TIME und die BTU Cottbus forschen

TIME und die BTU Cottbus forschen

TIME und die BTU Cottbus forschen

Wie neue Rollennaht-Elektroden das Schweißen von strukturierten Blechen ermöglichen

TIME und die BTU Cottbus forschen an versteiften, leichten Blechen

WISSEN/COTTBUS – Um Konstruktionen z. B. im Fahrzeugbau leichter zu machen, werden beispielsweise dünnere Bleche mit steifigkeitserhöhenden Strukturen eingesetzt. Wirtschaftlich lassen sich diese Bauteile per Rollennahtschweißen verarbeiten, weil hiermit hohe Prozessgeschwindigkeiten möglich sind und ohne Zusatzwerkstoffe bzw. Schweißhilfsstoffe gearbeitet wird. Bei TIME wurden hierfür entsprechende Elektroden entwickelt, getestet und zur Serienreife gebracht.

 

Die BTU Cottbus beschäftigt sich seit längerem mit den Vorteilen und dem Potenzial strukturierter Wabenbleche: Im Vergleich zum Glattblech ergibt sich schon bei einfacher Blechlage eine dreifache Steifigkeit. Also kann der Konstrukteur die Blechdicke z.B. von von 0,7 mm auf 0,5 mm reduzieren, was einer Masse-Reduktion von knapp 30% ergibt. Bei doppelter Blechlage und einer Wabe-Wabe-Anordnungen ergaben Tests die 12-fache Steifigkeit, was in der Praxis zu über 50% Gewichtsersparnis führt. Oder: Die gleiche Steifigkeit wie bei 3 mm Aluminiumblech kann erreicht werden durch Verwendung von 2 x 0,5 mm Wabenstahlblechen, was das Bauteil deutlich kostengünstiger macht. Daneben eröffnen sich weitere Anwendungsfelder z. B. im Wärmetauscher- und Behälterbau, wo Flüssigkeiten die verschweißen Wabenbleche durchströmen können.

 

Doch die BTU Cottbus stand vor einem Problem: Beim Rollennahtschweißen von strukturierten Blechen führen klassische Rollennaht-Elektroden zur teilweisen bzw. vollständigen Einebnung der Wabenstrukturen, was deren versteifende Wirkung reduziert bzw. vollständig aufhebt. Wie also können solche dünnen Wabenbleche optimal gefügt werden?

 

Die Experten aus Cottbus wurden auf das rheinland-pfälzische Technologie-Institut für Metall & Engineering (TIME) aus Wissen aufmerksam. Hier beschäftigen sich Schweißfachleute praktisch wie wissenschaftlich mit der Optimierung von Schweißtechnologie besonders in Bezug auf deren applikationsspezifischen Einsatzfall. Auch sind die Wissener fit, wenn es darum geht, Projekte durch aktuelle öffentliche Programme auf Länder-, Bundes- und EU-Ebene fördern zu lassen. So wurde das Rollennaht-Schweissen für Wabenbleche als DVS-Forschungsprojekt anerkannt und durchgeführt.

 

Im Rahmen des Vorhabens bauten die TIME-Experten die Prototypen von zwei neuartigen Rollennaht-Elektroden für Steppnähte und für lineare Nähte, die in Experimenten und dem Praxisbetrieb ihre Tauglichkeit unter Beweis stellten. Diese Spezialelektroden sind mittlerweile zum Patent angemeldet. Für die Versuche stellt die BTU Cottbus strukturierte Bleche zur Verfügung, die bei TIME unter definierten Bedingungen und methodischer Vorgehensweise geschweißt wurden. Dabei stand auch die Ermittlung von Schweißbereichsdiagrammen für die Praxis im Fokus.

 

Elektroden und Verfahren optimiert

Beim Schweißen strukturierter Bleche ist generell eine höhere Schweißkraft erforderlich, um eine plastische Verformung der Bleche zu erzielen, damit Ober- und Unterblech in gutem Kontakt stehen. Das soll natürlich nicht dazu führen, die Strukturen komplett einzuebnen. TIME nutzte zur Erforschung der grundlegenden Kenntnisse Bleche mit den Werkstoffqualitäten DC04 und 1.4301 mit Blechdicken von 0,5 mm und 0,7 mm. Schnell war klar: Die neuartigen Elektroden müssen die Topologie der Bleche berücksichtigen, um das  Einebnen der Waben zu vermeiden.

 

TIME entwickelte daher Elektroden mit veränderten Geometrien an ihren Arbeitsflächen. So besitzt eine Elektrode eine periodisch unterbrochene Profilierung: Um unterbrochene Schweißnahtlinien zu erreichen, wurden in die zylindrische Kontaktfläche laterale Unterbrechungen eingefügt, sodass diese beim Abfahren der Struktur die Versteifungselemente verformungsfrei überbrücken (Steppnaht). Die Versteifungselemente werden vertikal übersprungen.

 

Die zweite Elektrode mit ihrer lateralen Profilierung mit in Schweißrichtung nichtlinearer Form hat einen zickzackartigen Verlauf und wurde außerdem für Dichtnahtschweißungen konzipiert. Diese Kontur umgeht die Versteifungselemente horizontal. Beide Elektroden finden Anwendungen bei verschiedenen Paarungen und können teils auch in Kombination mit konventionellen Rollengeometrien verwendet werden.

 

Nachhaltige Konstruktion der Elektroden

Bei der Steppnaht-Elektrode wurden in die beiden Halbschalen Taschen eingefräst und Kontaktstücke eingesetzt. Durch einen Zahnring im Inneren der Elektrode werden die Kontaktstücke radial verschoben und die Elektrode kann außen durch Drehen auf den einzustellenden Durchmesser zur Verschleißkompensation abgearbeitet werden.

 

Bei der Zickzack-Elektrode besteht der Grundkörper aus zwei Halbschalen und einem Zwischenring. In die Bauteile wurden ebenfalls Taschen vorgesehen zur Aufnahme und Fixierung der verschleißenden Kontaktstücke. Durch auf die Nabe aufschiebbare Distanzringe mit unterschiedlichen Wanddicken werden die Kontaktstücke nach außen geschoben.

 

Aus umfangreichen Testschweißungen wurden Schweißbereichsdiagramme bzw. Prozessfenster abgeleitet. Die Verbindungseigenschaften wurden durch Metallografie-, Festigkeits-, Druck- und Dichtheitsuntersuchungen validiert. Als Vergleich und Referenz dienten Schweißuntersuchungen mit konventionellen Rollennaht-Elektroden.

 

Die Untersuchungsergebnisse zeigten Unterschiede bei den Prozessparametern und der Ausprägung der Verbindung in Abhängigkeit von der geschweißten Struktur, dem ausgewählten Schweißpfad und des geschweißten Werkstoffes gegenüber den Referenzschweißungen. Eine anschließende Optimierung führte zu einer verbesserten Schweißnahtqualität sowohl bei Erhalt der Versteifungselemente als auch bei deren Einebnung mit konventionellen Elektroden in Referenz zu Schweißuntersuchungen am ebenen Blech.

 

Wärmetauscher und Thermobehälter sind Zukunft

Werden Wabenbleche mit andern strukturierten oder ebenen Blechen überlappend im Parallelstoß angeordnet, entstehen Paarungen mit Hohlräumen zwischen den Blechen, sogenannte mehrschalige Bauelemente. Da diese Hohlräume z. B. die Möglichkeit zum Durchströmen von flüssigen Medien bieten, lassen sich zukünftig damit auch Wärmetauscher und temperierbare Behälter realisieren.

 

Durch die Topologie der strukturierten Bleche und der Möglichkeit, durch Variation der Ausrichtung der Strukturen zueinander verschiedene hohlraumbildende Paarungen zu kreieren, sind aber verschiedene Schweißnahtlinien möglich. Diese unterscheiden sich beim Schweißen in den geometrisch vorliegenden Bedingungen, z. B. variiert der Blechabstand an einer Schnittlinie entlang von 0 bis ca. 6 mm.

 

Verschweißte Wabenbleche testete TIME mittels Druck- und Dichtheitsprüfung nach DIN EN ISO 17654 mit dem Ziel, die Eignung solcher mehrschaligen, durchströmbaren Bauelemente beispielsweise für temperierbare Behälter und Wärmetauscher zu untersuchen. Die Einzelbleche wurden durch Widerstandspunktschweißen miteinander zu mehrschaligen Bauelementen verbunden und dann an den vier Rändern mittels Rollennahtschweißen dichtgeschweißt.

 

Bei der Druckbeaufschlagung wurde der Druck um jeweils 1 bar angehoben, dann stabilisiert und anschließend für mindestens 5 min gehalten. Die Verformungen unter der Druckbeanspruchung waren stets geringer als 20 mm, welche die Norm als Grenze vorsieht. Die Rollenschweißnähte weisen die geforderte Dichtheit über die gesamte Prüfungdauer auf. Das Versagen der Probekörper erfolgte bei höheren Drücken an den auf Kopfzug belasteten Widerstandsschweißpunkten im Bereich des eingeschweißten Stutzens.