Abschluss eines Forschungsprojektes zum Lichtbogenbolzenschweißen

Das als SRM-Technik bezeichnete Lichtbogenbolzenschweißen in einem radialsymmetrischem Magnetfeld wurde von den Verbundpartnern

• GSI mbH, Niederlassung SLV München,
• dem Labor für Plasmatechnik (LPT) der Universität der Bundeswehr München und
• der Fa. Heinz Soyer Bolzenschweißtechnik GmbH

abgeschlossen.

In diesem Projekt wurden unter Zuhilfenahme neu entwickelter Gerätetechnik sowie modernster Lichtbogendiagnostik die Grundlagen für hoch belastbare Bolzenschweißverbindungen mittels SRM-Technik bis Durchmesser 19 mm erarbeitet. Neben der Magnetfeldauslegung an gebräuchlichem unlegiertem (S235, S355) und legiertem (X5CrNi18 10) Bolzenschweißmaterial weist vor allem das Schutzgas und die Blechoberfläche einen hohen Einfluss auf das Schweißergebnis auf. In Abhängigkeit der Schweiß- und Randbedingungen wurden Schweißverbindungen erstellt, die bei statischer Belastung durch Biege- und Zugversuch nicht in der Schweißzone, sondern im Grundmaterial versagen. Durch mehrere Vergleiche mit herkömmlicher Verfahrenstechnik des Bolzenschweißens mit Hubzündung sowie des Schutzgasbolzenschweißens wurde der Nachweis einer hohen und adäquaten Schweißqualität für die untersuchten SRM-Bolzenschweißungen (M16 und 19 mm) erbracht.

Der Verzicht auf die Nutzung eines Keramikrings erschließt dabei neue Tätigkeitsfelder, insbesondere für die Bolzenschweißindustrie. Die ermittelten Vorteile der SRM-Technik sind eine dünne Schmelzzone, eine kleinerer Wulst und geringere Spritzerbildung aufgrund der niedrigen Energieeinbringung sowie der gleichmäßigerer Anschmelzung von Bolzen und Blech durch den magnetfeldgesteuerten Lichtbogen. Es kann eine einfache Bolzengeometrie (flach bis leicht kegelig) verwendet werden. Eine Zündhilfe ist nicht zwingend erforderlich. Durch den reduzierten und gleichmäßigen Einbrand ergibt sich eine deutlich geringere Neigung zum Verzug des Bauteils als bei herkömmlichen Bolzenschweißungen mit Keramikring. Der gleichmäßige Einbrand kann auch unter ungünstigen Randbedingungen erreicht werden. Der SRM-Schweißprozess zeichnet sich durch eine gute Prozesssicherheit der Schweißergebnisse aufgrund der geringen Anfälligkeit gegenüber Blaswirkungen aus.

Es wurden experimentelle Untersuchungen zum Einfluss des Stromes und der Bolzentemperatur auf den Lichtbogenansatz durchgeführt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Temperatur während der Vorstromphase einen Einfluss auf die Lichtbogenbewegung in der Hauptstromphase hat. Durch den Einsatz zeitlich veränderlicher Ströme (konstante Stromanstiege vom Vor- auf den Hauptstrom) konnte kein zusätzlicher signifikanter Einfluss auf die Lichtbogenbewegung festgestellt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass mit einem rotierenden Magnetfeld die Bewegung des Lichtbogens gezielt beeinflusst werden kann. Darüber hinaus wurde ein semi-empirisches Modell für den Bolzenschweißprozess aufgestellt und verifiziert.

Durch die öffentliche Förderung der Bayerischen Forschungsstiftung wird die weitere Einführung der SRM-Technik beschleunigt. Interessierten Anwendern stehen die Forschungsergebnisse in Rahmen des Forschungsberichtes zur Verfügung.

Das Verfahren wurde mit den folgenden Preisen bereits ausgezeichnet:

• Bundesinnovationspreis 2012,
• 1. Preis „Innovationspreis Bayern 2012“ und
• „Fastener Innovator Preis 2013“.

Patentanmeldungen Nr. 10 2004 051 389 und 10 2006 016 553 dokumentieren zudem die Innovation des Verfahrens und bilden die Grundlage für die weitere Entwicklung.

August 2015

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Andreas Jenicek