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Vergrößerung des Einbringvolumens oder Erhöhung derSchweißgeschwindigkeit ? – Vorteile des MAG-Hochleistungsschweißens

D. Dzelnitzki, Mündersbach

Zusammenfassung

Der zunehmende Kostendruck erfordert bei der Herstellung schweißintensiver Erzeugnisse immer weitere Produk-tivitätssteigerungen. Neue Schweißprozesse bekommen eine Chance, vorhandene werden optimiert.So konnte sich das konventionelle MAG-Schweißen mit moderner Stromquellentechnik, verbesserten Zusatzwerk-stoffen und vielen verfügbaren Schutzgasen zu einem interessanten Hochleistungsverfahren entwickeln, dasDrahtvorschubgeschwindigkeiten bis zu 30m/min und mehr realisiert. Die damit verbundene Erhöhung der Ab-schmelzleistung läßt sich entweder in größere Einbringvolumen oder in höhere Schweißgeschwindigkeiten umset-zen. Anhand verschiedener Prozeßvarianten wird das MAG-Hochleistungsschweißen genau erläutert und durchpraktische Erfahrungen sowie schweißtechnische Anwendungsbeispiele belebt. Auf diese Weise erhält der An-wender einen umfassenden Überblick zum technischen Entwicklungsstand, zur Produktivität und zu aktuellenTrends dieser Technologie.

1 Einleitung

Um im internationalen Wettbewerb konkurrenzfähig zubleiben, sind auch die Hersteller schweißintensiverProdukte gezwungen, ständig ihre Fertigungsprozes-se zu optimieren und leistungsfähiger zu gestalten.Der Schlüssel dazu ist der Einsatz neuer zukunfts-trächtiger Technologien und die Erhöhung der Wirt-schaftlichkeit vorhandener Produktionsmethoden.Das MAG-Hochleistungsschweißen verbindet beideZiele auf ideale Weise miteinander. Basierend aufdem konventionellen Metall-Schutzgasschweißen(MSG), das in den letzten Jahrzehnten seinen Markt-anteil auf über zwei Drittel aller Schweißaufgaben bisheute ausbaute, erfolgte eine stetige Verfahrenser-weiterung.Erklären läßt sich dieser Entwicklungstrend mit dergroßen Flexibilität, der einfachen Handhabung undder sehr guten Eignung zum mechanischen und au-tomatischen Einsatz dieses Schweißprozesses [1].Moderne Stromquellentechnik, verbesserte Zusatz-werkstoffe und eine Vielzahl von Schutzgasen ermög-

lichen es, das MAG-Schweißen weit über seine bisherpraktisch genutzte Leistungsgrenze auszudehnen undsomit zu einem interessanten Hochleistungs-verfahren zu machen.Die Steigerung der Abschmelzleistung, die entwederin eine Vergrößerung des Einbringvolumens bei glei-cher Schweißgeschwindigkeit oder in eine Erhöhungder Schweißgeschwindigkeit bei gleichem Nahtvolu-men umzusetzen ist, erschließen das MAG-Hochleistungsschweißen für völlig neue Anwen-dungsgebiete, die gegenwärtig vor allem dem UP-Schweißverfahren zugeordnet werden.

2 Prozeßvarianten des MAG-Hochleistungs-schweißens

2.1 Verfahrensprinzip

Alle MSG-Schweißprozesse, die ein oder mehrereDrahtelektroden mit Vorschubgeschwindigkeiten über15m/min (einzeln oder in Summe) einsetzen, geltenals Hochleistungsverfahren [2].Speziell das MAG-Hochleistungsschweißen ist dabeiaufgrund seiner Prozeßvarianten in den Mittelpunktder Betrachtungen gerückt. Verschiedene Lichtbogen-arten versprechen ein breites Anwendungsspektrum.Die Prozeßparameter, wie Drahtvorschub, Schweiß-strom, Schweißspannung und freie Drahtlänge (stick-out) bestimmen im Zusammenwirken mit dem Zu-satzwerkstoff und dem Schutzgas den Lichtbogencha-rakter, Bild 1.Der Effekt zur Erhöhung der Abschmelzleistung be-ruht im wesentlichen auf einer Verlängerung des frei-en Drahtendes. Dadurch vergrößert sich bei gleichemDrahtvorschub dessen ohmscher Widerstand. DieStromstärke und der Einbrand nehmen ab. Insofernmuß die Drahtvorschubgeschwindigkeit gesteigertwerden, um den Schweißstrom konstant zu halten [3].Mit dem wachsenden Schweißstrom nimmt die Wider-standserwärmung des freien Drahtendes so stark zu,daß am Tropfenansatz Temperaturen erreicht werden,die den Draht ohne Einwirkung des Lichtbogens auf-schmelzen [4].

Drahtvorschubgeschwindigkeit [m/min]

Stick out [mm]

Schweißstrom [A]

10

2,5

1510

100

rotierenderLichtbogen

Hochleistungs-Kurzlichtbogen

Hochleistungs-Sprühlichtbogen(instabil)

konventionellerSprühlichtbogen

Übergangs-lichtbogen

Kurzlichtbogen

6

20 25

200

35

300

10 20

400

30

500

20

30

40

50

Sch

wei

ßsp

ann

un

g [

V]

Hochleistungs-Bereich

konventionellerBereich

Bild 1. Lichtbogenarten und ihre Leistungsbereiche, Massivdrahtd= 1,2mm, Schutzgas: argonreiche Mischgase


Der Leistungsumsatz im freien Drahtende, durchJoule’sche Erwärmung, steigt proportional mit dessenLänge, der Zeit und dem Quadrat der Stromstärke(W=I²Rt) [5]. Auf diese Weise kann bei gleichemSchweißstrom die Zuwachsrate an abgeschmolzenemSchweißgut bis zu 20% betragen [3].Grundsätzlich teilt sich beim MSG-Schweißen dieumgesetzte Energie auf freie Drahtlänge und Lichtbo-gensäule auf. Die Vergrößerung des freien Drahten-des führt also lediglich zu einem Verschieben derSchmelzbadanteile vom Werkstück zum Zusatzwerk-stoff. Der zur Nahtbildung notwendige Energieanteilbleibt vollständig erhalten [4].Die Ausbildung der Lichtbogensäule wird unmittelbardurch die Einstellung der Schweißspannung beein-flußt. Sie ist abhängig von der Ionisierbarkeit desSchutzgases und der Lichtbogenart. Eine abge-stimmte Schutzgaszusammensetzung sichert in wei-ten Bereichen die Stabilität des Werkstoffübergangsvon der Elektrode zum Werkstück. Dieser läßt sich fürdie schweißtechnische Anwendung prinzipiell in vierÜbergangsformen klassifizieren, den Strömungsüber-gang, den tropfenförmigen Übergang, den Rotations-übergang und den Kurzschlußübergang, Bild 2 [4].Jeder dieser Werkstoffübergänge ist einer Lichtbo-genart zuzuordnen.

Anhand der typischen Lichtbogengestalt (Standbilderaus Hochgeschwindigkeitsfilmen) und des jeweiligenEinbrandprofils werden im folgenden der konventio-nelle Sprühlichtbogen, der Hochleistungs-Sprühlicht-bogen, der rotierende Lichtbogen sowie der Hochlei-stungs-Kurzlichtbogen erläutert und entsprechendeEinsatzmöglichkeiten aufzeigt, Bild 3.

2.1.1 Konventioneller- und Hochleistungs-Sprühlichtbogen

Der Werkstoffübergang des konventionellen Sprüh-lichtbogens ist abhängig von der Höhe der Stromstär-ke und vom Schutzgas. Während im unteren Strom-bereich und vornehmlich bei kohlendioxidhaltigenSchutzgasen der Tropfen unmittelbar am Elektroden-ende abgeschnürt wird, bildet sich mit zunehmendemSchweißstrom und besonders bei Argon-Sauerstoff-Gemischen ein etwas längeres schmelzflüssiges En-de der Drahtelektrode aus [9].Im oberen Strombereich dagegen ist der konventio-nelle Sprühlichtbogen von einem axialen Strömungs-übergang geprägt, Bild 2. Diese Form des Werk-stoffübergangs setzt voraus, daß der Lichtbogen eineausreichende Länge des Elektrodenendes einhüllt,um ihr auf diese Weise genügend Wärme zuzufüh-ren [4]. Schutzgase mit geringer Wärmeleitfähigkeit,wie Argon oder argonreiche Mischgase, erfüllen die-ses Kriterium. Sie bewirken eine breite, stromführendeLichtbogensäule mit vergleichsweise schmaler wär-meführender Randzone, niedriger Temperatur [5].Im Unterschied dazu führt Kohlendioxid wegen seinergrößeren Wärmeleitfähigkeit mehr Wärme in die äu-ßeren Bereiche des Lichtbogens ab und bildet einensehr schmalen, heißen Lichtbogenkern mit hoherStromdichte. Der Lichtbogen setzt punktförmig amTropfen an, während er unter Argon das Elektroden-ende umschließt, Bild 4 [5, 9].Wie jeder stromdurchflossene Leiter ist auch derLichtbogen von einem Magnetfeld umgeben, das eine

Bild 3. Lichtbögen und Einbrandverhalten beim MAG-Hochleistungsschweißen (Schweißposition)a) konventioneller Sprühlichtbogen (PB)b) Hochleistungs-Sprühlichtbogen (PA)c) rotierender Lichtbogen (PA)d) Hochleistungs-Kurzlichtbogen (PB)

Bild 2. Klassifikation des Werkstoffübergangs beim MAG-Hochleistungsschweißen [4]a) Strömungsübergangb) tropfenförmiger Übergangc) Rotationsübergangd) Kurzschlußübergang


nach innen gerichtete Kraftkomponente (Lorenzkraft)besitzt. Mit steigender Stromstärke wachsen Strom-dichte und die radiale Einschnürung des Lichtbogensdurch das magnetische Feld an. Diesen Vorgangnennt man Pinch-Effekt. Er nimmt mit dem Quadratder Stromdichte zu [4, 5]. Am Lichtbogenansatzpunktist die Stromdichte besonders groß, so daß die Plas-masäule hier zusammengedrückt wird. Der Lichtbo-gen läuft an der Elektrode hoch und schmilzt sie vonaußen nach innen auf [4]. Die Pinch-Kraft schnürt nun

ebenfalls das flüssige Elektrodenende ein und trägtdamit zur Tropfenbildung bei.Zu diesem Zeitpunkt erzeugt eine axiale Kraftkompo-nente, die von der Elektrode weggerichtet ist, einePlasmaströmung, die den Werkstoffübergang unter-stützt, Bild 5 [10]. Die Elektrode formt sich konischaus und eine Kette von vielen Einzeltropfen geht inkurzen Abständen in das Schmelzbad über. Das Be-streben des Lichtbogens, eine große Elektronenaus-trittsfläche (Katode) und einen Anodenfleck zu bilden,verleiht ihm eine trapezförmige Gestalt, die fast aus-schließlich von der Elektrodenströmung bestimmtwird, Bild 3 [4]. Die Lichtbogenlänge (Schweißspan-nung) muß ausreichend groß sein, damit sich einfeintropfiger und praktisch kurzschlußfreier Werk-stoffübergang einstellt. Das Einbrandprofil ist durcheinen schmalen, tiefen Kern und eine flache, mul-denförmige Randzone gekennzeichnet, Bild 3.Es wirdmit einer freien Drahtlänge von etwa 15-25mm gear-beitet.Der konventionelle Sprühlichtbogen verfügt über einehohe Lichtbogenstabilität. Das Existenzgebiet diesesLichtbogentyps kann jedoch nicht unbegrenzt zuhöchsten Leistungsbereichen ausgedehnt werden.Eine weitere Erhöhung der Abschmelzleistung machteine Verlängerung des freien Drahtendes notwendig.Das bedeutet, die Widerstandserwärmung steigt mitzunehmendem Schweißstrom an. Am Drahtelektro-denende wird die Temperatur so groß, daß die Trop-fenbildung bereits vor der Lichtbogeneinwirkung be-ginnt.Mit dem Lichtbogen als hinzukommende Wärmequellewächst der sich bildende Tropfen weiter, so daß erabhängig von seiner Oberflächenspannung sogar denDurchmesser der Drahtelektrode überschreiten kann.Seine Masse verlängert ebenfalls das flüssige Draht-elektrodenende und verkürzt dadurch den Lichtbogen.Die Plasmasäule verbreitert sich. Die Schmelzbrückezwischen dem Tropfen und dem festen Drahtendewird von der Pinch-Kraft zunehmend eingeschnürt. Istsie schmal genug, so entsteht ein Plasma, das sieeinhüllt. Nach der Tropfenablösung nimmt der Licht-bogen wieder seine ursprüngliche Form an und brenntdurch die hohe Eigenkompression des umgebendenMagnetfelds als eng begrenzte Plasmasäule. DerTropfen wird von der eingeschnürten Plasmaströmungsehr stark beschleunigt und intensiv in das Schmelz-bad gedrückt, Bild 6 [6]. Daraus resultiert ein schmalerund extrem tiefer Einbrand. Der Bereich des Hochlei-stungs-Sprühlichtbogens ist erreicht, Bild 3.Damit dieser tropfenförmige Werkstoffübergang,Bild 2, weiterhin kurzschlußfrei abläuft, wird dieSchweißspannung gegenüber dem konventionellenSprühlichtbogen erhöht. Die freie Drahtlänge beträgtetwa 25-35mm.Auf Längenänderungen des freien Drahtendes rea-giert dieser Lichtbogentyp relativ empfindlich und führtzu Lichtbogeninstabilitäten. Die sehr hohe Druckwir-kung der konzentrierten Plasmasäule auf dasSchmelzbad erschwert die Badbeherrschung zusätz-lich. Außerdem ist das ungünstige Einbrandprofil füreinige Fugenformen, z. B. Kehlnähte, weniger geeig-net, Bild 3.

Bild 4. Temperatur- und Stromdichteverteilung im Lichtbogen mitden resultierenden Kräften bei unterschiedlichen Schutz-gasen [5]

Bild 5. Kräfte beim Tropfenübergang [10]


2.1.2 Rotierender Lichtbogen

Der rotierende Lichtbogen wird vom Rotationsüber-gang gekennzeichnet, Bild 2. Auch in diesem Falleschmilzt das Ende der Elektrode infolge großer freierDrahtlänge und hoher Stromstärke ohne Lichtbo-geneinwirkung auf. Grundlegende Voraussetzung fürdiese Form des Werkstoffübergangs ist eine ausrei-chend lange Flüssigkeitssäule an der abschmelzen-den Elektrode [4]. Sie entsteht bevorzugt bei der Ver-wendung sauerstoffhaltiger Schutzgase. Unter ihremEinfluß wird die Oberflächenspannung des schmelz-flüssigen Metalls so stark herabgesetzt, daß sich amElektrodenende zuerst ein längerer Flüssigkeitsfadenbildet, bevor er sich später in Einzeltropfen auflöst [9].Die radiale Kraftkomponente des magnetischen Feldslenkt diese Flüssigkeitssäule aus ihrer Symmetrieach-se und läßt sie rotieren. Am Ende der schmelzflüssi-gen Säule erreicht die Amplitude der Rotation einMaximum und weitet die Lichtbogensäule bei ausrei-chender Lichtbogenlänge konisch auf, Bild 3 [4]. DieTropfen gehen radial zum Grundwerkstoff über. Einesolche Auslenkung des Elektrodenendes beträgt meh-rere Millimeter und kann während des Schweißensnur mit technischen Hilfsmitteln sichtbar gemachtwerden [6].Der rotierende Lichtbogen zeigt eine sehr gute Licht-bogenstabilität. Er verlangt freie Drahtlängen von etwa25-35mm und erzeugt einen relativ flachen aber brei-ten Einbrand, Bild 3.

2.1.3 Hochleistungs-Kurzlichtbogen

Für den Hochleistungs-Kurzlichtbogen ist der Kurz-schlußübergang charakteristisch, Bild 2. Wie bei denanderen Lichtbogenvarianten erfolgt die Leistungs-steigerung über die Verlängerung des freien Drahten-des.Im Gegensatz dazu wird jedoch gleichzeitig dieSchweißspannung verringert. Der Tropfenansatz amflüssigen Elektrodenende wächst so weit, bis er übereine Kurzschlußbrücke das Schmelzbad berührt. In-folgedessen erlischt der Lichtbogen. Der hoheSchweißstrom baut in der Kurzschlußbrücke eine sehrgroße Pinch-Kraft auf, die diese zunehmend ein-schnürt. Die Oberflächenspannung des Schmelzbadsübernimmt schließlich die Tropfenablösung [4]. DerLichtbogen zündet neu und der Vorgang wiederholtsich kontinuierlich [8]. Auf diese Weise verursacht dasflüssige Elektrodenende periodisch Kurzschlüsse.

Es kann dabei durch die radiale Kraftkomponente desMagnetfelds geringfügig aus seiner Symmetrieachseausgelenkt werden, Bild 3 [6].Im Unterschied zum konventionellen Kurzlichtbogen-schweißen sind die Kurzschlußzeiten wegen demstärkeren Pinch-Effekt kürzer und die Tropfenfrequenzsteigt an [8].Der Hochleistungs-Kurzlichtbogen erzeugt einen tie-fen und breiten Einbrand, Bild 3. Argonreiche Schutz-gase sichern eine hohe Stabilität des Lichtbogens, beifreien Drahtlängen von etwa 20-35mm.

2.2 Draht-Schutzgas-Kombinationen

Das MAG-Hochleistungsschweißen kann mit Massiv-und Fülldrähten durchgeführt werden. Für Massiv-drähte erweisen sich die Drahtdurchmesser 1,0 und1,2mm als sinnvoll. Kleinere Drahtdurchmesser sindaufgrund geringer Förderstabilität bei hohen Drahtvor-schubgeschwindigkeiten weniger geeignet. GrößereDrahtdurchmesser lassen sich nur eingeschränkt nut-zen. Sie scheiden für den Rotationsübergang aus, dadie zur Rotation erforderliche Temperatur am Trop-fenansatz bei technisch sinnvollen freien Drahtlängennicht erreicht wird [4]. Die Anwendung der anderenLichtbogenarten ist möglich.Bei Fülldrähten ist den Drahtdurchmessern 1,2 und1,6mm der Vorrang zu geben. Es kommen metallpul-vergefüllte und schlackenbildende Typen zum Ein-satz. Der Tropfenübergang der Metallpulverfülldrähteist ähnlich dem der Massivdrähte. Rutil- und basischeFülldrähte weisen einen mittel- bis grobtropfigenWerkstoffübergang auf [10]. Im Gegensatz zu denMassivdrähten tritt der Übergang zum rotierendenLichtbogen bei Fülldrähten nicht auf [1]. Eine Anwen-dung des konventionellen Sprühlichtbogens und desHochleistungs-Kurzlichtbogens läßt sich mit Fülldräh-ten problemlos ausführen.Um die Stabilität des Schweißprozesses jeder Zeit zugewährleisten, sollten die Drähte lagenweise gespultsein und ein konstant gutes Gleitverhalten aufweisen.Der Einsatzbereich des MAG-Hochleistungs-schweißens umfaßt die un- und niedriglegiertenStähle mit Mindeststreckgrenzen bis 960MPa [2].Hochlegierte Stähle kommen mit entsprechend le-gierten Zusatzwerkstoffen zur Zeit nur für dasSchweißen mit dem konventionellen Sprühlichtbogenund dem Hochleistungs-Kurzlichtbogen in Frage.Abgeschmolzen werden die Massiv- und Fülldrähteunter Standard-Zweikomponentengasen. Ihre Aus-wahl richtet sich nach der jeweiligen Lichtbogenart.Während die Argon-Kohlendioxid-Gemische den Ar-beitsbereich des konventionellen Sprühlichtbogens zuhöheren Drahtvorschubwerten verschieben, stabilisie-ren die Argon-Sauerstoff-Gemische den rotierendenLichtbogen schon bei Drahtvorschüben ab etwa20m/min [6, 9]. Sie unterdrücken somit den kritischenHochleistungs-Sprühlichtbogen und sorgen für einendirekten Übergang vom konventionellen Sprühlichtbo-gen zum rotierenden Lichtbogen [11].Unter Mischgasen aus Argon und Kohlendioxid voll-zieht sich der Wechsel zwischen konventionellem undHochleistungs-Sprühlichtbogen dagegen bei höheren

konzentriertbrennendesPlasma

Tropfen

neues Plasma umSchmelzbrückeSchmelzbrückeDrahtende

erweicht

Grundwerkstoff Einbrandprofil

Bild 6. Prinzipieller Ablauf des Tropfenübergangs beim Hochlei-stungs-Sprühlichtbogen [6]


Stromstärken [11]. Zudem erfordert das höhere Ioni-sationspotential dieser Gasart eine größere Lichtbo-genspannung [9].Argonreiche Schutzgase mit Kohlendioxid und/oderSauerstoff begünstigen je nach Zusammensetzungden einen oder anderen Lichtbogentyp. Der konven-tionelle Sprühlichtbogen und der Hochleistungs-Kurzlichtbogen lassen sich mit den meisten Gemi-schen einstellen.Außer den Standard-Zweikomponentengasen werdenin der Praxis auch Drei- und Vierkomponentengaseverwendet. Neben Kohlendioxidanteilen bis zu 25%und Sauerstoffanteilen bis etwa 5% empfehlen dieGashersteller häufig Heliumanteile von 20-30%, umdie Flankenanbindung der Schweißnaht zu verbes-sern. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Heliumssoll ein breiterer Einbrand sichergestellt werden. [11]Nach dem Schweißen unter Mischgasen gelangt auchdas MAG-Hochleistungsschweißen mit Fülldrähtenunter Kohlendioxid zur Anwendung [12]. Rutilfüll-drähte bilden im oberen Strombereich mit ausreichen-der Lichtbogenlänge einen grobtropfigen aber über-wiegend kurzschlußfreien und spritzerarmen Werk-stoffübergang aus, der einen solchen Praxiseinsatzmöglich macht [10].In einigen Fällen existieren sogar Massivdrahtan-wendungen mit Drahtdurchmessern von 1,2 sowie1,6mm und Drahtvorschubgeschwindigkeiten bis etwa20m/min unter Kohlendioxid. Bedingt durch dasenorme Spritzeraufkommen bleibt dieses Schweiß-verfahren Einzelanwendungen vorbehalten. DieSchutzgasmenge beim MAG-Hochleistungsschwei-ßen variiert je nach Anwendung zwischen 18 und25l/min.

3 Schweißtechnische Ausrüstung und An-wendungen

3.1 Anforderungen an Schweißanlagen

Die Schweißanlage integralinverter MIG 500 , Bild 7, ist

für das MAG-Hochleistungsschweißen als Inverter-stromquelle auf 500A/60%ED (400A/100%ED) aus-gelegt. Zusätzlich sind das MIG/MAG-Standard- undImpulsschweißen, das WIG-Gleichstromschweißen,sowie das E-Hand-Schweißen verfügbar. Ein Inverter-leistungsmodul ermöglicht die Kombination dieserSchweißverfahren.Vorteile des Inverters sind die im Verhältnis kleinerenBauabmessungen, der hohe Wirkungsgrad, die Un-empfindlichkeit gegenüber Netzspannungsschwan-kungen und somit die sehr gute Reproduzierbarkeitder Schweißparameter.Die Einstellung der Stromquelle erfolgt nach demEinknopfsystem (Synergic). Über eine programmierteKennlinie wird die elektrische Leistung und die Draht-vorschubgeschwindigkeit mit nur einem Bedienknopfstufenlos eingestellt. Die Lichtbogenlänge kann zu-sätzlich korrigiert werden.Das System aus Inverter und Steuerung befähigt denLichtbogen, auf verschiedene äußere Beeinflussun-gen sehr schnell zu reagieren, um die Leistungspara-

meter unabhängig von der Kabellänge im Schweiß-stromkreis konstant zu halten.

Bild 7. Schweißanlage integralinverter MIG 500

VD: 30m/min

Bild 8. Programmablauf des „PROGRESS 4“-Bedienmodulsbeim MAG-Hochleistungsschweißen


Eine einfache Handhabung der Stromquelle ist mitdem Bedienmodul „PROGRESS 4“, Bild 8, sicherge-stellt. Es bietet dem Anwender die Möglichkeit,Schweißprogramme zu erstellen und abzuspeichern.Über den Brennertaster können unterschiedliche Ar-beitspunkte abgerufen werden, die erstens mit einerreduzierten Schweißleistung sicher starten (P1) unddamit Anfangsbindefehler vermeiden sowie zweitensam Schweißnahtende eine definierte Absenkung derSchweißleistung gestatten, um den Endkrater aufzu-füllen (P4), Bild 8.Außerdem kann der Anwender jederzeit während desSchweißens durch Brennertasterdruck einen Arbeits-punkt niedrigerer Leistung aktivieren, der z. B. dasUmschweißen von Werkstückecken ermöglicht (P3).Ein wichtiger Bestandteil ist die Drahtvorschubeinheit.Der tachogeregelte 4-Rollen-Drahtvorschub mit ho-hem Anlaufdrehmoment und Durchzugsvermögengarantiert stabile Drahtvorschubgeschwindigkeiten bis30m/min.Natürlich muß der angeschlossene Schweißbrennerden hohen thermischen Belastungen standhalten.Sein konstruktiver Aufbau erfordert sowohl die Was-serkühlung des Kontaktrohrs als auch der Schutzgas-düse. Ein Kontaktrohrrückstand sichert auch bei län-gerem freien Drahtende die ausreichende Schutzgas-abdeckung der Schweißnaht. Die Schweißanlage istfür das teilmechanische, das vollmechanische unddas automatische Schweißen ausgelegt. Mit einerserienmäßigen Schnittstelle kann jederzeit eineSchweißdatendokumentation in Verbindung mit der

Meßwerterfassungs- und ÜberwachungssoftwareQ-DOC 9000 vorgenommen werden, Bild 9 [13].

3.2 Teilmechanisches MAG-Hochleistungs-schweißen

Für das teilmechanische MAG-Hochleistungs-schweißen ist vorwiegend der konventionelle Sprüh-lichtbogen von Bedeutung. Die Leistungsgrenze wirdvon der Handfertigkeit und der physischen Belastbar-keit der Schweißer bestimmt [14].Das Verhältnis von Nahtdicken (a-Maße) zu Schweiß-geschwindigkeiten bei verschiedenen Drahtvorschub-werten gibt am Beispiel von Kehlnähten das Dia-gramm in Bild 10 wieder. In der Praxis sind Drahtvor-

Bild 9. Graphische Darstellung der dokumentierten Schweißpa-rameter beim MAG-Hochleistungsschweißen

10

0

12

14

16

18

20

22

24

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40 80 120 160 200 240 280 320 360 400

Dra

htv

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b [

m/m

in]

Schweißgeschwindigkeit [cm/min]

a [mm] = 8

teil-mechanischeAnwendung

voll-mechanischeund automatische Anwendung

7 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3

a [mm]

konv

enti

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Bild 10. Graphische Ermittlung der technologischen Parameter beim MAG-Schweißen, Kehlnahtdicke (a-Maß) in Abhängigkeit von derSchweißgeschwindigkeit und dem Drahtvorschub, Drahtelektrodendurchmesser: 1,2mm.


schubgeschwindigkeiten von etwa 20m/min undSchweißgeschwindigkeiten bis zu 60cm/min manuellerreichbar. So lassen sich mit Drahtvorschüben von15-18m/min a-Maße von etwa 5,5-6mm erzielen, imBereich um 20m/min Drahtvorschub solche von7-8mm. Die Schweißungen werden in der Horizontal-/Vertikal- bzw. Wannenposition (PB, PA) ausgeführt. InAbhängigkeit von der Schweißnahtgeometrie und derSchweißposition ergeben sich Abschmelzleistungenbis ca. 11kg/h [15].Bei der Einführung des teilmechanischen MAG-Hochleistungsschweißens muß den verstärktenRauch- und Strahlungsemissionen durch arbeits-schutztechnische Maßnahmen Rechnung getragenwerden. Die typischen Einsatzgebiete sind der Ma-schinen-, Anlagen- und Behälterbau sowie der Fahr-zeugbau. Ein Anwendungsbeispiel aus dem Kranbauzeigt Bild 11.

3.3 Vollmechanisches und automatisches MAG-Hochleistungsschweißen

3.3.1 MAG-Hochleistungsschweißen mit einerDrahtelektrode

Besonders in der vollmechanischen und automati-schen Fertigung lassen sich mit dem MAG-Hochleistungsschweißen enorme Leistungssteigerun-gen bewirken. Die Erhöhung der Abschmelzleistungwird dabei vorrangig in den Schweißpositionen PAund PB umgesetzt. Der Einsatzbereich schließt alleNahtarten ein.Die maximale Schweißgeschwindigkeit ergibt sich ausder Schweißposition, der Fugenvorbereitung, dema-Maß bzw. der Nahthöhe und dem Nahtaussehen.Mit den verschiedenen Lichtbogenarten und einemmaschinell geführten Brenner sind nach Bild 10 theo-retisch bei kleinen a-Maßen sehr große Schweißge-schwindigkeiten möglich. Tatsächlich aber werdenhier durch das Fließverhalten des SchmelzbadsGrenzen gesetzt, da auch die Nahtüberhöhung immerweiter zunimmt. Eine akzeptable Nahtausbildung be-stimmt daher die Höhe der Schweißgeschwindigkeit.Der konventionelle Sprühlichtbogen erreicht Schweiß-

geschwindigkeiten bis etwa 1,0m/min. Massivdrähteund Metallpulverfülldrähte werden mit Drahtvor-schubgeschwindigkeiten bis zu 25m/min verschweißt.Rutilfülldrähte ergeben bis 30m/min Drahtvorschubbefriedigende Resultate. Für basische Fülldrähte liegtdie sinnvolle Obergrenze der Drahtvorschubge-schwindigkeit bei etwa 45m/min [1].Die Zusammensetzung und der Füllgrad entscheidenbei den Fülldrähten über das Maß der Leistungserhö-hung. Auf den Anwendungsfall zugeschnitten, erlau-ben sie Abschmelzleistungen bis zu 20kg/h [16].In der Schweißposition PB läßt der konventionelleSprühlichtbogen a-Maße bis ca. 7mm zu, in der Wan-nenlage (PA) können mit Fülldrähten sogar a-Maßevon etwa 10mm einlagig geschweißt werden [16].Der rotierende Lichtbogen steht vorwiegend beimFüllen großer Nahtquerschnitte mit weniger Schweiß-lagen im Vordergrund. Die bevorzugte Schweißposi-tion ist die Wannenlage (PA). Drahtvorschubge-schwindigkeiten bis etwa 30m/min (Abschmelzlei-stung: 16kg/h) sind möglich. Es lassen sich a-Maßebis zu 10mm einlagig ausführen. Die Schweißge-schwindigkeit kann mit dem rotierenden LichtbogenWerte bis etwa 70cm/min annehmen.Mit dem Hochleistungs-Kurzlichtbogen ist dieSchweißgeschwindigkeit deutlich zu steigern. Kleinea-Maße von 2,5 - 4,5mm sind mit Schweißgeschwin-digkeiten bis zu 1,3m/min praktisch umzusetzen.

Bild 11. MAG-Hochleistungsschweißen am Fahrgestellrahmendes Krantyps „RTF 200-6“ [14]

Bild 12. Überlappnaht an einem Druckluftbehälter, vS=1,6m/min(Hochleistungs-Kurzlichtbogen), t=2,5mm (oben), 3,0mm(unten), Zusatzwerkstoff: G3Si1, d=1,0mm, vD=18m/min,Schutzgas: 92% Ar / 8% CO2

Bild 13. Einbrandprofil eines Rutilfülldrahtsa) t=3mm, a=3,2mm, vS=1,5m/min, vD=19m/min,

d=1,2mm, Schutzgas: 92% Ar / 8% CO2b) t=10mm, a=4,0mm, vS=1,0m/min, vD=20m/min,

d=1,2mm, Schutzgas: 92% Ar / 8% CO2


Am Beispiel des Überlappstosses zwischen Deckelund Schuß eines Druckluftbehälters, Bild 12, wirddeutlich, daß diese Werte bei bestimmten Anwendun-gen sicher noch zu übertreffen sind.Wie Massivdrähte, eignen sich auch Fülldrähte fürdiese Lichtbogenart, Bild 13. In Abhängigkeit von derDrahtqualität sind ungefähr die gleichen Schweißge-schwindigkeiten zu erreichen. Allerdings muß bei denRutil- und basischen Fülldrähten die Gefahr vonSchlackeneinschlüssen beachtet werden. Die zugehö-rigen Drahtvorschubgeschwindigkeiten beim Hochlei-stungs-Kurzlichtbogenschweißen können mehr als25m/min betragen. Im Unterschied zum konven-tionellen Kurzlichtbogen muß der Anstellwinkel desBrenners in Schweißrichtung vergrößert werden.Der vollmechanische und automatische Einsatz desMAG-Hochleistungsschweißens findet im Automobil-,Schienenfahrzeug- und Schiffbau, im Maschinen-,Anlagen- und Behälterbau sowie in der Rohr- undProfilherstellung weitreichende Anwendungsfelder.

3.3.2 MAG-Hochleistungsschweißen mit zweiDrahtelektroden

Neben dem MAG-Hochleistungsschweißen mit einerDrahtelektrode gibt es bei den vollmechanischen undautomatischen Anwendungen auch die Möglichkeit,zwei Drahtelektroden gleichzeitig abzuschmelzen. DieDrähte werden meistens über einen gemeinsamenBrenner dem Schweißprozeß zugeführt und schmel-zen in getrennten Lichtbögen unter gleicher Schutz-gasatmosphäre ab. Es bildet sich ein langgezogenesSchmelzbad.Der Abstand der Drahtelektroden liegt zwischen 4 und9mm. Kleinere Elektrodenabstände führen zu einemgemeinsamen und dadurch instabilen Lichtbogen,größere Abstände ergeben getrennte Schmelzbäder,

die eine Reduzierung der Schweißgeschwindigkeitnach sich ziehen [2].Das freie Drahtende entspricht in der Regel dem kon-ventionellen MIG/MAG-Schweißen, so daß die Licht-bogenarten Kurz- und Sprühlichtbogen sowie derImpulslichtbogen zum Einsatz gelangen [2].Grundsätzlich wird das MAG-Hochleistungsschweißenmit zwei Drahtelektroden in zwei Verfahrensvarianteneingeteilt, das Doppeldraht- und das Tandemschwei-ßen, Bild 14.Während beim Doppeldrahtschweißen beide Draht-elektroden über ein gemeinsames elektrisches Poten-tial (ein Kontaktrohr) verfügen, beruht das Tandem-schweißen auf unterschiedlichen Potentialen (zweielektrisch getrennte Kontaktrohre).Die Doppeldraht-Technik benötigt nur eine Strom-quelle mit einer Steuerung. Das gemeinsame Kontakt-rohr bewirkt die gleiche Schweißspannung an beidenDrahtelektroden. Die Drahtvorschubwerte sind dage-gen oft unterschiedlich eingestellt. So wird die Draht-vorschubgeschwindigkeit des vorderen Drahts häufighöher gewählt, um den Schweißstrom zu steigern.Der Lichtbogen verkürzt sich und der Einbrand nimmtzu. Der längere Lichtbogen der hinteren Drahtelektro-de sorgt nun für eine flache Nahtoberfläche. Ausschweißtechnischen Gründen ist auch eine umge-kehrte Vorgabe der Drahtvorschubparameter möglich.Durch die magnetische Blaswirkung ziehen sich beideLichtbögen an und die Tropfen gehen an einem ge-meinsamen Punkt in das Schmelzbad über [2, 7].Im Gegensatz zum Doppeldrahtschweißen nutzt dasTandemschweißen zwei Stromquellen, die in einemGehäuse installiert sein können. Es werden zweiSteuerungen benötigt. Sowohl die Schweißspannungals auch der Drahtvorschub (Schweißstrom) sind un-terschiedlich einstellbar [2]. Auch in diesem Falle wirddie Drahvorschubgeschwindigkeit des ersten Drahtshäufig höher gewählt als die der zweiten Draht-elektrode.Als Beispiel dient eine Kehlnaht mit dem a-Maß von3,5mm, Bild 15, die im Tandemverfahren geschweißt

Doppeldraht-schweißen

Tandem-schweißen

Drahtvorschübe

Drahtvorschübe

Stromquelle

1 Kontaktrohr

2 elektrischgetrennteKontaktrohre

Schutzgas

Schutzgas StromquelleStromquelle

Bild 14. Verfahrensvarianten der Zweidraht-Technik [2]

Bild 15. Einbrandprofil beim Tandemschweißen, t=10mm,a= 3,5mm, vS=2m/min, vD1=16m/min, vD2=14m/min,d=1,2mm, Schutzgas: 92% Ar / 8% CO2


wurde. Die erzielte Schweißgeschwindigkeit betrug2,0m/min, wobei beide Drahtelektroden im konventio-nellen Sprühlichtbogen abgeschmolzen wurden. Diezugehörigen Drahtvorschubgeschwindigkeiten fürDrahtelektroden mit 1,2mm Durchmesser sind16 bzw. 14m/min.Die Summe der Drahtvorschubgeschwindigkeitenbeim MAG-Hochleistungsschweißen mit zwei Draht-elektroden kann heute bis zu 50m/min betragen.Damit ist eine Abschmelzleistung von über 20kg/hmöglich. Die Schweißgeschwindigkeit läßt sich ge-genüber dem Eindrahtverfahren in der Regel verdop-peln [7]. Allerdings bedeutet der Einsatz der Zwei-draht-Technik einen hohen Investitionsaufwand, sodaß eine intensive Auslastung der Schweißanlagen imFertigungsprozeß notwendig ist. Selbstverständlichmüssen vorgeschaltete und nachfolgende Arbeits-gänge mit der Schweißgeschwindigkeit Schritt haltenkönnen.

4 Ausblick

Das MAG-Hochleistungsschweißen wird seinenMarktanteil zukünftig ausbauen. Besonders in dervollmechanischen und automatischen Schweißpro-duktion sind Hochleistungsverfahren gefragt, die dieAbschmelzleistung erhöhen, um die Produktivität zuverbessern. Der Anwender muß sich auf immerschneller ändernde Marktsituationen einstellen undspezielle Kundenwünsche erfüllen. Durch die vielfälti-gen Lichtbogenvarianten dieser Hochleistungstech-nologie verfügt er über flexible Werkzeuge, die unter-schiedliche Schweißanwendungen zulassen.Eine interessante Herausforderung stellt für das MAG-Hochleistungsschweißen die Kopplung mit demLaserstrahlschweißen dar. Kombinierte Schweißpro-zesse können bei bereits vorhandenen oder neuenLaserstrahlschweißanlagen sowohl Leistungs- alsauch Qualitätssteigerungen bewirken.Vor allem aber entscheidet die Weiterentwicklungeinfacher Bedienkonzepte zur Einstellung derSchweißanlagen über den erfolgreichen Einsatz in derIndustrie.


Schrifttum:

[1] Dilthey, U., Borner, A. und Reisgen, U.:Metall-Aktivgasschweißen im Hochleistungsbe-reich mit Fülldrahtelektroden, Schweißen &Schneiden 48 (1996), H.3, S. 200-208

[2] N.N.:DVS-Merkblatt-Entwurf 0909, Teil 1 u. 2 Grund-lagen des MSG-Hochleistungsschweißens mitMassivdrahtelektroden, Definitionen und Be-griffe, Anwendungstechnische Hinweise 1999,(in Vorbereitung)

[3] Munske, H.:Handbuch des Schutzgasschweißens, Teil II:Elektrotechnische Grundlagen – Schweißanla-gen und Einstellpraxis, Deutscher Verlag fürSchweißtechnik (DVS) GmbH, Düsseldorf,1970, S. 146

[4] Schellhase, M.:Der Schweißlichtbogen – ein technologischesWerkzeug, Fachbuchreihe Schweißtechnik,Band 84, Deutscher Verlag für Schweißtechnik(DVS) GmbH, Düsseldorf, 1985, S. 60, 68-70,144

[5] Matzner, H.:Qualitätssteigerung beim spritzerarmen MAGM-Impulslichtbogenschweißen durch Regelungder Prozeßgrößen, Schweißtechnische For-schungsberichte, Band 40, Deutscher Verlagfür Schweißtechnik (DVS) GmbH, Düsseldorf,1991, S. 9, 13

[6] Trube, S.:MAG-Hochleistungsschweißen mit demLINFAST®-Konzept, Sonderdruck 36/97,LINDE AG, Hoellriegelskreuth, 1997

[7] Knoch, R. und Baum, L.:Höhere Wirtschaftlichkeit durch MAG-Hochleistungsschweißverfahren, Sonderdruckaus DVS-Berichte-Band 183 (1997), S. 50-55,SLV München GmbH, München, 1997

[8] N.N.:Facts about: RAPID ARC - RAPID MELT,MAG-Hochleistungs-Schweißen, AGA-Firmen-druckschrift, AGA Gas GmbH, Hamburg, 1992

[9] Killing, R.:Schutzgase zum Lichtbogenschweißen –schweißtechnische Eigenschaften,Der Praktiker 45 (1993), H. 8, S. 451-454

[10] Killing, R.:Angewandte Schweißmetallurgie - Anleitung fürdie Praxis, Fachbuchreihe SchweißtechnikBand 113, Deutscher Verlag für Schweißtech-nik DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1996,S. 74-77

[11] Trube, S. und Ladi, Z.:Einfluß der Schutzgas-Draht-Kombinationen aufdie Stabilität der Werkstoffübergänge beimMAG-Hochleistungsschweißen, Schweißen &Schneiden 47 (1995), H. 12, S. 986-991

[12] Stemvers, M.:The advantages of cored wire welding in thefabrication of ship structures, Welding in ship-building, DVS-Berichte, Band 195, Verlag fürSchweißen und verwandte Verfahren, DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1998, S. 43-51

[13] Dzelnitzki, D.:MAG-Hochleistungsschweißen, High-Speed-Schweißen mit rotierendem Sprühlichtbogen,Sonderdruck aus TECHNICA 23/97, Schweiz

[14] Gerster, P., Halbritter, J. und Dzelnitzki, D.:Einführung des MAG-Hochleistungs-schweißens, Der Praktiker ‘98, H. 2, Sonder-druck, DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1998

[15] Kupetz, G., Janssen, W. und Metz, M.:Teilmechanisches MAGM-Hochleistungs-schweißen mit Standard-Schutzgasen im Ener-gieanlagenbau, Schweißen & Schneiden ‘98,DVS-Berichte Band 194, Verlag für Schweißenund verwandte Verfahren, DVS-Verlag GmbH,Düsseldorf, 1998, S. 11-20

[16] Dilthey, U., Reisgen, U. und Warmuth, P.:MAGM-Hochleistungsschweißen mit Massiv-und Fülldrähten, Schweißen & Schneiden 51(1999), H. 3, S. 139-143

Vergrößerung des Einbringvolumens oder Erhöhung der ... · © 2000 EWM HIGHTEC WELDING GmbH 3/10...

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