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Jun 15, 2023

Automobilanforderungen treiben die Schweißforschung voran

Hier sehen wir einen 12-Zoll. lang und 6 Zoll. Hohe, 4 mm dicke Testwand, die mit diesem Verfahren mit geringem Wärmeeintrag erstellt wurde. Gerlich sieht darin eine ideale Technologie, um den Einsatz großer Gussteile zu ersetzen. Universität

Hier sehen wir einen 12-Zoll. lang und 6 Zoll. Hohe, 4 mm dicke Testwand, die mit diesem Verfahren mit geringem Wärmeeintrag erstellt wurde. Gerlich sieht darin eine ideale Technologie, um den Einsatz großer Gussteile zu ersetzen. Universität von Waterloo

Die Automobilindustrie war ein Katalysator für die Schweißforschung in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Verbindung hochfester Stähle und der Verbindung gemischter Metalle. Einige neue Forschungsergebnisse der University of Waterloo in Zusammenarbeit mit Liburdi dürften einige Automobilanwendungen, aber auch das Schweißen von Edelstahlrohren und additive Fertigungsverfahren mit Drahtlichtbogen unterstützen.

„Die Arbeit, die wir mit Liburdi geleistet haben, zielt darauf ab, eine konsistentere und leistungsfähigere Form der Lichtbogenschweißsteuerung zu entwickeln“, sagte Adrian Gerlich, Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik in Waterloo und Teil des Waterloo Center for Automotive Research . Gerlich und sein Forschungsteam, zu dem auch Emanuel dos Santos und Paulo Costa Assuncao gehören, haben eine Reihe von Parametern zur Lichtbogensteuerung optimiert. „Im Grunde handelt es sich um einen verbesserten Impulsmaterialtransfermodus zum Lichtbogenschweißen empfindlicher Materialien.“

Liburdi nennt seinen kontrollierten Kurzschluss-Metalltransferprozess den „Dip-Transfer“-Prozess. Das Besondere an dem Verfahren ist der geringe Wärmeeintrag.

„Der Wärmeeintrag beträgt 0,1 kJ pro Millimeter“, sagte Gerlich. „Bei hochfesten Stahlanwendungen, die für die Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung sind, können wir mit einem so geringen Wärmeeintrag eine äußerst gleichmäßige Kehlnahtabscheidung erreichen, dass die Verformung minimiert wird, was weniger Schäden und Beeinträchtigungen des umgebenden Stahls bedeutet. Wenn Sie die Mikrostrukturen betrachten, sehen Sie genau das, was Sie von einer typischen Lichtbogenschweißung erwarten würden. Aber der Wärmeeintrag ist etwa halb so hoch wie bei den meisten anderen fortschrittlichen Kurzschluss-Metallübertragungsprozessen.“

Der Nebeneffekt dieses Prozesses mit geringer Wärmeübertragung ist eine sehr geringe Spritzerbildung.

„Ein paar Hundert Mal pro Sekunde werden Tröpfchen abgelagert, und man beobachtet so gut wie keine Spritzer, kein Metall, das bei diesem Prozess herausgeschleudert wird“, sagte Gerlich. „Das bedeutet ein viel saubereres Finish.“

Der geringe Wärmeeintrag liege laut Gerlich im Bereich des Laserschweißens.

„Laser erreichen bei diesen Stählen in der Regel einen Wärmeeintrag zwischen 0,05 kJ und 0,15 kJ pro Millimeter, also genau in diesem Steuerhaus“, sagte er. „Der Vorteil des Lichtbogenschweißens besteht natürlich darin, dass man nicht die gleichen Anforderungen an Sicherheitsgehäuse und Teilemontage stellt und dass die Toleranzen beim Laserschweißen höher sind und die Kosten deutlich geringer sind.“

Obwohl dieser Prozess mit sehr geringer Wärmeübertragung in Automobilanwendungen wertvoll ist, sieht Gerlich beim Schweißen von Edelstahlrohren die unmittelbarsten Auswirkungen.

„Die industriellen Herausforderungen bestehen darin, dass beim Lichtbogenschweißen dickerer Materialien, beispielsweise in Rohrleitungen (¼ Zoll bis 1 Zoll), für eine Edelstahlschweißung im Allgemeinen ein internes Spülgas erforderlich ist“, sagte Gerlich. „Man muss die Enden des Rohrs innen verschließen und das Innenvolumen mit Argon-Schutzgas spülen, um zu verhindern, dass es an der Innenseite der Schweißnaht oxidiert und sich durch Hitze verfärbt.

Hier sehen wir ein Beispiel einer Testschweißung an einem Edelstahlrohr von der Rohrwurzel aus. Bild: Rob Pistor / Liburdi

„Das Interessante an diesem von uns entwickelten Lichtbogenschweißmodus ist, dass er einen so geringen Wärmeeintrag liefert, dass es auch ohne Schutzgas nicht zu einer Hitzeverfärbung der Innenseite des Rohrs kommt. Für jeden, der diese Art von Schweißen durchführen muss, bedeutet das eine astronomische Kostenersparnis. Sobald Sie mit Schutzgas spülen müssen, benötigen Sie zusätzliche Zertifizierungen für den Umgang mit Zylindern, es fallen zusätzliche Kosten für Argon an, zusätzliche Sicherheitsvorschriften wie Genehmigungen für das Arbeiten in engen Räumen, wenn die Rohre an einem komplexen Modul installiert werden. All diese Dinge tragen zu den Kosten Ihres Projekts bei.“

Die andere Anwendung, die Forscher bei Waterloo für dieses Niedertemperaturabscheidungsverfahren untersucht haben, ist die additive Fertigung mit Drahtlichtbogen in Stahl. Forscher führten eine Studie durch und konnten eine 12 Zoll lange, 6 Zoll hohe und 4 mm dicke Wandstruktur erreichen. Mit einem wassergekühlten Brenner konnten die Forscher außerdem eine höhere Härtebasis und eine höhere Zugfestigkeit als mit natürlich gekühltem Metall erreichen.

„Der Vorteil des Drahtlichtbogenzusatzes bei geringem Wärmeeintrag besteht in einer geringeren Verformung, einem geringeren Risiko für Risse und anderen potenziellen Unvollkommenheiten“, sagte Gerlich. „Damit können Sie die Fähigkeiten von hochpräzisen Pulverbettschmelzmaschinen und konventionellen Guss- und Bearbeitungsmaschinen verbinden. Natürlich erreicht man nicht die geometrische Genauigkeit, die in einem Pulverbett erreicht wird, weil man eine Wandstärke von mindestens 4 mm auftragen muss, aber wir betrachten Anwendungen, bei denen man Bauteile mit einer Größe zwischen 1 Fuß und mehreren Metern baut. Builds, die Gussteile ersetzen. Beispielsweise können große Gussteile aus Edelstahl sehr teuer sein und lange Vorlaufzeiten erfordern. Es kann Tage dauern, ein solches Teil mit Drahtlichtbogenzusatz zu fertigen, aber es geht oft immer noch schneller, als wochenlang auf einen Guss zu warten.“

Über diese spezielle Studie hinaus haben die Anforderungen, die für eine beschleunigte Einführung von Elektrofahrzeugen erforderlich sind, Auswirkungen auf die Forschungsmöglichkeiten, die in Waterloo und anderswo untersucht werden.

„Elektrofahrzeuge erfordern eine Umrüstung aller Fähigkeiten rund um das Aluminiumschweißen“, bemerkte Gerlich. „Aufgrund der Gewichtsreduzierung, die bei der Herstellung von Gehäusen für Elektrobatterien erforderlich ist, ist der Versuch, ein sehr hohes Produktionsvolumen und wiederholbare, qualitativ hochwertige Aluminiumschweißnähte zu erzielen, zu einem Hauptanliegen geworden. Abgesehen von der üblichen Qualitätskontrolle gibt es noch andere Bedenken, wie zum Beispiel die Notwendigkeit, ein Gehäuse mit hermetischer Abdichtung zu haben, was schwer zu erreichen ist und eine Anforderung, an die die meisten Geschäfte nicht gewöhnt sind.“

Gerlich wies darauf hin, dass das Reibrührschweißen aufgrund seiner Geschwindigkeit und der Rückmeldung der wirkenden Kräfte, die auf eine gute Schweißnaht schließen lassen, zwar ein sehr effektives Werkzeug für solche Anwendungen sei, das Fehlen einer breiten Auswahl an Technologielieferanten jedoch dazu führe, dass viele Automobilhersteller dies tun setzen lieber auf Lichtbogenschweißen oder eine Kombination aus Lichtbogenschweißen und Laserschweißen, um auf mehr Lösungsanbieter zugreifen zu können.

Gerlich geht davon aus, dass sich die Forschung auf diesem Gebiet in den nächsten Jahren zügig weiterentwickeln und fortsetzen wird.

Herausgeber Robert Colman ist unter [email protected] erreichbar.

Hier sehen wir einen 12-Zoll. lang und 6 Zoll. Hohe, 4 mm dicke Testwand, die mit diesem Verfahren mit geringem Wärmeeintrag erstellt wurde. Gerlich sieht darin eine ideale Technologie, um den Einsatz großer Gussteile zu ersetzen. Universität von Waterloo