CMT 29/2014

Vollmechanisiertes sensorgestütztes Fallnahtschweißen für die Sektionsfertigung (FASEK)

 

RWTH Aachen, Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen, Dr.-Ing. Simon Olschok, Dipl.-Ing. Christoph Turner

 

Das IGF-Vorhaben 16865 N 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):

Carl Cloos Schweißtechnik GmbH, Christian Paul

DNV GL SE, Ludger Hachmöller

Flensburger Schiffbau-Gesellschaft mbH & Co. KG, Maximillian Heinemann

IMG Ingenieurtechnik und Maschinenbau GmbH

IMAWIS, Matthias Neumann

Mecos, Dr. Martin Oster

Meyer Werft GmbH, Frank Boekhoff / Dirk Wobken

Precitec KG, Dr. Markus Kogel-Hollacher

Tkb Technologiekontor Bremerhaven GmbH / Murck

Schweisstechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH

 

Zusammenfassung

Die deutschen Werften stehen unter einem enormen und stetig wachsenden Wettbewerbsdruck. Als Folge des Wettbewerbsdrucks war in den letzten Jahren eine Abkehr der deutschen Werften vom Containerschiffbau und Fokussierung auf den Bau von Yachten, Kreuzfahrtschiffen, Marineschiffen und den Spezialschiffbau zu beobachten. Doch auch in diesem Bereich drängen Konkurrenten, gerade aus dem asiatischen Raum, auf den Markt. Zum Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit des Hochlohnlandes Deutschland als Produktionsstandort für den Schiffbau sind die Entwicklung und der Einsatz innovativer und hochproduktiver Fertigungstechnologien von essentieller Bedeutung.

Eine solche Fügetechnologie stellt das vollmechanisierte sensorgestützte Fallnahtschweißen dar. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsvorhabens werden zwei Fügekonzepte entwickelt: Das beidseitig gleichzeitige MSG-Fallnahtschweißen und das Laser-MSG Hybridfallnahtschweißen mit zusätzlichem gegenüberliegenden MSG-Brenner. Das Laserstrahl-MSG Hybridschweißen hat aufgrund seiner verfahrensspezifischen Vorteile bereits seit längerem Einzug in den europäischen Schiffbau gehalten und wird beispielsweise bei den Werften Meyer Werft, Aker Finyards und Fincantieri in der Paneelfertigung eingesetzt. Das Verfahren verbindet eine hohe Einschweißtiefe bei hoher Schweißgeschwindigkeit mit der Möglichkeit der Spaltüberbrückung und der metallurgischen Beeinflussung der Schmelze. Im Zuge des Forschungsvorhabens IGF 16865 N soll der Mechanisierungsgrad beim MSG-Fallnahtschweißen und das Einsatzgebiet des Laserstrahl-MSG Hybridschweißens auf Anwendungen für Vertikalnähte in der Fallnahtschweißposition PG erweitert werden, um die zur Zeit meist mittels manuellem Steignahtschweißen gefügten Nähte hochproduktiv schweißen zu können.

Hierzu erfolgt im ersten Schritt die Prüfung der Prozessfähigkeit und Prozessentwicklung für die beiden Schweißprozesse beidseitig gleichzeitiges MSG-Fallnahtschweißen und beidseitig gleichzeitiges Laser-MSG Hybridfallnahtschweißen mit einem gegenüberliegenden zweiten MSG-Brenner. Im Zuge der Prozessentwicklung wird auf die Möglichkeiten der statistischen Versuchsplanung zur Bestimmung von Prozessmodellen zurückgegriffen. Im zweiten Schritt wird ein Mechanisierungskonzept erarbeitet und umgesetzt, welches auf Basis der optischen Detektion und Vermessung des Fügespaltes eine automatische Nahtfindung, Nahtverfolgung und vor allem eine automatische Auswahl der im ersten Arbeitsschritt ermittelten Parametersätze in Abhängigkeit von der ermittelten Fügespaltweite ermöglicht. Der Einsatz moderner Festkörperlaser erfordert insbesondere unter Berücksichtigung der zugrundeliegenden Schweißaufgabe in der Sektionsfertigung im Schiffbau (Nahtlänge, Bauteilvolumen, Schweißposition) besondere Anstrengungen zur Sicherstellung der Arbeitssicherheit. Aus diesem Grund werden im Zuge des Forschungsvorhabens Konzepte für den Arbeitsschutz (insbesondere die Lasersicherheit) im Werftumfeld erstellt. Dies erfolgt auf Basis einer detaillierten Aufarbeitung der aktuellen rechtlichen Rahmenbedingungen und des aktuellen Stands der Technik in Sachen Arbeitsschutz.

Es konnte nachgewiesen werden, dass durch das mechanisierte Fallnahtschweißen große Potentiale zur Produktivitätssteigerung erschlossen werden können. Darüber hinaus wurde ein Mechanisierungskonzept entwickelt und erfolgreich umgesetzt. Zuletzt wurde der Stand der Technik in Sachen Arbeitssicherheit aufgearbeitet und Sicherheitskonzepte für verschiedene Anwendungsfälle erstellt.


Abstract

German shipyards are straining under enormous and ever-increasing competitive pressure. As a consequence the shipyards have renounced from container shipbuilding during the last couple of years and have concentrated on the building of yachts, cruise ships, marine ships and special ships. But also in this field, the competitors, particularly from Asia, are edging into the market. The international competitive pressure and the wage-level in the high-wage country Germany demand innovative and highly efficient production techniques to be successful.

The “Fully Mechanized, Sensor Based Vertical Down Welding (FaSek, IGF 16865 N)”, that is developed in the course of the research project, is such a welding technology. Two joining concepts are researched: The concurrent GMA vertical down welding and the Hybrid Laser vertical down welding with 2nd GMAW process. The Hybrid Laser Welding has become one of the most important manufacturing technologies for an automated and efficient shipbuilding. The technology is successfully used since the early 2000s and mainly applied in the panel manufacturing. The target of the public funded research project is to extend the range of application of mechanized welding processes, especially the Hybrid Laser Welding, to the vertical welding positions, where nowadays the manual vertical up welding is used.

In the first step of the project the capability of two vertical down welding processes (both sided GMAW and Hybrid Laser Welding with 2nd GMAW process) to solve the welding task is researched and welding parameters for different wall thicknesses and different joint gaps are developed. In the next step a concept for a mechanization based on an optical sensor is created, implemented and tested practically. It allows and automated seam detection and seam tracking to deal with misalignment of the work pieces and furthermore it makes an automated selection of the welding parameters as a function of the detected joint gap possible. The usage of a solid state laser makes high demands on the laser safety, especially for a welding task with a high seam length and the vertical welding position 3G/3F in the environment of a shipyard. Besides the development of a welding processes and a mechanization concept the project also deals with topic laser safety for this challenging welding task. Different possibilities to ensure the workplace safety are developed and presented in the course of the research project.

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