Internationale Konferenz EPM 2006

Electromagnetic Processing of Materials

4 Institut für Elektrothermische Prozesstechnik

Ausgabe 1 - 2007

EU Forschungsprojekt INDUCWELDMeilenstein erfolgreich gemeistert

Nach dem Kickoff-Meeting im

September 2005 ist am ETP

das europäische Forschungsprojekt

INDUCWELD zum Meilenstein

fortgeschritten. Das Ziel dieses Pro-

jektes ist eine Verbesserung der

Schweißverfahren für höherfeste

Stähle. Die erste Phase des dreijähri-

gen Projektes war für das ETP auf

die Beschreibung des kompletten

Schweißprozesses in

Kombination mit in-

duktiver Erwärmung

durch numerische Si-

mulation ausgerichtet

und sollte fundamen-

tale Kenntnisse über

die gegenseitige Be-

einflussung liefern.

Am ETP wurde

ein multiphysikali-

sches Berechnungs-

modell entwickelt, das die Möglich-

keit bietet, unterschiedliche Pro-

zessverfahren (Laser-, Plasma- und

MAG-Schweißprozess) und Pro-

zesskombinationen (Vorerwär-

mung, Nacherwärmung) zu betrach-

ten. Das Modell beschreibt die ther-

mischen Effekte des Schweißpro-

zesses und der induktiven Erwär-

mung beim Linearnahtschweißen.

Methoden zur Implementierung der

Schweißenergie in das Modell wur-

den im wesentlichen in Zusammen-

arbeit mit den Laserinstituten in

Dresden und Hannover erarbeitet.

Das entwickelte Simulationsmodell

des kompletten Prozesses wurde an-

hand mehrerer realer Schweißinstal-

lationen erfolgreich getestet. Die

numerischen Ergebnisse zeigen eine

gute Übereinstimmung mit den ex-

perimentellen Erfahrungen.

Mittels des Modells wurden an-

schließend mehrere Simulationen

zur Prozess-Optimierung realisiert.

Für verschiedene Materialdicken

und Prozesskombinationen wurde

der Einfluss der Prozessanordnung,

Vorschubgeschwindigkeit, Fre-

quenz und anderer Parameter unter-

sucht. Mit einer optimierten Konfi-

guration können z. B. bessere Werte

der t8/5 Zeiten, breitere Temperatur-

profile u.a. erreicht werden. Ein gro-

ßer Vorteil der Simulation ist auch

die Möglichkeit, das Temperaturver-

halten an unzugänglichen Orten

(z.B. unter dem Induktor) zu ermit-

teln. Die Simulationsergebnisse hel-

fen wesentlich, die Prozesseigen-

schaften zu verbessern. Zur Zeit

werden bei den Projektpartnern die

Parameteränderungen umgesetzt,

um die Simulationsergebnisse zu be-

stätigen.

In der nächsten Phase des Projek-

tes zielen die Aufgaben des ETP vor

allem auf die Optimierung der In-

duktorgeometrie. Durch die Ergeb-

nisse sollen die Prozesseigenschaf-

ten weiter verbessert werden, um die

Basis für einen breiteren Einsatz der

induktiv unterstützten Strahl-

schweißverfahren zu schaffen.

Inhalt

EU Forschungsprojekt 1INDUCWELD

Supraleitender Induktions- 2erwärmer für Aluminium-Bolzen

Simultanes Laserschweißen 3und Härten

Neues IRO-Projekt 3

Internationale Konferenz 4EPM 2006

IWMCG-5 Bamberg 4

Vom 23. bis 27. Oktober fand in

Sendai/Japan die 5th Interna-

tional Conference on Electromagne-

tic Processing of Materials EPM

2006 statt. Auf dieser weltweit größ-

ten Konferenz auf dem Gebiet des

EPM wurden etwa 160 Beiträge prä-

sentiert [1]. Zahlreiche innovative

industrielle Anwendungen sowie ak-

tuelle Ergebnisse aus Forschung und

Entwicklung gaben den Teilnehmern

einen umfassenden Überblick über

den aktuellen Stand und zukünftige

Entwicklungen des „Electromagne-

tic Processing of Materials“. The-

menschwerpunkte waren u.a. der

Einsatz elektromagnetischer Felder

beim kontinuierlichen Gießen, beim

Gießen und Erstarren sowie bei der

Beeinflussung freier Schmelzen-

oberflächen, der Einsatz hoher Mag-

netfelder bei der Herstellung neuer

Werkstoffe sowie neue Anwendun-

gen der induktiven Erwärmung. Vie-

le Beiträge zeigten, dass die Herstel-

lung neuer oder verbesserter Werk-

stoffe sowie die Entwicklung neuer

oder die Optimierung bestehender

elektrothermischer und elektromag-

Vom 10. bis 15. September fand

der “5th International Work-

shop on Modeling in Crystal

Growth“ (IWMCG-5) in Bamberg

statt, organisiert vom Erlanger Kris-

talllabor. An 3 Tagen wurden 56

Vorträge und 70 Poster präsentiert

[1]. Die meisten Beiträge waren aus

den Bereichen „Globale Modellie-

rung von Züchtungsverfahren“ und

„Konvektionsprozesse“. Einen

wichtigen Aspekt vieler Beiträge

bildete die Kopplung zwischen der

transienten 3D-Berechnung der

Schmelzenströmung und der thermi-

schen Berechnung der kompletten

Züchtungsanlage. Bei den Dünn-

film- Verfahren stand die Beeinflus-

sung der Prozessierung von kristalli-

nen Oberflächen im Blickpunkt des

Interesses. Die anderen Schwer-

punkte, wie z. B. Defektbildung,

Epitaxie und Gasphasenzüchtung

wurden durch wissenschaftliche und

praxisnahe Beiträge vorgestellt. Ins-

gesamt 140 Teilnehmer aus 23 Län-

dern beteiligten sich an dem Work-

shop, wobei auch die Industrie mit

35 Teilnehmern sehr gut vertreten

war. Das ETP präsentierte zwei Bei-

träge . Das nächste IWMCG - Work-

shop wird in Nordamerika im Jahr

2009 stattfinden.

[1] Proceedings of the 5th In-

ternational Workshop on Modeling

in Crystal Growth. September

10-13, 2006 Bamberg

netischer Prozesse im Mittelpunkt

aktueller Forschungsaktivitäten ste-

hen und auch zukünftig ein hohes In-

novationspotenzial haben. Dabei ist

die numerische Modellierung ein

fast unverzichtbares Instrument bei

der Lösung der zunehmend komple-

xeren Aufgabenstellungen. Mit ins-

gesamt 7 Beiträgen aus den Berei-

chen: Silizium-Kristallzüchtung,

3D-LES-Strömungssimulation, in-

duktives Schmelzen schwachleitfä-

higer Werkstoffe und induktives Er-

wärmen präsentierte das ETP aktu-

elle Forschungsergebnisse. Die 6th

Int. Conference on Electromagnetic

Processing of Materials EPM 2009

wird in Dresden stattfinden.

[1] Proceedings of the 5th In-

ternational Conference on Electro-

magnetic Processing of Materials

EPM 2006. October 23-27, 2006

Sendai, Japan

Redaktion:

Dipl.-Ing. Helene KasjanowProf. Dr.-Ing. Egbert BaakeTelefon: 05 11 / 7 62 - 22 90Telefax: 05 11 / 7 62 - 32 75E-Mail: ewh@ewh.uni-hannover.deURL: www.etp.uni-hannover.de

Herausgeber:

Institut für ElektrothermischeProzesstechnik und Vereinigungzur Förderung des Instituts fürElektrowärme der UniversitätHannover e.V.

IWMCG-5 BambergInternational Workshop

Temperaturverteilung im Blech nach der indukti-

ven Erwärmung und nach dem Laserprozess

Teilnehmer der Konferenz EPM 2006

2 Institut für Elektrothermische Prozesstechnik Institut für Elektrothermische Prozesstechnik 3

Supraleitender Induktionserwärmer für Aluminium-BolzenHalbzeit im Projekt ALUHEAT

Presswerken der aluminiumver-

arbeitenden Industrie wird das

Material oft in Form von Alumi-

niumbolzen (Billets) bereitgestellt.

Je nach Aluminiumlegierung und

Pressgeschwindigkeit sind Pro-

zesstemperaturen von 420 bis 550°C

erforderlich. Die durch Umformar-

beit in den Prozess eingebrachte

Energie bewirkt eine Temperaturer-

höhung im Billet mit fortschreiten-

der Zeit. Zur Kompensation wird

das Erwärmungsprofil im Bolzen an

einen lokalen Temperaturgradienten

gekoppelt.

Konventionelle Induktionsöfen

heizen das Material mit Hilfe mag-

netischer Wechselfelder auf. Der

Wirkungsgrad dieser Anlagen liegt

bei 60 %. Im Rahmen eines von der

EU geförderten Projektes soll der

Wirkungsgrad dieser Prozesse deut-

lich gesteigert werden. Im Juni 2005

startete das ETP zusammen mit 8

europäischen Partnern das Projekt

ALUHEAT.

Projektziel ist die Reduktion der

Verluste während der Erwärmung

um den Faktor 2-3 bei gleichblei-

bender Qualität der Erwärmung.

Die Erwärmung eines Alumini-

umbillets durch Rotation auf der

Längsachse in einem statischen,

magnetischen DC-Feld verspricht

die Umsetzung der gesteckten Ziele.

Das Magnetfeld wird dabei nahezu

verlustlos mit Hilfe von supraleiten-

den MgB2 Induktionsspulen erzeugt.

Abgesehen von mechanischen

Reibungsverlusten und Verlusten in

der Kühlung des Supraleiters ent-

spricht die umgesetzte Leistung im

Werkstück der eingebrachten Lei-

stung durch den Antrieb.

Die Aufgaben des

ETP im Projekt

ALUHEAT umfas-

sen im Wesentli-

chen die berüh-

rungslose Tempera-

turmessung der Alu-

miniumoberfläche

und das Design des

Steuerungs- und

Regelungssystems.

Zur Einhaltung

des Sollwertes der Temperaturver-

teilung im Billet ist eine ständige

Kontrolle des Istwertes während des

Heizprozesses notwendig. Durch

die Rotation des Werkstücks ist der

Einsatz berührender Messverfahren

ausgeschlossen, so dass an dieser

Stelle auf pyrometrische Messtech-

nik zurückgegriffen wird. Der mit

Temperatur und Wellenlänge stark

variierende Emissionsgrad von Alu-

minium stellt dabei die größte He-

rausforderung an den Messprozess

dar. Herkömmliche Quotientenpy-

rometer sind nicht in der Lage, bei

der Messung von Aluminiumober-

flächen korrekte Messwerte zu lie-

fern. Komplexere Algorithmen las-

sen es jedoch auch bei 2-Wel-

lenlängen Pyrometern zu, korrekte

Messwerte innerhalb eines Tole-

ranzbereiches von 5 % zu liefern.

Das Pyrometer AB 3000 des israeli-

schen Herstellers 3T erfüllt als einer

der wenigen Anbieter diese Anfor-

derungen und wurde für den Einsatz

im Projekt ausgewählt. Zusätzlich

wird der Kamera ein Scanner vorge-

schaltet, der die Oberfläche des Bil-

lets auf der Längsachse abtastet, um

auch den Temperaturgradienten

kontrollieren zu können.

Erste verifizierende Messungen

im industriellen Einsatz wurden be-

reits

durch-

geführt

und das

Einhal-

ten der

Tole-

ranz-

grenze

von 5%

bestä-

tigt.

Gegenwärtig wird am ETP an der

Integration der im Design bereits

enthaltenen Aktorik und Sensorik

gearbeitet. Parallel wurde damit be-

gonnen, ein numerisches Modell der

Induktor-Billet-Anordnung zu ent-

werfen, mit dem Ziel, den Tempera-

turverlauf während der Erwär-

mungsphase im Billet vorhersagen

zu können und so die Entwicklung

eines geeigneten Regelalgorithmus

des Erwärmers zu unterstützen.

Die Installation der Anlage am

ETP ist zum Jahresende 2007 ge-

plant.

www.aluheatproject.com

Neues IRO-ProjektWärme- und Stofftransport

Am 01.01.2007 startete das

durch die Stiftung Industrie-

forschung geförderte 2-jährige For-

schungsprojekt „Verbesserung der

Betriebssicherheit von Induk-

tions-Rinnenöfen durch Optimie-

rung des Wärme- und Stofftrans-

ports“, an dem folgende Pilotunter-

nehmen beteiligt sind: ABP Inducti-

on Systems GmbH, Otto Junker

GmbH, Calderys, Georg Fischer

GmbH & Co. KG, Daimler Chrysler

AG.

Obwohl der IRO seit vielen Jah-

ren erfolgreich eingesetzt wird, füh-

ren Ansatzbildung und Auswa-

schungen immer noch zu erhöhtem

Verschleiß.

Trotz intensiver Bemühungen

konnte der Wärmetransport zwi-

schen Rinne und Bad bisher nicht

vollständig numerisch nachgebildet

werden. Der Grund hierfür liegt da-

rin, dass die Energie durch instatio-

näre Wirbel transportiert wird, die in

intensivem Massenaustausch zuein-

ander stehen. Diese Wirbel erzeugen

jedoch eine nur geringe integrale

Strömung und werden von den übli-

chen Turbulenzmodellen nicht hin-

reichend berücksichtigt.

Neue Berechnungsverfahren,

wie das mehrfach bei ähnlichen Pro-

blemen eingesetzte Large Eddy Si-

mulation (LES) Modell versprechen

hier Erfolg.

Ein numerisches Modell kann

bei der Auslegung der Rinnengeo-

metrie genutzt werden, um lokale

Überhitzungen zu vermeiden, die

Strömung zu optimieren und so die

Standzeiten der Zustellung und die

Betriebssicherheit zu erhöhen.

Simultanes Laserschweißen und HärtenNeues FOSTA-Projekt

Im Bereich Laser-Induktionskom-

binationsverfahren wurde in Ko-

operation mit dem Laserzentrum in

Hannover (LZH) bei der For-

schungsvereinigung Stahlanwen-

dung e.V. (FOSTA) das Projekt „La-

serstrahlwarmschweißen von Ver-

gütungsstählen während des induk-

tiven Härteprozesses“ beantragt und

genehmigt.

Das Ziel des Projektes ist es, Ver-

gütungsstähle während eines Induk-

tionshärteprozesses mit dem Laser-

strahl zu verschweißen und die da-

durch entstehenden zeitlichen und

konstruktiven Vorteile nutzbar zu

machen. Das Schweißen erfolgt da-

bei bei vollständig aufgeheiztem

Werkstück während der Haltephase

im Austenitgebiet vor dem Abschre-

cken. Damit soll durch das Warm-

schweißen die Kaltrissgefahr in der

Schweißnaht vermindert und gleich-

zeitig eine Entfestigung des Grund-

materials in der Wärmeeinflusszone

der Schweißnaht vermieden werden.

Ziel des kombinierten Verfahrens ist

es, nach dem Abschrecken in der

Schweißnaht, der Wärmeeinflusszo-

ne und dem induktiv erwärmten

Grundmaterial vergleichbare Eigen-

schaften zu erhalten, so dass die

Schweißnaht wie die umgebende

Härteschicht als Funktionsoberflä-

che genutzt werden kann.

Die Forschungsaufgaben

werden vom LZH und ETP

ideal ergänzend übernom-

men. Das ETP übernimmt

die Simulation des Erwär-

mungsprozesses sowie die

Auslegung des Induktors.

Zusammen mit dem LZH

wird ein Bearbeitungskopf

für rotationssymmetrische

Bauteile entwickelt (siehe

Bild). Hierzu müssen die

Energiequellen Induktion

und Laser für einen optima-

len Prozess miteinander

kombiniert werden. Am

LZH werden schließlich

Härte- und Schweißversu-

che durchgeführt. Zusammen mit

dem projektbegleitenden Aus-

schuss, der sich aus interessierten

Firmen zusammensetzt, werden die

Rahmenbedingungen für die Unter-

suchungen festgelegt. An dem Pro-

jekt sind die Firmen Steremat Elek-

trowärme GmbH, ThyssenKrupp

Steel AG, Hüttinger Elektronik

GmbH & Co. KG, Mittal Steel Ruhr-

ort GmbH, Salzgitter Mannesmann

Forschung GmbH, Johann Hay

GmbH & Co. KG, Benteler Auto-

mobiltechnik GmbH und Georgs-

marienhütte GmbH beteiligt.

Prinzip der DC-Erwärmereinheit für Al-Bolzen

Kombinierter Bearbeitungskopf zum Laser-

schweißen und induktiven Härten

Pyrometer zur Tempera-

turmessung an Alumini-

um-Oberflächen