Erweiterung des Prozessverständnisses und der Anwendungsfelder für das Längsnaht-Hochfrequenzschweißen von Rohren durch Verfahrensabbildung mittels Modellprozess und Finiter Elemente Simulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Wesling
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226270843

Die beantragten Untersuchungen dienen der Erweiterung des Prozessverständnisses und der Anwendungsfelder für das Längsnaht-Hochfrequenzschweißen von Rohren bei Wanddicken < 5 mm. Hierzu soll als Ziel ein ganzheitliches Prozessmodell des Schweißverfahrens unter Berücksichtigung der physikalischen und chemischen Vorgänge im Schweißspalt entwickelt werden. Untersuchungen existieren bisher lediglich im Wanddickenbereich > 5 mm bei der Leitungsrohrherstellung nach API 5L (Werkstoffe X52, X65). Zudem erfolgten Arbeiten an Cr-Mo Stählen. Aus den Untersuchungen lässt sich lediglich konstatieren, dass Schweißspaltausbildung und Schmelzbadkinetik vom Energieeintrag abhängig sind und die Oxidbildung in der Fügezone beeinflussen. Des Weiteren wird die Oxidbildung bei gegebener Schweißspaltform durch die chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes bestimmt.Die Schweißspaltformausbildung bei gegebenen Parametern und hierdurch indirekt die Fehlersensivität des Prozesses hängt im Wesentlichen aber auch von der Gefügestruktur des zu verschweißenden Werkstoffes ab. Die Ursache liegt in der Beeinflussung der physikalischen Werkstoffeigenschaften (elektrische Leitfähigkeit, Permeabilität, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, etc.) durch die Gefügestruktur. Die chemische Werkstoffzusammensetzung beeinflusst bei un- und niedriglegierten Stählen über Viskosität und Oberflächenspannung gebildeter Schmelze rückgekoppelt die Schweißspaltausbildung und Schmelzbadkinetik selbst.Bis dato erfolgte in der Literatur keine systematische Untersuchung beider Einflussfaktoren im Hinblick auf die Bildung von Schweißnahtfehlern. Des Weiteren sind die Fehlerbildungsmechanismen in der Literatur zum jetzigen Zeitpunkt uneinheitlich dargestellt. Im Rahmen des Projektes erfolgt die systematische Untersuchung der Fehlerbildungsmechanismen durch experimentelle Analyse eines semikontinuierlichen Modellprozesses, welcher das Längsnahtschweißen von Rohren im Labormaßstab abbildet und eine umfassende Prozessobservation gewährleistet. Durch geeignete Parametereinstellung und der Möglichkeit einer Prozessabschirmung mittels Schutzgas können die genannten Einflussfaktoren und damit ihre Prozesseinflüsse separat betrachtet werden. Auf Basis der am Modellprozess gewonnen Erkenntnisse wird ein Finite Elemente Simulationsmodell entwickelt, welches das Längsnahtrohrschweißen abbilden kann. Das Modell soll in der Lage sein durch Vorgabe von Gefügestruktur (elektrische Leitfähigkeit, Permeabilität, Wärmeleitfähigkeit, etc.) und chemischer Werkstoffzusammensetzung (Schmelzbadoberflächenspannung, Schmelzbadviskosität) Parameterfelder für beliebige Stahlwerkstoffe zu berechnen. Zum einen ist es hierdurch möglich erstmals die Auswirkungen von Legierungselementschwankungen bei gegebener Stahlgüte zu bestimmen. Zum anderen kann die Schweißbarkeit bisher nicht verarbeiteter Stahlgüten ohne aufwändige Schweißversuche bestimmt werden, um so das verarbeitbare Werkstoffspektrum gezielt zu erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen