Thermische Fügetechnik

Schweißen - Löten - Thermisches Spritzen

Arbeitsbereich

Thermische Trenn-, Beschichtungs- und Fügeprozesse haben in einer Vielzahl von Produktionsabläufen eine zentrale Bedeutung als wertschöpfende und qualitätsbestimmende Fertigungsschritte. Vor allem Schweißverbindungen und -verfahren müssen in hochindustrialisierten Branchen stetig wachsenden und wechselnden Ansprüchen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Flexibilität und Qualität gerecht werden. Dazu zählt unter anderem die qualitätsgerechte Verarbeitung moderner Werkstoffe mit stetig steigenden Anforderungen an die mechanisch-technologischen Eigenschaften.

© Fraunhofer IGP Rostock

Gefordert sind zudem konstante Prozesssicherheit sowie Sicherung der Bauteilintegrität geschweißter Komponenten in statischer, dynamischer und bruchmechanischer Hinsicht.
Daneben spielt die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von Schweißprozessen durch moderne Automatisierungslösungen und die Einführung hochproduktiver Schweißverfahren zur Erhöhung der Wettbe­werbsfähigkeit als Antwort auf den steigenden Kostendruck in globalisierten Märkten eine immer zentralere Rolle.

Der Bereich Thermische Fügetechnik am Fraunhofer IGP beschäftigt sich kontinuierlich mit innovativen Forschungs- und Entwicklungsansätzen zu aktuellen und zukünftigen Fragestellungen aus den Bereichen Schiffbau, Stahlbau, On- und Offshore-Windenergie. Unsere Wissenschaftler:innen sind immer motiviert, den daraus erwachsenden technologischen und ökonomischen Herausforderungen langfristig und nachhaltig gerecht zu werden. Stets wird eine ganzheitliche Betrachtung technologischer, metallurgischer sowie konstruktiver Aspekte der jeweiligen Schweißaufgaben innerhalb der Wertschöpfungskette angestrebt.

Projektübersicht Thermische Fügetechnik

Neue Tankkonzepte für Flüssigwasserstoff

Erhöhung der Speicher- und Transporteffizienz für Flüssigwasserstoff in Stahl-Faserverbundtanks durch thermisch gespritzte TBC-Schichten

Es gibt derzeit aufgrund des sich entwickelnden Marktes nur wenig Erfahrung mit dem Transport großer Mengen Flüssigwasserstoff (LH2). Die Tankkonstruktionen beziehen sich auf Standardanwendungen für die Lagerung und den Transport an Land mit vakuumisolierten, doppelwandigen Konstruktionen aus austenitischem Edelstahl, welche eine vergleichsweise hohe Wärmediffusivität und -leitfähigkeit sowie ein erhöhtes Gewicht aufweisen. Dies verringert derzeit die Effizienz aufgrund des gesteigerten Boil-Offs und der ungünstigen gravimetrischen Speicherdichte.
Für die maritime Erzeugung sowie den Transport von LH2 sind somit neue Tankkonzepte notwendig. Hierbei werden innovative technische Ansätze aus der Raumfahrt (Faserwicklungen) sowie für Hochtemperaturanwendungen (Wärmedämmschichten „TBC“) aufgegriffen und zusammengeführt.

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MarKomp

Generative Fertigung maritimer Komponenten

Mit der Entwicklung neuer Fertigungstechnologien ergeben sich für die Herstellung von Komponenten maritimer Systeme neue Perspektiven. Die additiven Fertigungstechnologien (englisch: Additive Manufacturing, kurz: AM) haben sich nicht nur aufgrund ihrer Fähigkeit, endkonturnahe Bauteile mit komplexer Geometrie herzustellen, rasant weiterentwickelt, sondern bieten verschiedene Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren im Bereich der individuellen Bauteilherstellung. Im Rahmen des laufenden Forschungsvorhabens ist neben der Entwicklung einer robotergestützten Bearbeitungszelle und des fertigungsgerechten Entwurfs der Schiffspropeller eine angepasste hybride Prozesskette zu entwickeln, so dass unter Sicherstellung hoher Fertigungsgenauigkeit und Fehlerfreiheit großformatige Bauteile additiv gefertigt werden können.

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UW-Schwingfestigkeit

Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von nass geschweißten Offshore-Stählen

Durch den stetigen Ausbau von Offshore-Windparks und anderen Offshore-Konstruktionen steigt auch der Bedarf nach Reparatur- bzw. Instandsetzungskonzepten. Eine Charakterisierung der Ermüdungsfestigkeit nass geschweißter Konstruktionsdetails ist von enormer Notwendigkeit, um zukünftig auch Ermüdungsnachweise für zyklisch beanspruchte Unterwasser-Reparaturschweißungen führen zu können. Sowohl OWEA-Betreiber als auch beauftragte Ingenieurbüros benötigen Kenntnisse über die möglichen Ergebnisse und Folgen einer schweißtechnischen Reparatur unterhalb der Wasserlinie. Eine direkte Einordnung der in diesem Forschungsprojekt gewonnenen Daten in die Kerbfallklassen des Eurocode 3 ermöglicht somit eine Restbetriebsdauerberechnung für den Reparaturfall.

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Metall-Schutzgas-Schweißen mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz

Projekt: Intelligente Verarbeitung von Lichtbogensignalen zur Vermeidung von Prozessunregelmäßigkeiten beim MSG-Schweißen

Im Stahlbau ist das Fügen langer Stöße mittels MSG-Schweißen ein arbeits- und zeitintensiver Fertigungsschritt. Häufig werden hierbei mobile Schweißfahrwerke eingesetzt, mit dem Ziel einer Steigerung der Produktivität bei reproduzierbar hoher Nahtqualität. In der Praxis treten jedoch häufig Schweißnahtfehler und Prozessinstabilitäten aus unterschiedlichen Gründen, z.B. variierende Nahtvorbereitung, auf. Ziel ist es daher, einen Algorithmus sowie Regelsystem zu entwickeln, welches Prozessinstabilitäten beim mechanisierten MSG-Schweißen vor ihrer Entstehung erkennt und verhindert. Hierzu soll ein Prognosemodell entwickelt werden, welches als Führungsgröße einer nachgelagerten Regelung dient.

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Risiken beim nassen Schweißen unter Wasser kompensieren

Projekt: Induktionswärmetechnik zur Verbesserung der Schweißnahtqualität beim Unterwasser-Schweißen von Feinkornstählen

In dem Forschungsvorhaben wird die Einsatzmöglichkeit der Induktionstechnologie zur Vor- bzw. Nachwärmung beim nassen Lichtbogenhandschweißen untersucht. Durch den medialen Einfluss treten hohe Wasserstoffeinträge und aufgrund der starken Konvektion hohe Abkühlraten nach dem Schweißen auf. Infolge dessen können kritische Werkstoffeigenschaften sowie Risse resultieren. Die effektive Energieeinbringung mittels Induktion soll zur praxistauglichen Kompensierung unterwasserspezifischer Risiken beim nassen Schweißen genutzt und somit auch das sichere Fügen hochfester Stähle ermöglicht werden. Dies ist zur ökonomischen und qualitätsgerechten Reparatur von Strukturen im Stahlwasserbau erforderlich. Es werden Anwendungsrichtlinien zum Einsatz der Induktionswärmetechnik erarbeitet.

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Elektroschlacke-Kanalschweißen wird anlagentauglich

Entwicklung einer mobilen Elektroschlacke-Kanalschweißanlage für Baustellenanwendungen

Die schweißtechnische Verarbeitung dickwandiger Bleche (ab t=25mm) ist bei vielen Konstruktionen im maritimen Bereich in Zwangslagen und unter Baustellenbedingungen notwendig. Das Elektroschlacke-Kanalschweißen ist prädestiniert für Baustellenschweißaufgaben in Steignahtposition und aufgrund der einlagigen Ausführung besonders wirtschaftlich und verzugsarm. Aufgrund fehlender Anlagentechnik und ungenügendem metallurgischen Verständnis wird es jedoch kaum eingesetzt. Ziel ist es daher, eine mobile ES-Kanalschweißanlage für den Einsatz großer Blechstärken an Stumpf- und T-Stößen zu entwickeln, sowie die Anlagentechnik, Schweißtechnologie und Schweißmetallurgie des ES-Kanalschweißens an die europäischen Fertigungsrandbedingungen anzupassen.

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Lichtbogenlöten als Ersatz für Schweißen im Stahlbau?

Einsatz des Lichtbogenlötens zum Fügen von Anbauteilen an schwingend hoch beanspruchten Stahlkonstruktionen

In vielen Branchen des Stahlbaus besteht die Notwendigkeit, Anbauteile ohne primär tragende Funktion an schwingend beanspruchte Konstruktionen anzuschweißen, was zu geometrischen und metallurgischen Kerben führt und Einfluss auf die Lebensdauer sowie Bemessung in Hinblick auf Materialstärke und den Einsatz hochfester Stähle hat. In dem Projekt wurde untersucht, ob das aus der Feinblechverarbeitung bekannte Lichtbogenlöten mit Kupferbasisloten zur Substitution von Schweißprozessen im Stahlbau geeignet ist unter besonderer Berücksichtigung der Schwingfestigkeit und statischen Beanspruchbarkeit. Die umfangreichen experimentellen und numerischen Untersuchungen zeigen, dass durch den Einsatz des Lichtbogenlötens zum Fügen von Anbauteilen die Lebensdauer der Gesamtkonstruktion um bis zu 500 % ohne Schweißnahtnachbehandlungsaufwand verlängert werden kann. Dadurch können am Beispiel eines Stahlrohrturmes für Windenergieanlagen bis zu 50t Gewicht eingespart werden ohne die statische Tragfähigkeit der Anbauteile zu reduzieren.

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Leistungen

  • Anwendungsorientierte Entwicklung und Optimierung thermischer Füge-,Trenn- und Beschichtungsprozesse
  • Ermittlung mechanisch-technologischer und bruchmecha­nischer Material-, Verbindungs- sowie Bauteileigenschaften
  • Analyse von Schweißprozessen durch kombinierte optische, elektrische und thermische Messmethoden
  • Entwicklung und Qualifizierung wirtschaftlicher Methoden zur Verbesserung der Schwingfestigkeit geschweißter Strukturen
  • Entwicklung und Qualifizierung von Schweiß- und Lötzusätzen sowie thermisch gespritzter Schichten
  • Chemische Analysen (Funkenemissionsspektrometrie,
    Trägergasextraktion zur Ermittlung von O-, N-, H-Gehalten in verschiedenen Metallen, energiedispersive Röntgenspektroskopie EDX)
  • Gefügeanalyse und -charakterisierung von Fe-, Cu-, Al-, Ni-Basiswerkstoffen mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  • Ermittlung des schweißbedingten Verzugs sowie des Eigenspannungszustandes und Entwicklung von Gegenmaßnahmen
  • Automatisierung von Schweißprozessen und Entwicklung von Monitoringsystemen
  • Fremd- und Bauüberwachung mit mobiler Mess- und Analysetechnik
  • Auslegung und Dimensionierung von Schweiß- und Lötverbindungen
  • Schweißtechnologische, -metallurgische, -konstruktive Beratung
  • Entwicklung, Erprobung, Prüfung von Unterwasser-Verbindungstechnologien

Ausstattung

Schweißlabor Analytiklabor  
  • UP-Tandem-Doppeldraht-Schweißanlage
  • Elektrogasschweißanlage
  • Roboterportal mit adaptiver Schweiß- und Schneideinrichtung
  • UP-Hand-Schweißgerät
  • div. MSG-, Plasma-, WIG-, Autogen-Schweiß- und Schneidanlagen
  • Wärmebehandlungsöfen
  • autogene Vorwärmanlage
  • div. Messtechnik
  • Induktionswärmetechnik
  • diverse Bolzenschweißanlagen
  • OES-Gerät
  • Schleif- und Poliermaschinen
  • Warmeinbettpresse
  • Auf- und Durchlichtmikroskope
  • Ultraschallprüfgerät
  • ONH-Analysegerät
  • Wasserstoffanalysegerät
  • Härteprüfgerät
  • ESPI-Eigenspannungsmessgerät