: I/I Digital KSB - Schliffbilder... 124

Abbildung-132: I/I Digital KSB - Häufigkeitsverteilung I

& U

... 125

Abbildung-133: I/I Digital KSB - Stromflächen ... 125

Abbildung-134: KSB mit festen PP 15m gewickelt - Schweißnähte ... 129

Abbildung-135: I/I - Neuer Stand [L3]... 129

Abbildung-136: U/I - Alter Stand [L3]... 129

Abbildung-137: Alle Optimierungen [Alter und Neuer Stand]... 130

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XIV

Christian Brückner

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

A/D

Analog/Digital

AC/DC

Wechselstrom/ Gleichstrom

DIN

Deutsches Institut für Normung

EMU

Elektromagnetisches Umformen

Europäische Normung

FlaF

Flanke fallend

FlaS

Flanke steigend

GEW

gewickelt

GEZ

gezogen

Gwt

Grenzwert

IHU

Innen-Hochdruck-Umformen

kfz

kubisch-flächenzentriert

krz

kubisch-raumzentriert

Kurzschluss - kurzschlussbehaftet

KSB

mit Kurzschlussbehandlung

MAG

Metall-Aktivgas

MIG

Metall-Inertgas

MSG

Metall-Schutzgas

Massekabel

NoKS

ohne Kurzschlüsse - kurzschlussfrei

NoKSB

ohne Kurzschlussbehandlung

PP-FEST

feste Prozessparameter

PP-KOMP

kompensierte Prozessparameter

ppm

parts per million

Reg

Regler

Swt

Sollwert

Umschaltpunkt

WIG

Wolfram-Inertgas

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Christian Brückner

FORMELVERZEICHNIS

Zeichen

Einheit

Bedeutung

[%]

Bruchdehnung

[Hz]

Impulsfrequenz

[N]

Pinch-Kraft

[A]

Spitzenwert Grundstrom

[A]

Spitzenwert Impulsstrom

[A]

Effektivwert Schweißstrom

[H]

Induktivität

Keine Einheit

Windungszahl

[]

ohmscher Widerstand

[N/mm

]

Zugfestigkeit

p0,2

[N/mm

]

Dehngrenze

[ms]

Periodendauer

[ms]

negative Grundstromzeit

Gas

[s]

Gasvorströmzeit

[ms]

Impulszeit

[V]

Spitzenwert Grundspannung

[V]

Spitzenwert Impulsspannung

[V]

Effektivwert Schweißspannung

[m/min]

Drahtvorschub

[]

induktiver Widerstand

[Vs/Am]

elektrische Feldkonstante

Keine Einheit

Permeabilitätszahl Spulenkern

[Hz]

Kreisfrequenz

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1. EINLEITUNG

1.1. Firmenportrait:

1.1.1. Historische Entwicklung:

Die Geschichte der BMW Group begann vor über 90 Jahren mit dem Bau der

"Bayerische Flugzeugwerke AG" (BFW) 1916 in München. Erstmalige Verwendung

findet der Name ,,Bayrische Motorenwerke GmbH" bei der Umfirmierung im Jahre

1917, die 1918 schließlich in eine Aktiengesellschaft umgewandelt wurde. Das

Unternehmen konzentrierte sich zunächst auf die Entwicklung und Produktion von

Flugmotoren. Im Jahre 1923 wurde die Produktpalette mit Motorrädern erweitert.

Seine Erfolgsgeschichte als Automobilhersteller begründete BMW im Jahr 1928 mit

dem Erwerb der Fahrzeugfabrik Eisenach [1].

1.1.2. Das Unternehmen:

Heute sind die Fertigungsstätten der BMW Group auf vier Kontinenten verteilt. Als

internationales Unternehmen verfügt die BMW Group derzeit über 23 Produktions-

und Montagestandorte in 14 Ländern: Zum Produktionsnetzwerk zählen fünf Standorte

für BMW Automobile in Deutschland, den USA, China und Südafrika sowie ein

Standort für BMW Motorräder in Deutschland. Darüber hinaus verfügt die BMW

Group in Großbritannien über einen Standort für MINI Fahrzeuge in Oxford, sowie

einen neuen Firmensitz samt Produktionsstätte für Rolls-Royce Automobile in

Goodwood. Hinzu kommen vier Fertigungsstandorte für Komponenten, sowie drei

Motorenwerke in Deutschland, Österreich und Großbritannien. Ein viertes

Motorenwerk, TRITEC Motors Ltd., wird als Gemeinschaftsunternehmen mit

DaimlerChrysler in Brasilien betrieben. Darüber hinaus errichtete die BMW Group ein

neues BMW Werk in Leipzig/Halle, das 2005 die Produktion aufnahm. Auf der

Montageseite verfügt das Unternehmen über acht CKD-Werke für BMW Automobile

in Mexiko, Thailand, Ägypten, Indonesien, Malaysia, Philippinen, Russland und

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Vietnam. Diese werden überwiegend in Kooperation mit externen Partnern betrieben.

Die BMW Group gehört mit rund 42,3 Mrd. EUR Umsatz und mit einem jährlichen

Absatz von über einer Million Automobilen (144.000 der Marke MINI) bzw. über

100.000 BMW Motorrädern sowie mit über 100.000 Mitarbeitern zu den zehn größten

Automobilherstellern weltweit [1].

1.1.3. Marken:

Die BMW Group umfasst die Marken BMW, MINI und Rolls-Royce. Damit ist die

BMW Group das einzige Automobilunternehmen weltweit, welches mit all seinen

Marken ausschließlich im Premium-Bereich des Automobilmarktes tätig ist, vom

Kleinwagen- bis zum absoluten Top-Segment. Die Fahrzeuge der BMW Group bieten

höchste Produktsubstanz hinsichtlich Ästhetik, Dynamik, Technik und Qualität und

unterstreichen die Technologie- und Innovationsführerschaft des Unternehmens [1].

1.1.4. Innovationen:

Mit der Entwicklung des ersten V8-Aluminiummotors und der serienmäßig Montage

von Turboladern, hat sich die BMW Group eine Vorreiterrolle erkämpft. Auch in der

Entwicklung alternativer Antriebe nimmt die BMW Group eine Führungsrolle ein. Das

Unternehmen hat mit der weltweit ersten Flotte von Fahrzeugen mit

wasserstoffbetriebenem Verbrennungsmotor, bestehend aus 15 BMW 750hL, im

weltweiten Einsatz die Machbarkeit dieses Konzeptes bewiesen. Im Rahmen ihres

CleanEnergy Projektes tritt die BMW Group für das Konzept der

Wasserstoffgesellschaft und die Schaffung der dafür notwendigen

Rahmenbedingungen ein. Eine aktuelle Innovation ist die derzeitig bei Neuwagen

verbaute aktive Allradkinematik [1].

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1.2. Standort Dingolfing:

1.2.1. Allgemein:

Das BMW Werk Dingolfing ist der größte Produktionsstandort der BMW Group. An

diesem Standort befinden sich fünf Werke. Im Werk 2.1, welches aus dem

ursprünglichen Glas-Automobilwerk hervorging, ist die weltweite

Fahrwerksproduktion des Unternehmens angesiedelt. Im Werk 2.2 befindet sich die

dem Vertrieb zugeordnete zentrale Teileauslieferung der gesamten BMW Group. Das

Werk 2.4 ist mit einer ungefähren Fläche von 1,9 Mio. m

das Größte innerhalb der

BMW Group. Rund 20.000 Beschäftigte fertigen hier bis zu 1.500 Fahrzeuge pro Tag

jährlich etwa 280.000 Automobile der 3er, 5er, 6er und 7er Baureihe. Die Werke 2.5

und 2.8 versenden und lagern Ersatzteile. Oberste Gebote im Werk Dingolfing sind

Flexibilität und Kundenorientierung. In der Regel werden unterschiedliche Baureihen

über ein Montageband laufen gelassen [1].

Abbildung-001: Werk 2.1, Dingolfing [1]

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1.2.2. Fertigungsbereiche:

Die Produktion lässt sich grob in vier Fertigungsbereiche aufteilen. Im Presswerk

befinden sich 65 Einzelpressen, sowie neun weitere Stufenpressen, darunter die

weltgrößte Presse im Automobilbau. Dort entstehen täglich aus über 1.200 Tonnen

Stahl- und Aluminiumblech über 30.000 Pressteile, wie Dächer, Türen, Klappen,

Seitenrahmen usw. Im Rohbau kommen je nach Werkstoff verschiedene

Fügetechniken wie Laserschweißen, Kleben und Nieten zum Einsatz. Mit einem

Automatisierungsgrad der Schweißpunkte von fast 100 Prozent ist der Rohbau der am

höchsten automatisierte Bereich bei BMW. Vom Rohbauspeicher gelangen die

Karosserien in die Lackiererei. Die erstmals in Dingolfing in Serie eingesetzte

Pulverklarlacktechnik stellt einen wesentlichen Fortschritt in der Automobilproduktion

dar und schont die Umwelt. Die Prozesse in der Lackiererei im Werk Dingolfing sind

so flexibel, dass auf einer Fertigungslinie Karosserien verschiedener Modellreihen und

Typen aus unterschiedlichen Werkstoffen, wie Stahl oder Aluminium beschichtet

werden können. Die Montage ist der letzte Prozessabschnitt der Kernfertigung. Hier

werden die lackierten Karossen, mit der vom Kunden gewünschten Ausstattung, zum

fertigen Fahrzeug komplettiert. Der eigentliche Höhepunkt der Montage ist die so

genannte Hochzeit, wo Motor, Fahrwerk und Karosserie zusammenkommen [1].

Abbildung-002: Presswerk [1]

Abbildung-003: Rohbau [1]

Abbildung-004: Lackiererei [1]

Abbildung-005: Montage [1]

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1.2.3. Abteilung TA-3:

1992 wurde im Zuge einer Umstrukturierung des Unternehmens die Sparte Motor und

Fahrwerk gegründet. Sie wurde mittlerweile umbenannt in Technologie Antriebs- und

Fahrwerkssysteme (TA). Diese Organisation produziert Motoren, Fahrwerksteile,

Achsgetriebe und weitere mechanische Komponenten für die BMW Group und für

ausgewählte Drittkunden, wobei diese vor allem in Dingolfing, Landshut, München

und Steyr ansässig sind. Diese Organisation unterteilt sich wieder in verschiedene

Funktionsbereiche. Die Abteilung TA-3 beschäftigt sich mit Fahrwerks- und

Antriebskomponenten für Vorder- und Hinterachsen mit ihren jeweiligen Getrieben,

und dazugehörigen Gelenkwellen. Um diese möglichst kostengünstig und qualitativ

hochwertig zu fertigen, werden immer wieder neue Fertigungsmethoden erprobt und in

der Praxis umgesetzt, z.B. neue Fertigungsmethoden wie das Innen-Hochdruck-

Umformen (IHU) oder auch das Elektromagnetische Umformen (EMU) [1].

Abbildung-006: Fahrwerks- und Antriebskomponenten [1]

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2. STAND DER TECHNIK

2.1. Werkstoff - Aluminium:

2.1.1. Grundlagen:

2.1.1.1. Allgemein

Das Element Aluminium ist Bestandteil von Mineralien und Gesteinen in der

Erdkruste und kommt nur als chemische Verbindung und nicht als Reinelement in der

Natur vor. Das wichtigste aluminiumhaltige Gestein ist Bauxit. In Zusammenhang mit

Sauerstoff entsteht Aluminiumoxid, welches auch unter der Bezeichnung Tonerde

bekannt ist. Auch andere Mineralien wie Feldspat und Glimmer besitzen Anteile von

Aluminium in Form von komplexen Silikaten in chemischer Verbindung mit anderen

Metallen wie Eisen und Magnesium. Aluminium mit einem Massenanteil von ca. 8%

ist nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element der Erdkruste [2].

2.1.1.2. Gewinnung

Das Ausgangsmaterial für die Aluminiumerzeugung ist Bauxit mit teilweise über 50%

Tonerdeanteilen. Nachdem das Aluminiumerz im Tagebau abgebaut wurde, muss es

zunächst aufbereitet werden, ehe es elektrolytisch reduziert und später raffineriert

werden kann. Durch die Aufbereitung wird aus dem Bauxit der Tonerdeanteil

gewonnen. Das so gewonnene Aluminiumoxid wird dann durch Elektrolyse in

Reinaluminium umgewandelt. Dieser Prozess der Aluminiumgewinnung aus Bauxit

wird auch als ,,Das BAYER-Verfahren" bezeichnet (Abbildung-007). Dabei wird in

zwei Stufen unterschieden. Die erste Stufe isoliert das Aluminiumoxid vom Bauxit,

wobei als Nebenprodukt Rotschlamm entsteht. Rotschlamm, der teilweise aus

Eisenoxid besteht, hat keine weitere Bedeutung für die Aluminiumherstellung. In einer

zweiten Stufe entsteht dann aus dem Aluminiumoxid Reinaluminium. Die

Schmelzflusselektrolyse trennt durch das Anlegen einer Spannung in die Schmelze aus

Tonerde und dem Flussmittel Kryolith den Sauerstoff vom Aluminium [2].

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Abbildung-007: Bayer-Prozess [2]

Abbildung-008: Schmelzflusselektrolyse [2]

2.1.1.3. Eigenschaften

Das Element Aluminium mit der Ordnungszahl 13 steht in der dritten Hauptgruppe des

Periodensystems der Elemente. Unter Lichteinstrahlung schimmert das Metall leicht

silbrig. Durch seine relativ geringe Dichte zählt Aluminium zu den Leichtmetallen.

Das Element Aluminium ist aus einzelnen Elementarzellen aufgebaut, die zusammen

ein Raumgitter aufspannen. Dabei wiederholen sich die Anordnungen und Abstände

der Atome periodisch im Raum über Fernordnung. Der Werkstoff Aluminium ist gut

verformbar und ein guter thermischer und elektrischer Leiter. Bei tiefen Temperaturen

reagiert das Gitter zäh und duktil. Bei Raumtemperatur liegt Aluminium kubisch-

flächenzentriert vor, weswegen auch Aluminium, gegenüber Eisen oder Stahl,

keinerlei magnetische Wirkung zeigt (Tabelle-01). Bei Temperatureinflüssen wird das

Gefüge nicht umgewandelt. Somit können spröde, tetragonale Verzerrungen wie

martensitisches Gefüge nicht auftreten. Aber auch Festigkeitssteigerungen sind somit

durch Abschreckung ausgeschlossen. Deswegen werden Aluminiumwerkstoffen

vorzugsweise Legierungselemente zur Festigkeitssteigerung zugemengt. Dies ist auch

bei Bearbeitung unter Wärmezufuhr nötig, da sich das Gitter von Aluminium in der

Wärmeeinflusszone zusätzlich entfestigt. Es ist davon abzuraten, Einflusszonen der

Wärme bei Aluminiumwerkstoffen mehrmals thermisch zu beanspruchen.

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2.1.1.4. Oxidschicht

Aluminium besitzt, wie alle anderen Metalle, eine chemische Affinität zu Sauerstoff.

Hingegen bildet sich aber bei Sauerstoffkontakt an der Metalloberfläche von

Aluminium, eine sehr harte und korrosionsbeständige Schutzschicht. Diese so

genannten Oxidschichten können unter normalen Bedingungen bis ca. 0,01µm Stärke

erreichen. Bei gezielter elektrischer Oxidation werden Oxidschichtstärken von 10 bis

20µm erreicht, zum Schutz gegen Korrosion, mechanischen Abrieb oder zur

elektrischen Isolation. Dazu zählen die Verfahren Eloxieren bzw. Anodisieren oder das

Hartanodisieren. Solche gewonnen Schichtstärken lassen sich ebenfalls für dekorative

Zwecke gut einfärben. Oxidschichten haben eine sehr hohe Schmelztemperatur und

können daher die Bearbeitung von Aluminium beinträchtigen. Weiterhin wird die

elektrische Leitfähigkeit durch Oxidschichten aufgehoben. Aufgrund dieser einzelnen

Nachteile, müssen Oxidschichten manchmal auch wieder entfernt werden. Beim MIG-

Schweißen beispielsweise erfolgt die Entfernung mit Hilfe der kathodischen

Lichtbogenreinigung, welche die Oxidschicht unmittelbar während des

Schweißprozesses zerschlägt. Dazu aber Näheres im Abschnitt 2.3.3.

Eigenschaften AL

Einheit

Atommasse

26,98

55,85

[g/mol]

Dichte

2,7

7,86

[g/cm

]

Schmelztemperatur Metall

660

1540

[°C]

Schmelztemperatur Oxide

2050

1450

[°C]

E-Modul 70000

210000

[N/mm

]

Dehngrenze 10

100

[N/mm

]

Zugfestigkeit 50

200

[N/mm

]

Spezifische Wärme

890

460

[J/kgK]

Wärmeleitfähigkeit 235

75 [W/mK]

elektrische Leitfähigkeit

[m/mm

]

Gittertyp kfz

krz

Gefügeumwandlung Nein

Korrosionsbeständigkeit Ja

Nein

Magnetismus Paramagnetisch Ferromagnetisch

Tabelle-01: Eigenschaften - Aluminium und Eisen

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2.1.2. Legierungen:

2.1.2.1. Allgemein

Aufgrund der relativ geringen Festigkeit gegenüber Stahl, findet reines Aluminium

heutzutage kaum noch Anwendung in der Industrie. Da man aber auf die Vorteile von

Aluminium nicht verzichten kann, werden zur Festigkeitssteigerung

Legierungselemente beigemengt. Die wichtigsten Legierungselemente sind Kupfer

(Cu), Silizium (Si), Magnesium (Mg) und Zink (Zn). Alle Legierungsgruppen sind in

der Normung DIN EN 573 zusammengefasst. Bei Aluminiumlegierungen

unterscheidet man je nach Festigkeitssteigerung in aushärtbare und nichtaushärtbare

Legierungen. Eine weitere Einteilung nach der Verarbeitung von

Aluminiumlegierungen unterscheidet in Guss- und Knetlegierungen [3].

2.1.2.2. Nichtaushärtbare Legierungen

Nichtaushärtbare oder auch naturharte Legierungen werden nur kaltverfestigt durch

Kaltwalzen und Kaltziehen. Bei Wärmeeinfluss können diese Legierungen ihre

Festigkeit wieder verlieren, aufgrund von Kristallerholung und Rekristallisation. Zu

den nichtaushärtbaren Legierungen zählen Aluminium-Mischkristalle mit geringen

Mangan oder Magnesiumgehalt [3].

2.1.2.3. Aushärtbare Legierungen

Aushärtbare Legierungen können, im Gegensatz zu nichtaushärtbaren Legierungen

zusätzlich warmverfestigt werden. Durch geeignete Wärmebehandlung, wie z.B. dem

Aushärten, können erhebliche Festigkeitssteigerungen erlangt werden. Dabei muss

jedoch der Aluminium-Mischkristall die geforderte Löslichkeit für das jeweilige

Legierungselement erfüllen. Ein Mischkristall ist ein Kristall mit Fremdatomen. Dabei

kommt es aber zu keiner chemischen Verbindung, sondern lediglich zu einer atomaren

Mischung der einzelnen Atome. Diese werden aber in diesem Fall nicht

zwischengelagert sondern mit Atomen des Grundwerkstoffes ausgetauscht. Die

Löslichkeit von Aluminium ist temperaturabhängig. Folglich sollte die Löslichkeit der

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Legierungselemente ebenfalls mit steigender Temperatur zunehmen. Der so

entstandene übersättigte und homogene Mischkristall erreicht die höchste Festigkeit,

wenn es zu keiner Entmischung mit eigener Phasenbildung kommt. Die dafür nötigen

Arbeitsschritte werden unterteilt in Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern. Bei

den aushärtbaren Legierungen finden besonders die AlMgSi- oder die AlZnMg-

Legierungen Verwendung [3].

2.1.2.4. Knetlegierungen

Bei Knetlegierungen sind die Gehalte der Legierungselemente insgesamt geringer als

bei Gusslegierungen. Die Eigenschaften von Knetlegierungen werden durch den Grad

der Verformung und der chemischen Zusammensetzung der einzelnen Legierungen

bestimmt. Verarbeitet werden sie unterhalb der Schmelztemperatur durch Walzen,

Schmieden oder Strangpressen. Typische Legierungselemente sind Magnesium,

Mangan und Kupfer, mit denen durch Mischkristallverfestigung eine höhere Festigkeit

erreicht werden kann. Die Knetlegierungen sind in DIN EN 573 genormt. Es wird in

acht Legierungsreihen nach den Hauptlegierungselementen eingeteilt [3].

2.1.2.5. Gusslegierungen

Die Eigenschaften werden durch das Gießverfahren (Sand-, Kokillen- und Druckguss)

und die chemische Zusammensetzung der Legierungen bestimmt. Die Verarbeitung

findet oberhalb der Schmelztemperatur, im flüssigen Zustand statt. Eine

Festigkeitssteigerung kann ebenfalls durch Mischkristallverfestigung oder zusätzlich

durch Korngrenzenverfestigung über die Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges

erzielt werden. Bei der Gießart Kokillenguss wird das Material schneller als beim

Sandguss abgekühlt, es entsteht Feinkorn mit erhöhter Festigkeit und Bruchdehnung.

Eine weitere Erhöhung der Streckgrenze können aber auch nachträglich durch gezielte

Wärmebehandlung (Aushärtung) erreicht werden. Die Gusslegierungen sind in DIN

EN 1706 nach Werkstoffnummern genormt [3].

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2.1.3. Schweißeignung:

2.1.3.1. Allgemein

Aufgrund von einigen physikalischen Eigenschaften, erweißt sich das Schweißen von

Aluminiumwerkstoffen im Gegensatz zum Stahl schwieriger. Abhängig vom

Erstarrungsbereich ist die Schweißeignung der aushärtbaren Legierungen deutlich

schlechter, als die der nichtaushärtbaren, da sie, abhängig von ihren

Legierungselementen, zu ausgeprägter Heißrissbildung neigen. Al-Legierungen mit

kleinem Erstarrungsbereich (AlMg3, AlMgMn, AlMn) zeigen eine bessere

Schweißeignung als Al-Legierungen mit größerem Erstarrungsbereich (AlMg7,

AlCuMg). Die Schweißeignung von Aluminium wird aber auch von

Werkstoffoberfläche, Porenbildung, Kerbempfindlichkeit, Rissneigung, Entfestigung

und der Neigung zu Korrosion wesentlich bestimmt [4].

2.1.3.2. Oberfläche

Wie schon erwähnt, stellt die Oxidschicht beim Schweißen von Aluminium in

bestimmten Fällen ein Problem dar. Grundsätzlich sollte die Oxidschichtbildung durch

geeignete Lagerung und Schweißnahtvorbereitung vor einer technologischen

Verarbeitung unterdrückt werden. Aluminiumoberflächen ohne Oxidschicht sind aber

schwer zu realisieren, da Aluminium relativ rasch an der Oberfläche bei

Sauerstoffkontakt oxidiert. Deswegen ist eine dünne Oxidschicht mit konstanter Stärke

Voraussetzung für eine optimale Schweißqualität. Weiterhin ist es erforderlich die

Aluminiumoberfläche von Fetten und sonstigen Verschmutzungen zu reinigen. Dies

kann mechanisch, durch Schleifen, Bürsten, Polieren und Strahlen realisiert werden.

Chemische Verfahren zur Metalloberflächenreinigung sind das Entfetten, Spülen,

Passivieren, Beizen und Ätzen [4].

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2.1.3.3. Wasserstofflöslichkeit

Aluminium besitzt eine hohe Wasserstofflöslichkeit, die sich bei der Erstarrung

sprunghaft verringert. Alle chemischen Verbindungen mit Wasserstoff im

Lichtbogenbereich können deshalb Poren und Gaseinschlüsse verursachen. Diese

Poren entstehen bei zu großer Abkühlgeschwindigkeit, wobei der Wasserstoff die

Schmelze nicht mehr verlassen kann. Zur Reduzierung der Porosität einer

Schweißnaht, muss das Wasserstoffangebot für das Schweißbad durch hohe Sauberkeit

der Einzelteile minimiert werden. Aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität reduziert

Aluminium im Lichtbogenraum die verfügbare Luftfeuchte und der Wasserstoff wird

in der Schmelze des Schweißbades gelöst [2Al + 3H

O Al

+ 3H

]. Die

Luftfeuchtigkeit ist bei Aluminiumschweißungen nahezu immer der Grund für die

Porenbildung. Neben den Gaseinschlüssen führt die große Sauerstoffaffinität zur

Bildung einer Oxidschicht [4].

Abbildung-009: Wasserstofflöslichkeit [4]

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2.1.3.4. Porenbildung

Generell wird die Porenbildung, aufgrund von geringer Wärmeeinbringung und

rascher Abkühlung und dem Vorhandensein von Wasserstoff begünstigt. Prozessseitig

sollte dabei beachtet werden, dass kleine Lichtbogenleistungen, Kurzschlüsse oder

Verwirbelungen bei Schutzgasströmungen einen großen Teil zur Porenbildung

beitragen. Materialseitig stellen große Bauteile mit unterschiedlichen Blechstärken ein

Problem dar. Oft begünstigen auch schon vorhandene Hohlräume und Feuchtigkeit im

Grundwerkstoff die Porenbildung [4].

2.1.3.5. Kerbempfindlichkeit

Aluminium hat eine höhere Kerbempfindlichkeit als Stahlwerkstoffe. Dies ist

zurückzuführen auf physikalische Festigkeitsunterschiede zwischen beiden

Gittertypen. Daher ist eine sachgemäße Handhabung bei Transport und Fixierung der

Aluminiumbauteile unbedingt erforderlich [4].

2.1.3.6. Entfestigung

Aluminium und seine Legierungen haben die Eigenschaft nach Beendigung der

Wärmeeinbringung in die Wärmeeinflusszone (WEZ) an Festigkeit zu verlieren.

Grund dafür ist die Aufhebung der Kaltverfestigung bei nichtaushärtbaren

Werkstoffen und die Rückbildung des Aushärtungszustandes bei aushärtbaren

Werkstoffen. Das Volumen der Wärmeeinflusszone wird bestimmt durch die jeweilige

Wärmeleitfähigkeit des Materials, der Schweißgeschwindigkeit, der Lichtbogenlänge

und vor allem dem Schweißverfahren. In der Praxis hat sich deswegen das MIG-

Schweißen zum Fügen von Aluminiumwerkstoffen behauptet. Um die Entfestigung in

der WEZ so gering wie möglich zu halten, sollte darauf geachtet werden, die Anzahl

von Nach- bzw. Reparaturschweißungen zu begrenzen, um eine Versprödungen des

Materials zu vermeiden [4].

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2.1.3.7. Rissneigung

Die häufigste Ursache von Rissbildungen sind Schrumpfungen im Grundmaterial nach

dem Schweißvorgang. Besonders bei Aluminiumwerkstoffen sind Heißrisse recht oft

vertreten. Während des Erstarrungsprozesses erstarren niedrigschmelzende Substanzen

später als der übrige Grundwerkstoff. Somit kommt es vor, dass bereits erstarrte

Korngrenzen von den noch nicht erstarrten Substanzen aufgerissen werden. Dabei

entstehen Heißrisse an den Korngrenzen. Werkstoffe mit keiner genau definierten

Schmelztemperatur, sondern lediglich mit einem Schmelzbereich, wie z.B. Kupfer,

Blei und Zink, fördern die Heißrissneigung bei Aluminiumlegierungen. Durch

geeignete Grund- und Zusatzwerkstoffauswahl, können Heißrisse aber entscheidend

reduziert werden. Prozessseitig kann durch die Schweißparameterauswahl über die

Einstellstrategie ein kürzerer Lichtbogen und somit eine geringere Wärmeeinbringung

realisiert werden. Weitere Kriterien sind Abkühlgeschwindigkeit, eingebrachte

Streckenenergie und die Steifigkeit der geschweißten Konstruktion [4].

2.1.3.8. Korrosion

Aluminium ist aufgrund seiner sich rasch an der Oberfläche bildenden Oxidschicht bei

Sauerstoffkontakt ein sehr korrosionsbeständiges Leichtmetall. Flächenkorrosion und

Lochkorrosion sind im Fahrzeugbau ohne praktische Bedeutung. Hingegen kann

Kontaktkorrosion beim Fügen von Stahl und Aluminium ein Problem darstellen. Bei

Anwesenheit eines leitfähigen Mediums, wie z.B. Wasser kann ein Stromfluss das

unedlere Metall, in diesem Fall Aluminium, zerstören. Kontaktkorrosion kann aber

durch geeignete Isolierung, Verzinkung, Lackierung oder Beschichtung vermieden

werden. Ein weiteres Problem stellt die Spannungsrisskorrosion dar, welche bei

mechanischen Spannungen unter Anwesenheit von Feuchtigkeit auftritt. Aushärtbare

Legierungen sind dabei besonders anfällig. Anschließendes Spannungsarmglühen nach

dem Schweißvorgang, kann zur Reduzierung der Korrosion beitragen. Bei AlMg-

Legierungen mit hohem Mg-Anteil an den Korngrenzen sollte noch die Interkristalline

Korrosion im Korngrenzenbereich beachtet werden [4].

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2.2. Grundlagen - Schweißen:

2.2.1. Allgemein:

Schweißverfahren werden zum unlösbaren Verbinden von Bauteilen unter Anwendung

von Wärme und Druck, mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffe, angewandt.

Wesentliche Eigenschaften von Schweißverbindungen sind die konzentrierte

Wärmezufuhr und die hohe Energiedichte. Die dazu notwendige Energie wird von

außen zugeführt. Diese Form des stoffschlüssigen Fügens von Werkstoffen ist

günstiger als formschlüssige Schraubverbindungen. Meist werden metallische

Materialien zusammengefügt, aber auch Glas und Kunststoffe lassen sich mit

bestimmten Schweißverfahren verbinden. Die Verbindung erfolgt, je nach

Schweißverfahren in einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt. Weiterhin kann

man unterscheiden in Verbindungs- oder Auftragsschweißen. Das Auftragsschweißen

zählt dabei zum Beschichten von Werkstücken durch Schweißen. Je nach Grund- und

Auftragswerkstoff, wird in Auftragsschweißen von Panzerungen, Plattierungen und

Pufferschichten differenziert [5].

2.2.2. Einteilung:

Abbildung-010: Fertigungsverfahren nach DIN 8580

Zusammenhalt

vermehren

Zusammenhalt

vermindern

Zusammenhalt

schaffen

2. Umformen

3. Trennen

4. Fügen

Zusammenhalt

beibehalten

1. Urformen

5. Beschichten

Umlagern von

Stoffteilchen

Aussondern

von

Stoffteilchen

Einbringung

von

Stoffteilchen

6. Stoffeigenschaftsänderung

Formänderung

Fertigungsverfahren

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Abbildung-011: Fügeverfahren nach DIN 8593

Abbildung-012: Schweißverfahren nach DIN 1910

Zusammen

setzen

Füllen

Anpr

essen

Einp

ressen

Fügen dur

Urf

orm

Fügen d

rch

Schweißen

Fügen dur

Löt

ebe

extil

es Füg

Fügen dur

Umformen

4. Fügen

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

4.8

4.9

Gas-

Schweißen

Lichtbogen-

Schweißen

Reib-

& Press-

Schweißen

Feuer-

& Spreng-

Schweißen

Strahl-

Schweißen

Schutzgas-

Schweißen

Unterpulver-

Schweißen

Widerstands-

& Induktions-

Schweißen

Alumino-

thermisches

Schweißen

Metall-

Schutzgas

Wolfram-

Schutzgas

M A G

Metall-

Aktivgas

M I G

Metall-

Inertgas

Elektrogas-

Schweißen

Schutzgas-

Engspalt

Plasma-

Metall-

Schutzgas

Kurz-

Lichtbogen

Übergangs-

Lichtbogen

Sprüh-

Lichtbogen

Impuls-

Lichtbogen

DC-

Lichtbogen

DC0-

Lichtbogen

AC-

Lichtbogen

4.6 Fügen durch Schweißen

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2.2.3. Schweißbarkeit:

Die Erläuterung der Schweißbarkeit eines Bauteils nach DIN 8528 umfasst die

Konstruktion, den Werkstoff und das Schweißverfahren. Die Schweißsicherheit ist der

Beitrag der Konstruktion zur gesamten Schweißbarkeit und beinhaltet die konstruktive

Gestaltung und den Beanspruchungszustand. Die Schweißeignung ist die

werkstoffseitige Schweißsicherheit und umfasst alle chemischen, metallurgischen und

physikalischen Eigenschaften des Werkstückes. Abschließend wird fertigungsseitig

durch die Wahl des Schweißverfahrens, Ausführung der Schweißarbeiten und

mögliche Nachbehandlungen die Schweißmöglichkeit beschrieben. Alle drei Faktoren

sind miteinander verknüpft und beeinflussen sich gegenseitig [5].

Abbildung-013: Schweißbarkeit

SCHWEISS-

MÖGLICHKEIT

FERTIGUNG

SCHWEISS-

SICHERHEIT

KONSTRUKTION

SCHWEISS-

EIGNUNG

WERKSTÜCK

SCHWEISS-

BARKEIT

___________________________________________________________________________

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2.2.4. Schweißanordnungen:

2.2.4.1. Schweißpositionen

Schweißpositionen bestimmen mechanisch und technologisch die Eigenschaften einer

Schweißnaht, da die Wärmeeinbringung aufgrund von begrenzter Zugänglichkeit

unterschiedlich ausfallen kann. Auch gibt es Positionen, die für manche Schweißnähte

ungeeignet sind. Daraus ergeben sich Schweißmöglichkeit und die Art und Häufigkeit

möglicher Fehler. Somit entscheidet die Schweißposition auch die Schweißbarkeit

eines Bauteils und die Ausführung der Schweißarbeiten mit (Tabelle-02) [5].

2.2.4.2. Stöße und Nähte

Beim Schweißen werden Werkstücke stoßseitig zusammengefügt. Je nach Geometrie

und Anordnung der Teile unterscheidet man verschiedene Stoßarten (Tabelle-03). Aus

diesen wiederum ergeben sich mögliche Schweißnähte. Zur Vermeidung von

Bindefehlern, Schlackeeinschlüssen und Rissen ist es ratsam, den zu schweißenden

Stoß vorzubereiten. Schweißnahtvorbereitungen können das Säubern von

Verunreinigungen und Nacharbeiten an der Stoßgeometrie beinhalten [5].

2.2.4.3. Brennerstellung

Die Stellung des Brenners und der Kontaktrohrabstand zum Werkstück sind ebenfalls

ausschlaggebend für die Qualität der jeweiligen Schweißnaht und richten sich nach der

Position der zu schweißenden Naht. Dabei unterscheidet man die Positionen des

Brenners einmal quer und einmal längs zur Naht. Letzteres kann man in stechend,

neutral und schleppend unterteilen (Abbildung-014). Die Anordnung quer zur Naht

steuert immer die Richtung des Einbrandes, was besonders bei Kehlnähten zu beachten

wäre. Dagegen bestimmt die Anordnung längs zur Naht beispielsweise die

Einbrandtiefe. Falsche Anstellwinkel des Brenners zur Schweißnaht, können zu

Symmetrie- und Schweißnahtfehlern führen, wie Einbrand- und Bindefehler [5].

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Erscheinungsjahr: 2006
ISBN (eBook): 9783836623476
DOI: 10.3239/9783836623476
Dateigröße: 11.9 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Hochschule Mittweida (FH) – Maschinenbau
Erscheinungsdatum: 2008 (Dezember)
Note: 1,0
Schlagworte: aluminium fahrzeugbau schweißstromquelle
Produktsicherheit: Diplom.de

Autor

Christian Brückner (Autor:in)

Technologische Untersuchung zum MIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen im Fahrzeugbau

Zusammenfassung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Details

Autor

Christian Brückner (Autor:in)