ChopArc

Problemstellung
Das Metall-Aktiv-Gas (MAG)-Schweißen ist ein außerordentlich robustes und sehr weit verbreitetes Verfahren beim Fügen von Metallen. Es findet zur Zeit seinen Einsatz im gesamten verarbeitenden Gewerbe der Bundesrepublik. Das Verfahren stößt jedoch beim Schweißen von Blechen unterhalb 0,5 mm Dicke - wie sie derzeit besonders im Fahrzeugbau verwendet werden - an seine Grenzen, da hier eine Prozesssteuerung des Energieeintrages notwendig wird, um Lochbildung zu vermeiden und eine gute Oberfläche zu garantieren.
Projektziele
Ziel des Verbundprojektes war deshalb die Entwicklung einer neuartigen Lichtbogen-Fügetechnologie, mit dem auch Blechdicken unterhalb 0,5 mm Dicke wirtschaftlich gefügt werden. Das ist für den Leichtbau besonders interessant.

Ergebnisse
Zur Erreichung des Projektziels wurde ein wärmearmes Fügeverfahren entwickelt: Die MSG-Technologie ChopArc überwindet bisher bestehende Grenzen durch prozessphasenabhängige Energiezufuhr und Lichtbogenunterbrechung. Dazu wurden folgende Module entwickelt:
Spektralanalyse des Metall-Lichtbogenplasmas
Die spektroskopische Analyse des MSG-Schweißlichtbogenplasmas ist ein Werkzeug zur Ermittlung der besonderen Eigenschaften metalldampf-dominierter Lichtbögen. Emissionsspektroskopisch kann mittels einer Bestimmung der chemischen Elemente auf die Temperatur- und Dichteverteilung geschlossen werden. Die Ausbildung eines intensiven und kühlenden Metalldampfkerns in der Hochstromphase konnte nachgewiesen werden.
Numerische Strömungssimulation
Die numerische Simulation hat entscheidend zum Verständnis der physikalischen Effekte beim ChopArc-Schweißprozess beigetragen. Zum einen liefert sie Daten, die nicht oder nur sehr aufwendig messbar sind, da z.B. hohe Temperaturen den Einsatz herkömmlicher Messgeräte für Geschwindigkeiten und Drücke nicht zulassen; zum anderen handelt es sich um sehr enge und stark nichtlineare Kopplungen, so dass einfache Modelle zur Beschreibung des Systems nicht ausreichen.
Adaptive Multisensorik und Analyse zur Erfassung und Optimierung der Prozessqualität
Als Ergebnis der Prozessanalyse wurde für den modifizierten Kurzlichtbogen ein Qualitätskriterium abgeleitet, das die Güte der Fügestelle repräsentiert. Erstmals wurde eine modellfreie Optimierung durch eine Evolutionsstrategie für den Kurzlichtbogenprozess angewendet. Eine Ansteuerung für handelsübliche Schweißquellen wurde entwickelt.
Entwicklung einer hochdynamischen Energiequelle
Der ChopArc-Prozesses verlangt eine hochdynamische Istwerterfassung für gezielten Energieeintrag und schnellste Reaktionszeiten auf Kurzschluss und Plasmazündung. Das wird durch neue Regelungsstrategie und eine dynamische Reglerkonfiguration mit adaptiver Strukturanpassung erreicht: Dazu wurde eine völlig neue Prozessregelkarte mit höchster Rechenleistung entwickelt und ein offenes CAN-Bus-System für Schweißqualitätssystem, Onlineoptimierung, Trendanalyse und Automatisierung.
Piloterprobung
Neben dem ChopArc-Löten von verzinkten Blechen bei weitgehender Aufrechterhaltung der korrosionsschützenden Zinkschicht sowie dem ChopArc-Schweißen gleichartiger Stahlwerkstoffe, verzinkter und CrNi-Stähle wurden besondere Fortschritte beim Fügen von Aluminium-Stahl-Mischverbindungen für den Ultraleichtbau erzielt.
Anwendungspotenzial
Die Firma Rehm plant die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens in kostengünstige und industriell sichere Serienlösungen für Endanwender in Form von zwei neuen Maschinenlinien umzusetzen. Die Vorteile
für den Anwender liegen auf der Hand:
Durch den leistungsärmeren Lichtbogen ist es möglich dünnere Bleche zu verschweißen. Das neue Verfahren ist spritzerärmer, hat deutlich bessere Zündeigenschaften, liefert eine verbesserte Optik der Schweißnaht, macht ein angenehmeres Geräusch, hat eine höhere Tropfenfrequenz und Regeldynamik und sorgt für eine konstante Wärmeeinbringung auch bei unruhiger Brennerführung.
ArwinMeritor, einer der weltweit größten Hersteller von Abgasanlagen für Automobile,. erwartet mit Hilfe des neuen ChopArc-Prozesses eine prozesssichere Verbindung von 0,5 mm dickem Blech ohne Bad-Stütze, spritzerarmes bzw. spritzerfreies Schweißen, eine hohe Prozessstabilität und Qualität und die Dokumentation von relevanten Prozessdaten.

ChopArc - MSG-Lichtbogenschweißen für den Ultraleichtbau

Autor: Goecke, S.-F.; Metzke, E.; Spille-Kohoff, A.; Langula, M.

Verlag: Fraunhofer Verlag, Stuttgart

Erscheinungsjahr: 2005

ISBN: 3-8167-6766-4

Beschreibung: Das MSG-Schweißen und -Löten ist ein außerordentlich robuster und sehr weit verbreiteter Prozess zum Fügen von Metallen gesamten verarbeitenden Gewerbe. Beim Schweißen von Blechen unterhalb 0,5 mm - wie sie zukünftig bei Umsetzung des Ultraleichtbaus besonders im Fahrzeugbau verwendet werden ¿ stößt es jedoch an seine Grenzen, da hier eine Regelung zur definierten Minimierung des Energieeintrags notwendig wird, um Lochbildung zu vermeiden und eine gute Oberfläche (Verhinderung von Spritzern, grobschuppiger Nahtoberfläche, ungleichmäßigem Einbrand oder starkem Verzug) zu garantieren. Für eine effiziente Prozessregelung ist das Verständnis der komplexen physikalischen Prozesse unabdingbar. Hierzu wurde der Schweißprozess numerisch simuliert und spektroskopische Messungen am Lichtbogen lieferten Temperatur- und Teilchendichteverteilungen zur Modellbildung und Validierung. Erst damit konnte eine adaptive Regelung auf Basis der Evolutionsstrategie realisiert werden, die die Prozessqualität bspw. zum sicheren Fügen von Blechen unter 0,5 mm in Echtzeit optimiert. Darüber hinaus ermöglicht das ChopArc-Löten von verzinktem Blech eine weitgehende Aufrechterhaltung der Zinkschicht und somit der Korrosionsbeständigkeit. Neben dem Fügen von gleichartigen Stahlwerkstoffen, verzinktem Stahl und CrNi-Stahl, steht die Aluminium-Stahl-Mischverbindung im Vordergrund. Eine exemplarische Erprobung erfolgt beim ChopArc-Fügen einer "Integral-Bodengruppe" sowie eines "ultraleichten Abgassystemes" im Fahrzeugbau.