CMT 26/2014

Manuelles Plasma- und WIG-Runden an freien Kanten zur Beschichtungsvorbereitung

 

Fraunhofer Anwendungszentrum für Großstrukturen in der Produktionstechnik
Prof. Dr.-Ing. Martin-Christoph Wanner, Dr.-Ing. Knuth-Michael Henkel, Dipl.-Ing. Robert Hein

 

Das IGF-Vorhaben 17258 BR der Forschungsvereinigung Center of Maritime Technologies e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)  vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

Der Bericht kann bei CMT bestellt werden. Bitte senden Sie eine E-Mail an igf(at)cmt-net.org

 

Projektbegleitender Ausschuss (PA):

Blohm + Voss Shipyards, Michael Scheufele/ Jochen Burmeister

Flensburger Schiffbau Gesellschaft mbH/ Herr Heinemann / Gorecki/ Petersen

HGG, Daan van Dee

IMG Ingenieurtechnik und Maschinenbau GmbH / IMAWIS, Matthias Neumann

Linde AG, Ronald Steusloff

Neptun Ship Design GmbH, Robert Fölsch

Ostseestaal GmbH, Herr Bleiß / Torsten Möller

SUT-Rostock, Rüchel / Sven Kuhlmann

 

Zusammenfassung

Die Zielsetzung des Forschungsvorhabens bestand in der Erarbeitung von technologischen Vorgaben und Prozessparametern für den Einsatz eines thermischen Verfahrens zum manuellen beschichtungsgerechten Kantenbearbeiten im schiffbaulichen Zuschnitt und der Montage. Es sollte ein Werkzeug und ein Verfahren entwickelt werden, das in allen Stufen der Fertigung (Platten- und Profilzuschnitt, Lager, Paneelfertigung, Doppelbodenfertigung, Sektionsmontage, Blockbau, etc.), allen Lagen und an allen normalen Bau- und Schiffbaustählen die Schnittkanten thermisch, beschichtungsgerecht, IMO-konform und wirtschaftlich bearbeitet.

Neben der prototypischen Entwicklung notwendiger Hilfsmittel, wie Führungssysteme, lag das Hauptaugenmerk der Entwicklungsarbeiten auf der Prozessuntersuchung zur Ermittlung der Verfahrensgrenzen. Anhand mehrerer statistischer Versuchspläne wurden sowohl für den Plasma- als auch für den WIG-Prozess die relevanten Prozessparameter mit dem größten Einfluss auf das Rundungsergebnis ermittelt. Für beide Verfahren stellte sich die Schweißgeschwindigkeit als die kritische Prozessgröße, gefolgt von der Energieeinbringung und der Schutzgasabdeckung dar. Neben der Erfüllung der äußeren Merkmale (r ≥ 2mm) der IMO-konformen Kantenvorbereitung standen die metallurgischen Einflüsse in Abhängigkeit der o.g. Parameter im Fokus der Untersuchungen.

Da es sich bei beiden Verfahren um einen Schweißprozess ohne Zusatzwerkstoff handelt, fallen Beeinflussungen (z.B. Desoxidation durch erhöhten Silizium- und Mangangehalt) des entstehenden Gefüges durch eben diesen weg. Das bedeutet, dass die chemische Zusammensetzung des Grundwerkstoffes einen entscheidenden Einfluss auf die Gefügeausbildung hat. Anhand von Analysen der chemischen Zusammensetzung mittels optischer Emissionsspektrometrie konnten die Einflüsse des Zuschnitts sowie die Beeinflussung durch den Rundungsprozess für die verschiedenen untersuchten Grundwerkstoffe abgebildet und der entstehenden spezifischen Gefügemorphologie sowie dessen Eigenschaften zugeordnet werden. Von besonderem Interesse waren hierbei die Härtewerte der Schweißgutgefüge, da in vorangegangenen Untersuchungen bei höherfesten Schiffbaustählen (A36) unzulässige Aufhärtungen festgestellt wurden. Im Ergebnis entstanden enge Vorgaben für die Verfahrensgrenzen einer IMO-konformen Kantenrundung mittels Plasma- und WIG-Prozess sowohl für die chemische Zusammensetzung der Grundwerkstoffe als auch zumindest für den Plasmaprozess eine Vorgabe für den Schneidprozess. Die Ursache hierfür liegt in einer festgestellten Aufstickung der Schnittkante, welche in Verbindung mit der schnelleren Abkühlung, in Folge der höheren Energiedichte des Plasmaprozesses, nach dem Runden für unzulässige Härtewerte (> 400 HV10) an der Kante sorgte.

Die teilweise Abhängigkeit des Verfahrens von der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffes äußert sich nicht nur in den mechanisch-technologischen Eigenschaften des Gussgefüges, sondern auch in der Porenanfälligkeit beim Runden. Auf Grund des Fehlens eines Zusatzwerkstoffes kann, seitens des Prozesses, nur ein geringer Einfluss (besonders reines Schutzgas und gute Schutzgasabdeckung) auf die, in Folge des im Grundwerkstoff vorhandenen Sauerstoffs, stattfindende Porenbildung genommen werden. Durch den Umstand einer prozessunabhängigen Beeinflussung des Rundungsergebnisses wurde der Einsatzbereich des Verfahrens stark eingeschränkt.

Aus den ermittelten Randbedingungen konnten für beide Prozesse Parameterbereiche für die automatisierte Anwendung abgeleitet werden. In weiteren Schritten wurden diese auf die manuelle Kantenbearbeitung übertragen. Unstetigkeiten sind bezüglich des Haupteinflussfaktors Schweißgeschwindigkeit sowie des Abstandes zwischen Brenner und Werkstück einem manuellen Prozess immanent. Daher wurden verschiedene Hilfsmittel entwickelt, um den Prozess reproduzierbar zu gestalten. Zu diesen Hilfsmitteln zählten angepasste Schutzgasdüsen zur Abstandskontrolle sowie eine Schweißgeschwindigkeitsüberwachung. Da die Randbedingungen und Prozessparameter jedoch einen sehr engen Rahmen stecken, konnten die Unstetigkeiten im manuellen Prozessablauf nicht auf ein notwendiges tolerierbares Maß reduziert werden. Eine manuelle Kantenbearbeitung konnte zwar mit beiden Prozessen erreicht, jedoch nicht soweit reproduzierbar gestaltet werden, dass eine wirtschaftliche Alternative zu den bestehenden Verfahren (Schleifen, Fräsen) geschaffen wurde. Für eine automatisierte Anwendung beider Verfahren konnten im Projekt reproduzierbare Parameterbereiche und Randbedingungen ermittelt werden, die, wie auch die anderen Ergebnisse, detailliert in diesem Abschlussbericht dargelegt sind.


Abstract

The objective of this research project was the development of technological specifications and process parameters for the use of a thermal edge rounding process suitable for coating in shipbuilding cutting and assembly. There should be a tool and a method be developed that thermally at all stages of production (sheet and profile cutting, storage, panel production, double bottom manufacturing, component assembly, block building, etc.), all positions and in all normal construction and shipbuilding steels, economically rounds cut edges under compliance of IMO PSPC. In addition to the prototypical development for necessary aids such as guide systems, the main focus of the development work was on the process of investigation to establish the process boundaries. On the basis of several statistical experimental designs, the relevant process parameters were determined with the greatest impact on the rounding result for both the plasma and for the TIG process. For both methods, the welding speed set as the critical process variable, followed by the energy input and the gas shielding. In addition to meeting the physical characteristics (r ≥ 2 mm) of the IMO-compliant edge preparation were the metallurgical influences depending of the above mentioned Parameters in the focus of investigations. Since it is a welding without filler material in both methods, there is a leak of influences (eg deoxidation by increased silicon and manganese content) on the resulting microstructure. This means that the chemical composition of the base material has a crucial influence on the microstructure. On the basis of analyzes of the chemical composition by means of optical emission spectrometry, the influences of the cuting process as well as the influence of the rounding process for the various investigated base materials were mapped and assigned to the resulting specific structural morphology and their properties. Of particular interest were the hardness values of the weld metal, as in previous studies in higher strength hull structural steels (A36) improper hardness increases were noted. As a result, strict requirements for the chemical composition of the base materials and at least for the plasma process a requirement for the cutting process where developed for the processing limits of an IMO-compliant edge rounding means of plasma and TIG process. This on the basis of an established nitriding of cutting edge in conjunction with rapid cooling after rounds, which result of the higher energy density of the plasma process causing unacceptable hardness values (> 400 HV10) at the edge. The partial dependence of the method on the chemical composition of the base material is expressed not only in the mechanical properties of the cast structure, but also in the tendency to pore during rounds. Due to the lack of a filler material the process has only a small influence (particularly pure inert gas and good shielding gas coverage) on the pore formation taking place as a result of existing oxygen in the base metal. So the application range of the method was severely limited by the fact of a process-independent influence of the rounding result. From the determined boundary conditions parameter ranges were derived for automated application for both processes. In further steps, these were transferred to the manual rounding edges. As the welding speed was identified as a major factor influencing the process and discontinuities in the welding speed and the distance between the torch and the workpiece are immanent to manual processes, various tools have been developed to make the process more reproducible. These tools included matched protective gas nozzles for distance control and a welding speed monitoring. However, since the boundary conditions and process parameters put a very narrow framework, the discontinuities in the manual process flow could not be kept to a tolerable level. Although a manual edge processing was achieved with both processes, but not to the extent reproducible designed that an economic alternative to the existing methods (grinding, milling) was created. For automated application of both methods reproducible parameter ranges and boundary conditions could be created in the project, which, as well as the other results, are presented in detail in this final report.

 

Downloads

CMT Unternehmensbroschüre als PDF-Download

Veranstaltungen

Go-3D 2017

7. September 2017, Rostock, Germany

[mehr]

11th Symposium on High-Performance Marine Vehicles – “Technologies for the Ship of the Future” (HIPER)

11 - 13 September 2017, Zevenwacht, South Africa

[mehr]

Joint European Summer School on Fuel Cell, Electrolyser, and Battery Technologies (JESS 2017)

11 - 15 September 2017 and 18 - 22 September 2017

[mehr]

International Conference on Ships and Offshore Structures (ICSOS)

11.09.2017 to 13.09.2017, Shenzhen, China

[mehr]

Basics Seminar Adhesive Bonding (English)

12 September 2017, Aachen, Germany

[mehr]

ML4CPS – Machine Learning for Cyber Physical Systems and Industry 4.0

27 - 28 September 2017, Lemgo, Germany

[mehr]