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Das_Ende_Das_Diplom



Wärme_in_einer_Schweißpunktlinse


Was beinhaltet eine Diplomarbeit?

Die Zusammenfassung des aktuellen Wissens eines Anwendungsgebietes!

Mir selbst war das ein bisschen zu wenig. Zum Glück gab es einen Professor an meiner FH, welcher ein Thema mir zur Verfügung stellte, das auch neue Erkenntnisse abverlangte.

Grundidee meinerseits war es, nicht nur vorgegebene Parameter einfach in eine Maschine einzuprogrammieren, sondern das Prinzip der Kennlinienoptimierung anzuwenden. Damals ein Standard in der Autoindustrie (Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von den Motorparametern – Temperatur, Belastung, Kraftstoffart, ...) aber nicht in der Schweißtechnik.

Also ein mathematisches Modell gebaut und alle 2D- und 3D- Kennlinien extrahiert, wie z. B. Eindrücktiefe vs. Kontaktwiderstand, Eindrücktiefe vs. Wärmeeintrag, Wärmeeintrag vs. Stoffwiderstand, Wärmeeintrag vs. Stromanstiegszeit, Induktivität vs. ..., ...

Anschließend ein Z80- Einplatinenrechner genommen (ja, gab es damals schon), eine Thyristorkaskade drumherum und für jede Kennlinie Datenpunkte experimentell ermittelt. Die Koeffizienten der sich ergebenen Funktionen über Interpolation oder Regression mathematisch erfassbar gemacht.

Nachdem wir (für die Praxis war Unterstützung nötig) gefühlte 10.000 Bleche verschweißt hatten und die Nähte analysierten, gaben wir alle mathematisch vollständig beschriebenen Kennlinien in einen P5- PC ein (damals einsame Spitzentechnik) und der spuckte nach 26 Stunden Berechnungszeit ein multidimensionales Funktional aus.

Dieses in einen zweiten Z80 eingegeben und ... ... es funktionierte. Das Optimum zwischen Spritzer- und Klebegrenze wurde selbstständig gefunden, die Maschinenparameter (Ströme, Kräfte, Spannungsformen, ...) eingestellt und im Betrieb gegebenenfalls nachgeregelt. Aluminium konnte mittels Rollennaht verschweißt werden mit nutzbaren und reproduzierbaren Parametern.




Thema meiner Diplomarbeit ist:

  • Untersuchung der Veränderung des Schweißstromes beim Schweißen großer Längen
  • Erarbeitung von Lösungsvorschlägen zur Stromkonstanthaltung
  • Erarbeitung von Lösungsvorschlägen zur Minimierung der Wärmeentwicklung außerhalb der Schweißstelle

 
Beispiel der Ermittlung der RIII(3D)- Kennlinie.
 
In den ersten Abschnitten wird das zu verschweißende Blech als Widerstandsnetzwerk modelliert, um daraus einige Schlussfolgerungen zu ziehen.

So wird definiert:

Formel_1
Effektiver Widerstand im Bereich des verschweißten Bleches (2D- Betrachtungen)
Formel_2
Effektiver Widerstand im Bereich des unverschweißten Bleches (2D- Betrachtungen)
Formel_3
Verhältnis zwischen Kontakt- und Stoffwiderstand. Der intrinsische Wert wird mit "1" festgelegt.
Formel_4
Ein Korrekturfaktor in Abhängigkeit vom Verhältnis der effektiven Widerstände. Der intrinsische Wert wird mit "1,366..." festgelegt.



Nachfolgend wird sich mit der Stromflussänderung während des Schweißvorganges beschäftigt. Der Korrekturfaktor wird modifiziert.

Formel_5
Der Korrekturfaktor, noch vom Verhältnis von Kontakt- und Stoffwiderstand abhängig. Der intrinsische Wert wird mit "0" festgelegt.
Formel_6
Der Korrekturfaktor im Übergang zum 3D- Modell. Der intrinsische Wert wird mit "1,366..." festgelegt.



Die 2D- Überlegungen (das Blech besitzt eine vernachlässigbare Breite) werden in das Räumliche übertragen (das Blech besitzt eben keine vernachlässigbare Breite). Der Korrekturfaktor wird weiter modifiziert:


Formel_7
Der Korrekturfaktor wird mit einem Raumfaktor belegt.
Formel_8
Der Raumfaktor als Anzahl der Widerstandsmatten. Er multipliziert den Bereich des zu verschweißenden Bleches.



Mit der Belegung eines Raumfaktores verändert sich die Faktoren weiter.

Formel_9
Der Verhältnisfaktor bekommt ein notwendiges Intervall.
Formel_10
Der maximale Wert bleibt gleich mit "2".

Damit sind die Betrachtungen auf der Stromflussseite beendet.



Da bei konstanter Spannung eine umgesetzte Leistung in Wärme proportional der Stromstärke ist, kann die Wärmebilanz in der Schweißnaht modelliert werden.

Von besonderer Bedeutung sind:

Formel_11
Die Schweißleistung in einer Naht.
Formel_12
Die Verlustleistung in einer Naht.
Formel_13
Der Koeffizient beeinflusst von den Leistungen. Er ist immer kleiner, gleich als sein intrinsischer Wert von "2,732..." jedoch größer "0".



Es wird das 3D- Modell tiefergehend betrachtet.

3DLeistung_1
Das Modell der umgesetzten Leistung in einem Schweißpunkt.
3DLeistung_2
Die Leistung als Wärme.



Das entwickelte Modell wird verglichen mit einer Verteilungsfunktion Fn nach Professor Gerhard Wunsch. In Fn wird die Induktivität des Bleches berücksichtigt.

Formel_14
Die Verteilungsfunktion nach G. Wunsch.
Formel_15
Die Verteilungsfunktion nach B. Zindler.



Die Impedanzverluste beim Rollennahtschweissen sind ein nicht vernachlässigbarer (betriebswirtschaftlicher) Aspekt. Um induktive Wärme berrschbar zu gestalten, ist die Stromänderung in einer betrachteten Zeiteinheit Schlüssel zur Optimierung.

Formel_16
Optimierungskriterien gegen induktive Verluste. 



Bleibt zu klären, ob es möglich ist, ein einfaches Modell zu schaffen, mit dem der Ort größter Impedanzverluste abschätzbar wird.

Verteilungsfunktion_Impedanzverluste
Zwei weitere Verteilungsfunktionen nach Wunsch berücksichtigen Impedanzverluste.



Leistungstopf_einer_Schweißlinse


Stand: 25. November 2017


 
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