Experimenteller Aufbau

3.2 Experimenteller Aufbau

3 Durchführung

131,5 mm

Messing-konus

Aluminiumscheibe

(a)Offene Spannvorrichtung.

Spann-scheibe

Messdose

(b)Geschlossene Spannvorrichtung.

Abbildung 3.2.1 In den Experimenten benutzte Spannvorrichtungen.

Als Lichtbogenquelle wurde für die Versuche eine digitale Impulsschweißstromquelle Quinto GLC 603 der Firma Cloos verwendet. Die Quelle verfügt bei 60 % Einschaltdauer über einen maximalen gemittelten Strom von 600 A bei 44 V gemittelter Spannung. Ihre maximale Leis-tungsabgabe liegt demnach bei 26,4 kW. Sie verfügt über eine integrierte Drahtfördereinheit, die Drahtvorschübe bis 30 m min⁻¹ zulässt. Auch diese Lichtbogenquelle bietet einen Syn-ergiemodus, bei dem Strom und Spannung auf Basis hinterlegter Kennlinien abhängig vom Drahtvorschub automatisch eingestellt werden.

An die Optik ist ein MSG-Brenner mit integrierter Kühlung angebracht worden. Die Position des Brenners relativ zum Strahl konnte in Winkel, Abstand und Höhe variiert werden.

Die Schweißungen mit dem Scheibenlaser wurden in einer 5-Achs-Portalanlage der Firma Trumpf durchgeführt. An die NC-Steuerung wurde zusätzlich ein Synchronmotor als Run-dachse angeschlossen, der den Arbeitsvorschub erzeugte. Die Schweißungen erfolgten mit bewegtem Rohr und stationärer Optik.

3.2.2 Spann- und Zentriervorrichtungen für Rohre

Für die Schweißungen an Rohren wurden zwei verschiedene Spannvorrichtungen verwen-det. Die Vorrichtungen sind in Abbildung 3.2.1 abgebilverwen-det. Die in Abbildung 3.2.1a gezeigte Spannvorrichtung erlaubt die Aufnahme von Rohren mit unterschiedlichen Innendurchmes-sern. Zur Aufnahme der Rohre dienen Messingkonussegmente, die auf einer Aluminium-scheibe befestigt sind. Zentrisch durch die aufgenommenen Rohre läuft eine M16 Gewinde-stange, mit der die Probenhälften gegeneinander verspannt werden können. Da die Konen geschlitzt sind, können die Schweißungen an der Wurzel entgasen. Im Abstand verstellbare, außen liegende Rollen unterstützen die Zentrierung der Rohre.

Die zweite Spannvorrichtung, dargestellt in Abbildung 3.2.1b, verwendet auf die Innendurch-messer der vorhandenen Proben angepasste Spielpassungen auf Stahlscheiben. Die Pas-sungen unterstützen die Rollen bei der Zentrierung der Rohre. Zusätzlich werden auch hier im Abstand verstellbare Rollen eingesetzt. Die gesamte Anordnung ist in Form einer CAD-Grafik nochmals in Abbildung 3.2.2 dargestellt, um die zugrunde liegenden Prinzipi-en zu erläutern. Bei dieser Spannvorrichtung verläuft eine Gewindestange mit Feingewinde

3.2 Experimenteller Aufbau

159mm

Spannscheibe

Spannstücke

Kraft-messdose

Rohre

Gewindestange

Abbildung 3.2.2 Geschlossene Spannvorrichtung in Schnittdarstellung.

Im Bild sind die Stahlspannscheiben, die Spannstücke, die Kraftmessdose, das Ge-winde und die Gleitlager in unterschiedlichen Graustufen dargestellt. Die Kraftmess-dose ist hier nur schematisch dargestellt und war in der konkreten technischen Aus-führung weniger massiv.

M30 x 2 mm zentrisch durch die Rohre. Der höhere Durchmesser und das Feingewinde er-lauben das Aufbringen auch größerer Vorspannkräfte. An einem Ende der Spannvorrichtung befindet sich eine Kraftmessdose zur Messung der Vorspannkraft.

Die Scheiben sind durch Spielpassungen axial frei beweglich auf Wellenabsätzen von Spann-stücken aufgebracht. Das Vortriebsmoment des Motors wird durch Kraftschluss übertragen.

Im Inneren sind die Spannstücke mit einem Gewinde versehen und werden auf die Gewinde-stange geschraubt. Der Anpressdruck gegen die Scheibe wird durch einen Absatz erzeugt.

Auf eines der Spannstücke wird zwischen die Spannscheibe und den Absatz die Kraftmess-dose auf einen weiteren Wellenabsatz geschoben. Dies ist in Abbildung 3.2.2 rechts dar-gestellt. Beim Verschrauben drückt der hintere, rechte Absatz des Spannstücks gegen die Kraftmessdose und diese gegen die Spannscheibe. So ist sichergestellt, dass die gesamte Vorspannkraft durch die Kraftmessdose geleitet wird. Die Kraftmessdose wurde im Rahmen dieses Projektes entwickelt und an der BAM kalibriert. Als Messaufnehmer wurde eine DMS-Vollbrücke verwendet.

Die Ersatzsteifigkeit eines Teiles der Konstruktion,cers.i, kann bei homogenem Querschnitt und Werkstoff nach Formel 3.2.1 berechnet werden.

c_ers.i= E_iA_i

l_0.i (3.2.1)

3 Durchführung

In der Formel stehtE_ifür den Elastizitätsmodul,A_ifür die Fläche quer zur Belastungsrichtung undl_0.i für die Länge entlang der Belastungsrichtung. Befinden sich mehrere Bauteile in Reihe, so ist die resultierende Gesamtsteifigkeitcers.gesnach Formel 3.2.2 zu berechnen:

c_ers.ges= X

i

1 cers.i

!−1

. (3.2.2)

Aus der Formel geht hervor, dass bei Reihenschaltungen von Steifigkeiten die kleinste Stei-figkeit dominierend ist⁵. Da die Spannscheiben, die Spannstücke und die Rohre massive Bauteile sind, kann die Steifigkeit der Konstruktion daher auf Basis der Steifigkeiten der Ge-windestange in Reihe mit der Kraftmessdose abgeschätzt werden.

Ersetzt man den Bruch in Formel 3.2.2 durch die Nachgiebigkeitδ_N.i =c_ers.i⁻¹, ergibt sich die Gesamtsteifigkeit aus dem Reziprokenwert der Summe der Nachgiebigkeiten. Die Nachgie-bigkeit der Kraftmessdose kann mit der Reziproken von Formel 3.2.1 und die NachgieNachgie-bigkeit der Gewindestange kann auf Basis von VDI 2230 Teil 1 [185] berechnet werden. Insgesamt ergibt sich mit der Länge der ProbelProbe, der Länge des Absatzes auf der Spannscheibe lAbsatzund dem Elastizitätsmodul von StahlE_Stahleine Gesamtnachgiebigkeit von:

δers.ges= 8,36·10⁻⁷mm

N + 3,53·10⁻⁷mm

N +l_Probe−10 mm−l_Absatz

E_Stahl·596 mm² . (3.2.3)

Bei einer Länge von 400 mm und Nutzung des vorderen Absatzes für das Rohr errechnet sich eine Gesamtnachgiebigkeit vonδers.ges = 4,23·10⁻⁶mm N⁻¹, entsprechend einer Ge-samtersatzsteifigkeit voncers.ges= 237 kN mm⁻¹.

3.2.3 Messtechnik

Als Messkraftverstärker für die Kraftmessdose wurde ein Vierkanal Universalmessverstärker QuantumX MX440A der Firma HBM genutzt. Die Messungen der Temperatur-Zeitverläufe er-folgten mit einem 16-Kanal Temperaturmessverstärker QuantumX MX1609 derselben Firma.

3.2.4 Prüfung

Die untersuchten Risse lagen innerhalb des Materials, ohne Verbindung zu den Oberflächen und verfügten über eine Länge unterhalb von 2 mm. Bei dieser Konstellation kommen nur Methoden infrage, bei denen das Innere des Materials offenbart wird. Vorversuche ließen darauf schließen, dass die Empfindlichkeit von Ultraschalluntersuchungen nicht ausreicht, um diese Art von Defekt sicher zu identifizieren. CT-Untersuchungen dagegen sind bei den verwendeten Wandstärken zu aufwändig. Bei Röntgenuntersuchungen an einem Rohr im Bereich der verwendeten Wandstärken und Außendurchmesser sowie Stahl als Werkstoff sind acht Aufnahmen mit Doppelwanddurchstrahlung notwendig. Die Zeit zur Prüfung eines einzelnen Rohres beträgt etwa 2 h. Die durchgeschweißten Proben wurden noch mehrheitlich mit der Röntgendurchstrahlungsmethode wie erläutert geprüft. Dabei wurden mindestens drei ausgesuchte Proben je Wandstärke untersucht.

5Steifigkeitencers.i→ ∞tragen nicht zur Gesamtsumme bei.

3.2 Experimenteller Aufbau An einigen Stellen wurden Schliffe entnommen, um sicherzustellen, dass es sich bei den im Röntgenbild als Risse identifizierten Ungänzen nicht um Schlauchporen oder Lunker handelt.

Dabei wurde versucht der auszählenden Person eine breite Datenbasis zur Verfügung zu stellen. Es war aber keinesfalls möglich sämtliche Unregelmäßigkeiten anzuschleifen. Die untersuchten Ungänzen sind klein, und die Region, in der sie sich befinden, ist nur bis auf einige mm genau bestimmbar. Zum Anschleifen der Ungänze mussten daher erst einige mm abgeschliffen und mehrfach überprüft werden, ob die Ungänze getroffen wurde.

Vor der Prüfung der eingeschweißten Rohre wurde die Methode der “zerstörenden Röntgen-prüfung” entwickelt: Nach dem Schweißen wurde die Nähte aus den Rohren herausgetrennt, so dass sie als Ring vorlagen. Dann wurde der Ring in acht 45^◦ Segmente unterteilt, ne-beneinander arrangiert und geröntgt. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die gesamte Naht mit einer einzigen Aufnahme geprüft werden konnte und hat die durchgeführten Ar-beiten überhaupt erst ermöglicht. Die notwendige Röntgenzeit verringerte sich dadurch auf einige wenige Minuten. Gleichzeitig verdoppelte sich die mögliche Auflösung. Bei den Ein-schweißversuchen war so eine 100 %-Prüfung möglich. Nachträglich durchgeführte Durch-schweißungen konnten ebenfalls zu 100 % geprüft werden.

Die Röntgenfilme wurden digitalisiert und am Arbeitsplatzcomputer geprüft. Dies hatte den Vorteil, dass moderne, digitale Filter eingesetzt werden konnten, wodurch das Ergebnis fun-dierter war, als bei der rein optischen Kontrolle der Röntgenfilme.

Zur Absicherung der Ergebnisse wurden die Röntgenfilme der Einschweißungen nur nach Probennummer ausgezählt. Dies stellt im Prinzip eine Verblindung dar, da die jeweils kon-kreten Parameter aufgrund der zufälligen Versuchsreihenfolge nicht direkt aus den Proben-nummern herauszulesen waren und auch bewusst nicht zuhilfe genommen wurden.

Wegen der nicht vollständigen Durchschweißung resultiert eine durchgehende feine Linie, die die Ungänzen überlagert. Eine Unterscheidung zwischen Rissen und anderen Ungänzen, wie Porenzeilen oder Bindefehlern war daher nicht immer völlig sicherzustellen. Daher wurde bei der Auswertung zwischen sicher identifizierten Rissen und möglichen weiteren Rissen unterschieden. Im Rahmen der Ergebnispräsentation werden hier nur die Ergebnisse der sicher identifizierten Risse angegeben.

Bei allen Untersuchungen wurden die 45^◦um den Endpunkt der Schweißung von der Aus-wertung ausgenommen. Dieser Bereich stellt aufgrund des Zusammenspiels der Schweiß-parameter mit den Einstellungen der Start- und EndSchweiß-parameterliste, des Schweißens in eine bereits erkaltete Naht, und den instationären Prozessen des Ein- und Ausschaltens eine technologische eigenständige Problemstellung dar. In diesem Bereich traten bei den Ein-schweißungen nahezu immer mehrere Risse auf, sodass das Ergebnis der Untersuchungen der eigentlichen Naht dadurch verfälscht worden wäre.

3 Durchführung

Abbildung 3.3.1 Geometrische Anordnung während der Schweißungen.

3.2.5 Software

Die Auswertung der Röntgenfilme wurde mithilfe der Software ISee! durchgeführt. Bei der Auswertung der Ergebnisse wurden die Softwarepakete Microsoft Excel und das freie Soft-warepaket GNU Octave verwendet. Die numerischen Berechnungen auf Basis der Finiten Elemente Methode wurden mithilfe der Software ANSYS^®12.1 der Firma ANSYS, Inc. durch-geführt.