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Zitiervorschau

Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH

SFI-Aktuell 2003 Schweißprozesse und –ausrüstung Werkstoffe und ihr Verhalten beim Schweißen Konstruktion und Berechnung Fertigung und Anwendungstechnik

© GSI 2003

Fachgebiet 1:

Schweißprozesse und -ausrüstung

Die in den SFI-Unterlagen/CD-ROM "SFI-Aktuell" enthaltenen Normenauszüge sind mit Erlaubnis des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. wiedergegeben. Maßgebend für das Anwenden der Norm ist deren Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei der Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6,10787 Berlin, erhältlich ist.

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Themenplan

Seite 1

SCHWEIßFACHINGENIEURAUSBILDUNG NACH RICHTLINIE DVS·-EWF-IIW 1173 Hauptgebiet 1 : Schweißprozesse und –ausrüstung

Kapitel

Thema

1.01

Allgemeine Einführung in die Schweißtechnik

1.02

Autogentechnik, Gasschweißen

1.03

Sonderverfahren der Autogentechnik

1.04

Grundlagen der Elektrotechnik

1.05

Der Lichtbogen

1.06

Stromquellen für das Lichtbogenschweißen

1.07

Einführung in das Schutzgasschweißen

1.08

WIG-Schweißen

1.09

MIG/MAG-Schweißen

1.10

Lichtbogenhandschweißen

1.11

Unterpulverschweißen

1.12

Widerstandsschweißen

1.13

Sonderschweißverfahren

1.14

Thermisches Schneiden, Nahtvorbereitungsverfahren

1.15

Oberflächentechnik

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Themenplan

Kapitel

Thema

1.16

Mechanisierte Verfahren, Roboterschweißen

1.17

Hart- und Weichlöten

1.18

Kunststoffschweißen

1.19

Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

1.20

Schweißlabor

Seite 2

• Praktische Übungen und Vorführungen mit den verschiedenen Schweißverfahren mit dem Ziel, die Einsatzmöglichkeiten der Verfahren und den Einfluss der Schweißparameter auf Schweißnahtgüte zu demonstrieren

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1.01-1 u. 1.01-2

Allgemeine Einführung in die Schweißtechnik I/II

Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Was ist Schweißtechnik 2. Literatur

1 1 20

1. Was ist Schweißtechnik Die Bezeichnung Schweißtechnik ist ein Oberbegriff für Fertigungsprozesse wie Schweißen, Löten, thermisches Trennen, aber auch verwandte Prozesse wie: Kleben, Kaltfügen, Montieren, Fügen, Schneiden gehören bezüglich ihrer Anwendung zur Schweißtechnik. Definition: Schweißtechnik Schweißtechnik ist die Summe von Kenntnissen und Erfahrungen, die von den Fachleuten im Laufe vieler Jahrzehnte für die Anwendung von schweißtechnischen Prozessen erarbeitet und zusammengetragen worden sind. Beim Schweißen eines Bauteils geht es um seine Schweißbarkeit. Diese wird bestimmt durch: – den Werkstoff, – das Schweißverfahren und – die Konstruktion. BEGRIFFE: SCHWEIßEN, LÖTEN, KLEBEN SCHWEIßEN: Ein Vorgang, der Werkstoff(e) unter Anwendung von Wärmeenergie und/oder Druck derart vereinigt, dass sich ein kontinuierlicher innerer Aufbau der verbindenden Werkstoffe ergibt. Schweißzusatz, dessen Schmelztemperatur von gleicher Größenordnung ist wie die der (des) Grundwerkstoffe(s), kann zugeführt werden (4). Das Ergebnis des Schweißens ist die Schweißnaht. Schweißhilfsstoffe ermöglichen oder

erleichtern Schweißzone

Werkstück

Werkstück

A

B Vereinigen

Schweißzusatz mit oder

ohne

Zusatz von Wärme und/oder

Kraft

Bild 1: Prinzip - Schweißen

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1.01-1 u. 1.01-2 Seite 2

LÖTEN: Hartlöten, Weichlöten und Fugenlöten sind Fügeverfahren, bei dem Werkstoffe mit Hilfe eines Zusatzes verbunden werden, der eine niedrigere Schmelztemperatur 1) hat als die zu fügenden Werkstoffe und der diese Werkstoffe benetzt. Die Grundwerkstoffe schmelzen nicht. Flussmittel und/oder eine schützende Atmosphäre (Schutzgas oder Vakuum) kann benutzt werden (4). 1)

„Schmelztemperatur“ bedeutet Liquidustemperatur für das Lot und Solidustemperatur für die Grundwerkstoffe.

In der Bindezone wird der Grundwerkstoff vom geschmolzenen Lot benetzt; die Bindung erfolgt über Diffusionsvorgänge zwischen dem Grundwerkstoff und dem Lot. KLEBEN: Beim Kleben werden gleiche oder unterschiedliche Werkstoffe durch eine artfremde Substanz (Kleber, Zwischenschichten) untereinander verbunden, ohne dass sich die Werkstoffe verändern. Dabei werden die Adhäsion (Oberflächenhaftung) zwischen Klebstoff und Fügeteil als Haftung ausgenutzt. Das Kleben hat größere Bedeutung für das Verbinden von glatten, großflächigen und unterschiedlichen Werkstoffen.

Schweißen

Löten

Kleben

Bild 2: Kraftverlauf in Schweiß-, Löt- und Klebverbindungen

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1.1 Geschichtlicher Rückblick zur Entwicklung der Schweißprozesse Ein kurzer Überblick über die Anfänge und die nächsten Entwicklungsetappen der Schweißverfahren zeigt, dass diese auch mit bekannten Forschern in Verbindung zu bringen sind.

1792

Lichtenberg aus Göttingen berichtet über das Verschmelzen einer Uhrfeder mit einer Messerklinge.

um 1808

Es wird angenommen, dass zuerst Davy (Englischer Physiker) und Ritter einen Lichtbogen erzeugt und beobachtet haben.

1815

War die sehr hohe Temperatur des Lichtbogens bekannt und wurde zum Schmelzen von Metallen angewendet.

1867

Der Amerikaner Thomson macht die Widerstandserwärmung für das Schweißen nutzbar. Es entstand das Widerstands-Pressschweißen.

1885

Bernados nutzte den Kohlelichtbogen zum Aufschmelzen von Metallen.

1888

Bernados stellt die erste Punktschweißung her.

1889

Zerener schweißt mit zwei Kohleelektroden.

1890

Slavianoff begann mit dem Metalllichtbogenschweißen. Der Lichtbogen brennt zwischen einem Metallstab und dem Werkstück.

1895

Erfand Goldschmidt das Thermit-Schweißen (heute aluminothermisches Schweißen genannt).

1898

Linde entwickelte die Gewinnung von Sauerstoff durch Lufttrennung.

1907

Der Schwede Oskar Kjellberg entwickelte die umhüllte Stabelektrode für das Lichtbogenschweißen.

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etwa 3200 v. Chr.

Löten (Schmuckstücke der Sumerer)

etwa 1500 v. Chr.

Fundstücke von Teilen

1.01-1 u. 1.01-2 Seite 4

Feuerpress- oder Hammerschweißen

1890

Kohlelichtbogenschweißen Widerstandspunktschweißen Lichtbogenschweißen mit Wolframelektrode Schweißen mit abschmelzender Metallelektrode

1900

Lösen von Acetylen in Aceton Gasschweißbrenner

1910

Umhüllte Stabelektroden Schweißstromquellen

1920

Brennschneidmaschinen

1930

Unterpulverschweißen Wolfram-Inertgasschweißen

1940

Metall-Inertgasschweißen (WIG in den USA)

1950

Kaltpressschweißen Reibschweißen Ultraschallschweißen

1960

1970

Metall-Aktivgasschweißen unter CO2 Fülldrahtelektroden Plasmaschneiden Elektronenstrahlschweißen Diffusionsschweißen Plasmaschweißen Laserstrahlschweißen

1980

Bild 3: Entwicklungsetappen der Metallschweißprozesse

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1.2 Begriffe für Prozesse und Arbeitstechniken (als Übersicht) siehe auch:

1. Entwurf DIN ISO 857 2. DIN-DVS-Taschenbuch 191 (DIN 1910, DIN 1912, DIN 8528) 3. ISO 4063 und DIN EN 24 063

Eine Übersicht über die Metallschweißprozesse nach DIN 1910 zeigt Bild 4.

Metall-Schweißen

Schmelz-Schweißen Sonstiges Schmelzschweißen

WiderstandsSchmelzschweißen

- Gasschw eißen (G, Autogen) - Lichtbogenhandschw eißen (E) - Metallschutzgass. (MIG/MAG) - Wolframinertgass. (WIG) - Unterpulverschweißen (UP) - Laserstrahlschweißen (LB) ... etc.

- Kammerschw eißen - Elektroschlackeschweißen (RES)

Press-Schweißen WiderstandsPressschweißen

Sonstiges Pressschweißen

Üblicherw eis e verwendete Verfahren: - Widerstandspunktschweißen (RP) - Widerstandsrollennahtschw. (RR) - Pressstumpfschw eißen (RPS) - Abbrennstumpfschweißen (RA)

-

Ultraschallschweißen Diffusionsschweißen Feuerschweißen Gaspressschweißen Lichtbogenpressschweißen Gießpressschw eißen Kaltpressschw eißen Reibschweißen MBL-Schweißen

speziell für Rohrlängsnähte: - Rolltrafoschw eißen (RT) - Schleifkontaktschweißen (RS) - Induktives Widerstandspressschweißen (RI)

Bild 4: Schweißprozesse nach DIN 1910

GRUNDBEGRIFFE SCHMELZSCHWEIßEN: Schweißen ohne Aufwenden äußerer Kraft, wobei die Fügefläche(n) angeschmolzen werden muss (müssen); gewöhnlich – jedoch nicht notwendigerweise – wird geschmolzener Schweißzusatz zugeführt. PRESSSCHWEIßEN: Schweißen, wobei ausreichend äußere Kraft aufgewendet wird, um an beiden Fügeflächen eine mehr oder weniger starke plastische Verformung zu bewirken, im allgemeinen ohne Zugabe von Schweißzusatz. Gewöhnlich – jedoch nicht notwendigerweise – werden die (Werkstücke an den) Fügeflächen erwärmt, um das Verbinden zu ermöglichen oder zu erleichtern.

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VERBINDUNGSSCHWEIßEN: Erzeugen einer unlösbaren Verbindung zwischen zwei oder mehr Werkstücken (um den Zweck des Schweißens vom Auftragschweißen zu unterscheiden). AUFTR AG SCHWEIßEN: Erzeugen einer Schicht aus unterschiedlichem Metall durch Schweißen, z. B. mit höherem Korrosionsoder Verschleißwiderstand oder größerer Hitzebeständigkeit gegenüber dem Grundwerkstoff. BEGRIFFE FÜR ARBEI TSTECHNI KEN BEIM SCHWEIßEN EINL AG ENSCHWEIßEN: Schweißen, wobei die Schweißnaht oder die Beschichtung in einer Lage hergestellt wird; sie kann aus einer oder mehreren Raupe(n) bestehen. MEHRL AGENSCHWEIßEN: Schweißen, wobei die Schweißnaht oder die Beschichtung in mehr als zwei Lagen hergestellt wird. Die Benennung kann auch nach der Zahl der Lagen erfolgen (z. B. Dreilagenschweißen). EINSEI TIGES SCHWEIßEN: Schweißen, wobei die Schweißnaht von einer Seite des Werkstückes aus hergestellt wird. BEIDSEI TIGES SCHWEIßEN: Schweißen, wobei die Schweißnaht von beiden Seiten des Werkstückes aus hergestellt wird. HEFTSCHWEIßEN (HEFTEN): Festlegen der zu fügenden Werkstücke bzw. Baugruppen in ihrer vorgesehenen Zuordnung zueinander durch Schweißpunkte oder kurze Schweißnähte.

BEGRIFFE FÜR TECHNISCH-PHYSIK ALISCHE GRÖßEN BEIM SCHWEIßEN SCHWEIßVORG ANG: Vorgang, wobei Werkstoffe durch Schweißen gefügt werden. Beim Lichtbogenschweißen zum Beispiel fällt der Schweißvorgang mit der Lichtbogenbrenndauer zusammen. SCHWEIßBEDI NGUNGEN: Gegebenheiten, unter denen Schweißverbindungen hergestellt werden; dazu gehören Umwelteinflüsse (z. B. Witterung), arbeitsphysiologische Einflüsse (z. B. Lärm, Hitze, enger Raum) sowie werkstückbedingte Einflüsse (z. B. Grundwerkstoff, Fugenform, Schweißposition). SCHWEIßP AR AM ETER: Die bei einem bestimmtem Schweißprozess zum Herstellen einer fachgerechten Schweißverbindung notwendigen Angaben; dazu gehören z. B. Schweißzusatz, mechanische und elektrische Einstellwerte, Vorwärm-, Halte- und Zwischenlagentemperatur, Nahtaufbau. ABSCHMELZG ESCHWINDIGKEI T: Geschwindigkeit, mit der der Schweißzusatz abschmilzt, ausgedrückt als Schweißzusatzlänge pro Zeiteinheit. SCHWEIßGESCHWINDIGKEI T: Geschwindigkeit des Schweißvorganges in Schweißrichtung.

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SCHWEIßZEI T: Zeit, die zum Herstellen einer Schweißnaht erforderlich ist (ohne vorbereitende und nachbearbeitende Fertigungsgänge). Sie besteht aus Schweißhaupt- und Schweißnebenzeit. ABSCHMELZLEI STUNG: Abgeschmolzene Schweißzusatzmasse bezogen auf die Schweißhauptzeit. SCHWEIßHILFSSTOFFE: Alle Stoffe, wie z. B. Gas, Pulver oder Paste, die während des Schweißens benutzt werden und das Zustandekommen der Schweißnaht ermöglichen oder erleichtern, aber nicht wesentlicher Bestandteil der Naht sein sollen. BEGRIFFE FÜR MECH ANI SIERTES SCHWEIßEN Die Art der Fertigung wird als Mechanisierungsgrad in vier Stufen eingeteilt, die in DIN 1910 Teil 1 beispielhaft aufgeführt werden: Bewegungs-/Arbeitsabläufe Benennung Kurzzeichen

Beispiele Schutzgasschweißen

Handschweißen (manuelles Schweißen) m

Brenner-/ Werkstückführung

Zusatzvorschub

Werkstückhandhabung

von Hand

von Hand

von Hand

von Hand

mechanisch

von Hand

mechanisch

mechanisch

von Hand

mechanisch

mechanisch

mechanisch

m-WIG Teilmechanisches Schweißen t t-MSG Vollmechanisches Schweißen v v-MSG

Automatisches Schweißen a a-MSG

Bild 5: Beispiele zur Einteilung nach dem Grad der Mechanisierung

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1.3 Einteilung der Schweißprozesse

Nach der Art des Energieträgers

Nach der Art des Grundwerkstoffes

Nach dem Zweck des Schweißens

Nach dem Ablauf des Schweißens

Nach der Art der Fertigung

–

Gas

–

Metalle

–

Verbindungs-

–

Schmelzschweißen

–

Handschweißen (m)

–

Strom

–

Kunststoffe

–

schweißen

–

Pressschweißen

–

–

Gasentladung

–

–

–

Strahlung

Werkstoffkombinationen

Auftragschweißen

Teilmechanisches Schweißen (t)

–

–

Bewegung

Vollmechanisches Schweißen (v)

Flüssigkeit

–

–

Automatisches Schweißen (a)

1.4 Übersicht: Metallschweißprozesse An eine Schweißverbindung werden oft hohe Anforderungen hinsichtlich – Festigkeit und Zähigkeit, – Widerstandsfähigkeit bei hohen und tiefen Temperaturen, – Beständigkeit gegen Korrosion und Verschleiß, – Dichtheit gegenüber Gasen, Dämpfen, Druck oder Vakuum gestellt. Durch die große Vielfalt der Grundwerkstoffe (Stahl, NE-Metalle) und Halbzeuge (Blech/Rohr/Profile) mit Dicken von   0,001 bis 1000 mm und der verschiedenen Energiequellen, der Gerätetechniken, der Schweißzusätze (Stabelektroden, Drahtelektroden, Schutzgase usw.) werden über 50 unterschiedliche Schweißprozesse heute praktisch angewendet. Zählt man noch alle Varianten hinzu, die durch verschiedene Formen der Schweißzusätze, der Hilfsstoffe, der Geräteanordnungen und der verschiedenen technologischen Bedingungen auch aus der Art der Fertigung entstehen, so sind es über 100 Möglichkeiten. Anschließend werden folgende Schweißverfahren kurz erläutert: – – – – – – –

Gasschmelzschweißen Lichtbogenhandschweißen Schutzgasschweißverfahren, MSG und WSG Unterpulverschweißen Widerstandspunktschweißen Elektronenstrahlschweißen Laserstrahlschweißen.

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1.4.1 Gasschweißen mit Acetylen-Sauerstoffflamme (G; 311)

Bild 6: Gasschweißen

Acetylen und Sauerstoff werden aus Stahlflaschen oder Ringleitungen entnommen und über Druckminderer und Schläuche einem Schweißbrenner zugeführt. Durch die bei der Verbrennung des Gasgemisches entstehende Schweißflamme werden Grundwerkstoff und Schweißstab miteinander verschmolzen. Schweißstäbe:

EN 12536

Anwendung:

Hauptsächlich zum Verbinden von Rohren und Blechen aus unlegiertem und niedriglegiertem Stahl (auch zum Schweißen von Gusseisen). Blechdicke: (ab ca. 0,8 mm) bis 6 mm Verbindungsschweißen im Heizungsbau, Rohrleitungsbau, Fahrzeugbau, Reparaturschweißen aller Schweißpositionen außer Fallnaht

Werkstoffe:

unlegierter und niedriglegierter Stahl NE-Metalle, Gusseisen

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1.4.2 Lichtbogenhandschweißen (E; 111)

Bild 7: Lichtbogenhandschweißen

Der Lichtbogen brennt zwischen einer umhüllten abschmelzenden Stabelektrode (6) und dem Werkstück (8). Der Lichtbogen und das flüssige Schweißgut (16) werden vor dem Zutritt der Luft in das sich bildende Schutzgas und einer Schlacke geschützt. Stromquellen:

Gleich- und Wechselstrom, fallende Kennlinie

Stabelektroden: nach DIN EN 499 (für unlegierte Stähle und Feinkornbaustähle) Aufgaben der Umhüllung sind: – – – –

Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke verbessern Bilden von Schlacke (Nahtformung, Schweißnaht abdecken) Bilden eines Schutzgases Desoxidierende und teilweise auflegierende Wirkung

Anwendung:

Vielseitig anwendbar, in allen Schweißpositionen bei einfacher Gerätetechnik und Zusatzwerkstoffen. Schweißerausbildung erforderlich. Sehr verbreitetes Schweißverfahren im Stahlbau, Maschinen- und Apparatebau, Fahrzeugbau und für Reparaturen auch sehr gut unter Montagebedingungen und im Freien.

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1.4.3 Wolfram-Inertgasschweißen (WIG; 141)

Bild 8: Wolfram-Inertgasschweißen

Der Lichtbogen (13) brennt zwischen einer nichtabschmelzenden Wolfram-Elektrode (11) und dem Werkstück (10) in einem inerten Schutzgasmantel (16). Der Schweißstab (9) wird stromlos abgeschmolzen. Die Schweißstabzufuhr erfolgt manuell oder mechanisch. Stromquelle:

Gleich- und Wechselstrom mit fallender Kennlinie. WIG-Schweißgerät mit HFZündung und zusätzlichen Steuerfunktionen.

Wolframelektroden: nach DIN EN 26848 Schutzgase:

Argon, Helium, Wasserstoff und Formiergas nach DIN EN 439

Schweißstäbe:

für unlegierte Stähle und Feinkornbaustähle nach DIN EN 1668

Anwendung:

Fast alle Metalle schweißbar, alle Schweißpositionen von 0,2...6 mm Werkstückdicke (wirtschaftlich); hauptsächlich Qualitätsschweißungen im Rohrleitungs-, Kessel-, Behälter- und Reaktorbau, Maschinenbau, Flugzeugbau, Raumfahrt, auch Auftragschweißen.

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1.4.4 Metall-Schutzgasschweißen (MSG; MIG 131/MAG 135)

Bild 9: Metall-Schutzgasschweißen

Eine endlose Drahtelektrode (7) wird von einer Drahtfördereinrichtung (4) dem Lichtbogen (15) zugeführt und unter einem Schutzgasmantel (19) aus einem inerten Gas (MIG) oder einem Aktivgas (MAG) abgeschmolzen. Die Stromquelle (2) verfügt über eine flache Belastungskennlinie und spezielle Schweißeigenschaften. Es können sich in Abhängigkeit von der Schweißstromstärke verschiedene Lichtbogenformen ausbilden. Das Impulsschweißen bringt Vorteile beim Verschweißen von Al- und CrNi-Werkstoffen.

Drahtelektroden:

nach DIN EN 440 für unlegierte Stähle und Feinkornbaustähle (z. B. G3Si1 oder G4Si1)

Schutzgase:

nach DIN EN 439 z. B. Mischgas M21 (82 % Ar + 18 % CO2)

Anwendung:  Verbindungsschweißen in allen Positionen (z. B. im Stahl-, Behälter- und Brückenbau); Auftragsschweißen  unlegierter, niedriglegierter und hochlegierter Stahl, mit aktiven Gasen (Kohlendioxid, Mischgase)  Nichteisenmetalle mit inerten Schutzgasen (Argon, Helium)  Werkstückdicken ab s = 0,5 mm

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1.4.5 Unterpulverschweißen (UP; 12)

Wirtschaftlicher Anwendungsbereich Verbindungsschweißen bei großen Schweißnahtlängen, vornehmlich in Wannen- und Querposition sowie horizontaler Position; Auftragschweißen Werkstoffe unlegierter, niedriglegierter und hochlegierter Stahl Werkstückdicken ab etwa 5 mm

Bild 10: Unterpulverschweißen

Der Lichtbogen brennt zwischen der/den abschmelzenden Elektrode/n und dem Werkstück unter einer Pulverschüttung. Es bildet sich Schlacke. Das nicht aufgeschmolzene Pulver wird abgesaugt und erneut verwendet. Der Lichtbogen brennt in einer Kaverne. Hohe Stromstärken 500 – 1200 A führen zu hohen Abschmelzleistungen (10 kg/h bis 25 kg/h). Es werden einzelne Drähte, mehrere Drähte und Bänder verschweißt. Die Schweißgutzusammensetzung und das Nahtgefüge werden durch die gewählte Draht/Pulverkombination und von dem anteiligen Grundwerkstoff bestimmt. Schweißzusätze für unlegierte und legierte Stähle nach DIN EN 756 Schweißpulver:

nach DIN EN 760 (Aufgaben ähnlich der Umhüllung von Stabelektroden)

Schweißgut:

Draht-Pulver-Kombination DIN EN 756

Anwendung:

Verbindungsschweißen mit großen Abschmelzleistungen, hauptsächlich in der Vorfertigung im Schiffbau, Stahlbau, Behälterbau und bei der Rohrherstellung Werkstückdicken ab 3 mm Schweißpositionen: waagerecht, horizontal, quer

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1.4.6 Widerstandspunktschweißen (RP; 21)

Wirtschaftlicher Anwendungsbereich Verbindungsschweißen; bevorzugt in der Serienfertigung angewendet Werkstoffe unlegierter, niedriglegierter und hochlegierter Stahl; Aluminiumwerkstoffe Werkstückdicken etwa 0,5 bis 3 mm Einzelblechdicke

Bild 11: Widerstandspunktschweißen

Die zum Schweißen erforderliche Wärme wird durch einen Stromfluss über den elektrischen Widerstand der Schweißzone erzeugt (Widerstandserwärmung). Geschweißt wird beim Widerstandspressschweißen unter Kraftanwendung. Die Widerstandsschweißverfahren können nach Art der Stromübertragung und dem Ablauf des Schweißens, nach der Art des Stromes sowie dem zeitlichen Verlauf von Strom und Kraft eingeteilt werden.

Widerstandsschweißverfahren sind: – – – – – – –

Widerstandspunktschweißen (siehe Bild 11) Rollennahtschweißen Abbrennstumpfschweißen Foliennahtschweißen, Folienstumpfnahtschweißen Widerstandsbolzenschweißen Buckelschweißen Elektroschlackeschweißen (ist ein Widerstandsschmelzschweißverfahren)

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1.4.7 Laserstrahlschweißen (LA; 751) Lichtstrahlschweißen, wobei ein von einem Laser stammender Strahl kohärenten, monochromatischen Lichts benutzt wird. 3

4 5

6

7 8

2

9 1

10

11

1 2 3 4 5

Werkstück Lichtquelle Energiequelle elliptischer Spiegel Laserstab oder gasgefülltes Rohr

6 7 8 9 10 11

Lichtstrahl

Laser-Handschweißgerät

Laserstrahl Linse Schutzgas Schweißnaht Drehvorrichtung

Bild 12: Laserstrahlschweißen

Ein Laserstrahl entsteht durch eine „Lichtverstärkung“ aufgrund von erzwungener Strahlungsemission. Für das Schweißen, Trennen, Bohren usw., also zur Materialbearbeitung, wird die Fokussierung der Laserstrahlung auf sehr kleine Durchmesser mit hohen Leistungsdichten und die Absorption der Laserstrahlung durch den Grundwerkstoff ausgenutzt. Es werden Festkörper und CO2-Laser eingesetzt. Es können fast alle Metalle geschweißt werden. Die Werkstückdicken betragen z. Z. 0,01 bis 20 mm.

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1.4.8 Elektronenstrahlschweißen (EB; 76) Strahlschweißen, wobei ein fokussierter Elektronenstrahl benutzt wird.

Bild 13: Elektronenstrahlschweißen

Das Erzeugen des Elektronenstrahls erfolgt durch Glühemission an der Wolframkathode. Hochspannung zwischen Kathode und Anode beschleunigt die Elektronen. Mittels Fokussierspulen werden die Elektronen auf einen Strahldurchmesser von 0,1 – 0,2 mm gebündelt und Energiedichten > 106 W/cm² erreicht. Die hochbeschleunigten Elektronen treffen auf das Werkstück und setzen ihre kinetische Energie in Wärme um. Dadurch wird das Werkstück erwärmt, partiell geschmolzen oder verdampft. Neben der Schweißung von fast allen Metallen mit Werkstückdicken bis zu s = 300 mm kann der Elektronenstrahl noch zur Oberflächenbehandlung und zum Bohren eingesetzt werden.

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1.5 Kurzzeichen von ausgewählten Schweißprozessen, Ordnungsnummern, Kennzahlen

Schweißprozess

Kurzzeichen DIN ISO 857

Kennzahl DIN EN 24063

Ordnungsnummer

G

3

4.6.2.3.02

G

311

-

E

11 111

4.6.2.4.08

MF

114

4.6.2.4.14

UP SG MSG MAG

12 13 135

4.6.2.4.22 -

MAG

136

-

MIG WSG WIG WP LA EB R RP RR RB RA FR B

131 14 141 15 751 76 4 2 21 22 23 24 42 781

4.6.2.4.34 4.6.2.4.42 4.6.2.5.04 4.6.2.5.08 4.6.1.7.03 4.6.1.7.12 4.6.1.7.06 4.6.1.7.27 4.6.1.6.20 -

Gasschmelzschweißen (Gasschweißen) Gasschweißen mit Sauerstoff-AcetylenFlamme Metalllichtbogenschweißen Lichtbogenhandschweißen Metalllichtbogenschweißen mit Fülldrahtelektrode (selbstschützend) Unterpulverschweißen Schutzgasschweißen Metall-Schutzgasschweißen Metall-Aktivgasschweißen Metall-Aktivgasschweißen mit Fülldrahtelektroden Metall-Inertgasschweißen Wolfram-Schutzgasschweißen Wolfram-Inertgasschweißen Wolfram-Plasmaschweißen Laserstrahlschweißen Elektronenstrahlschweißen Pressschweißen Widerstandsschweißen Widerstandspunktschweißen Rollnahtschweißen Buckelschweißen Abbrennstumpfschweißen Reibschweißen Lichtbogenbolzenschweißen

1.6 Anwendungsgebiete der Schweißprozesse 1.6.1 Stahlbau Unter Schweißtechnik im Stahlbau versteht man die Herstellung von Tragwerken unter Verwendung des Werkstoffes Stahl z. B. für Industriegebäude und –hallen, Bürogebäude, Maste, Türme, Schornsteine, Brücken für Straße und Schiene, Schüttgutbeförderung, Rohrverlegung, Wasserbauwerke, Kranbahnen, Bunker, Behälter usw. Schweißkonstruktionen im Stahlbau haben heute einen großen Anteil an Walzprofilen und Grobblechen.

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1.01-1 u. 1.01-2

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Wichtige Prozesse für die Herstellung von Schweißträgern sind: – Brennschneiden, Scheren, Abkanten, Biegen – teilmechanisches MAG-Schweißen – vollmechanisches MAG- und UP-Schweißen

1.6.2 Schiffbau In allen schiffbauenden Ländern bestimmt heute die Schweißtechnik die Herstellung von Stahlschiffkörpern. Abhängig vom Schiffstyp und -größe liegt der Fertigungsanteil für Schweißoperationen am Schiffskörper bei 20 – 40 %.

Im Schiffbau eingesetzte Schweißprozesse sind: Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden

Hellingmontage, Schweißen bei der Ausrüstung

MAG-Schweißen mit Massivdraht- und Fülldrahtelektroden

Sektionsbau

UP-Schweißen

Vorfertigung, Sektionsbau, Doppelbodenfertigung

WIG-Schweißen

Rohrleitungsbau, NE- und Cu-Werkstoffe

MIG-Schweißen

Al-Konstruktionen

Gasschweißen

teilweise Rohrbau

Widerstandspunktschweißen

Ausrüstungen

Abbrennstumpfschweißen

Walzprofile

teilweise: ES- und EG-Schweißen

senkrechte Montagestöße

1.6.3 Rohrleitungsbau, Kraftwerksanlagenbau Im Rohrleitungsbau ist die Schweißverbindung das wichtigste Verbindungselement. Hauptsächliche Schweißbaugruppen sind: – geschweißte Stahlrohre, Segmentkrümmer, Rohrformstücke, Rohrunterstützungen Wichtige Schweißprozesse für die Rohrherstellung: – Widerstandsschweißen (beim Fretz-Moon-Verfahren) – Hochfrequenzschweißen – UP-Schweißen (auch WIG- und Plasma für Dünnrohre) Wichtige Schweißprozesse für die Verlegung und Montage: – WIG-Schweißen – Lichtbogenhandschweißen im Fallnahtbereich – vollmechanisches MAG-Schweißen mit Automaten – Gasschweißen – Löten

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1.6.4 Behälter- und Chemieanlagenbau Wichtige Baugruppen sind: – – – – – – – – –

Röhrenöfen Reaktoren Wärmetauscher Kolonnen Separatoren diverse Behälter Lagerbehälter Zellstoffkocher sowie Rohrleitungen

Die unterschiedlichen Beanspruchungen durch Temperatur, Belastung, Medien zwingen zum Einsatz von verschiedenen Werkstoffen und Werkstoffkombinationen. Wichtige Schweißprozesse sind: – Lichtbogenhandschweißen – MAG- und WIG-Schweißen – vollmechanisches MAG- und UP-Schweißen in Verbindung mit Schweißvorrichtungen (Schweißmarke, Rollenbahnen) sowie – WIG-Orbitaltechnik.

1.6.5 Fahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau Der Fahrzeug- und Schienenfahrzeugbau beruht auf moderner Schweißtechnik wie: – – – –

Widerstandspunktschweißen Rollennahtschweißen MAG- und WIG-Schweißen, auch Bolzenschweißen und Laserstrahlanwendungen.

Kombinationen: Schweißen + Kleben/Kaltfügen oft in Verbindung mit Schweißrobotern, automatisierten Fertigungsstraßen oder Schweißautomaten.

1.6.6 Weitere Anwendungsbereiche der Schweißprozesse sind Schweißen im Bauwesen

Schweißen von Betonstahl

Schweißen bei der Deutschen Bahn

z. B. Schienenschweißen

Schweißen im Flugzeugbau

z. B. hochfeste Al-Werkstoffe, Schweißen und Kleben

Schweißen in der Elektronik, elektr. Fertigung

z. B. Mikrofügeprozesse, Bonden, Löten

Schweißen im Handwerk

E- und MAG-Schweißen im Metallbau

u.s.w.

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1.7 Auswahl der Schweißprozesse Eine Abgrenzung der Anwendungsbereiche der Schweißprozesse kann nach folgenden Gesichtspunkten/Einflussfaktoren vorgenommen werden: • • •

• • • •

nach den zu verschweißenden Werkstoffen nach der Bauteilform (Geometrie, Abmessungen) nach den Blech- oder Nahtdickenbereichen nach der Wirtschaftlichkeit Leistungsfähigkeit in Nahtlänge/Zeit Abschmelzmenge/Zeit Fertigungskosten nach der Menge/Zeit (benötigte Stückzahl) nach Fertigungsgesichtspunkten oder nach der vorhandenen Gerätetechnik Einzelfertigung, Serienfertigung, Massenfertigung nach anderen technologischen Gesichtspunkten (Qualitätsanforderungen, Prüfumfang, Zuverlässigkeit) nach konstruktiven Gesichtspunkten, nach der Art der Belastung (vorwiegend statisch, schwingend, Lebensdauer Zuverlässigkeit) Geometrie des Bauteiles

Werkstoff

Stückzahl

Zugänglichkeit

Wahl des Schweißprozesses

Schweißposition

Einrichtungen

Anforderungen

Wirtschaftlichkeit

Bild 14: Übersicht zur Auswahl der Schweißprozesse

Der Anwendungsumfang von einzelnen Schweißprozessen lässt sich darstellen auf der Basis – – – –

des erzeugten Schweißnahtquerschnittes, der verbrauchten Arbeitszeit, der eingesetzten Arbeitskräfte und deren Qualifikation, des Verbrauchs an Schweißzusätzen usw.,

also auf der Basis von Kostenrechnungen.

2. Literatur /1/ DIN-DVS-Taschenbuch 191 /2/ DIN 1910

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0 Inhaltsverzeichnis 1. Prozess des Gasschweißens 2. Gasschmelzschweißen, Betriebsstoffe 3. Schweißbrenner 4. Schweißflamme 5. Arbeitstechniken 6. Druckminderer 7. Sicherheitseinrichtungen 8. Gasschläuche 9. Literatur

1 1 2 9 13 15 17 18 21 22

1. Prozess des Gasschweißens

€ ó ì ö ú ÷ ø í û ç

Sauerstoffflasche mit Druckminderer

Nachlinksschweißen

Acetylenflasche mit Druckminderer

Stahl kleiner 3 mm Werkstücke

Gebrauchsstellenvorlage Sauerstoffschlauch Acetylenschlauch Schweißbrenner Schweißstab Schweißdüse

Nachrechtsschweißen

Werkstück

Stahl ab 3 mm Werkstückdicke

Schweißflamme

Wirtschaftlicher Anwendungsbereich Verbindungsschweißen in allen Positionen, insbesondere im Rohrleitungsbau, Installationsbereich und in der Instandsetzung; Auftragsschweißen

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1.02-1 - 1.02-3 Seite 2

Werkstoffe unlegierter und niedriglegierter Stahl, Nichteisenmetalle, Gusseisen Werkstückdicken abhängig vom Bauteil bis etwa 6 mm Bemerkung unabhängig vom elektrischen Strom

2. Gasschmelzschweißen, Betriebsstoffe 2.1 Sauerstoffherstellung/Eigenschaften/Speicherung Die Gewinnung des Sauerstoffs erfolgt fast ausschließlich durch Zerlegung der Luft. Der so gewonnene O2 weist eine Reinheit von 99,5 % und mehr auf. Zusammensetzung der Luft

≈ ≈ ≈

78 % N2 21 % O2 1 % Edelgase (Ar)

Die Lufttrennung stellt einen physikalischen Vorgang dar. Es wird die gereinigte und getrocknete Luft auf ca. 200 bar verdichtet. Die entstehende Verdichtungswärme wird abgeführt. Nach einer anschließenden Abkühlung im Gegenstromapparat und folgender Entspannung (Entspannungskühlung) kommt es zur Verflüssigung der Luft (- 200 °C).

Bild 1: Anlage zur Luftverflüssigung nach Linde 1 Drosselventil; 2 Gegenströmer; 3 Verdichter

Die Rektifikation (Trennung) des Sauerstoffs vom Stickstoff beruht auf ihren verschiedenen Siedepunkten. N2 - 196 °C Ar 186 °C O2 - 183 °C Der so gewonnene Sauerstoff wird gasförmig in Druckgasflaschen abgefüllt. Bei Großverbrauchern wird der Sauerstoff in flüssiger Form angeliefert und in wärmeisolierenden Tanks gelagert. Die Eigenschaften sind:

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− nicht brennbar, sondern förderndes bzw. zu jeder Verbrennung notwendiges Gas Im Vergleich zur Luft sind folgende Einflüsse des Sauerstoffs zu berücksichtigen: 1. die erforderlichen Zündenergien sind wesentlich geringer 2. die Zündtemperaturen der Stoffe liegen niedriger 3. die Verbrennungstemperaturen und Verbrennungsgeschwindigkeiten erreichen höhere Werte Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas mit einer Dichte von 1,43 kg/m3 (schwerer als Luft).

Speicherung des Sauerstoffs Sauerstoff ist ein Gas, welches sich bei Umgebungstemperaturen und Umgebungsdruck stets im gasförmigen Zustand befindet. Im Prinzip kann man daher 02 bis zu einem sehr hohen Druck komprimieren. In der Praxis bestimmt in erster Linie die Festigkeit der Flasche den max. Druck. Früher waren 150 bar der höchstzulässige Druck in einer Gasflasche. Bei den Flaschen, die jetzt hergestellt werden, ist der zulässige Druck auf 200 bar bzw. 300 bar erhöht worden. Stahlflaschen für gasförmigen Sauerstoff Typ

Flaschenvolumen [l]

Inhaltsdruck [bar]

Sauerstoffmenge [l]

50 40 10

50 40 10

200 150 200

10.000 6.000 2.000

Inhaltskontrolle:

Druck x Volumen

Die maximale Entnahmemenge ist abhängig von Flaschengröße und Druckminderer.

Weitere Hinweise:

DIN 4664 und Druckbehälterverordnung

Die Speicherung kann auch in flüssiger Form in wärmeisolierende Tanks erfolgen. In einem Verdampferteil wird der flüssige O2 in gasförmigen zurückverwandelt. Dabei ergibt 1 l flüssiger O2 etwa 850 l gasförmigen O2.

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Bild 2: Sauerstoffkaltvergaser

Achtung ! Vorsicht mit Öl und Fett ! Als Gleitmittel und Dichtwerkstoffe für O2 dürfen im zugelassenen Druckbereich nur diejenigen verwendet werden, die von einer von den Berufsgenossenschaften anerkannten Prüfstelle als dafür geeignet befunden wurden. 2.2 Brenngase Ein Brenngas ist ein Gas, welches mit Luft oder Sauerstoff verbrennt. Bis auf eine Ausnahme (Wasserstoff) ist ein Brenngas im allgemeinen eine Kohlenwasserstoffverbindung oder eine Mischung aus verschiedenen Kohlenwasserstoffverbindungen. Beim Gasschmelzschweißen hat sich bisher Acetylen als einzigstes Brenngas, aufgrund der hohen Flammentemperatur (3200 °C) sowie Primärflammenleistung (17,4 kJ/cm²s) durchgesetzt. Weitere Vorteile sind die konzentrierte Flamme und die Tatsache, dass der Anwender die Flamme sehr leicht einstellen kann.

2.2.1 Acetylenherstellung/Eigenschaften/Speicherung Acetylen ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Erzeugt wird es im Entwickler (Bedienungsvorschrift beachten /TRAC 201). Es entsteht, wenn Carbid mit Wasser zusammengebracht wird. Als Nebenprodukt erhält man Kalkschlamm. CaC2

+

2H2O

C2H2

+

Ca(OH)2

+

Wärme

Der Grundstoff zur Herstellung ist das Calciumcarbid (CaC2). Es wird gewonnen aus Kalkstein über das Brennen im Brennofen und anschließendem Schmelzen im Lichtbogenofen unter Zusatz von Koks. CaCO3

+

Wärme

CaO

+

3C

CaO

+

Wärme

+

CO2 CaC2

+

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CO

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Eigenschaften des Acetylens Es ist ein farbloses, nicht giftiges, aber schwach narkotisches Gas. Im reinen Zustand ist es geruchlos, aber das handelsübliche C2H2 enthält Spuren von Verunreinigungen, die dem Gas seinen knoblauchähnlichen Geruch geben. C2H2 wird bei hohen Drücken und Wärme instabil. Es zerfällt in großen Gasräumen ab einem Druck von 1,8 bar explosionsartig in seine Bestandteile. C 2H2 ist bei einer bestimmten Konzentration mit Luft explosiv. Es ist leichter als Luft und steigt nach oben. C 2H2 reagiert mit Kupfer und deren Legierungen mit über 70 % Cu sowie mit Silber und dessen Legierungen. Speicherung: Die Speicherung erfolgt in besonders präparierten Flaschen mit verschiedenem Rauminhalt. Die Acetylenflasche besteht nicht nur aus einem leeren Stahlmantel, sondern sie ist auch mit einer porösen Masse und mit Aceton oder mit einem anderen Lösungsmittel gefüllt. Der porösen Masse fallen zwei Aufgaben zu: einerseits den Stahlbehälter vor einer etwaigen „Explosion“ zu schützen, andererseits das eingefüllte Lösungsmittel schwammartig aufzusaugen und gleichmäßig verteilt in der Flasche „festzuhalten“. − Eine Gaszersetzung (Explosion) kommt zum Stillstand in sehr kleinen Räumen. Diese Aufgabe übernehmen die sehr kleinen und kleinsten Poren der porösen Masse. − Das Lösungsmittel nimmt das Acetylen auf. Ein Liter Aceton löst etwa 24 l Acetylen bei atmosphärischem Druck und 15 °C. Die gelöste Acetylenmenge steigt mit dem Fülldruck, d. h. bei 10 bar löst 1 l Aceton etwa 240 l C2H2. Bei diesem Vorgang kommt es zur Ausdehnung des Acetons. Die Lösefähigkeit des Acetons steigt auch mit sinkender Temperatur.

Sicherheitsraum

8% poröse Masse

Ausdehnung des Azetons durch C2H2Aufnahme

29%

25%

Tem peratur in °C 40 30 20 10

Azetonfüllung

0

38%

- 10 - 20

Bild 3: Prozentuale Ausnutzung der Acetylenflasche

5

10

15 20 Druck in bar

Bild 4: Gasdruck in der Acetylenflasche in Abhängigkeit von der Temperatur

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Die Acetylenflasche wird auch nach der Porosität unterschieden. normale Porosität

hochporöse Masse

Rauminhalt

l

10

20

40

10

20

40

50

Acetylenfüllmenge

kg

1,5

3,0

6,3

2,0

4,0

8,0

10,0

Fülldruck bei 15 °C

bar

18

18

18

18

18

19

19

Acetonfüllung

l

3

6

13

4

8

16

20

Kurzzeitige max. Entnahmemenge

l/h

500

1.000

1.000

500

1.000

1.000

1.200

Aus einer liegenden Acetylen-Flasche darf kein Gas entnommen werden.

Ausnahme: hochporöse Masse mit rotem Ring am Flaschenhals

Der Gasinhalt lässt sich nicht durch Messen des Druckes feststellen. Erst durch Wiegen kann man den Gasinhalt angeben. Daher ist auf jeder Flasche das Fertiggewicht (Tara) eingestempelt, das das Gewicht der Flasche mit Lösungsmittel, aber ohne Gas angibt. Betriebliche Versorgung mit Acetylen Bei der Auslegung der betrieblichen Gasversorgung müssen zwei Faktoren betrachtet werden: − −

der Durchschnittsverbrauch pro Woche die maximale Gasentnahme pro Flasche

Weitere Hinweise:

TRAC 206, TRAC 208

2.2.2 Andere Brenngase Als Brenngas wird bevorzugt Acetylen eingesetzt. Andere angebotene, aber nicht für alle Verfahren gleichermaßen brauchbaren Brenngase sind 1. 2. 3. 4. 5.

Propan Erdgas Wasserstoff Ethen und verschiedene C2-, C3- und C4-Kohlenwasserstoff-Gemische.

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schwerer

2

1,75 1,555 1,48

1,5

1,479

1,25 0,985 1

Luft =

0,975

0,906

0,75

leichter

0,5549 0,5

0,25

0 Acetylen Gem.E 1)

Ethen

Gem.M 2) P ropen

P ropan

Erdgas

Bild 5: Relative Dichte der Brenngase (Luft = 1)

Die Auswahl des Brenngases richtet sich nicht nur nach den Verfahrenskriterien, sondern auch nach der Verfügbarkeit und Verwendbarkeit am Anwendungsort.

Die relative Dichte ist von Bedeutung. 18

17,4

Primärflammenleistung [kJ/cm²s]

16 14 12 9,6

10

7,5

8

7,1

6,6 5,2

6

3,8

4 2 0 Acetylen 1) 2)

Gem.E 1)

Ethen

Gem.M 2)

P ropen

P ropan

Erdgas

Gemisch mit Ethen Gemisch mit Methylacetylen

Bild 6: Primärflammenleistung der Brenngase

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Die Wärmewirkung der Flamme auf ein Werkstück ist von Bedeutung. Je höher die Primärflammenleistung, um so schneller kann man z. B. Brennschneiden, Flammwärmen oder Flammrichten. Propan (C3H8) Propan ist ein falbloses, ungiftiges, aber schwach narkotisches Gas. Propan wird hauptsächlich in Verbindung mit dem Rohöl - Raffinieren und beim Kracken anderer Petroleumprodukte – erzeugt. Propan ist einfach zu handhaben, da es in flüssigem Zustand bei Raumtemperatur unter seinem eigenen Dampfdruck von nur 7 bar gelagert werden kann. Propanflaschen dürfen nicht hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Bei einer extrem hohen Temperatur füllt die Flüssigkeit das gesamte Flaschenvolumen aus. Es besteht die Gefahr eines Platzens der Flasche. Propan hat einen höheren Heizwert als Acetylen, aber erzeugt einen geringen Anteil dieser Wärme in der Primärflamme. Die Flammentemperatur ist geringer und der Sauerstoffbedarf ist fast viermal höher als für Acetylen. Propan hat eine niedrige Explosionsgrenze sowie eine hohe Dichte. Es sammelt sich ausströmendes Propan an tiefergelegenen Arbeitsplätzen. Erdgas (Methan) (CH4) Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan. Die Zusammensetzung hängt vom Erdgasvorkommen ab, so dass auch die Verbrennungseigenschaften unterschiedlich sind. Erdgas wird hauptsächlich für Heizzwecke verwendet. Es kann in komprimierter Form in Flaschen gelagert werden, wird aber direkt per Pipeline zu den Kunden geliefert. Methan ist ein leichtes Gas und seine untere Explosionsgrenze ist höher als bei den meisten anderen Gasen. Der Heizwert ist niedrig und in der Primärflamme wird wenig Wärme erzeugt.

Wasserstoff (H2) Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses und ungiftiges Gas. Es ist das leichteste aller Gase. Es ist ein sehr leicht entzündbares Gas und brennt mit einer nicht sichtbaren Flamme. Wasserstoff wird industriell durch Elektrolyse des Wassers erzeugt. Es wird gasförmig unter hohen Drücken in Flaschen oder im flüssigen Zustand transportiert. Wasserstoff kann als Brenngas zum Gasschweißen und Brennschneiden verwendet werden. Ethen (C2H4) Äthylen ist ein farbloses Gas mit süßlichem, leicht modrigem Geruch. Es ist schwach giftig. Es kann beim Brennschneiden und ähnlichen Verfahren eingesetzt werden. Der Heizwert ist ungefähr derselbe wie bei Acetylen, jedoch wird eine geringere Wärmemenge in der Primärflamme erzeugt. Andere Kohlenwasserstoffgemische Propylen (C3H6) ist ein farbloses Gas mit leicht süßlichem Geruch. Es ist ungiftig, hat aber einen schwachen narkotischen Effekt. Es kann beim Brennschneiden und ähnlichen Verfahren eingesetzt werden. Propylen kommt meistens in flüssiger Form vor. Die Eigenschaften sind denen von Propan ähnlich. Je nach Anbieter/Gashersteller werden noch unterschiedliche Mischgase als Brenngase mit firmeneigenem Namen angeboten.

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MAPP (MESSER GRIESHEIM) ist ein Kohlenwasserstoffgemisch. Die Versorgung erfolgt auf Flüssigbasis. Das Gas ist farblos und ungiftig. Es kann eingesetzt werden zum Brennschneiden und anderen Verfahren der Autogentechnik. GRIESON (MESSER GRIESHEIM) siehe Ethen! CRYLEN (AIR LIQUIDE) ist eine Lösung von Acetylen in tiefkalt verflüssigtem Ethen mit einem kleinen Stabilisierungs-Anteil Propylen. Es wird flüssig geliefert. Dieses Mischgas ist farblos, ungiftig mit einem ausgeprägten charakteristischem Geruch. Erdgas Wasser(Methan) stoff

Ethen Äthylen

Propylen

MAPP

Crylen

2720

2902

2872

2920

2960

3,8

7,4

7,5

6,6

7,1

9,6

1:4

1 : 1,6

1 : 0,3

1:2

1:3

1:3

1 : 1,8

1,5

0,5

0,06

0,9

1,4

1,4

0,9

Acetylen

Propan

(°C)

3160

2850

2770

Primärflammenleistung

(kJ/cm²s)

17,4

5,2

Mischungsverhältnis Brenngas zu Sauerstoff

m :m

3

1 : 1,1 0,9

Flammentemperatur

Relative Dichte

3

(Luft = 1)

nach Herstellerangaben

Versorgungsarten, abhängig vom Bedarf je Monat Gas

Gasverbrauch m³/Monat < 100

100 bis 300

> 300

> 600

> 1000

> 4000

Acetylen

Einzelflasche

Batterie

Bündel

Bündel

Bündel

Container + Entwickler

Flüssiggas

Einzelflasche

Batterie

Tank

Tank

Tank

Tank

Sauerstoff

Einzelflasche

Batterie

Bündel

Bündel Kaltvergaser

Kaltvergaser

Kaltvergaser

Argon

Einzelflasche

Batterie

Bündel

Kaltvergaser

Kaltvergaser

Kaltvergaser

ArgonMischgase

Einzelflasche

Batterie

Bündel

Kaltvergaser

Kaltvergaser + Tank

Kaltvergaser + Tank

Kohlendioxid

Einzelflasche

Batterie

Batterie Tank

Tank

Tank

Tank

Stickstoff

Einzelflasche

Batterie

Bündel

Bündel Kaltvergaser

Kaltvergaser

Kaltvergaser

Wasserstoff

Einzelflasche

Batterie

Bündel

Bündel

Bündel

Tank

3. Schweißbrenner Es gibt eine Vielzahl von Brennertypen, die überwiegend nach dem Injektorprinzip (Saugbrenner) arbeiten und in der DIN EN ISO 5172 genormt sind. Die Schweißbrenner sind meistens als „Kombinierte Schweiß- und Schneidbrenner“ ausgebildet. Das heißt, dass der Schweißeinsatz entsprechend der zu schweißenden Werkstoffdicke befestigt wird. Als wesentliche Bestandteile des Schweißbrenners lassen sich Griffstück und Schweißeinsatz unterscheiden. Am Griffstück befinden sich Brenngas- und Sauerstoff-Schlauchanschlusstüllen und die entsprechenden Ventile.

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Der Schweißeinsatz gliedert sich in Druckdüse, Mischdüse, Mischrohr und Schweißdüse.

Bild 7: Schnitt durch einen Schweißbrenner (Saugbrenner)

In Abhängigkeit von der Blechdicke werden die Schweißeinsätze unterteilt. Größe

Nennbereich [mm]

Größe

Nennbereich [mm]

0

0,2 – 0,5

6

9 – 14

1

0,5 – 1

7

14 – 20

2

1–2

8

20 – 30

3

2–4

9

30 – 50

4

4–6

10

50 – 100

5

6–9

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z. B.

Seite 11

6 – 9 gibt an, welcher Stahldickenbereich in Millimetern mit diesem Einsatz geschweißt werden kann. Aus den Zahlenwerten des Schweißbereichs kann auch der Gasverbrauch in l/h eines Schweißbrenners annähernd errechnet werden. Kleinste + größte Blechdicke x 100 (l/h) 2

Die Schweißeinsätze sind außer der Größe mit dem Herstellerzeichen , Art des Brenngases

Mischsystem

A = Acetylen P = Flüssiggas M = Erdgas H = Wasserstoff

C = Stadtgas Y = Verwendbarkeit für mehrere Gase O = Sauerstoff D = Druck

i = Mischung mit Saugwirkung i = gasrücktrittsichere Mischung mit Saugwirkung II = Mischung ohne Saugwirkung II = gasrücktrittsichere Mischung ohne Saugwirkung

und Sauerstoffdruck s 2,5 bar gekennzeichnet.

Die Schweißeinsätze werden auch noch nach dem Verwendungszweck unterteilt. Normal-Schweißeinsätze Montage-Schweißeinsätze

Flammenstrahlgeräte Anwärmbrenner

Funktion des Saugbrenners Das zum Gasschweißen erforderliche Brenngas und der Sauerstoff werden dem Schweißbrenner getrennt zugeführt und in ihm in einem einstellbaren Verhältnis gemischt. Der Sauerstoffdruck wird am Druckminderer, entsprechend der Angabe auf dem Schweißeinsatz (s 2,5 bar) bei geöffnetem Sauerstoffventil am Griffstück eingestellt. Mit diesem Druck tritt er in die Druckdüse, verlässt sie mit hoher Geschwindigkeit und saugt das mit geringerem Druck (0,5 bar) herangeführte Acetylen in die Mischdüse. Die Bohrungen und der Arbeitsdruck des Sauerstoffs sind so gewählt, dass je Zeiteinheit etwa gleiche Gasmengen in die Mischdüsen eintreten. Bei richtiger Einstellung der Ventile soll im Mischrohr ein Mischungsverhältnis von etwa 1 : 1 vorliegen. An der Schweißdüse (Mundstück) wird das Gasgemisch gezündet. Zum Zünden nur Gasanzünder verwenden, die die Gefahr von Verbrennungen ausschließen!

Reihenfolge beim Anzünden von Saugbrennern: 1. Flaschenventile und Absperrventile an den Druckminderern öffnen 2. Einstellschraube des Druckminderers langsam hineindrehen 3. Sauerstoffventil am Brenner öffnen 4. Brenngasventil am Brenner öffnen

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5. 6. 7. 8.

1.02-1 - 1.02-3 Seite 12

Brenngas-Sauerstoff-Gemisch mindestens 5 s strömen lassen Druckanzeige am Druckminderer auf richtigen Entnahmedruck korrigieren Gasgemisch anzünden Flamme einstellen (bei Schneidbrennern wird die Flamme bei geöffnetem Schneidsauerstoffventil normal eingestellt und der Entnahmedruck noch mal korrigiert)

Reihenfolge beim Abstellen von Saugbrennern: 1. Brenngasventil am Brenner schließen 2. Sauerstoffventil am Brenner schließen 3. Flaschenventile schließen 4. Druckminderer durch Öffnen von Sauerstoff- und Brenngasventil am Brenner entlasten 5. Einstellschraube an den Druckminderern entlasten Rückzündung Bei Rückzündung im Schweiß- und Schneidbrenner (starkes Pfeifen) ist wie folgt zu verfahren: 1. Sauerstoffventil schließen danach sofort 2. Brennergasventil schließen

Durch Rückzündung heiß gewordene Schweiß- und Schneidgeräte sind bei geöffnetem Sauerstoffventil in Wasser zu kühlen. Merke Schweiß- und Schneidgeräte arbeiten nur einwandfrei, wenn die Verbindung zwischen Griffstück und Schweiß- oder Schneideinsatz dicht ist. Zur Prüfung bietet sich die Saugprobe an. Hierbei wird nur der Sauerstoffschlauch an den Schweißbrenner angeschlossen. Bei geöffnetem Sauerstoff- und Brenngasventil muss sich durch den strömenden Sauerstoff am Brenngasanschluss eine merkliche Saugwirkung ergeben. Sonstige Undichtheiten am Brenner können leicht durch Eintauchen des Gerätes in Wasser festgestellt werden.

Bild 8: Überprüfung der Saugwirkung

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Pflege und Reparatur von Schweiß- und Schneidgeräten Sauerstoffführende Teile müssen öl- und fettfrei gehalten werden. Die Geräte sind pfleglich zu behandeln und vor Beschädigungen zu schützen. Beschädigte und/oder nicht einwandfrei arbeitende Geräte dürfen nicht eingesetzt werden. Verstopfte Düsen dürfen nur mit passenden Reinigungsnadeln gesäubert werden. Reparaturen an Schweiß- und Schneidgeräten sowie Zubehör dürfen nur von hierfür besonders ausgebildetem Personal unter Verwendung von Originalersatzteilen ausgeführt werden.

4. Schweißflamme Die Güte der Schweißnaht hängt weitgehend von der Einstellung der Schweißflamme ab! Die wichtigste Aufgabe der Flamme besteht darin, eine schnelle örtliche Erwärmung zu erreichen, die Verbindungsflächen und/oder Zusatzwerkstoff aufzuschmelzen sowie das Schweißbad vor den schädlichen Einflüssen der Luft zu schützen.

Flammeneinstellung In der Flamme verbrennt das Brenngas mit Sauerstoff und erzeugt Wärme. Entsprechend dem Mischungsverhältnis unterscheidet man eine „normale Flamme“, „sauerstoffüberschüssige (oxidierend) Flamme“ und „acetylenüberschüssige (reduzierend) Flamme“. In Abhängigkeit von der Ausströmgeschwindigkeit der Gase unterscheiden wir die „weiche Flamme“, „übliche Flamme“ und „harte Flamme“. Die Flammentemperatur hängt von dem Mischungsverhältnis ab. Die reduzierende Flamme hat eine niedrigere Temperatur als die oxidierende Flamme. Die Wärmemenge ändert sich mit der Ausströmgeschwindigkeit. So liefert die harte Flamme gegenüber der weichen Flamme eine größere Wärmemenge. Neutrale Acetylen-Sauerstoff-Flamme

Bild 9: Schweißflamme

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Flammenbild

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Folge oxidierend schäumend spritzend

Sauerstoffüberschuss

normal (neutral)

reduzierend rückführend

Acetylenüberschuss

aufkohlend aushärtend

Normale Flamme Das Mischungsverhältnis Acetylen : Sauerstoff beträgt 1 : 1. Unmittelbar an der Schweißdüse erscheint ein sauberer bläulicher Kegel, der von einer weiß leuchtenden Hülle umgeben ist. In diesen Bereich, Zone I, zerfällt das Brenngas und es wird Wärme abgegeben. Es ist falsch, mit der Kegelspitze das Werkstück zu berühren, um ein schnelles Erwärmen zu erreichen. Der Schweiß- bzw. Arbeitsbereich, Zone II, befindet sich 2 bis 5 mm, je nach Brennergröße, vor diesem Flammenkern. Dieser Bereich hat die höchste Flammentemperatur von etwa 3200 °C. Im unmittelbaren Wirkungsbereich des Flammenkegels haben die Verbrennungsgase eine reduzierende Eigenschaft. Das heißt, Metalloxide werden in reines Metall umgewandelt. 1. Verbrennungsstufe 2C2H2

+

2O2

4CO

+

2H2

+

Wärme

Die äußere Verbrennungszone, Zone III, wird Streuflamme genannt. Kohlenmonoxid und Wasserstoff werden mit Sauerstoff verbrannt und es entstehen Kohlendioxid und Wasserdampf. Eine große Menge des Sauerstoffs, der zur Verbrennung benötigt wird, wird der umgebenden Luft entnommen.

2. Verbrennungsstufe 4CO

+

2H2

+

3O2

4CO2

+

2H2O

+

Wärme

Im Flammeninneren sind beide Vorgänge nicht scharf voneinander abgegrenzt, sondern in einem Übergangsbereich laufen beide Reaktionen nebeneinander ab. Zur vollständigen Verbrennung von einem Teil C2H2 benötigt man 2,5 Teile O2 (1 Teil aus der Flasche, 1,5 Teile aus der Luft). Sauerstoffüberschüssige Flamme Der an der Schweißdüse ansetzende innere Kegel wird spitzer und nimmt an bläulicher Farbe zu. Die Streuflamme wird kürzer. Dieser Sauerstoff reagiert mit dem Stahl und bildet Oxide; Legierungselemente brennen ab.

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Acetylenüberschüssige Flamme Der innere Kegel der Schweißflamme wird schlechter erkennbar, er verschwindet. Die Streuflamme wird länger mit unregelmäßiger Begrenzung. Bei Brenngasüberschuss wirkt die Flamme aufkohlend oder bei zu großem Überschuss entsteht Ruß.

Einstellung der Acetylen-Sauerstoff-Flamme zum Schweißen verschiedener Werkstoffe Werkstoff

acetylen-überschüssige Flamme

normale (neutrale) Flamme

sauerstoff-überschüssige Flamme

+ + -

o + o +

+ -

Gusseisen Kupfer Messing Aluminium Stahl + gut;

o möglich;

- schlecht

Gasausströmungsgeschwindigkeit

Für Schweißarbeiten im unteren Bereich eines Schweißeinsatzes stellt man eine weiche Flamme, im oberen Nennbereich eine harte Flamme ein. Bei zu kleiner Ausströmungsgeschwindigkeit knallt der Brenner ab, bei zu großer Geschwindigkeit wandert die Flamme vom Mundstück weg.

5. Arbeitstechniken Arbeitstechniken beim Gasschweißen Für das Herstellen von Schweißverbindungen durch Gasschweißen kennt man zwei Arbeitstechniken: Nachlinksschweißen

Schweißbrenner geradlinig führen, Schweißstab tupfend bewegen

Nachrechtsschweißen

Schweißbrenner geradlinig führen, Schweißstab kreisförmig rührend bewegen

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Nachlinksschweißen (für Stahl mit weniger als 3 mm Werkstückdicke sowie für Aluminium, Kupfer und Gusseisen)

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Nachrechtsschweißen (für Stahl ab 3 mm Werkstückdicke)

Bild 10: NL- und NR-Schweißen

Verfahrensmerkmale des Gasschweißens: – – – –

– – – – –

leichte Einstellbarkeit der Flamme gute Regulierung des Wärmeangebotes gute Beobachtbarkeit des Schweißvorganges wirksame Abschirmung des Schweißbades durch die Flamme vor der Luft auch bei ungünstigen Witterungsbedingungen, beispielsweise auf Baustellen gute Spaltüberbrückbarkeit gute Zugänglichkeit zur Schweißstelle auch beim Schweißen in Zwangspositionen erforderliche Energie kann leicht zur Verfügung gestellt werden vielseitige Anwendungsmöglichkeit des Schweißbrenners niedrige Investitionskosten.

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6. Druckminderer

Bild 11: Einstufiger Druckminderer für Sauerstoff

Beschriftung

Sauerstoff

Acetylen

Propan

Kennbuchstabe Kennfarbe Flaschenanschluss

O

A

P

blau R 3 rechts

gelb Bügelanschluss

orange W 21,8 x

8xR

8xR

Schlauchanschluss

4

6,3 x R

1

4

rechts

3

8

links

3

8

1

14

links

links

Aufgaben Der Druckminderer dient dazu, den Flascheninhaltdruck auf den Arbeitsdruck zu vermindern und diesen Arbeitsdruck während der Gasentnahme konstant zu halten. Arbeitsweise Ein Druckminderer ist ein membrangesteuertes Ventil. Wenn die Einstellschraube hineingedreht wird, wird über Einstellfeder, Membrane und Druckstift der Schließbolzen angehoben und das Ventil geöffnet. Über die Einstellschraube wird somit der Arbeitsdruck eingestellt. Das strömende Gas übt einen Gegendruck auf die Membrane aus. Während der Gasentnahme herrscht an der Membrane Gleichgewicht zwischen der Kraft der Einstellfeder und dem Gasgegendruck und der Kraft der Ventilschließfeder. Verringert sich im Betrieb durch sinkenden Flaschendruck der Gasdruck auf die Membrane, hebt die Einstellfeder den Schließbolzen weiter an und vergrößert die Ventilöffnung. Dadurch bleibt der Hinterdruck (Arbeitsdruck) konstant.

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Arbeitsregel Vor dem Anschließen des Druckminderers den Flaschenanschluss auf Sauberkeit prüfen (ausblasen) und die Dichtungen kontrollieren. Stets die Einstellschraube entlasten, wenn der Druckminderer nicht in Betrieb ist.

7. Sicherheitseinrichtungen Sicherheitseinrichtungen müssen verhindern: • Eintritt von Luft oder Sauerstoff in die Brenngasleitung; • Flammendurchschlag in das Rohrleitungsnetz oder die Druckgasflasche; • weitere Brenngaszufuhr nach einem Flammenrückschlag oder bei einem Nachbrand an der Flammensperrenoberfläche Einzelflaschensicherung

Bild 12: Einzelflaschensicherung

Eine Einzelflaschensicherung ist eine Sicherheitseinrichtung, die in Einzelflaschenanlagen (TRAC 208) vor, an oder in Verbrauchsgeräten angebracht ist. Sicherheitseinrichtungen, die im Gebrauch sind, sind jährlich zu überprüfen. Gebrauchsstellenvorlage

Einzelflaschensicherung

am Druckminderer

am Druckminderer

Einbauort

im Brenngasschlauch an der Entnahmestelle der Ring- oder Stichleitung am Schweiß- bzw. Schneidgerät

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Trockene Gebrauchsstellenvorlagen

Temperaturgesteuert

Druckgesteuert

Bild 13: Gebrauchsstellenvorlagen

Bei der temperaturgesteuerten Gebrauchsstellenvorlage ist nach einem leichten Flammenrückschlag die weitere Brenngaszufuhr nicht unterbunden. Die Sicherung löst erst ab Temperaturen von etwa 90 bis 100°C aus. Nach dem Auslösen kann diese nicht selbst entriegelt werden. Die druckgesteuerte Gebrauchsstellenvorlage hat gegenüber der Einzelflaschensicherung zusätzlich eine Gasnachströmsperre eingebaut. Schon bei leichtem Flammenrückschlag oder geringem Druckanstieg schließt nicht nur das Gasrücktrittventil, sondern es löst auch die druckgesteuerte Nachströmsperre aus. Nach dem Auslösen kann man diese mit einem Hebel wieder entriegeln.

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Sicherung am Druckminderer

Schlauchsicherung

Brennerhandgriffsicherung

Bild 14: Einsatzmöglichkeiten der Sicherheitseinrichtungen

Die Einzelflaschensicherung ist bei Druckbrennern grundsätzlich vorgeschrieben. Die Einzelflaschensicherung kann entfallen bei Arbeiten mit Saugbrennern nach DIN EN ISO 5172, wenn die Flaschen im Blickfeld des Ausführenden sind. Die Einzelflaschensicherung ist auch beim Arbeiten mit Saugbrennern nach DIN EN ISO 5172 vorgeschrieben, wenn der Ausführende die Flaschen nicht ständig im Blickfeld hat. Brennerhandgriff- und Schlauchsicherungen sowie Sicherungen am Druckminderer und trockene Gebrauchsstellenvorlagen müssen bauartzugelassen sein.

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8. Gasschläuche Gasschläuche Schläuche müssen entsprechend der Gasart farblich gekennzeichnet sein. Gasart

Kennfarbe

Brenngase (außer Flüssiggase)

Rot

Alle Brenngase einschließlich

Außenschicht je zur Hälfte

Flüssiggase

Rot und Orange

Sauerstoff

Blau

Andere nichtbrennbare Gase

Schwarz

Die Innendurchmesser betragen in der Regel O2 C2H2

= =

4,0 mm 6,3 mm.

Schläuche tragen die Beschriftung • DIN 8541 (EN 559) • Name oder Zeichen des Herstellers • Quartal und Jahr der Herstellung und sind in Abständen von maximal 3 m fortlaufend gekennzeichnet. Der zulässige Betriebsdruck beträgt Sauerstoff und andere 20 bar nichtbrennbare Gase Acetylen 1,5 bar Die Mindestlänge der Schläuche ist 3 m (bei Entwicklerarbeiten 5 m). Neue Schläuche sind vor dem erstmaligen Gebrauch auszublasen – je m Schlauch 1 s. O2 mit O2 bzw. inertem Gas C2H2 mit Druckluft

Schadhafte Gasschläuche müssen ausgetauscht oder sachgemäß ausgebessert werden – poröse Gasschläuche gelten als schadhaft.

Zur Ausbesserung sind Doppelschlauchtüllen (EN 560) zu verwenden. Vorsicht bei Acetylen Schläuche nicht mit Hilfe von Kupferrohr verbinden E X PLO SI O N SGE F AH R

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Gasschläuche sind gegen Abgleiten von den Schlauchtüllen zu sichern. - Schellen - Bänder

kein Bindedraht

Gasschläuche nicht knicken und vor thermischer Beanspruchung schützen Gasschläuche zur Arbeitsstelle so verlegen, dass jegliche Unfallgefahr ausgeschlossen ist.

Bei großen Schlauchlängen den Gasschlauch und den Sauerstoffschlauch in bestimmten Abständen mit Doppelschlauchschellen verbinden (kann entfallen bei Zwillingsschlauch).

weitere Hinweise: EN 559, VBG 15

9. Literatur /1/ Fachkunde für Schweißer, Band 1 /2/ Linde - Tipps für den Praktiker /3/ DVS-Lehrgang: Schweißfachmann Gasschweißen

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0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Inhaltsverzeichnis Verfahren der Autogentechnik Gasschmelzschweißen Schweißzusätze Fugenform Flammrichten Flammwärmen Flammstrahlen Gaspressschweißen Trennen mit der Sauerstofflanze Literatur

1.03 Seite 1

1 1 3 4 7 9 14 16 20 21 22

1. Verfahren der Autogentechnik Der Begriff „Autogentechnik“ umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen die Wärme einer BrenngasSauerstoff- oder Brenngas-Luft-Flamme auf das Werkstück einwirkt. Die Fertigungsverfahren werden in Hauptgruppen unterteilt: Trennen: − – – –

Autogenes Brennschneiden Metallpulver Brennschneiden Brennhobeln – Brennfugen Flammstrahlen usw.

Fügen: – – –

Gasschmelzschweißen Gaspressschweißen Flammlöten usw.

Stoffeigenschaft ändern: – –

Flammwärmen Flammhärten usw.

Beschichten: –

Flammspritzen usw.

Umformen: –

Flammrichten

weitere Hinweise:

DIN 8522

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1.03 Seite 2

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2. Gasschmelzschweißen

Der Ausgangspunkt des Gasschmelzschweißens (früher Autogenschweißen) war die Entwicklung des Lötbrenners von den Franzosen "Desbassayns de Richemont" um 1840. Es wurden Bleibleche mit einer Wasserstoff-Luft-Flamme zusammengeschmolzen. Mit der großtechnischen Erzeugung des Calciumcarbides und somit des Acetylens und der Gewinnung von Sauerstoff aus der Luft (Linde) begann die eigentliche Entwicklung der Autogentechnik.

Definition: „Der Schmelzfluss entsteht durch unmittelbares örtlich begrenztes Einwirken einer BrenngasSauerstoff- oder Brenngas-Luft-Flamme. Wärme und Schweißzusatz werden im allgemeinen getrennt zugeführt.“

Um einen schnellen Schmelzfluss der zu verbindenden Teile zu erreichen, bedarf es einer „heißen Flamme“. Um diese „heiße Flamme“ zu erzeugen, muss ein geeignetes Brenngas mit hohem Heizwert und hoher Verbrennungsgeschwindigkeit zur Verfügung stehen. Daraus resultiert die Flammenleistung. • Acetylen • Propan • Wasserstoff Die Werkstücke werden einseitig, beidseitig oder gleichzeitig beidseitig durch „Nachlinksschweißen“ oder „Nachrechtsschweißen“ vereinigt. Mit der Gasschweißung lassen sich fast alle Metalle schweißen. Anwendung findet dieses Verfahren der Autogentechnik z. B. im Rohrkesselbau, Rohrleitungsbau, beim Schweißen dünner Bleche.

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3. Schweißzusätze Als Zusatzwerkstoff werden beim Gasschweißen Stäbe verwendet. In DIN EN 12536 sind die zum Verbindungsschweißen von Stahl erforderlichen Gasschweißstäbe zusammengestellt. Sie müssen frei von Oxiden, Schlacken, Ölen, Fetten und Farben sein. Der abgeschmolzene Zusatzwerkstoff soll nicht zur Spritzer- und Porenbildung neigen und mit seiner chemischen Analyse möglichst nahe bzw. gleich der des Grundwerkstoffes sein. Der Stahl für Gasschweißstäbe wird beruhigt vergossen. Mn-Gehalte von ca. 0,50 % und mehr sind notwendig, um ein unerwünschtes Schäumen und Schlackeneinschlüsse zu vermeiden. Si-Gehalte zwischen 0,02 und 0,35 % unterdrücken die Gasbildung, soweit es durch Sauerstoff verursacht wird. Aluminium zur Desoxydation findet keine Anwendung, da die hochschmelzenden Aluminiumoxide nichtmetallische Einschlüsse verursachen könnten. Nickel verbessert die Zähigkeitseigenschaften des Schweißgutes und wirkt kornverfeinernd. Molybdän erhöht die Warmfestigkeit ab 0,2 % und wirkt kornverfeinernd. Chrom erhöht die Korrosionsbeständigkeit sowie die Warmfestigkeit. Auskunft darüber, welche Stahlsorten mit den entsprechenden Schweißstabklassen zu koordinieren sind, sowie weitere Informationen geben die folgenden Tabellen. Tabelle 1: Kurzzeichen für die chemische Zusammensetzung für Stäbe, Massenanteile in % Kurzzeichen

Chemische Zusammensetzung in % (m/m) C

Si

OZ

Mn

P

S

1) 2) 3)

Mo

Ni

Cr

Jede andere vereinbarte Zusammensetzung

OI

0,03 – 0,12

0,02 – 0,20

0,35 – 0,65

0,030

0,025

–

–

–

O II

0,03 – 0,20

0,05 – 0,25

0,50 – 1,20

0,025

0,025

–

–

–

O III

0,05 – 0,15

0,05 – 0,25

0,95 – 1,25

0,020

0,020

–

0,35 – 0,80

–

O IV

0,08 – 0,15

0,10 – 0,25

0,90 – 1,20

0,020

0,020

0,45 – 0,65

–

–

OV

0,10 – 0,15

0,10 – 0,25

0,80 – 1,20

0,020

0,020

0,45 – 0,65

–

0,80 – 1,20

O VI

0,03 – 0,10

0,10 – 0,25

0,40 – 0,70

0,020

0,020

0,90 – 1,20

–

2,00 – 2,20

1)

Falls nicht anders festgelegt: Cr ≤ 0,15, Cu ≤ 0,35 und V ≤ 0,03. Der Anteil an Kupfer im Stahl plus Überzug darf 0,35 % nicht überschreiten.

2)

Einzelwerte sind Höchstwerte.

3)

Die Ergebnisse sind auf dieselbe Stelle zu runden wie die festgelegten Werte unter Anwendung von ISO 31-0, Anhang B, Regel A.

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Tabelle 2: Kennzeichnung der Gasschweißstäbe nach DIN EN 12536 Schweißstabklasse

Einprägung

Farbkennzeichnung

OI

I

keine

O II

II

grau

O III

III

gold

O IV

IV

rot

OV

V

gelb

O VI

VI

grün

Durchmesser der Gasschweißstäbe Regeldurchmesser in mm sind:

1,6

2,0

2,5

3,0

4,0

5,0

Tabelle 3: Schweißverhalten der Schweißstäbe nach DIN EN 12536 Kurzzeichen des Stabes Verhalten

OI

O II

O III

O IV

OV

Fließverhalten

dünnfließend

weniger dünnfließend

Spritzer

viel

wenig

keine

ja

nein

Porenneigung ja

Schweißstabkosten

O VI

zähfließend

s te ig e nd

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Bezeichnung Bezeichnung eines Stabes zum Gasschweißen mit einer chemischen Zusammensetzung innerhalb der Grenzen des Legierungskurzzeichens O III nach folgender Tabelle: Stab EN – O III Hierbei bedeuten: EN O III

= = =

Norm-Nummer Stab/Gasschweißen (s. 4.1) chemische Zusammensetzung des Stabes (siehe Tabelle 1)

Tabelle 4: Eignung der Schweißstabklassen für unlegierte Bau-, Kessel- und Rohrstähle nach DIN 8554 Grundwerkstoff Allgemeine Baustähle nach DIN EN 10025 (DIN 17100)

Kesselbleche nach DIN EN 10028 T2 (DIN 17155)

Schweißstabklasse I

II

III

IV

x

x

x

x

x

x

x

S275 (St 44-3) S355 (St 52-3)

x

x

P235GH (H I) P265GH (H II)

x

x

S185 (St 33) S235 (St 37-2) S272 (St 44-2)

P295GH (17Mn4) Rohrstähle nach DIN 1626 DIN 1628 DIN 1629 DIN 1630

St 37.0 St 44.0

Kesselrohre nach DIN 17175 und DIN 17 177

V

VI

x x

x

x

x

St 37.4 St 44.4 St 52.4

x

x

St 35.8 St 37.8

x

x

15Mo3 13CrMo4-5 10CrMo9-10

x x x

Merke: Für das Schweißen der verschiedenen Stähle werden unterschiedliche Schweißstäbe verwendet, die nur ein Fachmann auswählen kann, der dabei gleichzeitig Angaben zur Ausführung der Schweißarbeit macht. Bei Nichtbeachtung entstehen Schäden!

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4. Fugenform Die zu wählende Fugenform ist zunächst von der Belastung und Belastungsart unabhängig. Sie wird vielmehr von den Einflüssen – – – – –

Werkstoff Werkstoffdicke Schweißverfahren Schweißposition Zugänglichkeit

abhängig sein.

Aber auch schweißtechnische Vorschriften können die Fugenform beeinflussen, wenn zum Beispiel eine Gegenlage gefordert wird und dies mit einem Ausarbeiten verbunden ist. Eine derartige Forderung kann bei der Ausführung in Sondergüte für besonders hochbeanspruchte Bauteile gefordert werden. In der EN 29692 sind die Fugenformen für die Schweißverfahren enthalten. Tabelle 5: Fugenformen für Stumpfnähte, einseitig geschweißt Naht Werkstückdicke t

Benennung

t≤2

Maße in mm Fugenform

Symbol (nach ISO 2553)

Maße Winkel 1)

Spalt 2)

α, β

b

Steghöhe c

Bördelnaht

-

-

-

-

Meist ohne Zusatzwerkstoff

t≤4

I-Naht

-

b=t

-

-

-

2 ≤ t ≤ 10

V-Naht

40° ≤ α ≤ 60°

b≤4

c≤2

-

Gegebenenfalls mit Badsicherung

Darstellung

Schnitt

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Flanken- Bemerkungen höhe h

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Tabelle 6: Fugenformen für Kehlnähte, einseitig geschweißt Naht Werkstückdicke t

Benennung

t1 > 2 t2 > 2

Kehlnaht, T-Stoß

t1 > 2 t2 > 2

Kehlnaht, Überlappstoß

t1 > 2 t2 > 2

Kehlnaht, Eckstoß

Symbol (nach ISO 2553)

Fugenform Maße Darstellung

Schnitt

Winkel α, β

Spalt b

70 ° ≤ α ≤ 100 °

b≤2



b≤2

60 ° ≤ α ≤ 120 °

b≤2

Tabelle 7: Fugenformen für Kehlnähte, beidseitig geschweißt Naht Werkstückdicke t

Benennung

t1 > 3 t2 > 3

t1 > 2 t2 > 5

Symbol (nach ISO 2553)

Fugenform Maße Winkel α, β

Spalt b

Doppelkehlnaht, Eckstoß (mit Spalt)

70 ° ≤ α ≤ 110 °

b≤2

Doppelkehlnaht, Eckstoß (ohne Spalt)

60 ° ≤ α ≤ 120 °





b≤2





Darstellung

Schnitt

2 ≤ t1 ≤ 4 2 ≤ t2 ≤ 4 Doppelkehlnaht t1 > 2 t2 > 2

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1.03 Seite 9

5. Flammrichten Mit dem Flammrichten kann man die durch das Schweißen bedingte Quer-Längsschrumpfung sowie den Winkelverzug schnell und werkstoffschonend beseitigen. In Schweißbetrieben ist das Flammrichten eine bewährte Fertigungsmethode. Das Verfahren ist einfach anzuwenden, Voraussetzung ist jedoch eine gute Personenqualifikation. Das Flammrichten wird nach DIN 8522 wie folgt beschrieben: Beim Flammrichten wird das Werkstück örtlich erwärmt. Dabei tritt infolge behinderter Wärmedehnung eine bleibende Stauchung ein. Beim Abkühlen entstehen in der gestauchten Zone Kräfte, die zu der gewünschten Formänderung führen.

Das Flammrichten beruht darauf, dass sich alle Metalle bei Erwärmung ausdehnen und zusammenziehen, wenn sie abkühlen (freie Drehung und Schrumpfung).

Erwärmung eines frei aufliegenden Stabes. Der Stab dehnt sich aus. Wenn die Flamme entfernt wird, kühlt der Stab ab und zieht sich auf die ursprüngliche Länge zurück. Wärmewirkung beim Flammrichten

1. Örtlich scharf begrenzt erwärmen

Das Erwärmen soll schnell erfolgen, es muss ein Wärmestau erzielt werden. Die Höhe der Temperatur ist werkstoffabhängig. Der Werkstoff muss bis in den plastischen Bereich erwärmt werden. Stähle 550 – 700 °C (Dunkelrotglut) Leichtmetalle 350 – 400 °C (Holzspanprobe)

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1.03

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Seite 10

2. Stauchen der erwärmten Zone durch behinderte Wärmedehnung

Es ist eine optimale Dehnungsbehinderung wichtig. Die kalte Umgebung ist die natürlichste Dehnungsbehinderung. Eine zu lange Erwärmung (falsche Brennerauswahl; falsches Brenngas) verschlechtert die Dehnungsbehinderung. Reicht die Behinderung der Wärmeausdehnung durch die kalte Umgebung nicht aus, so sind mechanische Hilfsmittel sinnvoll. Hilfsmittel sollen nicht spannen, sondern nur festhalten.

Lochplatte zum Richten von Dünnblechfeldern

Als Ergebnis bauen sich Druckspannungen auf. Es kommt zur plastischen Verformung.

3. Schrumpfen, Verkürzen nach Abkühlen

Das Resultat des Flammrichtens wird erst sichtbar, wenn das Material bis auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Normalerweise findet die Abkühlung an der Luft statt, aber in manchen Fällen wird die Abkühlungsgeschwindigkeit durch das Kühlen mit Wasser vergrößert. Dies ist sinnvoll, bevor das nächste Wärmeprofil gesetzt wird.

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1.03

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Seite 11

Praktische Durchführung Abhängig vom Teil, das gerichtet werden soll, wird die Wärme in verschiedenen Wärmefiguren eingebracht.

Wärmepunkt z. B. Richten von dünnen Blechen oder Rohren

Der Wärmepunkt ist so klein wie möglich zu halten. Von der Einspannung zur Mitte des Blechfeldes richten.

Wärmeoval z. B. Rohrrichten

Das Wärmeoval wird durchgewärmt und in Längsrichtung der Rohrachse angeordnet.

Wärmestrich – Wärmepunkte z. B. einseitige Aufschweißung richten

Der plastische Bereich darf höchstens bis zu einem Drittel in die Blechtiefe hineinreichen. Die Punktreihe biegt schwächer.

Wärmekeil z. B. Profile richten

Der Wärmekeil ist lang und schmal. Es wird von der Spitze ausgehend bis zur Grundfläche hin gleichmäßig auf Richttemperatur gewärmt.

Je nach Bauteilform ist eine Kombination dieser Erwärmungsarten sinnvoll.

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Geräte Der Flammrichtbrenner wird ausgewählt nach Anwendungsfall und Werkstückdicke. Einflammenbrenner einer normalen Schweißausrüstung Er ist der gebräuchlichste Brenner zum Richten mit Wärmepunkten, -strichen, -keilen oder -ovalen. Mehrflammenbrenner Er wird zum Richten mit Wärmestrichen, -keilen und -ovalen an Werkstücken ab etwa 20 mm Wanddicke eingesetzt. Sonderbrenner Er wird in Form und Leistung für die jeweilige Flammrichtaufgabe ausgelegt und kommt z. B. beim Richten von Großrohren oder dickwandigen Werkstücken zum Einsatz. Umschaltbare Flammenbrenner Er wird zum Beseitigen von Winkelverzug, zum Richten von Wänden und Decks im Schiffbau und von Stahlbaukonstruktionen eingesetzt. Es werden umschaltbare 2-3- oder 3-5-Flammenbrenner eingesetzt. Die Größe der Flammrichtbrenner wird durch die Werkstoffart und die Blechdicke bestimmt. Für Bleche bis 3 mm wird die Brennergröße wie beim Schweißen gewählt. Bei Blechdicken > 3 mm muss die Blechdicke s mit 2 bis 2,5 multipliziert werden. z. B. S = 10

Werkstoff

Wärmeleitzahl J/cm s ⋅C

Mittl. spezif. Wärme J/g C

Brennereinsatzgröße (nach DIN 8543)

Stähle und Stahlguss, unlegiert

0,55

0,6

normal

Nickelwerkstoffe

0,63

0,5

normal

Nichtrostende Stähle

0,147

0,5

kleiner (eine Brennergröße)

Titanwerkstoffe

0,175

0,6

kleiner (eine Brennergröße)

Aluminium und Legierungen

2,117 1,5

1,0

größer (eine Brennergröße)

Kupfer und Legierungen

3,95

0,4

größer (1 bis 2 Größen)

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1.03 Seite 13

Anwendungsbeispiele

a) b) c) d) e) f)

Richten einer verzogenen Platte Richten eines verformten Rahmens Richten eines verdrehten Trägers Richten eines Rohrflansches aus dünnem Blech Richten einer Säule Einziehen eines dickwandigen Zylinders

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1.03 Seite 14

6. Flammwärmen Unter dem Begriff „Flammwärmen“ kann man alle Anwendungen nennen, bei denen die Flamme Wärme in ein Werkstück einleitet, ohne ihn zu schmelzen. Beispiele:

das Flammrichten das Vorwärmen beim Schweißen das Flammhärten das Flammwärmen zur Warmformgebung

Das „Flammwärmen“ wird nach DIN 8522 wie folgt beschrieben:

Beim Flammwärmen wird das Werkstück erwärmt, um seine Eigenschaften zu ändern, zum Beispiel den Formänderungswiderstand zu vermindern oder zu verändern. Das Flammwärmen wird auch zum Vorwärmen beim Schweißen, Schneiden und bei verwandten Verfahren angewendet.

Beim Schweißen von bestimmten legierten Stählen – vor allem bei dicken Materialstärken – muss vorgewärmt werden, um Aufhärtungen zu vermeiden. Das Brennschneiden erfordert ebenfalls ein Vorwärmen bei Stählen, die zur Aufhärtung neigen. z. B. Bleche > 30 mm aus S355 während des Schneidvorganges auf 80 – 120 °C vorwärmen Infolge zu hoher Abkühlungsgeschwindigkeit kann sich in der Wärmeeinflusszone Martensit bilden. Hierdurch können Härterisse entstehen. Die Vorwärmtemperatur ist werkstoffabhängig. Sie liegt im allgemeinen bis 200 °C für Kohlenstoffstähle und zwischen 100 – 400 °C für legierte Stähle. Mehr Informationen erhält man aus den Datenblättern der Stahlhersteller.

Vorwärmen in Verbindung mit dem Unterpulverschweißen

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1.03 Seite 15

Das Flammwärmen wird auch bei der Warmformgebung, z. B. beim Biegen von Rohren, Aushalsen von Rohren usw. eingesetzt. Hierbei wird der zu verformende Bereich örtlich auf die richtige Temperatur erwärmt. Die Warmformtemperatur liegt bei ca. 900 °C. Es werden zur Warmformgebung einfache Schweißbrenner als auch Spezialbrenner eingesetzt. Beim Wärmen sehr großer Teile sind die Brenner oft wassergekühlt und der Zünd- und Löschvorgang erfolgt automatisch.

Aushalsen von Rohrleitungen für Rohranschlüsse

Das Flammwärmen kann von Hand als auch mechanisiert durchgeführt werden. Mit der Mechanisierung wird eine reproduzierbare Produktqualität, höhere Sicherheit sowie eine Verbesserung der Arbeitsbedingung erreicht. Die Messung der Temperatur wird mit Thermo-Color-Stift, Feder- oder Kontakt-Thermometer vorgenommen. Bei der Auswahl der Brenngase für die unterschiedlichen Verfahren müssen bestimmte Faktoren in Betracht gezogen werden: 1. Ist ein schneller und konzentrierter Wärmevorgang von Bedeutung? 2. Ist das Durchwärmen des Werkstücks von Bedeutung?

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Seite 16

7. Flammstrahlen Beim Flammstrahlen werden mit Hilfe von Brenngas-Sauerstoff-Brennern unerwünschte Oberflächenschichten, arteigene (Rost, Zunder) oder artfremde Stoffe (Beschichtungen), durch Reduzierung, Verbrennung oder Ablösung von der Werkstoffoberfläche (Stahl, Beton) entfernt. Geräte und Zubehör

1. Flammenstrahlbrenner Der aus dem Griffstück und Brennereinsatz bestehende Flammenstrahlbrenner arbeitet nach dem Saugprinzip (Injektorbrenner). Der Flammenstrahlbrennereinsatz unterscheidet sich je nach Verwendungsart in den nachgenannten Breiten.

Es gibt Hand- und Maschinenbrenner.

Brennerbreite [mm]

Acetylenbedarf [l/h]

Sauerstoffbedarf [l/h]

50

1000

1250

100

2000

2500

150 200

3000 4000

3750 5000

250

5000

6250

500

5000

6250

750

7600

10000

Handbrenner

Maschinenbrenner

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1.03 Seite 17

Beim Handbrenner sind die Düsen in den Brennerkopf eingearbeitet.

Beim Maschinenbrenner werden verschraubbare Einzeldüsen verwendet.

Die Flammenstrahlbrenner haben folgende Kennzeichnung: • • • •

Hersteller Sauerstoffdruck Art des Brenngases Mischsystem

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2. Druckminderer und Schläuche Schläuche müssen der EN 559 entsprechen bis Brennerbreite 150 mm

→

Sauerstoffschlauch-Innendurchmesser 6,3 mm Acetylenschlauch-Innendurchmesser 8,0 mm

ab 200 mm Brennerbreite

→

Sauerstoffschlauch-Innendurchmesser 10,0 mm Acetylenschlauch-Innendurchmesser 12,5 mm

Druckminderer für Sauerstoff müssen vom Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften anerkannt sein und ein Prüfzeichen tragen. Druckminderer für Acetylen tragen eine Bauartzulassungsnummer.

3. Sicherheitseinrichtungen Sauerstoffseitig ist keine Absicherung vorgeschrieben. Empfohlen wird jedoch der Einbau einer Einzelflaschensicherung zwischen Griffstück und Schlauch. Die Acetylen-Entnahmestelle ist mit einer bauartzugelassenen trockenen Gebrauchsstellenvorlage auszurüsten. Bedienung der Geräte und Brenner Die Gasdrücke sind entsprechend den Angaben auf dem Flammenstrahlbrenner, bei geöffneten Ventilen am Griffstück, am Druckminderer einzustellen. Das Zünden des Gasgemisches kann erfolgen, indem zuerst das Sauerstoffventil (¼ Umdrehung) und anschließend das Brenngasventil (etwa 1 Umdrehung) geöffnet wird.

Die erforderliche Arbeitsflamme mit Sauerstoffüberschuss wird wie folgt eingestellt: – – – –

Regulierung der normalen Flamme mit Hilfe der Brennerventile Kennzeichnung der Flamme: scharf abgegrenzte, weißleuchtende Flammenkegel Sauerstoffventil weiter öffnen, bis die Flamme abhebt Kennzeichnung der Arbeitsflamme: scharf abgegrenzte, spitze, verkürzte, bläulich leuchtende Flammenkegel; abreißende Flamme

Normale (neutrale) Flamme

Arbeitsflamme

Bei der Beendigung der Arbeiten ist zuerst das Brenngasventil, dann das Sauerstoffventil am Brennergriffstück zu schließen. Bei Flammenrückschlägen mit pfeifendem Geräusch im Flammenstrahlbrenner ist sofort das Sauerstoffventil und dann das Brenngasventil zu schließen.

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1.03 Seite 19

Arbeitstechnik Der Flammenstrahlhandbrenner wird nach der Einstellung leicht auf die zu bearbeitende Oberfläche aufgesetzt. Dabei gleitet der Brennerkopf auf dem Beton oder Stahl. Beim Maschinenbrenner haben die Düsen einen Abstand von etwa 1,2 bis 2 cm vom Beton. Der Flammenstrahlbrenner muss zur Oberfläche einen Neigungswinkel von etwa 45 ° haben und die Spitzen der Flammenkegel müssen die Oberfläche berühren.

Der Flammenstrahlbrenner darf nicht verkantet aufgesetzt werden, die Flamme muss gleichmäßig über die ganze Breite des Brenners wirken.

Bei Stahl ist ein Schrägstellen des Brenners in Vorschubrichtung erforderlich, dagegen bei Beton nicht. Der Brennervorschub beträgt auf Stahl 3,0 bis 5,0 m/min, auf Beton 1,0 bis 3,0 m/min.

Weitere Hinweise:

DVS 0301 DVS 0302

„Flammenstrahlen von Stahl und Flammphosphatieren“ „Flammenstrahlen von Beton“

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1.03 Seite 20

8. Gaspressschweißen Das Gaspressschweißen dient zum Stumpfschweißen von Rundprofilen, wie Bewehrungsstähle, unter Einsatz von Verbrennungswärme und Kraft. Der Einsatz kann gut auf Baustellen erfolgen, da diese Geräte gut transportabel sind.

Die Verbindungsenden werden mit oder ohne Stirnflächenabstand, mit Ring- oder Flächenbrenner erhitzt und anschließend axial, meist hydraulisch, gegeneinander gepresst.

1. Geschlossenes Verfahren Bei dem geschlossenen Verfahren werden beide Teile vor Beginn der Schweißung zusammengepresst und durch einen Ringbrenner erwärmt. Durch die Erwärmung dehnt sich der zu verschweißende Werkstoff aus, wodurch die Presskraft erhöht wird. Bei Temperaturen von 1200 ... 1250 °C verbinden sich beide Teile miteinander.

2. Offenes Verfahren Hier wird ein Flächenbrenner zwischen den beiden zu verschweißenden Stirnflächen der Werkstücke angeordnet. Der Brenner erwärmt die Werkstücke bis auf Schmelztemperatur. Ist dies erreicht, wird der Brenner aus der Fuge geschwenkt und die beiden Teile werden zusammengepresst.

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1.03 Seite 21

9. Trennen mit der Sauerstofflanze Das Brennbohren mit Sauerstofflanze ist ein thermisches Trennverfahren. Es findet Anwendung zum Brennbohren von mineralischen oder metallischen Werkstoffen. Zum Brennbohren werden SauerstoffKernlanzen oder Sauerstoff-Pulverlanzen eingesetzt, wobei vornehmlich Kernlanzen zum Einsatz kommen. Geräte und Zubehör

L AN Z E N G R I F F S T Ü C K Das Griffstück muss mit einem Absperrventil und einem Schlauchanschluss nach DIN EN 560 ausgerüstet sein. Die Dichtheit zwischen Griffstück und geklemmter bzw. eingesetzter Lanze muss sichergestellt sein. S AU E R S T O F F V E R S O R G U N G – je nach Bedarf – Einzelflasche – Flaschenbatterie oder -bündel – Kaltvergaser DRUCKMINDERER UND SCHLÄUCHE Flaschendruckminderer müssen der DIN EN 585 entsprechen und ein berufsgenossenschaftliches Prüfzeichen tragen. Schläuche müssen der DIN EN 559 entsprechen. KERNLANZE bestehend aus Stahlrohr mit Metallstäben. Die Metallstäbe müssen während der gesamten Brenndauer fest im Rohr verankert sein. Die Stahlrohre müssen einen Betriebsdruck von 24 bar widerstehen. Alle Teile müssen öl- und fettfrei sein!

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1.03

Sonderverfahren der Autogentechnik

Seite 22

Arbeitsweise Nach dem Entzünden (Entzündungstemperatur ca. 1300 °C) mit Hilfe eines Schweiß- oder Schneidbrenners wird die Sauerstoff-Kernlanze gegen den Werkstoff (Beton, Stein, Metall) gedrückt. Durch die ständige Verbrennung des Eisens im O2-Strom ist genügend Wärme vorhanden, den Werkstoff örtlich aufzuschmelzen. Das entstehende Eisenoxid bildet mit dem Werkstoff (z. B. Gesteinsschmelze) eine dünnflüssige Schlacke, die vom Sauerstoffstrom wegbefördert wird. Auf diese Weise entsteht eine Bohrung, die beliebig tief eingebracht werden kann.

Leistungsdaten (Anhaltswerte) Lanzenrohrdurchmesser

Kerndrähte

Sauerstoff

Außen [mm]

Innen [mm]

Anzahl

Durchmesser [mm]

Druck [bar]

Verbrauch [m³/h]

17

12

30

2

12

25 – 30

17

12

10

3

10

25 - 30

10. Literatur /1/ Fachkunde für Schweißer, Band 1 /2/ Linde - Tipps für den Praktiker /3/ DVS-Lehrgang: Schweißfachmann Gasschweißen

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1.04

Grundlagen der Elektrotechnik

0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Seite 1

Inhaltsverzeichnis Ohmsches Gesetz, Leitungswiderstand, Reihenschaltung Parallelschaltung, elektrische Leistung Elektrische Arbeit (Energie), Stromwärme Kapazität, Kondensator Induktivität, Spule Elektromagnetismus Transformator Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung Kennwerte einer Wechselspannung Effektivwert (quadratischer Mittelwert) des Stromes

1 1 3 4 5 6 7 8 9 9 10 11

12. Leistungen im Wechselstromkreis, cos j

12

13. 14. 15. 16.

15 16 17 18

Dreiphasenwechselstrom - Drehstrom Diode und Gleichrichter Thyristor und Transistor Literatur

1. Ohmsches Gesetz, Leitungswiderstand, Reihenschaltung Die Darstellung der aufgeführten Themen anhand einer kleinen Beispielrechnung. Mit Hilfe eines elektrischen Rasenmähers soll eine Wiese geschnitten werden. Der Rasenmäher ist über eine Kabeltrommel an eine Schukosteckdose U = 230 V angeschlossen. Die Länge der Leitung auf der Kabeltrommel beträgt 100 m. Kann es sein, dass der Spannungsabfall über die Verlängerungsleitung so groß ist, dass die Spannung die am Motor „ankommt“ zu gering ist? Skizze

Bild 1: Reihenschaltung

Bei handelsüblichen Verlängerungsleitungen beträgt der Querschnitt der Einzelader A = 1,5 mm2. Die Leitung besteht aus Kupfer, mit einer Leitfähigkeit Kupfer ccu = 56 [m/W mm2] Die Schukosteckdose führt eine Netzspannung von Uges = 230 V œ

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1.04

Grundlagen der Elektrotechnik

Seite 2

Rm =

Motorwiderstand

RL1 =

Widerstand der „Hinleitung“

RL2 =

Widerstand der „Rückleitung“

Bild 2: Reihenschaltung mit drei Widerständen

Die Addition der Einzelspannungsabfälle über den Widerständen ist gleich der „treibenden“ Spannung. Uges = URL1 + URm + URL 2

Der Strom in einer Reihenschaltung ist in jedem Widerstand gleich groß. Ι ges = Ι RL1 = Ι Rm = Ι RL 2

Der Gesamtwiderstand ist gleich der Summe der Teilwiderstände R ges = RL1 + R m + RL 2

Somit kann der Spannungsabfall über den Zuleitungen nach dem Ohmschen Gesetz berechnet werden. I=

U R

Ã

Uabf = I ges ¼ (RL1 + RL 2 )

(RL1 + RL2 ) =

Gesamtwiderstand der Verlängerungsleitung

Der Leitungswiderstand wird berechnet nach Leitungswi ders tan d =

RL =

Gesamtleit ungslänge Leitfähigk eit ⋅ Querschnit t

Länge

I

[m]

Leitfähigkeit

c (Kappa)

Î m Þ ÏÐ W¼ mm2 ßà

Fläche

A

[mm ]

2

I c¼A

Das Problem der unzulässig hohen Spannungsabfälle im Reihenstromkreis kann im Schweißstromkreis zu Verringerung der Lichtbogenleistung führen. Zu hohe Widerstände beim Stromübergang in den Stromkontaktdüsen, in Querschnitt und Länge falsch ausgelegte Sekundärleitungen sowie verschmorte oder nicht richtig passende Steckkontakte sind hierfür Beispiele.

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1.04

Grundlagen der Elektrotechnik

Seite 3

2. Parallelschaltung, elektrische Leistung Drei elektrische Verbraucher sollen gemeinsam an einer Schukosteckdose betrieben werden, die mit einer I = 11 A Schmelzsicherung abgesichert ist. Die Typenschilder weisen folgende Leistungsaufnahme auf: Betonmischer Heizstrahler Lichtstrahler

P1 = P2 = P3 =

1000 W 1500 W 500 W

Bild 3: Parallelschaltung von drei Widerständen

Frage: Reicht die 11A Schmelzsicherung für den Gesamtstrom Iges? Die elektrische Leistung erhält man, indem man die am Verbraucher anliegende Spannung mit der Stromaufnahme multipliziert. Pel = U ⋅ Ι

[W ]

In einer Parallelschaltung liegen alle Widerstände an der selben Spannung. Uges = UR1 = UR 2 = UR 3 Der Gesamtstrom ist gleich der Summe der Teilströme. Ι ges = Ι R1 + Ι R 2 + Ι R3 Der Kehrwert des Gesamtwiderstandes ist gleich der Summe der Kehrwerte der Einzelwiderstände. 1 1 1 1 = + + R ges R1 R 2 R 3 Der Gesamtwiderstand ist kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. Ist der Gesamtstrom höher als 11 A? Iges =

Uges R ges

=

= ____ A

bzw.

Iges =

P1 + P2 + P3 = Uges

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= ____ A

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1.04 Seite 4

3. Elektrische Arbeit (Energie), Stromwärme Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten. Mittels eines Elektromotors soll ein Behälter mit einem Gewicht (Gewichtskraft) von F = 4186 N um s = 1 m angehoben werden.

Bild 4: Elektrische Arbeit, mechanische Arbeit, Stromwärme

Dazu muss der Generator, der den Motor speist, für einen Zeitraum von t = 18,2 s eine Spannung von U = 230V und einen Strom von I = 1A abgeben. Elektrische Arbeit

Wel = U ¼ I ¼ t

[ Ws]

Mit der gleichen Energiemenge, nämlich W el = 4186 Ws kann man die Masse von 1 kg Wasser um 1 K erwärmen. Die dazu benötigte Wärmemenge beträgt 1kcal bzw. 4186 Joule. Stromwärme

Q = I2 R ¼ t

[ J]

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1.04 Seite 5

4. Kapazität, Kondensator Unter einem Kondensator versteht man zwei ungleichartig elektrisch geladene Körper, die einen bestimmten Abstand voneinander besitzen. In den meisten Fällen sind es parallel zueinander stehende Platten. Der Kondensator hat die Fähigkeit elektrische Energie, zeitlich begrenzt, in Form eines elektrischen Feldes speichern zu können. Seine Kapazität und die Höhe der angelegten Spannung bestimmen wie viel Energie er speichern kann. Die Kapazität des Kondensators hängt von der Größe der Platten und ihrem Abstand, sowie dem Material zwischen den Platten ab. Bei Anlegen einer Gleichspannung fließt abgesehen von einem Ladestrom kein elektrischer Strom über den Kondensator. Nach beendeter Aufladung hat die Ladespannung des Kondensators die Höhe der Ausgangsspannung der Quelle angenommen. Strom und Spannung verlaufen bei diesem Vorgang zeitlich entgegengesetzt. Der Strom eilt vor!

Bild 5: Kondensator Aufladekurve

Größe Formelzeichen Einheit

- Kapazität -C - Farad, F [As/V]

Schaltzeichen:

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1.04 Seite 6

5. Induktivität, Spule Bei Anlegen einer elektrischen Gleichspannung an eine Spule fließt durch die Spule ein elektrischer Strom, der ein Magnetfeld erzeugt. Die Spule hat die Fähigkeit elektrische Energie, zeitlich begrenzt, in Form eines magnetischen Feldes speichern zu können. Bei Abschalten des Stromes bricht das Magnetfeld zusammen. Die Energie, welche die Spule gespeichert hat, wird wieder abgegeben. Strom und Spannung an der Spule verlaufen zeitlich entgegengesetzt, jedoch in anderer Richtung als beim Kondensator.

Der Strom eilt nach!

Bild 6: Induktivität im Gleichstromkreis

Größe Formelzeichen

- Induktivität -L

Einheit

- Henry, H

Î Vs Þ Ï Aß Ð à

Schaltzeichen-

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Seite 7

6. Elektromagnetismus Um jeden Leiter in dem ein Strom fließt, wird sich ein magnetisches Feld bilden, dass den Leiter ringförmig umschließt.

Bild 7: Verlauf der magnetischen Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter

Formt man den Draht zur Spule, so entsteht ein dem Stabmagneten ähnliches Feld.

Bild 8: Verlauf der magnetischen Feldlinien bei einer Spule

Zwei parallel verlaufende stromdurchflossene Leiter erzeugen eine Kraftwirkung STROM

Ã

MAGNETISCHES FELD

Ã

KRAFT

Zwischen Stromleitern mit gleicher Stromrichtung wirken anziehende, mit entgegengesetzter Stromrichtung abstoßende Kräfte.

Bild 9: Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen parallelen Leitern

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Seite 8

7. Transformator Magnetischer Fluss Jeder stromdurchflossene Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Die Intensivität des Magnetfeldes, der magnetische Fluss F [sprich phi] wird wie folgt berechnet: F=

Z = Scheinwide rstand [Ω]

I 1 ¼ N1 Rm

Φ = magnet. Fluss [Vs] Ι 1 = Primärstrom [A ] N1 = Windungsza hl auf der Primärseite A R m = magnetisch er Widerstan d    Vs  4,44 = 2 ⋅ π f = Frequenz [H 2 ]

U2 = N2

DF Dt

Bild 10: Aufbau eines Transformators

Spannung à Strom U  U1 ⇒ Ι 1  1  Z

à magnetischer Fluss

à Spannung

Ι ⋅N  ⇒ Φ 1 1   Rm 

 ∆Φ  ⇒ U2 N2 oder U2 = 4,44 ⋅ Φ ⋅ N 2 ⋅ f ∆t  

Induktionsspannung In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn sich in dieser Spule der magnetische Fluss F ändert. U 2 induzierte Spannung [V ]

∆Φ magnet. Flussänderung [Vs]

∆t Zeit [s] N 2 Windung szahl auf der Sekundärse ite

Transformatorgesetz U1 N1 I 2 = = U2 N2 I1

Bild 11: Verlauf der elektromagnetischen Größen bei einem Transformator

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Seite 9

8. Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld Stromdurchflossene Leiter werden im Magnetfeld abgelenkt.

Bild 12: Auslenkung eines stromdurchflossenen Leiters im Magnetfeld

Induktion der Bewegung (Generatorprinzip) Wird ein Leiter in einem Magnetfeld senkrecht zum Magnetfeld bewegt, so wird in ihm während der Bewegung eine Spannung erzeugt (induziert).

Bild 13: Spannungserzeugung durch Bewegung eines Leiters im Magnetfeld

9. Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung Die wichtigste Möglichkeit zur Erzeugung einer sinusförmigen Spannung bietet das Prinzip der Induktion der Bewegung, bei der mechanische Arbeit in elektrische Energie gewandelt wird. Um dies zu erreichen, muss ein Leiter in einem Magnetfeld gedreht werden.

Bild 14: Anordnung zur Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung

Bei gleichförmiger Drehung einer Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld ändern sich die induzierte Spannung und die Stärke des Induktionsstromes wie der Sinus des Drehwinkels.

Bild 15: Induzierte Momentanspannungen in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Leitschleife

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Seite 10

10. Kennwerte einer Wechselspannung Amplitude, Augenblickswert

Bild 16: Amplitude und Momentanwert bei sinusförmigen Wechselspannungen

Die Amplitude (Maximalwert, Scheitelwert) stellt den Höchstwert einer Sinusfunktion dar. Die Amplitude der Spannung wird mit û (sprich: u-Dach) gekennzeichnet. Augenblickswert (Momentanwert) ist der im betrachteten Augenblick vorhandene Wert. Augenblickswerte der Spannung werden mit u gekennzeichnet. Das Gleiche gilt natürlich auch für die entsprechenden Ströme. Periode, Frequenz, Phase

Bild 17: Periode und Periodendauer bei sinusförmiger Wechselspannung

Periode, Periodendauer Die positive und die negative Halbwelle zusammen, d.h. das Hin- und Herpendeln der Elektronen, bezeichnet man als Schwingung oder Welle oder Periode. Die Zeitdauer, die zum Durchlaufen einer Periode benötigt wird, bezeichnet man als Periodendauer T. Die Periodendauer wird in Sekunden angegeben. Frequenz Die Frequenz gibt die Zahl der Perioden an, die in einer Sekunde durchlaufen werden. Die Einheit der Frequenz ist das Hertz (Kurzzeichen: Hz). Somit gilt: 1 Hz ist 1 Schwingung in 1 Sekunde f Frequenz in Hz T Periodendauer in s 1 Hz =

1 s

f =

1 T

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1.04 Seite 11

11. Effektivwert (quadratischer Mittelwert) des Stromes Der Effektivwert (wirksamer Wert) eines Wechselstromes ist der Zahlenwert, der in einem Widerstand die gleiche Wärmewirkung hervorruft, wie ein gleich großer Gleichstrom. Die Wärmearbeit in einem Widerstand R Q = I2 ¼ R ¼ t

lässt sich grafisch veranschaulichen. Man geht dabei zweckmäßig von einem Widerstand R = 1 W und einer bestimmten Zeitdauer t = T aus. Gleichstrom-Wärmearbeit

Bild 18: Ermittlung der Gleichstrom/Wechselstrom-Wärmearbeit

Der Flächeninhalt des Rechteckes I 2 ¼ T versinnbildlicht die Wärmearbeit, die der Gleichstrom I in der Zeit T im Widerstand R = 1 W verrichtet hat. Wechselstrom-Wärmearbeit

Bild 19: Darstellung der Wechselstrom-Wärmearbeit

Bild 20: Umlegen der Fläche der WechselstromWärmearbeit in einem Rechteck mit gleicher Fläche

für sinusförmige Wechselströme gilt:

allgemein gilt:

I eff =

$i = 0,707 ¼ $i 2

I eff =

1 T2 × i ¼ dt T o

Eine weitere Möglichkeit den Mittelwert (Zahlenwert) eines Stromverlaufes zu bestimmen ist die Berechnung des arithmetischen Gleichrichtwertes. −

Ι=

1T ∫ / i /⋅ dt T0

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12. Leistungen im Wechselstromkreis, cos j Ein idealer Transformator mit einem Wirkungsgrad von 100 %, (keine thermischen Verluste), einem Übersetzungsverhältnis von ü = 100 und einem cos j (sprich phi) von 0,84 wird an eine Versorgungsspannung von 100 V angeschlossen.

Bild 21: Messaufbau zur Ermittlung der Höhe des cos j

Die elektrische Leistung, die im ohmschen Widerstand auf der Sekundärseite in Wärme umgewandelt wird, kann berechnet werden nach: P = I 2 ¼ R = (10A ) ¼ 0,1W = 10 W 2

P Wirkleistung [ W ]

oder P = I ¼ U = 10A ¼ 1 V = 10 W

Die Leistungsaufnahme (Primärseite) des Transformators beträgt S = U ¼ I = 100V ¼ 0,119A = 119VA ,

S Scheinleistung [ VA ]

Da der Transformator keine eigenen Wärmeverluste hat, bleibt die Frage nach der Differenz zwischen Leistungsaufnahme und Abgabe. Leistung bei Wirklast Strom und Spannungsverläufe sind phasengleich, die Nulldurchgänge finden zum gleichen Zeitpunkt statt. Multipliziert man zusammengehörige Augenblickswerte von Spannung und Strom, so erhält man die Augenblickswerte der Leistung. Bildet man über diesen den arithmetischen Mittelwert, erhält man die Wirkleistung. Wirkleistung

P = U ¼ IR

Format Bild 22: Strom-, Spannungs- und Leistungsverlauf bei Wirklast

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Leistung bei einer idealen Spule (induktive Belastung) Strom und Spannungsverläufe sind nicht phasengleich, die Nulldurchgänge finden zu unterschiedlichen Zeitpunkten statt. Der Strom eilt der Spannung um 90° nach. Die Leistungskurve weist positive und negative Leistungszeitflächen auf. Da positive Leistung gleichbedeutend ist mit aus dem Netz entzogener Leistung, muss negative Leistung entsprechend an das Netz zurückgegebene Leistung sein. Bild 23: Strom-, Spannungs- und Leistungsverlauf bei induktiver Belastung

Die Leistung, die kurzzeitig dem Netz entzogen wird, dient zum Aufbau des Magnetfeldes der Spule; die Leistung, die anschließend wieder zurückgeliefert wird, entsteht beim Zerfall des Magnetfeldes. Die Energie pendelt also dauernd zwischen Generator und Verbraucher hin und her. Man nennt diese nicht in Wirkung (Wärme, Licht) wandelbare Leistung induktive Blindleistung. Der arithmetische Mittelwert der Leistungskurve ist gleich Null, das bedeutet die Wirkleistungsaufnahme ist gleich Null. Induktive Blindleistung QL = induktive Blindleistung [ var ] Q L = U ¼ IL IL = induktiver Strom Der zur Berechnung der Blindleistung eingesetzte induktive Blindstrom eilt der Spannung um 90° el. nach. Werden Kondensatoren eingesetzt, tritt kapazitiver Blindstrom auf. Bei der Multiplikation des, der Spannung um 90° el vorauseilenden kapazitiven Blindstroms IC mit der Spannung U, erhält man die kapazitive Blindleistung QC. QC = U ⋅ IC

QC = kapazitive Blindleistung IC = kapazitiver Strom

Leistung bei Belastung durch Wirkwiderstand und induktiven Widerstand Bei dem Beispiel der mit 100 V gespeisten Transformatorschaltung wird das Netz belastet durch Wirk- (Widerstand R) und Blindleistung. Die resultierende Gesamtleistungsaufnahme wird mit Scheinleistung bezeichnet. S = U¼ I

Strom und Spannungsverläufe sind auch bei dieser Belastungsart nicht phasengleich, die Nulldurchgänge finden zu unterschiedlichen Zeitpunkten Bild 24: Strom-, Spannungs- und Leistungsverlauf einer verlustbehafteten Spule statt. Der Strom eilt der Spannung um einen Phasenverschiebungswinkel 0° < j < 90° nach. Die Leistungskurve weist positive und negative Leistungszeitflächen auf, die aber nicht gleich groß sind. Die Leistungskurve verläuft im wesentlichen oberhalb der Zeitachse. Es treten also Wirk- und Blindleistungen auf. Bildet man über die Leistungskurve den arithmetischen Mittelwert, erhält man den Wirkleistungsanteil.

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Die Scheinleistung kann ermittelt werden nach S= P +Q 2

2

S P Q

Scheinleistung Wirkleistung Blindleistung

[VA] [W] [var]

demnach können die Leistungen auch in ein Leistungsdreieck eingesetzt werden.

Bild 25: Leistungsdreieck

In dem Leistungsdreieck kommt dem Winkel j bzw. dem Cosinus des Winkels eine besondere Bedeutung zu. Er stellt den Leistungsfaktor der Schaltung dar. cos j =

Wirkleistung Scheinleistung

Da die Wirkleistung weitgehend mit der Schweißleistung und die Scheinleistung mit dem Anschlusswert der Stromquelle gleichgesetzt werden kann, erlaubt ein cos j nahe 1 eine gute Ausnutzung des Versorgungsnetzes.

Bei dem Beispiel der mit 100V gespeisten Transformatorschaltung beträgt der cos j cos j =

P 10,0 W = = 0,84 S 119 , VA

Dieser Wert ergibt einen Phasenverschiebungswinkel zwischen Strom und Spannung von cos j = 0,84 =$ j = 32•

Bild 26: Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung

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13. Dreiphasenwechselstrom - Drehstrom

Bild 27: Prinzipschaltung eines Drehstromgenerators

Bei der Drehung eines Magnetfeldes, werden in drei räumlich um 120° versetzten Spulen, drei um 120 ° gegeneinander phasenverschobene sinusförmige Wechselspannungen erzeugt.

Bild 28: Unverkettetes Dreiphasensystem

Bild 29: Erzeuger und Verbraucher in verketteter Sternschaltung

Zum Fortleiten einer Dreiphasenwechselspannung sind ursprünglich sechs Leitungen notwendig. Damit erhält man die unverkettete oder offene Dreiphasenschaltung. Durch das „Verketten“ der Leitungen erhält man die Sternschaltung, bei der nur die drei bzw. vier Leitungen erforderlich sind.

Bild 30: Darstellung der Dreiphasenwechselspannung

Merke: • Die 3 Phasenspannungen haben die gleiche Frequenz. • Die 3 Phasenspannungen haben den gleichen Spitzenwert. • Die 3 Phasenspannungen sind um 120° zeitlich gegeneinander verschoben.

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14. Diode und Gleichrichter Diode Dioden sind vergleichbar mit Rückschlagventilen. Es handelt sich um Halbleiterbauelemente die den elektrischen Strom in Flussrichtung durchlassen, während sie in Sperrrichtung den elektrischen Strom blockieren.

Bild 31: Einweg Gleichrichter

Bei der einfachsten Gleichrichterschaltung wird nur die positive Halbwelle dem Belastungswiderstand zugeführt, während der negativen Halbwelle fließt kein Strom durch den Verbraucher.

Bild 32: Brücken-Zweiweg-Gleichrichter

Bei der Brücken-Gleichrichterschaltung wird die negative Halbwelle der Wechselspannung durch den Gleichrichter „hochgeklappt“ und wird somit zu einer positiven Stromzeitfläche durch den Verbraucher. Beträgt bei einem Wechselstrombrückengleichrichter die Restwelligkeit (Verhältnis Wechselspannungsanteil zu Gleichstromanteil) noch W = 48 %, liegt er bei einer Drehstrombrückenschaltung nur noch bei 4.2 %.

Bild 33: Drehstrom Brücken-Gleichrichterschaltung

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15. Thyristor und Transistor Thyristor Thyristoren sind vergleichbar mit Rückschlagventile, die gleichzeitig die Durchflusszeit steuern können; sie sind also steuerbare Gleichrichterelemente. Bei der positiven Halbwelle des Wechselstroms kann Strom fließen, wenn am Thyristor eine Steuerspannung anliegt. Der Zeitpunkt, wann die Steuerspannung anliegt, kann gewählt werden (Zündzeitpunkt). Damit kann der Effektivwert der elektrischen Leistung schnell, stufenlos und fast ohne Verluste gesteuert werden. Die negative Halbwelle wird grundsätzlich gesperrt.

Bild 34: Thyristorschaltung

Bild 35: Speisespannung UAC, Zündsteuerstrom IG , Laststrom IL

Transistor Transistoren sind vergleichbar mit extrem schnell reagierenden Durchflussventilen. Sie sind also steuerbare Halbleiterelemente, die in einer Schaltzeit von wenigen Mikrosekunden Ströme bis zu 30 A je Transistor schalten können. Sie sind gewissermaßen sehr schnell veränderliche ohmsche Widerstände. Bei getakteten Stromquellen dienen sie auch als schnelle EIN/Ausschalter.

Bild 36: Transistorschaltung

Bild 37: Speisespannung UDc, Steuerstrom IB, Laststrom IL

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Die „Grundversion“ der Transistoren stellen die sogenannten bipolaren Typen. Sie zeichnen sich durch ihre leichte Ansteuerbarkeit aus. Die Feldeffekttransistoren (FET)zählen zu den unipolaren Transistoren. Sie haben einen so hohen Eingangswiderstand, dass man sie leistungslos steuern kann. Es fließt praktisch kein Steuerstrom, es wird nur eine Steuerspannung an den Eingang gelegt. In den modernen Stromquellen werden als Leistungstransistoren IGBT’s (Insulated Gate Bipolar Transistor) eingesetzt. Sie sind eine „Kreuzung“ der bipolaren Transistoren mit einem speziellen Feldeffekttransistor (MOS-FET).

16. Literatur /1/ Heinz Meister: Elektrotechnische Grundlagen; Vogel Buchverlag Würzburg

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0 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Physik des Lichtbogens 3. Spannungsverlauf im Lichtbogen 4. Wärmeentwicklung und Temperaturverteilung 5. Zünden des Lichtbogens 6. Literatur

1 1 1 4 4 5 6

1. Einleitung Der Schweißlichtbogen ist eine besondere Form der selbstständigen Gasentladung mit relativ großen Strömen (von 1 A bis 1500 A) und niedrigen Brennspannungen (von 15 V bis 50 V). Der elektrische Strom fließt über eine Gassäule (Lichtbogen). Die Gassäule ist elektrisch neutral aber leitet den elektrischen Strom. Dieses Hochtemperaturplasma erzeugt Wärmeenergien, die zum Verbinden oder Trennen von Metallen durch örtlich begrenztes Schmelzen geeignet sind. Der Schweißlichtbogen wird heute hauptsächlich in Verbindung mit • • •

Nichtabschmelzenden Elektroden (z.B. beim WIG- Schweißen) Abschmelzenden Elektroden (z.B. beim E-, MSG-, UP-Schweißen) Plasmabrennern

angewendet, um ein Schmelzbad oder eine Schweißfuge an einem metallischen Werkstück zu erzeugen.

2. Physik des Lichtbogens Lichtbogeneigenschaften: • Bei Anlegen einer hohen Spannung zunehmende Feldemission. • Im Lichtbogenplasma kommt es bei hohen Spannungen (> 1000 V/mm) zur Stoßemission • Bei hohen Temperaturen zunehmend zur thermischen Ionisation Für das Austreten von Elektronen aus dem Atom (Ionisieren) ist Arbeit zu leisten. Die Austrittsarbeit für ein Elektron ist bei den Metallen unterschiedlich. Als physikalische Einheit gilt das eV (Elektronenvolt = ein Elektron durchläuft eine Spannungsdifferenz von 1 Volt). Elektrodenaustrittsarbeit verschiedener Werkstoffe Fe Al Cu W

4,79 3,95 4,82 5,36

eV eV eV eV

Für das Verständnis der Verhältnisse beim Lichtbogenschweißen sind einige Vorstellungen über die sich im Lichtbogen abspielenden Vorgänge notwendig. Im Schweißlichtbogen finden komplizierte Entladungsvorgänge statt, die aus einer Überlagerung wechselseitig bedingter elektrischer, mechanischer, thermischer und chemischer Prozesse bestehen. Es kann zunächst eine Einteilung in Makro- und Mikroparameter vorgenommen werden. Diese sind z.B.:

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Der Lichtbogen I

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Makroparameter • Schweißstrom • Schweißspannung • Lichtbogenlänge • Temperatur und Ionisationsspannung des Lichtbogengases Mikroparametern • Zünd- und Ionisierungsvorgänge • Wechselwirkung zwischen Atomen, Elektronen und Ionen im Lichtbogen. Die Lichtbogentheorie beinhaltet die Zusammenhänge zwischen den Makro- und Mikroparametern, was besonders für die Konstruktion von Schweißstromquellen, Automaten und die Entwicklung neuer Schweißzusatzwerkstoffe von großer Bedeutung ist. 2.1 Erzeugung von Ladungsträgern Wir kennen vier Aggregatzustände der Materie. fest

flüssig

gasförmig

(Temperaturerhöhung)

Plasma

(Ionisierung)

Liegt zwischen zwei auf einen gewissen Abstand einander angenäherten Polen eines Stromkreises eine Spannung, fließt in der Regel zwischen den beiden Polen kein Strom, weil die dazwischen liegende Luft ein schlechter Leiter für den elektrischen Strom ist. Trotzdem kann unter bestimmten Bedingungen ein Stromfluss einsetzen. Dies könnte sein • wenn beispielsweise der Abstand zwischen den Polen gering und/oder • die angelegte Spannung hoch genug ist. Dazu muss die Luft zwischen den Polen zunächst elektrisch leitfähig gemacht, das heißt ionisiert werden. Dies kann im Fall der Gasentladung durch Stoßionisation geschehen. 2.2 Stoßionisation In der Luft befinden sich immer einige elektrisch leitende Teile, sie können beispielsweise aus der Höhenstrahlung stammen. Geraten sie in ein elektrisches Feld, so werden sie in Richtung auf den gegennamigen Pol beschleunigt, das heißt, ein negativ geladenes Teilchen wandert zum Pluspol (Anode), ein positives Teilchen zum Minuspol (Katode). Als Ionisierung wird die Bildung von Ladungsträgern im Gasraum zwischen Katode und Anode bestimmt. Dabei erfahren die nahezu masselosen negativ geladenen Teilchen (Elektronen), durch das elektrische Feld eine ungeheure Beschleunigung.

Bild 1: Ionisation - freie Elektronen werden im Feld beschleunigt

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Der Lichtbogen I

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Die kinetische Energie der Elektronen wird durch die Höhe der angelegten elektrischen Spannung bestimmt. Sie wird ausgedrückt in Elektronenvolt (eV). Ein Elektronenvolt ist die Energie eines Elektrons, das durch eine Spannung von 1 V beschleunigt wurde. Auf ihrem Weg zur Anode stoßen die Elektronen auf neutrale Gasatome, so dass es zur Stoßionisation kommt.

Bild 2: Ionisation - Stoßvorgang, ein Elektron wird aus dem Atom herausgelöst

Das nun positiv gewordene „Atom“ (besser positive Ion) wird im Spannungsfeld zur Katode beschleunigt. Durch das anliegende Potential kommt es in der Folge zu weiteren Stoßvorgängen.

Bild 3: Ionisation - Bildung von positiven Ionen, Voraussetzung von neuen Stoßvorgängen

Es werden weiterhin durch diese Zusammenstöße mit den Atomen Elektronen herausgeschleudert, die wiederum zur Anode strömen. Die nun positiv gewordenen Atome (positive Ionen) wandern zur Katode. -

Stimmt die Anzahl der Elektronen mit denen der Protonen in einem Atom nicht überein, so spricht man von einem Ion. Überwiegt die Ladungszahl der Protonen, so sprechen wir von einem positiven Ion. Überwiegen hingegen die Elektronen, so wird das Atom jetzt als negatives Ion bezeichnet.

Als Rekombination wird der Rückfall vom ionisierten in den atomaren Zustand im freien Gasraum bezeichnet. Dies kann an kalten Wänden (z.B. Düsen) oder im Außenraum der Gassäule auftreten. Eine auftretende Kühlung des Gasstromes führt zu einer Rekombination des positiven Ions zu einem Atom. Damit sind im Schweißlichtbogen folgende Elementarvorgänge vorhanden: • • •

Elektronenemission Ionisierung Rekombination.

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3. Spannungsverlauf im Lichtbogen Der Spannungsverlauf im Lichtbogen erfolgt nicht kontinuierlich über seine gesamte Länge, sondern unterteilt sich in drei charakteristische Bereiche. Vor der Anode baut sich eine Wolke von Elektroden auf, während sich vor der Katode eine Schicht positiver Ladungsträger bildet. Diesen Spannungsabfall an den Polen nennt man Katodenfall bzw. Anodenfall (siehe Bild 4).

Bild 4: Spannungsabfall im Schweißlichtbogen

Der Lichtbogen ist der bewegliche, stromdurchflossene Leiter des Schweißstromkreises. Weiterhin wird der Lichtbogen von äußeren Kräften, beispielsweise von Magnetfeldern, das jeden elektrischen Leiter konzentrisch umgibt, beeinflusst.

4. Wärmeentwicklung und Temperaturverteilung Ohne Zweifel, ist die Temperatur an der Anode höher als an der Katode, weil der positive Pol durch die Aufprallenergie der Elektronen stärker aufgewärmt wird. Hinzu kommt, dass der Anodenpunkt des Lichtbogens verhältnismäßig ortsfest ansetzt, während der Katodenansatzpunkt beweglich ist und die Wärme dadurch auf der Elektrodenoberfläche mehr verteilt. Die Temperaturen sind von der Zusammensetzung des Lichtbogenplasmas abhängig, z.B. Art des Schutzgases (Ar oder CO2), von den Umhüllungsbestandteilen der Elektrode (B- oder R-Typ), von den Pulverbestandteilen beim UP-Schweißen und vom Elektrodenwerkstoff. Die Tatsache, dass zwischen den Elektroden und dem Plasma Temperaturunterschiede von mehreren tausend Grad vorliegen, führt Conn zu der Annahme, dass ein unmittelbarer Kontakt zwischen Lichtbogensäule und Elektrodenwerkstoff nicht vorliegen kann, weil dies in Kürze zur Verdampfung der Pole führen würde.

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Der Lichtbogen I

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Tabelle 1: Temperaturen des Lichtbogens /nach Conn/ Temperatur in K Verfahren bzw. Bogentyp

Kohlelichtbogen an Luft (Siedepunkt von Kohlenstoff (4500 K)) Stahl-Lichtbogenschweißen (Siedepunkt von Eisen 3000 K) - nackte Elektroden - umhüllte Elektroden - Unterpulverschweißen Schutzgas-Lichtbogenschweißen - Stahlelektrode unter Ar - Wolframelektrode unter H - Wolframelektrode unter Ar Plasmaschweißen

in der Achse der Bogensäule

im Elektrodenbrennfleck

der abschmelzende Tropfen

7000...13000

4000 (Anode) 3200...4000 (Katode)

-

6000...12000 (5000...6000) (6000)

2500...3000 2300...3000

≤ 3000

(> 8000) 4000...5000 (≥ 3000)

(≤ 3000) 3000

  2800 -

(≥ 20000)

(≥ 3000)

-

Klammerwerte unbestimmt

5. Zünden des Lichtbogens Um den Lichtbogen zünden zu können ist es beim Lichtbogenschweißen gebräuchlich, Elektrode und Werkstück kurzzeitig in Berührung zu bringen. Durch diesen Kurzschluss bricht die Leerlaufspannung der Schweißstromquelle zusammen und die Stromstärke erreicht den Kurzschlusswert. Beim berührungslosen Zünden sind Zündhilfen (z.B. Hochfrequenz- oder Hochspannungsimpulse) zu verwenden. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten einen Lichtbogen zu zünden. 1. durch die Feldemission (sehr hohe Spannungen) z.B. beim WIG-Al Schweißen. 2. durch die thermische Emission (hohe Stromstärke) z.B. beim E-Schweißen

Bild 5: Emissionsarten

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Der Lichtbogen I

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5.1 Feldemission Die Zündung des Lichtbogens erfolgt ohne Berührung der Elektroden (Katode und Anode). Zum Lösen der Elektronen aus dem Atom bedarf es einer bestimmten Energiemenge. Beim WIG-Schweißen mit Wechselstrom wird der Lichtbogen mit Hilfe der Feldemission (Hochfrequenzspannung) gezündet.

5.2 Thermoemission Durch kurzzeitiges Berühren der beiden Pole erfolgt eine Zunahme der kinetischen Energie der Elektronen. Die Kontaktfläche zwischen den Polen ist verhältnismäßig klein. Demnach stehen selbst bei mechanisch bearbeiteten Kontaktflächen nicht mehr als 0,1 bis 1 % der Kontaktoberfläche in Berührung miteinander. Dies führt zu sehr hohen spezifischen Stromstärken an den Berührungspunkten. Wenn man von einer Schweißstromstärke von 200 A und einem Elektrodendurchmesser von 4 mm ausgeht, dann resultiert daraus schon bei einer Kontaktfläche von 1 % eine Stromdichte von etwa 1.600 A/mm2 und bei einer Kontaktfläche von nur 0,1 % 16.000 A/mm2. In Wirklichkeit wird die Stromdichte an den Kontaktstellen je nach dynamischer Steilheit der Stromquellenkennlinie aber um das Zweibis Dreifache höher sein.

Bild 6: Zünden des Lichtbogens

Die hohe Stromdichte führt an den Kontaktstellen zur Erwärmung (Widerstandserwärmung I2 x R x t) und zur Bildung von Metalldämpfen, die in der Lichtbogenstrecke leicht ionisierbar sind. Nach dem Kurzschluss muss die Elektrode sofort angehoben werden, um den Lichtbogen zu zünden. Die in der Lichtbogenstrecke bereits befindlichen Ladungsträger werden durch die angelegte Spannung beschleunigt und erzeugen durch Stoßionisation weitere Ladungsträger. Der Lichtbogen zündet beim Erreichen der Zündspannung und pendelt sich dann auf einen Arbeitspunkt ein.

6. Literatur /1/ Handbuch der Schweißverfahren. Düsseldorf: Dt. Verlag für Schweißtechnik. Killing; Robert: Teil 1- Lichtbogenschweißverfahren, 2. überarb. und erw. Auflage, 1991

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Der Lichtbogen II

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0 Inhaltsverzeichnis 1. Lichtbogenkennlinien 2. Regelung der Lichtbogenleistung und der Lichtbogenlänge 3. Einfluss von Magnetfeldern 4. Leistungsbereich von Schweißlichtbögen 5. Literatur

1 1 2 4 5 5

1. Lichtbogenkennlinien Die Lichtbogenkennlinie gibt das Verhältnis von Lichtbogenspannung zu Lichtbogenstromstärke an. Der Verlauf der Lichtbogenkennlinie wird durch nachstehende Einflussfaktoren bestimmt: a) die Schweißstromstärke b) die Lichtbogenlänge c) (die Lichtbogenlänge ist dabei proportional der Schweißspannung) d) Form, Werkstoff und Oberflächenbeschaffenheit von Katode und Anode e) Ionisationsgrad in der Lichtbogensäule Der prinzipielle Verlauf der Lichtbogenkennlinie wird in Bild 1 dargestellt.

Spannung

Bild 1: Verlauf der Lichtbogenkennlinie

Wie Bild 1 zeigt, hat die Kennlinie im ersten Teil, dem Ayrtonschen Bereich, einen fallenden Verlauf. Dieser Bereich wird im allgemeinen nicht zum Schweißen genutzt, sondern nur der ohmsche Bereich, in dem mit zunehmender Stromstärke auch die Spannung größer wird. Die Spannung fällt im Plasma gleichmäßig ab. Ein langer Lichtbogen hat deshalb bei gleicher Stromstärke eine höhere Lichtbogenspannung als ein kurzer Lichtbogen. Jeder Lichtbogen hat deshalb seine eigene Kennlinie, die im Schnittpunkt mit der Quellenkennlinie den Arbeitspunkt ergibt.

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2. Regelung der Lichtbogenleistung und der Lichtbogenlänge 2.1 Einstellen und Regeln von Schweißprozessen Beim Metall-Lichtbogenschweißen mit Stabelektrode verstellt der Schweißer an der Stromquelle durch Wahl einer anderen Kennlinie (Verschiebung der Kennlinie) nur die Stromstärke, während die Lichtbogenspannung vom eingehaltenen Abstand der Elektrode zum Werkstück, also von der Lichtbogenlänge abhängt. Dies trifft z.B. für das WIG-Schweißen, Plasmaschweißen und UP-Schweißen mit steil fallender Kennlinie zu. Beim MAG-Schweißen, Elektroschlacke-Schweißen und UP-Schweißen mit flach fallender Kennlinie, müssen dagegen jeweils zwei Parameter eingestellt werden, nämlich die Stromstärke (durch Veränderung der Drahtvorschubgeschwindigkeit) und die Schweißspannung (Einstellung an der Stromquelle). Die eingestellten Parameter sollen durch die Regelung relativ schnell und trägheitsarm konstant gehalten werden. 2.2 Einstellen mit flach fallender Stromquellenkennlinie Wenn man ausgehend vom Arbeitspunkt (1) in Bild 2 einen höheren Strom einstellen will, so könnte dies durch Einstellung einer höher liegenden Kennlinie mit dem Arbeitspunkt (2) geschehen. Die hieraus resultierende Veränderung der Stromstärke ist jedoch gering und die Lichtbogenspannung wird ebenfalls geringfügig größer. Einen viel größeren Anstieg der Stromstärke bei gleichbleibender bzw. annähernd gleichbleibender Spannung erreicht man bei Konstantspannungskennlinien bzw. leicht fallender Charakteristik durch Erhöhung des Drahtvorschubs. Dies führt zur Verkürzung des Lichtbogens und infolge des kleiner werdenden Lichtbogenwiderstandes zum Anstieg des Stromes im Arbeitspunkt (3). Die Lichtbogenspannung kann bei Stromquellen mit Konstantspannungscharakteristik nur durch Einstellen einer anderen Kennlinie verändert werden. Bei Erhöhen der Spannung von (U1) nach (U2) steigt dabei auch geringfügig die Stromstärke an, und der Lichtbogen wird etwas länger. Soll dieser aber gleich bleiben, muss der Strom durch Erhöhen des Drahtvorschubs zum Arbeitspunkt (4) korrigiert werden.

Bild 2: Flach fallende Kennlinie (Konstantspannungscharakteristik)

2.3 Einstellen mit steil abfallender Stromquellenkennlinie Die hierbei ablaufenden Vorgänge werden im Bild 3 erklärt. Die Lichtbogenspannung wird bei dieser Charakteristik am zweckmäßigsten über die Veränderung der Lichtbogenlänge durch den Drahtvorschub geändert. Drosselung des Drahtvorschubs führt zur Verlängerung des Lichtbogens und zum Wandern des Arbeitspunktes von (1) nach (3), das heißt zu höherer Lichtbogenspannung. Die Stromstärke wird dagegen nur durch Kennlinienverstellung eingestellt. Beim Erhöhen der Stromstärke von (1) nach (2) steigt aber auch die Lichtbogenspannung geringfügig mit an. Ist dies nicht erwünscht, muss durch gleichzeitiges Verkürzen des Lichtbogens (erhöhen des Drahtvorschubs) die Spannung wieder herabgesetzt werden (4).

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Bild 3: Steil fallende Kennlinie (Konstantstromcharakteristik)

2.4 Regelungsarten Es werden zwei Regelungsverfahren zur Gewährleistung einer vorgeschriebenen Lichtbogenlänge angewendet. Die ∆U-Regelung arbeitet mit einem Ausgleich über das Drahtvorschubsystem und die ∆I-Regelung mit dem Ausgleich über die Schweißstromquelle. 2.4.1 ∆I-Regelung Die ∆I-Regelung (auch innere Regelung genannt) wird zum Verschweißen von dünneren Drähten (∅ < 3 mm) eingesetzt. Hierzu sind Schweißstromquellen mit fast horizontalen Belastungskennlinien erforderlich, bei denen die Drahtvorschubgeschwindigkeit konstant ist. Ergeben sich Änderungen in der Lichtbogenlänge, so tritt ein Selbstregelungseffekt durch Änderung des Schweißstromes auf. Eine Lichtbogenänderung lLB1 führt zu der Arbeitspunktverschiebung A1 mit einer Schweißstromverminderung -∆IS, die zu einer Verkleinerung der Abschmelzlänge führt. Dadurch stellt sich wieder eine verkürzte Lichtbogenlänge ein. Bei einer Lichtbogenverkürzung auf lLB2 tritt eine Schweißstromerhöhung um +∆IS in Verbindung mit einer vergrößerten Abschmelzmenge auf. Danach stellt sich die Ausgangslichtbogenlänge lLB0 wieder ein. Für die Güte der Regelung ist das dynamische Verhalten der Schweißstromquelle ausschlaggebend.

Bild 4: Lichtbogenlängenregelung bei horizontaler Belastungskennlinie

Bild 5: ∆I-Regelung mit Motorsteuerung

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2.4.2 ∆U-Regelung Die ∆U-Regelung (auch äußere Regelung genannt) wird vornehmlich zum Verschweißen von Drähten und Bändern mit größeren Querschnitten (Fläche > 7 mm2) angewendet. Es sind Schweißstromquellen mit steil fallenden Belastungskennlinien erforderlich. Die Vorschubgeschwindigkeit der abschmelzenden Elektrode wird abhängig von der Lichtbogenspannung geregelt. Tritt eine Änderung der Lichtbogenlänge lLB0 im eingestellten Arbeitspunkt A0 auf, so ergeben sich durch den steil fallenden Verlauf der Belastungskennlinien der Schweißstromquelle Schweißspannungsänderungen ∆US, die im Drahtvorschubsystem Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit bewirken. Dabei bewirkt eine Verlängerung des Lichtbogens (lLB1 > lLB0) eine Arbeitspunktverschiebung zum Punkt A1, die mit einer Spannungserhöhung um +∆US begleitet ist und die Drahtvorschubgeschwindigkeit vergrößert. Nach kurzer Zeit stellt sich die ursprüngliche Lichtbogenlänge lLB0 wieder ein. In der Prinzipdarstellung wurde das einfache Prinzip der Direktsteuerung gewählt. Die Regelgüte ist vom Zeitverhalten des Drahtvorschubsystems in Verbindung mit der Neigung der Belastungskennlinie der Stromquelle abhängig.

Bild 6: Lichtbogenlängenregelung bei steil fallender Belastungskennlinie

Bild 7: ∆U-Regelung mit lichtbogenspannungsabhängiger Motorsteuerung

3. Einfluss von Magnetfeldern Jeder elektrische Leiter wird von einem Magnetfeld umgeben, dieses übt eine komprimierende Wirkung auf den Lichtbogen aus (eigenmagnetische Kompression). Dies wirkt sich beispielsweise darin aus, dass der Lichtbogen mit zunehmender Stromstärke trotz vermehrten Flusses von Ladungsträgern nicht wesentlich breiter wird. Die Kompression seines mit zunehmendem Strom sich verstärkenden Magnetfeldes verhindert dies. Das Eigenmagnetfeld verleiht dem Bogen auch mit sich vergrößernder Stromstärke eine zunehmende Steifheit, einem Widerstand gegen ein Ablenken aus der Bogenachse. Trotzdem ist der Lichtbogen als beweglicher Leiter des Stromes durch äußere und innere Magnetkräfte verhältnismäßig leicht zu beeinflussen. Dies äußert sich unter anderem in der magnetischen Blaswirkung.

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4. Leistungsbereich von Schweißlichtbögen

Bild 8: Genormte Arbeitsspannung für Schweißstromquellen nach VDE 0540; 0541; 0543

5. Literatur Conn, W.M Die Technische Physik der Lichtbogenschweißung Springer Verlag (1959)9 Handbuch der Schweißverfahren Teil I: Lichtbogenschweißen DVS-Verlag Düsseldorf/1991/

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Stromquellen für das Lichtbogenschweißen I

0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

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Inhaltsverzeichnis Einleitung Die technischen Daten (Leistungsschild) Stromquellenbauarten / Übersicht Elektrisches Verhalten einer Stromquelle / Schweißstromkreis Schweißtransformator Schweißgleichrichter Schweißstromquellen mit elektronischem Stellprinzip Schweißumformer Literatur

1 1 1 2 3 4 7 8 12 13

1. Einleitung Für die Schweißaufsichtsperson, die für die Bestellung und den Einsatz von Schweißstromquellen verantwortlich ist, stellt sich bei der Auswahl der Stromquellen eine Anzahl von Fragen: •

Ist die Stromquelle für das gewählte Schweißverfahren geeignet, Kennlinien, Stromform (Gleichstrom, Wechselstrom, Impulsstrom)

•

Schweißeigenschaften, ÅZündung, ÅAusregelung von Störgrößen, Å "Dynamik" der Quelle,

•

Leistungsstärke, reicht der Einstellbereich für die anliegende Schweißaufgabe aus

•

Einsatzgebiet hinsichtlich der elektrischen Gefährdung, Höhe der Leerlaufspannung

•

Anschlusswerte, reicht das vorhandene Energieversorgungsnetz aus (geeignete Steckdosen!)

•

automatische Fertigung (Roboteranwendung) Å geeignete Datenschnittstellen

•

Qualitätssicherung Å Datenschnittstellen für Messwerte Å Kalibriermöglichkeit

Å Qualitätsanforderungen an das Schweißergebnis

Aufstellungsort Å darf die Quelle auch im Freien verwendet werden, Schutzart

2. Die technischen Daten (Leistungsschild) Die wichtigsten „Technischen Daten“ für den Anwender sind in der Gerätebeschreibung (Betriebsanleitung) der Stromquelle nach den einschlägigen Normen für die EC-Kennzeichnung angegeben. In Kurzform sind die wichtigsten Werte auf dem verbindlichen Leistungsschild angegeben.

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Bild 1: Leistungsschild eines Schweißtransformators für das Verfahren Lichtbogenhandschweißen

Zweck des Leistungsschildes: Angabe der elektrischen Kennwerte zur Auswahl und zum Vergleich von Schweißstromquellen. Der Aufbau des Schildes ist in der EN 60974-1 (entspricht IEC 974-1 bzw. VDE 0544-1) genormt. Das Leistungsschild muss an jeder Schweißstromquelle befestigt oder aufgedruckt sein und ist in drei Teile gegliedert: 1. Oberer Teil, enthält Namen des Herstellers, Vertreibers, Importeurs und Angaben zur Kennzeichnung. 2. Mittlerer Teil, enthält Informationen zum Schweißstromkreis. 3. Unterer Teil, Angaben zum Netzanschluss.

3. Stromquellenbauarten / Übersicht Eine erste Übersicht über die Bauarten von Lichtbogenstromquellen gibt folgende Tabelle: Tabelle 1: Stromquellenbauarten / Übersicht

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Die verwendeten Symbole sind auf dem Leistungsschild der Quellen zu finden.

Bild 2: Symbol auf dem Leistungsschild - Beispiel Schweißtransformator

4. Elektrisches Verhalten einer Stromquelle / Schweißstromkreis In folgendem Beispiel soll das elektrische Verhalten einer Stromquelle / Schweißstromkreis anhand einer E-Hand Stromquelle erläutert werden. Der veränderliche induktive Widerstand der Sekundärdrossel bestimmt die Eigenschaften der Stromquellenkennlinie.

Bild 3: Simulation Schweißstromkreis mit Elektrode = 2 mm «

Der vereinfachte Sekundärstromkreis ist eine Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle (EMK) mit zwei Widerständen. Der Innenwiderstand der Stromquelle, im Beispiel der Drosselwiderstand, stellt den ersten, der Lichtbogenwiderstand den zweiten Widerstand dar. Durch Veränderung des Drosselwiderstandes (Innenwiderstand) durch den Stufenschalter wird die Neigung der Stromquellenkennlinie und damit die Schweißstromhöhe bestimmt. 8V 9

$

,V

Bild 4: Stromquellenkennlinien

Bild 5:Sekundärdrossel mit veränderbarer Induktivität

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Variiert man die Lichtbogenlänge und damit den Lichtbogenwiderstand, verändert sich auch der Gesamtwiderstand des Reihenstromkreises. Kurzer Lichtbogen d.h. kleinerer Gesamtwiderstand bei gleicher EMK ergibt einen höheren Strom. Die Steigung der Widerstandsgeraden (Lichtbogenwiderstand) wird flacher. 70

60

50

langer Lichtbogen

langer Lichtbogen

40

kurzer Lichtbogen

30 kurzer Lichtbogen 20

10

0 I II I III II IV 50

III,V 100

150 IV

200

250

250V

300 A

Bild 6: Lage der Widerstandsgeraden bei verschiedenen Lichtbogenlängen

5. Schweißtransformator Die Netzspannung beträgt in der Regel im 1-Phasen-Netz (L1+N+PE) 230 V bzw. im Drehstromnetz (L1+L2+L3+N+PE) zwischen zwei Leitern (z.B. L1 + L2) 400 V. Es sind unter den gegebenen Umständen (z.B. in der chemischen Industrie) auch abweichende Spannungen möglich! Der Schweißtransformator erfüllt im einfachsten Fall drei Bedingungen: 1. die Anpassung der Netzspannung an die Schweißspannung Å US > IN 2. die Gewährleistung „optimaler“ Schweißeigenschaften Å gutes Zünden, geringe Spritzer 3. den Arbeitsschutz Å Berührungsspannung (Leerlaufspannung) Å < 80 V AC! Die Netzabsicherungen der Standardsteckdosen, wie 16, 32, bzw. 63 A, sichert die Entnahme eines zu hohen Stromes in der Netzzuleitung. Dies bedeutet im Einzelfall auch die Begrenzung der Einschaltdauer der Stromquelle, wenn die thermische Wirkung des Stromes die Sicherungscharakteristik überschreitet. Grundsätzlich gilt aber: Die (Netz)-Sicherung dient dem Schutz der (Netz)-Leitung Å Brandschutz Je nach dem eingesetzten Schweißverfahren (E-Hand, WIG, MSG) werden die Transformatoren mit fallender oder mit flacher Kennliniencharakteristik gebaut.

Bild 7: Symbol für fallende Kennlinie im Leistungsschild

Bild 8: Symbol für Konstantspannungskennlinie

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Die Höhe des Schweißstromes Is ist abhängig von der Klemmenspannung Uk (Spannung am Ausgang der Stromquelle) und dem Lichtbogenwiderstand RL.

Is =

Uk RL

Die Spannung Uk am Ausgang des Transformators und damit die Höhe des Schweißstroms lässt sich verändern mittels: 1. Stufenschalter , Veränderung des Übersetzungsverhältnisses des Transformator Durch geeignete Stufenschalter, können Trafoanzapfungen so geschaltet werden, dass die Spannung in Stufen an den Schweißprozess angepasst werden kann. Eine robuste und sehr preiswerte Lösung für einfache Anwendungen. U 2 = U1 ⋅

Bild 9: Stufenschalter

N2 N1

U1 = Primärspannung U2 = Sekundärspannung N1 = Anzahl der Windungen auf der Primärseite N2 = Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite

2. Drosselspule mit veränderlichen induktiven Widerstand Eine Drosselspule liegt auf der Sekundärseite des Transformators. Sie besitzt einen induktiven Widerstand, an dem der Schweißstromfluss einen Spannungsabfall hervorruft. Der Drosselspulenwiderstand und der Lichtbogenwiderstand liegen in Reihe. Die gewünschte Kennlinie wird durch Veränderung des induktiven Widerstandes eingestellt (Anzapfung/Schalterstellung). Die Höhe der Leerlaufspannung ist unabhängig von der Schalterstellung (Is = 0 A). Uk = U2 - UD = U2 - ( Is ¼ XL ) Uk = Klemmenspannung am Ausgang der Stromquelle Bild 10: Drosselspule

UD = Spannungsabfall über Drosselspule XL = induktiver Blindwiderstand

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3. Verschieben eines Streukerns Die Sekundärspannung ist eine Funktion des magnetischen Flusses φN2. Durch einen Streukern (bewegliches Blechpaket), dessen Lage im Magnetkreis des Transformators mechanisch verändert werden kann, kann ein Teil des primär erzeugten magnetischen Flusses φgesamt abgeleitet werden. Das bedeutet, dass bei einer großen „Eintauchtiefe“ des Streukerns der abgeleitete Fluss am größten ist. Der magn. Fluss φN2 im Sekundärschenkel ist dementsprechend am geringsten, so dass die Sekundärspannung nun ihr Minimum hat:

U 2 = 4,44 ⋅ Φ N 2 ⋅ f ⋅ N 2 4,44 = 2 ⋅ π Bild 11: Streukern

φ = magn. Fluss [Vs] f = Frequenz [Hz ≡ 1/s] N2 = Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite

4. Transduktor

Bild 12: Transduktor

Bei den drei vorangegangenen Varianten der Leistungsstellung wird durch eine mechanische Verstellung (Schalter, Lage des Streukerns) die Ausgangsspannung des Transformators an den Schweißprozess angepasst. Ersetzt man die mechanische Verstellung des magnetischen Nebenschlusses (z. B. eines Streutrafos) durch einen elektrisch veränderbaren Magnetkreis, so erhält man den Transduktor. Der Transduktor hat eine Hilfswicklung, durch die ein Steuergleichstrom fließt und damit den magn. Fluss φ in gleicher Weise steuern kann. Es wird so die Höhe des magnetischen Nebenschlussfeldes verändert. Hierbei wird eine Eigenschaft von ferromagnetischen Werkstoffen genutzt, die darin besteht, wenn durch ein äußeres Feld eine magnetische Sättigung erreicht wird, sich dieser Werkstoff dann magnetisch wie Luft verhält. Er hat dann einen hohen magnetischen Widerstand. Der Transduktor wird auch als Magnetverstärker bezeichnet, da mit einer kleinen Leistung eine große Leistung gesteuert wird. Dieses Stellprinzip stellt die Vorstufe der elektronischen Stromquellen dar.

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6. Schweißgleichrichter

3 Bild 13: Symbol auf dem Leistungsschild

Der Schweißgleichrichter besteht aus einem Transformator und einem nachgeschalteten Gleichrichterblock. Der Gleichrichterblock wandelt den Wechselstrom in einen Gleichstrom. Die Restwelligkeit wird wesentlich durch die Gleichrichterart bestimmt. Durch die Verwendung von 3-phasigen Anordnungen (Drehstrom) kann die Welligkeit auf ca. 4 % gegenüber fast 50 % bei 1-phasigen Systemen (Wechselstrom) reduziert werden. Die Glättungsdrossel ist dann entsprechend kleiner. Sie bestimmt in ganz erheblichen Maße die Schweißeigenschaften (Zünden, Spritzerbildung). Drehstromtransformator

Gleichrichterblock

Glättungsdrossel

Bild 14: Prinzipskizze Gleichstromquelle

Netzspannung

abgesenkte Spannung

Drehstromtransformator

Gleichspannung

Gleichrichterblock

geglättete Spannung

Glättungsdrossel

Bild 15: Blockschaltbild einer Gleichstromquelle

Beim Schweißgleichrichter wird die Stufenschaltung für die Anpassung der Leistung an den Schweißprozess für einfache und robuste MSG Stromquellen noch sehr häufig angewendet. Je feinstufiger die Einstellung ist, um so mehr Schaltstufen sind erforderlich (z.B. 35 Stufen). Der Einstellbereich von leistungsstarken Quellen liegt bei: 60 A / 17 V bis 500 A / 39 V (350 A 100 % ED). Der cos ϕ beträgt 0,90 bis 0.95. Der thermische Wirkungsgrad erreicht Werte von 0,7 - 0,8.

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7. Schweißstromquellen mit elektronischem Stellprinzip Hier sind zwei Hauptgruppen zu unterscheiden: 1. Netzsynchrone Stellprinzipien (Thyristorstromquelle) 2. Elektronische Stromquellen (Transistorstromquelle) 7.1 Thyristorstromquelle Thyristorstromquellen gleichen in ihrem Aufbau den Schweißgleichrichtern (Trafo, Gleichrichter, Drossel). Die Dioden in dem Gleichrichterblock können dann entweder zur Hälfte oder voll durch Thyristoren ersetzt werden. Das Stellprinzip des Thyristors beruht darauf, dass der Thyristor wie eine Diode arbeitet, wenn er über das Gate (Steuerelektrode) während der positiven Halbwelle angesteuert wird. Durch geeignete elektronische Steuerungen lässt sich eine Stellung des Schweißstromes synchron zur Netzfrequenz erreichen. Über echte Regler können unterschiedliche Kennlinien (fallend Å stromgeregelt, flach Å gestellt bzw. spannungsgeregelt) erzeugt werden. Nachteil dieses Stellprinzips ist vor allem die erhöhte Welligkeit gegenüber ungesteuerten Gleichrichtern. Für einfache Anwendung, E-Handschweißen, WIG-Verfahren, MS-Verfahren ohne große Qualitätsansprüche werden sie auch heute noch eingesetzt. 7.2

Transistorstromquellen

Transistoren sind elektronische Halbleiterbauelemente, die als Leistungsstellglieder eingesetzt werden. Es werden 3 Typen von Transistoren unterschieden: 1. der Transistor (bipolar), 2. der MOSFET (unipolarer Transistor) und 3. das IGBT (1. + 2.). Das IGBT ist ein reiner Schalttransistor (digital), der nur den Zustand „EIN“ und „AUS“ hat, während die beiden anderen Typen auch als veränderbarer Widerstand (analog) arbeiten können. Sie lassen sich auch für größere Leistungseinheiten parallel schalten.

Gleichrichter

Leistungsteil

Transformator

Gleichrichter

Glättungsdrossel

Bild 16: Blockschaltbilder verschiedener Stromquellenbauarten mit elektronischen Stellgliedern

Es werden fünf Bauarten von Stromquellen mit elektronischen Leistungsstellgliedern unterschieden: 1. Analogstromquelle, 2. Primär getaktete Quellen ( Inverter ), 3. Sekundär getakteter Quellen, 4. Hybridform, 5. kombinierte primär und sekundär getaktete Stromquelle

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1. Analogstromquellen

3 Bild 17: Symbol auf dem Leistungsschild einer Analogstromquelle

Die Analogstromquelle verwendet den Transistor auf der Sekundärseite eines Transformators mit nachgeschalteten Gleichrichter. Er ist in Reihe mit dem Schweißlichtbogen angeordnet. Die Funktion ist vereinfacht als veränderbarer Widerstand zu betrachten. Die reale Wirkungsweise ist aber erheblich komplexer, so können auch dynamische Übergänge (elektronische Drossel) beeinflusst werden. Netzspannung

Sekundärspannung

Schweißtransformator

Gleichspannung

Gleichrichter

Impulsstrom

Leistungsteil

Bild 18: Blockschaltbild einer Analogstromquelle

Die Steuer/Regelelektronik kann innerhalb weniger Mikrosekunden über das Leistungsteil (Transistoren) den Schweißstrom in seiner Höhe und Form verändern. Störgrößenbedingte Stromschwankungen werden schnell ausgeregelt. Die Reaktionszeit liegt bei 40 µs – 50 µs. Voreingestellte Stromformen z. B. Impulsströme können erzeugt werden und somit der MSG Prozess spritzerarm und unter geringer Wärmeeinbringung gefahren werden. Diesem Vorteil steht gegenüber, dass an den Transistoren eine hohe Verlustleistung, bis zu 50 % der eingespeisten Primärenergie, entsteht, die über einen separaten Kühlkreislauf abgeführt werden muss. Entsprechend ungünstig ist der elektrische Wirkungsgrad. Mit diesem Stellprinzip lassen sich beim Schweißen alle elektrischen Größen an den Prozess anpassen. Es ist daher in Forschungsstromquelle an einigen Instituten und ähnlichen Einrichtungen noch vorhanden. Als Serienstromquelle ist sie in größeren Stückzahlen nie gefertigt worden, neben den genannten Nachteilen ist es vor allem der Preis. 2. Sekundär getaktete Stromquellen

3 Bild 19: Symbol auf dem Leistungsschild einer sekundär getakteten Stromquelle

Sekundär getaktete Stromquellen bestehen aus dem Netztrafo mit nachfolgendem Gleichrichter, erst dann kommt das Stellglied, die Transistorschaltstufe. Sie arbeitet nur mit den zwei Zuständen “EIN” und “AUS”. a) “EIN” Å geschlossener Schalter Å kleiner Durchlasswiderstand Å Strom fließt > 800 A b) “AUS” Å geöffneter Schalter Å hoher Sperrwiderstand Å Sperrstrom < 10-6 A

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Heute produzierte Stromquellen arbeiten mit Taktfrequenzen zwischen 50 kHz und 200 kHz. Das bedeutet, dass die Frequenz 1.000 bis 4.000 mal größer ist als die Netzfrequenz. Dementsprechend erhöht sich auch die Regelgeschwindigkeit, d. h. die Dynamik, insbesondere für das Impulsschweißen, verbessert sich entscheidend. Der elektrische Wirkungsgrad bestimmt sich aus den Verlusten des Transformators, Filter (Drossel, Kondensatoren) und den Verlusten in den Halbleitern, Gleichrichterdioden und Transistoren. Diese Verluste teilen sich in Durchlass- und Schaltverluste auf. Insgesamt ist aber ein Wirkungsgrad von 85 % und besser erreichbar. Netzspannung

Sekundärspannung

Schweißtransformator

Gleichspannung

Gleichrichter

getakteter Strom

Leistungsteil

geglätteter Strom

Glättungsdrossel

Bild 20: Blockschaltbild einer sekundär getakteten Stromquelle

Das Stellprinzip beruht auf einer Tastverhältnissteuerung (Pulsbreitenmodulation) zwischen “EIN” und “AUS”. So entstehen nach dem Transistorsteller Spannungsimpulse gleicher Höhe aber unterschiedlicher Breite. Durch die nachfolgende Drossel wird aus diesen Impulsen ein Gleichstrom mit einer geringen Welligkeit entsprechend dem Tastverhältnis und der Taktfrequenz erzeugt. Je nach Taktfrequenz können Regelzeiten von wenigen 100 µs erreicht werden. Impulsstromquellen, geeignet vor allem für hohe Anforderungen spezieller Schweißverfahren (z. B. Aluminium im Dünnblechbereich) werden sehr häufig mit diesem Stellprinzip gebaut. Der Stellbereich von MSG Impulsstromquellen liegt bei: 10 A / 12 V bis 550 A / 47 V (500 A 100%ED), wobei die Impulsströme ca. 800 A betragen können. Die Impulsanstiegs- bzw. -abfallzeiten können schon < 100 µs betragen.

3. Primär getaktete Stromquellen

3

f1

f2

Bild 21: Symbol auf dem Leistungsschild einer primär getakteten Stromquelle

Das Prinzip der primär getakteten Stromquellen unterscheidet sich zu den sekundärgetakteten Stromquellen vor allem darin, dass die Netzeingangsspannung zu erst gleichgerichtet wird. Dann wird nach dem gleichen Prinzip wie, siehe 2., die Gleichspannung “zerhackt”. Diese Rechteckspannung wird dann mittels Transformator an den Prozess beim Schweißen angepasst. Nach der Gleichrichtung wird mittels Drossel wieder eine Gleichspannung/-strom erzeugt. Der höhere Schaltungsaufwand gegenüber dem sekundär getakteten Inverter bringt vor allem bei Volumen und Masse erhebliche Einsparungen, siehe folgende Grafik. © 2003 Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Nachdruck und unbefugte Weitergabe sind unzulässig und werden gesetzlich verfolgt

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Bild 22: Gegenüberstellung Transformatoren von getakteten Stromquellen

Aufgrund von Taktfrequenzen oberhalb 100 kHz werden kleine Handschweißgeräte mit einer Masse von weniger als 4 Kg, bei Schweißströmen von 150 A bereits serienmäßig angeboten. Netzspannung

Gleichspannung

Gleichrichter

getakteter Strom Sekundärspannung Gleichspannung geglätteter Strom

Leistungsteil

Schweißtransformator

Gleichrichter

Glättungsdrossel

Bild 23: Blockschaltbild einer primär getakteten Quelle

Für alle primär getakteten Transistorstromquellen gilt prinzipiell, dass am Netzeingang sich ein Gleichrichter mit Pufferkondensator befindet. Diese elektrische Anordnung bedingt, dass der ”klassische” cos ϕ nur eingeschränkt bei 50 Hz gilt (übliche Werte sind • 'DIUZLUGLP5DKPHQGHU(093UIXQJHQ GHU/HLVWXQJVIDNWRU DQJHJHEHQ(UKDWGHQJOHLFKHQSK\VLNDOLVFKHQ=XVDPPHQKDQJZLHGHUELVKHULJH cos ϕ, gilt aber in einem größeren Frequenzbereich. Hintergrund ist, dass der aus dem Netz fließende Strom nicht sinusförmig ist. Durch besondere elektronische Anordnung kann dieser Strom sinusförmig umgeformt werden. Diese Stromquellen werden bereits serienmäßig für den einphasigen Netzanschluss hergestellt. Diese Stromquellen liefern bei 230 V Netzspannung eine Schweißleistung von mehr als 4 kW! Der Einstellbereich von leistungsstarken MSG Quellen liegt bei: 25 A / 15 V bis 460 A / 34 V (400A 100%ED), wobei auch hier Impulsströme von mehr als 600 A abgegeben werden. Das Gewicht beträgt ca. 80 kg. In der Leistung vergleichbare Quellen mit Stufenschalter können mehr als 200 kg wiegen. © 2003 Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Nachdruck und unbefugte Weitergabe sind unzulässig und werden gesetzlich verfolgt

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4. Hybridquellen Bei den Hybridquellen sind die Leistungstransistoren auf der Sekundärseite zu finden. Je nach der Lage des momentanen Arbeitspunktes werden die Leistungssteller in den Analogbetrieb bzw. in den getakteten Modus geschaltet. Diese Stromquellenbauarten kombinieren den guten Wirkungsgrad getakteter Quellen mit den Stabilitätseigenschaften von Analog-Quellen. 5.Kombiniert primär und sekundär getaktete Quellen Unter der Vorgabe den Schweißprozess immer präziser steuern zu können, anderseits das Gewicht und die thermischen Verluste der Quelle möglichst klein zu halten, wurden Geräte entwickelt die sowohl auf der Primär als auch auf der Sekundärseite elektronische Leistungsteile verwenden. Mit ihnen erreicht man bei der Ausregelung von Prozessstörgrößen Stromänderungsgeschwindigkeiten bis zu 4000 A/ms.

f1 3~ f1

f2

1~

Bild 24: Symbol auf dem Leistungsschild eine primär/sekundär getaktet WIG Quelle

Diese Form der WIG Stromquellen wird vor allem für das Wechselstromschweißen verwendet. Primär erfolgt die Leistungsregelung und sekundärseitig wird die Polaritätsumschaltung realisiert. Auch sekundäre Zündeinrichtung dienen der Verbesserung der Schweißeigenschaften.

8. Schweißumformer Unter dem Begriff Schweißumformer versteht man Anlagen, bei denen ein Elektro- oder ein Verbrennungsmotor einen Generator antreibt, der den Schweißstrom erzeugt.

M 3~

G

Bild 25: Umformerantrieb mit Drehstrommotor

T

G

Bild 26: Antrieb mit Verbrennungsmotor

Gleichstrom-Schweißgeneratoren sind die ältesten Schweißstromquellen zum Lichtbogenschweißen. Heute werden sie überwiegend dort eingesetzt, wo kein elektrischer Netzanschluss zur Verfügung steht z.B. auf Baustellen. Diese mobilen Geräte werden mit einem Benzin oder Dieselmotor versehen. Auf der Generatorseite werden in den Schweißaggregaten zwei verschiedene Typen eingesetzt. a.) Bürstenschweißgeneratoren erzeugen einen reinen Gleichstrom mit hoher Stabilität ohne nennenswerte Welligkeit. Dieses macht sich in geringer Spritzerbildung und gutem Nahtausehen bemerkbar. b.) Bürstenlose Schweißgeneratoren erzeugen einen Wechselstrom, der in einem nachgeschalteten Gleichrichterblock gleichgerichtet und durch Drosselspulen geglättet wird. Sein Schweißverhalten ist fast ebenso gut wie das des Bürstenschweißgenerators, wobei sich der bürstenlose Schweißgenerator besonders durch gutes Zündverhalten auszeichnet. Da er keine Kollektoren und Bürsten besitzt, ist er praktisch wartungsfrei.

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Stellprinzipien elektromagnetisch

mechanisch

elektronisch Inverter

Umformer

Stufenschaltung

Streukern

Motor / Generator

Trafo mit Gleichrichter

Trafo

>4

1

1,5 - 3

~3

~ 1,2

~2

< 0,3

~ 1.2

o

o

X

X

(x)

X

X

X

Gleichstrom (DC)

X

X

X

X

X

X

X

X

Kennlinie

h/f

h

f

h/f

h/f

u

u

u

Roboterbetrieb

N

(x)

N

(x)

X

X

X

X

Baustellenbetrieb

X

X

X

(x)

X

N

X

(x)

umschaltbar

umschaltbar

umschaltbar

umschaltbar

umschaltbar

umschaltbar

N

umschaltbar

N

N

N

N

andere Bezeichnung Masse Wechselstrom [AC)

Netzspannung Programmsteuerung Netzrückwirkung Regelverhalten Kostenverhältnis

Transduktor

Thyristorgleichrichter

> Einschaltstrom

< gering

schlecht

schlecht

schlecht

schlecht

>1

1

>1

>1

FRV

netzsynchron

FRV

analog

primär

sekundär

Transistorstromquelle

(x)

X

X

X

EMV

EMV

EMV

< EMV

~ 10 ms

< 100 µs

< 500 µs

< 500 µs

>1

>> 3

>2

>2

FRV

h - horizontale Kennlinie U --> konstant f - fallende Kennlinie I --> konstant u - universale Kennlinie, jede Kennlinienneigung programmierbar N - nein X - ja (x) - möglich

9. Literatur /1/ R. Killing, R. Schäfernolte: Elektrotechnische Grundlagen der Schweißtechnik; DVS Verlag /2/ Dr. Ing. Peter Puschner: Entwicklungstendenzen bei elektronischen Schweißstromquellen; Schweißen & Schneiden 38 (1986) Heft 2

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Inhaltsverzeichnis Stromquellenkennlinien Einschaltdauer Genormte Arbeitsspannung / Lichtbogenkennlinie Leerlaufspannung Netzanschluss der Quelle Kühlart Schutzart Literatur

1 1 5 8 9 11 12 12 12

1. Stromquellenkennlinien Es wird zwischen der statischen Kennlinie und dem dynamischen Eigenschaften einer Stromquelle unterschieden. Die statische Kennlinie informiert über die Leistungsfähigkeit des Gerätes. Bei vorgegebenen Verfahrensdaten muss die Stromquelle so eingestellt werden, dass der Schnittpunkt der Lichtbogenkennlinie mit der Stromquellenkennlinie einen stabilen Arbeitspunkt ergibt (wird noch behandelt). Die dynamischen Eigenschaften einer Quelle sind entscheidend für die Stabilität des Lichtbogens und damit auch für die Qualität der Schweißnaht. 1.1 Dynamische Eigenschaften einer Stromquelle Bei dem MSG Verfahren sind, besonders in den Betriebsbereichen Kurz- und Übergangslichtbogen, starke Spannungs- und Stromschwankungen vorhanden. Sie sind zurückzuführen auf das dynamische Verhalten des Lichtbogens. Ursache dieser Veränderungen sind beispielsweise Kurzschlüsse durch Tropfenübergang, Wiederzünden oder Metalldämpfe, sowie durch äußere Störungen wie, Drahtstottern, sich ändernder Stromkontakt, Fehler im Werkstoff und in der Schutzgasversorgung. Die dynamischen Eigenschaften der Stromquelle sind verantwortlich dafür, wie die Stabilität des Lichtbogens auf diese Störgrößen reagiert. Es lassen sich beim Lichtbogenschweißen 3 dynamische Bereiche unterscheiden: 1. 2. 3.

der Lichtbogen Å ~µs-Bereich, er wird vor allem durch die Art des Gases bestimmt. der Tropfenablösmechanismus Å ~ms-Bereich, er wird durch Gas und Werkstoff des Drahtes bestimmt das Schweißbad Å ~s-Bereich, er wird durch den Grundwerkstoff und Materialmasse (Abmessungen) bestimmt

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Stromquellen für das Lichtbogenschweißen II Konventionelle Stromquellen haben meistens eine nicht veränderbare dynamische Charakteristik. Diese ist durch die Bauart und die Größe des Transformators und der Drosselspule bedingt. Eine gewisse Flexibilität ergibt sich bei einigen konventionellen Quellen dadurch, dass die Drossel mehrere Anzapfungen haben kann, so dass mittels eines Umschalters die Induktivität des Stromkreises verändert werden kann. Geringe Induktivität bedeutet steile Stromanstiegsflanken und hohe dynamische Kurzschlussströme (Ikdyn). Dies ist z.B. erforderlich, um das Zünden beim MSG-Verfahren zu erleichtern (Drosselüberbrückung beim Zünden). Hohe Induktivitäten begrenzen den Kurzschlussstrom des Lichtbogens, verhindern aber eine schnelle Tropfenablösung durch den Pinch-Effekt. Im Bereich des Sprühlichtbogens wird durch eine große Drossel (kleine Stromwelligkeit) eine gute Lichtbogenstabilität (gleichmäßige Nahtschuppung) erreicht. Läuft bei einem Drahtelektrodendurchmesser von 1,6 mm im Kurz- oder Übergangsbereich der Lichtbogen bei hohen Drosseleinstellungen gut, kann bei einem Bild 1: 0,8 mm Draht und entsprechend verringertem Strom der abgelöste Tropfen in seinem Volumen zu groß werden.

1.06-2 Seite 2

Wiederzünden Lichtbogen brennt

A

Z Kurzschlusstropfen geht über

Lichtbogen brennt wieder

A

Zeit

I kdyn

A

A

Z Zeit

Strom- und Spannungsverlauf beim Tropfenübergang im Kurzschluss (MSG)

Bei elektronischen Stromquellen sind im Gegensatz zu den klassischen Stromquellen die Einflüsse von Drossel und Trafo des Leistungsteils bedeutungslos. Die Dynamik elektronischer Stromquellen werden durch das Steuerteil und die darin enthaltene Software festgelegt, das Leistungsteil hat in den Grenzbereichen der Quelle noch einen Einfluss auf die Dynamik, das aber in Zukunft auch noch entfallen wird. Die Drossel im Ausgangskreis ist für die Dynamik nahezu ohne Einfluss. Sie ist aber als Filter in Verbindung mit Kondensatoren zur Minderung der Störstrahlung (EMV) von sehr großer Wichtigkeit. Der elektronische Steuerungsblock nimmt einen Soll/Istwertvergleich des Stromes vor und übergibt das Ergebnis dieser Berechnungen als Stellgröße an das Leistungsteil. Besonders beim MSG Impulsschweißen wirken sich unterschiedliche dynamische Eigenschaften auf den zeitlichen Verlauf des Stromimpulses aus. Weiterhin versucht man mit besonderen Impulsstromformen den Schweißprozess zu optimieren. Um die im Bild gezeigte Impulsform bilden zu können, werden hohe Anforderungen an die „Dynamik“ von Steuer- und Leistungsteil gestellt. 500

Tp = 1/f p

I

Strom [A]

400

IC

300 200

IA IF

100 tp 0 -1

0

1

SI

IB ID

+di/dt= 0,4 kA/ms

2

3 4 Zeit [ms ]

5

6

tA

tD

t

Idealisierte Stromimpulse von Stromquellen mit unterschiedlichen dynamischen Eigenschaften

Einstellparameter der Prozessregelung (tA = 0,2 bis 1,6 ms, tD = 2,1 bis 23 ms, IA = 0 bis 310 A, IB = 50 bis 500 A, IC = 100 bis 550 A, ID = 50 bis 320 A, IF = 0 bis 250 A, SI = 12 bis 2000 A/ms)

Bild 2: Stromanstiegsgeschwindigkeit

Bild 3: Optimierte Impulsstromform

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Stromquellen für das Lichtbogenschweißen II

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1.2 Statische Kennlinie Bei Verfahren, bei denen der Schweißer die Lichtbogenlänge manuell beeinflusst (E-Hand, WIG) muss eine andere Regelung d.h. Kennlinienform verwendet werden, als bei dem teil- oder vollmechanischen Schweißverfahren (MSG, teilweise Up).

1.2.1 Stromquellenkennlinie für das MSG-Verfahren / Konstantspannungskennlinie

Bild 4: Leistungsschild – Konstantspannungskennlinie

Bei dem folgenden Beispiel soll als Störgröße eine Stufe vorhanden sein. Die Regelung soll so funktionieren, dass sich nach kurzer Zeit wieder die gleiche Lichtbogenlänge der Drahtelektrode einstellt (innere Regelung).

Bei konstantem Drahtvorschub wird beim Übergang der Drahtelektrode von Punkt A nach Punkt B der elektrische Widerstand des Lichtbogens größer. Der Arbeitspunkt verschiebt sich auf der Stromquellenkennlinie von 1 nach 2. Bei konstanter Spannung wird der Strom kleiner, die Abschmelzleistung sinkt. Dadurch wird weniger Draht abgeschmolzen, Punkt B nach C. Der Widerstand sinkt, der Strom regelt sich auf seinen alten Wert ein (2 nach 1). Verringert sich nun der Abstand (C nach D), sinkt der Widerstand, (1 nach 3) erhöht sich die Abschmelzleistung. Das freie Drahtende brennt zurück. Der Widerstand erhöht sich und es stellen sich die ursprünglichen Verhältnisse ein (E und Arbeitspunkt 1). Bild 5: Innere Regelung (delta i Regelung)

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1.06-2 Seite 4

1.2.2 Stromquellenkennlinie für E-Hand und WIG / Fallende Kennlinie

Wenn bei einer Stromquellenkennlinie im üblichen Schweißbereich die Spannung um mehr als 7 V / 100 A abfällt, spricht man nicht mehr von einer Konstantspannungs- oder flachen Kennlinie sondern von einer fallenden Kennlinie. Bei den Verfahren, bei denen die Elektrode manuell geführt wird (E-Hand, WIG) sind Schwankungen der Lichtbogenlänge nicht zu vermeiden. Trotzdem sollte auch hier die Abschmelzleistung (Ps = Us ¼ Is) in etwa konstant bleiben. Bild 6: Leistungsschild Symbol fallende Kennlinie

Des Weiteren erfordert z. B. das E-Hand-Schweißen, dass der Lichtbogen auch bei größerer Länge nicht so schnell abreißt (ein großer Arbeitsspannungsbereich) und dass der Kurzschlussstrome nur wenig über den Schweißstrom im normalen Arbeitsbereich ansteigt. Stromquellen mit fallender Strom-Spannungs-Charakteristik gewährleisten eine solche Arbeitsweise.

80

70

60

Spannung [V]

50

40

4900 W

30 4200 W 3800 W 20

10

0 0

50

100

150

200

S tr o m [A ]

Bild 7: Diagramm einer fallenden Kennlinie bei dem Verfahren E-Hand

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1.06-2 Seite 5

1.2.3 Konstantstromkennlinie Wenn bei einer Stromquelle im üblichen Schweißbereich bei einer Lichtbogenlängenänderung der Strom sich praktisch nicht mehr verändert, spricht man von einer Konstantstromkennlinie. (Verfahren WIG und Plasmaschweißen). Alle elektronische Stromquellen bieten eine solche Charakteristik an.

Bild 8: Konstantstromkennlinie

2. Einschaltdauer

Bild 9: Leistungsschild Einschaltdauer

Fließt ein Strom durch einen ohmschen Widerstand entsteht Wärme. Wird von einer Stromquelle eine bestimmte Leistung abgefordert, werden ihre Komponenten wie Transformator, Dioden, Leistungsteile so lange erwärmt, bis sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen erzeugter Verlustwärme und abgeführter Wärme einstellt.

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1.06-2 Seite 6

Der höchste Schweißstrom, der dem Leistungsschild (siehe Zeile Einstellbereich) zu entnehmen ist, kann nicht für einen unbegrenzten Zeitraum abgefordert werden. Wird für einen zu langen Zeitraum der Quelle ein zu hoher Strom entnommen, würden deren elektrotechnische Komponenten thermisch überlastet. Das bedeutet ihre Grenztemperatur, die durch die Isolationsklassen (z.B. F = 155 °C) kenntlich gemacht wird, würde überschritten. Um eine thermische Überlastung zu vermeiden, dürfen je nach Größe des Schweißstroms bestimmte Einschaltzeiten nicht überschritten werden.

Bild 10: Beispiel für Schweißstrom und Temperaturverlauf bei einer Einschaltdauer von 100 %

Einschaltdauer (ED) =

Schweißzeit ⋅ 100% Spieldauer

Spieldauer = Aufaddition von Schweißzeiten und Pausenzeiten bis eine Dauer von 10 min. erreicht wird. Spieldauer = 10 min. Die Spieldauer von 10 min gilt nur für die Lichtbogenverfahren. Für Widerstandspressschweißverfahren wird als Spieldauer 1 min vorgegeben. Die zulässige Stromhöhe, bei vorgegebener Einschaltdauer, kann wie folgt berechnet werden: I s = ID ⋅

100 % ED %

IS = Schweißstrom ID = Dauerstrom

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1.06-2 Seite 7

Bei den Stromquellen mit fallender Kennlinie für den Handschweißbetrieb werden die Strom / Spannungskennwerte für 35 %, 60 % und 100 % ED an der genormten Lichtbogenkennlinie ermittelt.

Is = 150 A ⋅

100 % = 254 A ≈ 250 A 35 %

Stromquellen, die auch für das maschinelle Schweißen geeignet sind, wie z.B. MSGQuellen, werden in der Regel mit längeren Brennzeiten eingesetzt. Deshalb findet man bei diesen Quellen im Leistungsschild die Wertepaare für 60 % und 100 % ED.

Bild 11: Beispiele für Schweißstrom und Temperaturverläufe bei einer Einschaltdauer (ED) von 35 % und 60 %

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1.06-2 Seite 8

3. Genormte Arbeitsspannung / Lichtbogenkennlinie Der Arbeitspunkt beim Schweißen ist der Schnittpunkt der Lichtbogenkennlinie mit der eingestellten Stromquellenkennlinie. Da der Lichtbogenwiderstand sich in dem Bereich der Kennlinie, die zum Schweißen verwendet wird wie ein ohmscher Widerstand verhält, kann die Lichtbogenkennlinie als Widerstandsgerade angesehen werden.

Bild 12: Lichtbogenkennlinien/Stromquellenkennlinien

Damit alle Stromquellen unter gleichen Bedingungen beurteilt werden können, wurden in der EN 60974-1 (VDE 0544-1) normierte Lichtbogenkennlinien für die verschiedenen Verfahren festgelegt. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden die genormten Lichtbogenkennlinien (Arbeitsspannungskennlinien) als "VDE-Kennlinien" bezeichnet.

a) Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden U2 = 20 V + 0,04 x I2 bis 44 V bei 600 A danach U2 = Konstant b) WIG - Schweißen U2 = 10 V + 0,04 x I2 bis 34 V bei 600 A danach U2 = Konstant c) MIG/MAG - Schweißen U2 = 14 V + 0,05 x I2 bis 44 V bei 600 A danach U2 = Konstant d) Unterpulver-Schweißen mit fallender Kennlinie wie a) mit Konstantspannung Kennlinie wie c)

Bild 13: Genormte Arbeitsspannungskennlinien für verschiedene Verfahren

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Die ermittelten Stromquellenkennlinien für 35 % ED, 60% ED und 100 % ED werden in das Kennlinienfeld eingetragen. Die genormte Lichtbogenkennlinie wird eingezeichnet. Die Kenndaten der Schnittpunkte der jeweiligen Kennlinien werden ausgelesen und in das Leistungsschild eingetragen.

Bild 14: Beispiel für die Ermittlung der Schweißstrom-Bemessungswerte bei einer Quelle zum E-Handschweißen.

4. Leerlaufspannung

Als Leerlaufspannung gilt die Spannung zwischen den Anschlussstellen der Schweißleitungen zur Schweißstelle, wenn der Schweißstromkreis "offen" ist.

Bild 15: Leistungsschild Leerlaufspannung

Um eine Gefährdung des Schweißers auszuschließen darf nach der Unfallverhütungsvorschrift Schweißen und Schneiden BGV D1 (bisher VBG 15): "die einstellbare Leerlaufspannung unter Berücksichtigung von Einsatzbedingungen und Spannungsart die in der Tabelle angegebenen Höchstwerte nicht überschreiten".

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1.06-2 Seite 10

Tabelle 1: Leerlaufspannungen nach Unfallverhütungsvorschrift BGV D1 (bisher VBG 15)

Leerlaufspannung Einsatzbedingung

Spannungsart

Erhöhte elektrische Gefährdung

Gleich

113

£

Wechsel

68

48

Gleich

113

£

Wechsel

113

80

Gleich

113

£

Wechsel

78

55

Gleich

141

£

Wechsel

141

100

Gleich

500

£

Wechsel

£

£

Gleich

65

£

Wechsel

unzulässig

unzulässig

Ohne erhöhte elektrische Gefährdung Begrenzter Betrieb ohne erhöhte elektr.Gefährdung Lichtbogenbrenner maschinell geführt Plasmaschneiden Unter Wasser mit Personen im Wasser

Höchstwerte in Volt Scheitelwert Effektivwert

Liegt die Schweißaufgabe im Bereich erhöhter elektrischer Gefährdung (leitfähige Umgebung, begrenzte Raumgröße, arbeitsbedingte Zwangshaltung, hohe Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit) dürfen nur Stromquellen eingesetzt werden, deren Leerlaufspannungswert 113 V Gleichspannung, bzw. 48 V Effektivwert Wechselspannung nicht überschreiten. Diese Grenzwerte müssen auch im Fehlerfall eingehalten werden. Stromquellen, die diese Bedingungen erfüllen, erhalten als Kennung folgendes Zeichen:

S Laut BGV D1 (bisher VBG 15) dürfen die Höchstwerte der Leerlaufspannung von Schweißstromquellen überschritten werden, wenn sie mit selbsttätig wirkenden und sich selbst überwachenden „Leerlaufspannungsminderungseinrichtungen“ ausgerüstet sind. Deren Funktion muss ohne Anwendung von Werkzeug überprüfbar sein. Empfohlen wird eine vierteljährliche Prüfung der Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme. Diese relativ kurzen Überwachungszeiträume sind angebracht, z.B. kann es durch Unachtsamkeit beim Umgang mit dem Elektrodenhalter zum Stromfluss über den Schutzleiter der Quelle und damit zu dessen Abbrennen kommen.

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1.06-2 Seite 11

L1 L2 L3 PE

Schutzleiter

Netzzuleitung Elektrodenhalter

Masseanschluss

Träger

Erdung

Bild 16: Zerstörung des Schutzleiters durch „vagabundierende“ Ströme

5. Netzanschluss der Quelle 5.1 Leistungsfaktor cos ϕ

Bild 17: Leistungsfaktor cos ϕ

Der Leistungsfaktor cos ϕ gibt an, wie viel Prozent der aufgenommenen Scheinleistung (S1 in kVA) in Wirkleistung (P in kW) umgesetzt wird. Der cos ϕ liegt bei Schweißtransformatoren : 0,4 - 0,8 Schweißgleichrichtern : 0,8 - 0,95 Transistorisierten Quellen : 0,90 - 0,99 Praktisch betrachtet bedeutet das, dass ein Schweißtransformator, der an einem 32 A Netzanschluss betrieben wird, durch einen Inverter gleicher Schweißleistung ersetzt werden kann, der nur einen 16 A Anschluss benötigt. 5.2 Anschluss und Absicherung der Schweißstromquelle

Bild 18: Anschluss und Absicherung der Schweißstromquelle

Dem Feld mit dem Steckersymbol kann entnommen werden, ob die Maschine an Wechselstrom (1 ~) oder an Drehstrom (3 ~) betrieben wird. Die Quelle muss vom Betriebselektriker mit der zu der jeweiligen Netzspannungshöhe passenden Sicherung vorabgesichert werden.

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1.06-2 Seite 12

6. Kühlart

I.KL.

50 Hz

H

Kühlart

AF

IP 21

Bild 19: Kühlart

Die Kennbuchstaben AF (früher nur F) bedeuten, dass bei der höchsten zulässigen Leistungsentnahme aus der Quelle, die Komponenten wie Transformator und elektrische Leistungssteller (Dioden, Transistoren) auf Fremdkühlung mittels Ventilatoren angewiesen sind. Abhängig von den Umgebungsbedingungen des Einsatzortes der Quelle muss der Innenraum (Lüftungskanäle) regelmäßig gereinigt wird. Sollen die Wartungsintervalle größer ausfallen, kann man Quellen einsetzen, deren elektrotechnische Komponenten 1,5 - 2-fach "überdimensioniert" sind, größere Kühlflächen besitzen und damit eine Luftdurchflutung/Kühlung mittels Ventilator überflüssig machen. Erkennen kann man solche Stromquellen an den Kennbuchstaben:

Kühlart S 7. Schutzart

Bild 20: Schutzart

Die Kennziffern der Schutzartkennzeichnung sagen aus, in welchem Grad das Gehäuse der Quelle einen Berührungsschutz gegenüber unter Spannung stehenden bzw. sich gefährlich bewegenden Teilen bietet. Auch der Schutz der Quelle gegenüber dem Eindringen von Flüssigkeiten in das Innere der Maschine wird über die Kennziffer angegeben. Dabei entspricht die an erster Stelle stehende Ziffer dem Schutzgrad des Berührungs- und Fremdkörperschutzes und die an zweiter Stelle dem Grad gegen schädliches Eindringen von Wasser. Bei Stromquellen anzutreffende Schutzarten sind:

IP 21 und IP 23 Dabei bedeutet die erste Kennziffer 2X: "Schutz gegen Eindringen von festen Fremdkörpern mit einem Durchmesser größer als 12 mm. Fernhalten von Fingern oder ähnlichen Gegenständen". Die zweite Kennziffer X1: "Schutz gegen tropfendes Wasser, das senkrecht fällt. Es darf keine schädliche Wirkung haben (Tropfwasser)." Die zweite Kennziffer X3. "Schutz gegen Wasser, das in einem beliebigen Winkel bis 60° zur Senkrechten fällt. Es darf keine schädliche Wirkung haben (Sprühwasser)". Die Mindest-Schutzart für Schweißstromquellen (laut DIN VDE 0544/1 vom 10.91) ist IP 21. Schweißstromquellen für den Gebrauch im Freien müssen mindestens in der Schutzart IP 23 ausgeführt werden.

8. Literatur /1/ Schweißen & Schneiden 50 (1998) Heft 4; Kombiniert primär und sekundär getaktete, computergesteuerte Schweißstromquellen mit hoher Dynamik

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1.07

Einführung in das Schutzgasschweißen

Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Einteilung der Schutzgasschweißprozesse 2. Schutzgase zum Schweißen und Schneiden 3. Bezeichnung der Schutzgase nach DIN EN 439 4. Herstellung, Transport und Lagerung der Schutzgase 5. Anwendung von Schweißschutzgasen 6. Gasmengenmessung 7. Sicherheit beim Umgang, Transport und Anwendung von Schutzgasen 8. Literatur

1 1 4 7 8 10 12 13 14

1. Einteilung der Schutzgasschweißprozesse Schutzgasschweißen ist ein Oberbegriff für alle Lichtbogen-Schweißprozesse, bei denen der abschmelzende Schweißzusatz oder eine nichtabschmelzende Elektrode und das Schmelzbad durch ein zugegebenes Schutzgas vor der Luft geschützt werden. Eine Einteilung der Schutzgasschweißprozesse zeigt Bild 1. Sie werden nach der Art der abschmelzenden (MSG) oder nichtabschmelzenden (WSG)-Elektrode, dem Schutzgas (aktiv oder inert) sowie nach der Lichtbogenart unterschieden. SG Schutzgasschweißen

MSG MetallSchutzgasschweißen

MIG MetallInertgasschweißen

MSGE SchutzgasEngspaltschweißen

MSGG Elektrogasschweißen

WSG WolframSchutzgasschweißen

MAG MetallAktivgasschweißen

MSGP Plasma-MetallSchutzgasschweißen

MAG-C CO2Schweißen

MAG-M Mischgasschweißen

WIG WolframInertgasschweißen

WP (Wolfram-) Plasmaschweißen

WHG WolframWasserstoffschweißen

WPS Plasmastrahlschweißen

WPL Plasmalichtbogenschweißen

WPSL*) PlasmastrahlPlasmalichtbogenschweißen

Bild 1: Einteilung der Schutzgasschweißprozesse (nach DIN 1910 T. 4)

1.1 Metall-Schutzgasschweißen (MSG) Brennt der Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden Elektrode, die gleichzeitig Schweißzusatzwerkstoff ist, und dem Werkstück, werden diese Schweißprozesse mit Metall-Schutzgasschweißen: MSG bezeichnet. Werden inerte Schutzgase (wie Argon, Helium oder Gemische) angewendet, dann heißen diese Prozesse: Metall-Inertgasschweißen: MIG. Werden dagegen aktive Schutzgase angewendet, entsteht das Metall-Aktivgasschweißen: MAG. Wird CO2 (Kohlendioxid) verwendet, dann werden diese Prozesse mit MAG-C bezeichnet. Werden argonhaltige Mischgase angewendet, entsteht das MAG-M-Schweißen.

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Einführung in das Schutzgasschweißen

1.07 Seite 2

Bild 2: Prinzip Metall-Schutzgasschweißen

1.2 Elektrogasschweißen (MSG G) Das EG-Schweißen ist eine vollmechanische Variante des Metall-Schutzgasschweißens für senkrechte Stumpfnähte. Das Schmelzbad wird durch zwei wassergekühlte Kupfergleitschuhe gehalten. Als Schweißschutzgase werden argonhaltige Mischgase (z. B. 82 % Ar + 18 % CO 2) oder auch CO2 verwendet. Mit dieser Variante können besonders im Schiffbau und Tankanlagenbau sehr wirtschaftlich lange Nähte geschweißt werden.

Bild 3: Prinzip Elektrogasschweißen (nach [1])

[1] DIN EN 439 Schutzgase zum Lichtbogenschweißen und Schneiden

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1.07 Seite 3

1.3 Wolfram-Schutzgasschweißen (WSG) Der Lichtbogen brennt zwischen einer Wolframelektrode und dem Werkstück (siehe Bild 4). Das Schutzgas ist inert wie Argon, Helium oder Gemische aus Ar + He bzw. Ar + H2.

Bild 4: Wolfram-Inertgasschweißen; WIG

1.4 Wolfram-Plasmaschweißen (WP) Der Lichtbogen ist eingeschnürt. Er brennt beim Plasmastrahlschweißen (Kurzzeichen: WPS) zwischen Wolframelektrode und Innenwand der Plasmadüse (nicht übertragener Lichtbogen; siehe Bild 5) oder beim Plasmalichtbogenschweißen (Kurzzeichen: WPL) zwischen Wolframelektrode und Werkstück (übertragener Lichtbogen; siehe Bild 6). Das Schutzgas ist inert, zum Beispiel Argon oder Helium, oder ein Mischgas (Plasmagas), zum Beispiel Argon/Wasserstoff oder Argon/Stickstoff.

Bild 5: Wolfram-Plasmaschweißen; WPS nicht übertragender Lichtbogen

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1.07 Seite 4

Bild 6: Plasmaschweißen; WPL übertragender Lichtbogen

2. Schutzgase zum Schweißen und Schneiden 2.1 Überblick, Eigenschaften Schutzgase sind Trägergase im Lichtbogenplasma. Sie beeinflussen die Vorgänge im Lichtbogen, die Werkstoffübertragung, das Nahtaussehen, die innere und die äußere Nahtform, die Spritzerbildung usw. – also sind sie ein wesentlicher Einflussfaktor für die Schutzgasschweißung. Das Schmelzbad, der abschmelzende Zusatzwerkstoff oder die nichtabschmelzende Wolframelektrode werden durch Schutzgase hauptsächlich vor den Einflüssen durch die Luft geschützt. Aktive Schutzgase sind Gase, die im Lichtbogen chemische und physikalische Wechselwirkungen mit dem Zusatz- und dem Grundwerkstoff hervorrufen. Inerte Schutzgase sind Gase, die keine chemische Reaktion beim Schweißen eingehen. Die Schutzgase zum Schweißen und Schneiden unterscheiden sich: 1. 2. 3. 4.

im Reaktionsverhalten beim Schweißen (inert, oxidierend, reaktionsträge, reduzierend) in der Dichte (schwerer/leichter als die Luft) in der Wärmeleitfähigkeit und dem Wärmeinhalt in der Ionisationsenergie bzw. der Dissoziationsenergie und damit in der Lichtbogenspannung bezogen auf eine bestimmte Lichtbogenlänge (Lichtbogenkennlinie) 5. in der Siedetemperatur

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1.07

Einführung in das Schutzgasschweißen

Seite 5

Zusammenfassung der Anforderungen an die Schutzgase Allgemeine Anforderungen: – – – – – – – –

Eignung für alle Lichtbogenarten ausreichende Schutzwirkung abhängig vom Einsatzort und Nahtform günstiges Fließverhalten der Schmelze unempfindlich gegen Verunreinigungen im Schweißnahtbereich anwendbar für alle Drahtdurchmesser Schlackebildung bzw. deren Verteilung auf der Nahtoberfläche unempfindlich gegen Porenbildung Vermeidung von Schweißspritzern

Physikalische Anforderungen: – – – – – –

Zündverhalten bei Schweißbeginn Lichtbogenstabilität, d. h. ruhiger Lichtbogen Kurzschlussauflösung und Wiederzünden des Lichtbogens Plasmabildung bzw. elektrische Leitfähigkeit Lösungsverhalten abhängig vom Werkstoff Entgasungsverhalten

Thermische Anforderungen: – – –

Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität Wärmeübertragungsvermögen, d. h. Wärmeübergangskoeffizient

Metallurgische Anforderungen: – – – –

Zubrände von Elementen Abbrände von Elementen Erhalt mechanisch-technologischer Eigenschaften Erhalt korrosionsbeständiger Eigenschaften

Schutzgase sind geruchlos, farblos, geschmacklos. Sie verdrängen aber die Atemluft! Deshalb beachten Sie: sind die Gase leichter – oder schwerer als die Luft Tabelle 1: Eigenschaften der Gase nach DIN EN 439

Gasart

chem. Zeichen

Spezifische Eigenschaften bei 0 °C und 1,013 bar (0,101 Mpa)

Reaktionsverhalten beim Schweißen

Dichte (Luft = 1,293) [kg/m³]

Relative Dichte zu Luft

Siedetemperatur [°C]

Ar

1,784

1,380

- 185,9

inert

Helium

He

0,178

0,138

- 268,9

inert

Kohlendioxid

CO2

1,977

1,529

- 75,5

1)

oxidierend

Sauerstoff

O2

1,429

1,105

- 183,0

oxidierend

Stickstoff

N2

1,251

0,968

- 195,8

reaktionsträge

Wasserstoff

H2

0,090

0,070

- 252,8

reduzierend

Argon

2)

1)

Sublimationstemperatur

2)

Das Verhalten von Stickstoff verändert sich bei verschiedenen Materialien und die Auswirkung kann negativ sein.

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1.07 Seite 6

Bild 7: Wärmeleitfähigkeit von Schutzgaskomponenten (nach Linde)

Die Wärmeleitfähigkeit des Schutzgases beeinflusst Nahtformung, Schweißbadtemperatur, Schweißbadentgasung und Schweißgeschwindigkeit. So lassen sich Schweißgeschwindigkeit und Einbrandverhalten beim MIG- und WIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen durch Helium-Zugabe oder beim WIGSchweißen austenitischer Stähle durch Wasserstoffzugabe beachtlich steigern. Chemische Eigenschaften beeinflussen das metallurgische Verhalten und die Nahtoberfläche. So führen Sauerstoff und Kohlendioxid beispielsweise zum Abbrand von Legierungselementen und zu dünnflüssigen Schmelzbädern; beide Gase wirken oxidierend. Wasserstoff ist ein reduzierendes Gas; Argon und Helium reagieren nicht mit Metallen – sie sind inert. 2.2 Einteilung der Schutzgase nach DIN EN 439 Die Einteilung der Schweißschutzgase erfolgt in 5 Hauptgruppen R I M C F

- reduzierende Gasgemische - inerte Gase und inerte Gasgemische - oxidierende Gasgemische, welche Sauerstoff enthalten, Kohlendioxid oder beide - hochoxidierende Gase und hochoxidierende Gasgemische - reaktionslose Gase oder reduzierende Gasgemische

bzw. nach der Norm DIN EN 439 gemäß folgender Tabelle.

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Seite 7

Tabelle 2: Einteilung der Schutzgase für Lichtbogenschweißen und Schneiden nach EN 439:1994 Kurzbezeichnung1)

Gruppe

Komponenten in Volumen-Prozent oxidierend

Kennzahl CO2

inert O2

Ar

He 2)

R

1 2

Rest 2) Rest

1 2 3

100

I

M1

M2

M3 C

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 1 2

reduzierend

Rest

> 0 bis 5 > 5 bis 25 > 0 bis 5 > 5 bis 25 > 25 bis 50

> 0 bis 3 > 0 bis 3 > 3 bis 10 > 3 bis 10 > 3 bis 8

> 5 bis 50

> 10 bis 15 > 8 bis 15

100 Rest

> 0 bis 30

H2

träge

100 > 0 bis 95

Rest 2) Rest 2) Rest 2) Rest 2) Rest Rest2) Rest2) Rest2) 2) Rest Rest2) Rest2)

> 0 bis 5

1

100

2

2)

> 0 bis 50

Bemerkungen

WIG, Plasmaschweißen, Plasmaschneiden, Wurzelschutz

reduzierend

MIG, WIG, Plasmaschweißen, Wurzelschutz

inert

MAG

F 1)

Übliche Anwendung

N2

> 0 bis 15 > 15 bis 35

2)

> 0 bis 5 > 0 bis 5

reaktions-

Rest

Plasmaschneiden, Wurzelschutz

schwach oxidierend

stark oxidierend reaktionsträge reduzierend

Wenn Komponenten zugemischt werden, die nicht in der Tabelle aufgeführt sind, so wird das Mischgas als Spezialgas und mit dem Buchstaben S bezeichnet. Einzelheiten zur Bezeichnung S enthält Abschnitt 4. Argon kann bis zu 95 % durch Helium ersetzt werden. Der Helium-Anteil wird mit einer zusätzlichen Kennzahl nach Tabelle 3 angegeben, siehe Abschnitt 4.

3. Bezeichnung der Schutzgase nach DIN EN 439 Schutzgase werden mit der Benennung „Schutzgas“, der Norm-Nummer, der Gruppe und der Kennzahl nach Tabelle 2 bezeichnet. Beispiel 1: Ein Mischgas mit 30 % Helium und Rest Argon wird bezeichnet: Schutzgas EN 439 - I3 Beispiel 2: Ein Mischgas mit 10 % Kohlendioxid, 3 % Sauerstoff und Rest Argon wird bezeichnet: Schutzgas EN 439 - M24 Wird Argon zum Teil durch Helium ersetzt, so ist der Heliumanteil durch eine zusätzliche Kennzahl bezeichnet, siehe Tabelle 2. Diese Kennzahl steht in Klammern am Ende der Bezeichnung. Beispiel 3: Ein Mischgas der Gruppe M21, das 25 % Helium enthält, wird bezeichnet: Schutzgas EN 439 - M21 (1) Spezialgase werden bezeichnet mit dem Buchstaben S, gefolgt von der Kurzbezeichnung für das Basisgas oder Gemisch (siehe Tabelle 2) und dem Anteil in Vol.-% sowie dem chemischen Kurzzeichen des Zusatzgases: S (Kurzbezeichnung) + %-Anteil und chemisches Kurzzeichen Beispiel 4: Ein Spezialgas, das 10 % Kohlendioxid, 3 % Sauerstoff und Rest Argon, Kurzbezeichnung M 24, aber auch 2,5 % Neon enthält, wird bezeichnet: Schutzgas EN 439 — S M24 + 2,5 Ne

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4. Herstellung, Transport und Lagerung der Schutzgase Die Gewinnung der Schutzgase Argon, (Helium), Stickstoff und Sauerstoff erfolgt in großen Luftzerlegungsanlagen. Helium stammt in den USA aus Erdgasquellen und ist dort wesentlich billiger herzustellen als in Europa. In modernen Luftzerlegungsanlagen werden Sauerstoff, Argon und Stickstoff in der Hauptsache durch Luftverflüssigung erzeugt. Die dazu benötigten Temperaturen bei 3 bar liegen sehr tief: 3 bar Argon Sauerstoff Stickstoff

- 174 °C - 171 °C - 185 °C

Durch Flüssiggas wird wesentlich weniger Raum zur Lagerung und zum Transport benötigt. Speicherung der Gase Sauerstoff, Argon, Stickstoff und Wasserstoff sind Gase, die sich bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck im gasförmigen Zustand befinden und hauptsächlich in Stahlflaschen geliefert werden. Höchstzulässige Drücke betragen 150, 200 oder teilweise 300 bar. Kohlensäure, CO2 geht bei ca. 54 bar und + 15 °C in den flüssigen Zustand über. In einer mit verflüssigtem Gas gefüllten Flasche ist das Gas bis auf ein geringes Gaspolster vollständig verflüssigt. (Ein geringes Gaspolster muss aber immer vorhanden sein). Lieferart: in Stahlflaschen

Argon, Helium, Mischgase: gasförmig Flascheninhalt in l

10

20

50/50

Fülldruck in bar

200

200

200/300

Gasinhalt in m³

2

4

10/15

Kohlendioxid: flüssig Flascheninhalt in kg

10

20

30

Flascheninhalt in l

13

26

40

Gasinhalt in m³

5

11

16

(Bei höheren Entnahmemengen kann Vereisung eintreten, deshalb mit Vorwärmeinrichtung vor dem Druckminderer bei Kohlendioxid vorwärmen.) Lieferart: als Flüssiggas

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1.07 Seite 9

Flüssiggase werden bei entsprechend niedriger Temperatur in isolierten Tanks geliefert. Kohlendioxid wird bei Umgebungstemperatur flüssig in Gasflaschen geliefert. Vor der Verwendung müssen die flüssigen Gase in den gasförmigen Aggregatzustand umgewandelt werden. Zur Herstellung von Mischgasen sind die flüssigen Gaskomponenten vor dem Mischen in den gasförmigen Zustand umzuwandeln. Argon-Sauerstoffgemische können auch vorgemischt flüssig gelagert werden, ohne ein Mischgerät für die Versorgung zu verwenden.

Bild 8: Übersicht zur Speicherung und Lieferung von Schutzgasen

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1.07

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Seite 10

5. Anwendung von Schweißschutzgasen

Tabelle 3: Zuordnung der Schweißschutzgase zu den Schweißprozessen und Werkstoffen Schutzgas

I

alle schweißgeeigneten Metalle außer gasempfindliche wie Titan, Tantal, Niob

inerte Schutzgase Argon ∼ 99,996 Vol. %

alle NE-Metalle I

M M1

M2

•

Schweißprozesse/ Schneidprozesse WIG Schweißen und als Wurzelschutz MIG Schweißen

•

WIG MIG Schweißen

Grundwerkstoffe

inerte Mischgase Argon ∼ 90 % - 30 % Helium ∼ 10 % - 70 %

alle schweißgeeigneten Metalle besonders Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium, Kupfer und deren Legierungen

aktive Mischgase Argon ∼ 99 % - 92 % CO2 ∼>0%-5% und/oder O2 ∼>0%-3%

besonders für hochlegierte Stähle

Argon ∼ 97 % - 70 % CO2 ∼ > 0 % - 25 % und/oder O2 ∼ > 0 % - 10 %

besonders für unlegierte und niedriglegierte Stähle

Argon ∼ 75 % - 50 % CO2 ∼ > 5 % - 50 % und/oder O2 ∼ > 8 % - 15 % C aktive Schutzgase Kohlendioxid ∼ 100 % F reaktionsträge reduzierende Wurzelschutzgase Stickstoff bis ∼ 100 % Wasserstoff bis ∼ 50

• •

MAG-M

MAG-M (auch mit Fülldrahtelektroden)

M3

Helium Stickstoff CO2

unlegierte und niedriglegierte Stähle

unlegierte Stähle

Reinheit hoch ≥ 99,995 %

Sauerstoff (O2) Stickstoff (N2) He auch als N2 Mischgase Ar Ar, H2, N2 Luft (teilweise mit O2) Plasmagas (innen) Ar teilweise mit H2; He Schutzgase (außen) Ar mit H2 oder He

MAG-M

MAG-C (auch mit Fülldrahtelektroden)

alle un-, niedrig-, und hochlegierte Stähle besonders CrNi-Stähle

•

s. Laseranwendungen

• •

besonders WIG Wurzelschutz

unlegierte Stähle hochlegierte Stähle NE-Metalle

•

CO2-Laseranlagen als Medium für die Strahlerzeugung Lasergas Laser-Brennschneiden

•

Laser-Schneiden/ Trennen

unlegierte und hochlegierte Stähle NE-Metalle, Kunststoffe

•

Schweißschutzgase mit Lasern

Al-Werkstoffe, CrNi-Stähle unlegierte und niedriglegierte Stähle

•

Plasmaschneiden Trennen

unlegierte und hochlegierte Stähle Aluminium, Titan, Cu

•

Plasmaschweißen

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1.07

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Seite 11

5.1 Anwendung von Schweißschutzgasen beim Metall-Schutzgasschweißen Nach dem klassischen Schutzgas „reine Kohlensäure CO2“ werden seit mehr als 25 Jahren verstärkt hoch argonhaltige Mischgase angewendet. Gründe dafür sind: -

Beeinflussung der Werkstoffübertragung im Lichtbogen z.B. weniger Spritzer Veränderung der äußeren und inneren Nahtform Impulstechnik ist nur mit Mischgasen möglich

Tabelle 4: Übersicht Schutzgase zum MIG/MAG-Schweißen Zusammensetzung bzw. Reinheitsgrad in Vol. %

Einteilung nach EN 439

Anwendungen

C1

CO2 99,95 % Ar 82 % + CO2 18 %

M 21

unlegierte und niedrig-

Ar 92 % + CO2 8 %

M 21

legierte Stähle

Ar 92 % + O2 8 %

M 22

Ar 97,5 % + CO2 2,5 %

M 11

Ar 99 % + O2 1 %

M 13

Ar 97 % + O2 3 %

M 13

niedriglegierte und hochlegierte CrNi-Stähle

Ar 99,996 %

I1

alle NE-Metalle

Ar 70 % + He 30 % - 50 %

I3

Al, Cu-Werkstoffe

5.2 Anwendung von Schweißschutzgasen beim WIG-Schweißen Argon ≈ 99,996 Vol. %

Standardschutzgas keine chemische Reaktion mit dem Schweißgut gute Lichtbogenionisierung und -zündung, auch als Wurzelschutzgas erhöht die Wärmewirkung, die Lichtbogenspannung kann erhöht werden, der Lichtbogen wird energiereicher z.B. beim Schweißen von Cu, Al erhöht die Schweißgeschwindigkeit und den Einbrand beim Schweißen von CrNi-Stählen, hauptsächlich für Blechschweißungen automatisch

Argon + Helium

Argon + Wasserstoff

auch Sondergase: z. B. Argon ≈ 89,96 % mit 10 % He, 70 vpm N2, 300 vpm NO

für Aluminium-Werkstoffe konzentrierter, sehr stabiler Lichtbogen, tieferer Einbrand, geringere Porenbildung, besseres Anfließen des Zusatzwerkstoffes, höhere Schweißgeschwindigkeit (bis 30 %)

Das bisher „reine“ Argon wird zur Leistungssteigerung mit Zusätzen von Helium mit 10 % bis 70 %, von Wasserstoff mit 2 % bis 7,2 % und nach neuesten Untersuchungen mit Stickstoff in geringsten Zumischungen ≈ 15 – 200 vpm N2 oder ≈ 300 vpm NO versehen (vpm = Volumenanteil pro Millionen, 1 vpm = 0,0001 %).

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1.07 Seite 12

6. Gasmengenmessung Es werden zwei Messmethoden praktisch angewendet: die Mengenmessung am DruckmindererManometer mit einer Staublende (Bild 9) und die genauere Messung nach dem Schwebekörperprinzip (Bild 10).

1 2 3 4

Flaschendruckmanometer 5 Gasmengenmanometer 6 Druckeinstellschraube 7 Absperrventil

Staudüse Angabe der Gasart Farbkennzeichnung für Gasart

Bild 9: Druckminderer mit Messblende

Eine kalibrierte Staudüse in der Schutzgaszuführung begrenzt den Strömungsquerschnitt; damit wird die Durchflussmenge abhängig vom Gasdruck. Die Staudüse befindet sich im Druckminderer oder in der Schutzgasleitung des Schweißgerätes. Mit der Druckeinstellschraube wird der Gasdruck eingestellt, das Gasmengenmanometer zeigt die dem Druck entsprechende Gasdurchflussmenge in l/min an.

1 2 3 4 5

Flaschendruckmanometer Messrohr mit Schwebekörper Regulierventil Angabe der Gasart Farbkennzeichnung für Gasart

Bild 10: Schwebekörper – Gasmengenmessgerät

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1.07 Seite 13

Die Druckminderung wird konstant eingestellt; durch Verstellen am Regulierventil wird der Strömungsquerschnitt und damit der Gasdurchfluss verändert. Das strömende Schutzgas hebt im kegelförmigen, senkrecht stehenden Messrohr einen Schwebekörper entsprechend der Durchflussmenge. Schutzgasmengen-Handmessgerät

Bild 11: Schutzgasmengen-Handmessgerät nach dem Schwebekörperprinzip am Schweißbrenner (tatsächliche Ausströmmenge am Schweißbrenner)

Der Schutzgasverbrauch (Schutzgasmenge) wird durch folgende Faktoren bestimmt: • • • •

den Schweißprozess und den Arbeitsbereich die Werkstückdicke und Nahtart die Größe des Schweißbrenners/Gasdüse sowie die Gasart/Gaszusammensetzung

(Mittelwerte ≈ 5 l/min bis 20 l/min)

7. Sicherheit beim Umgang, Transport und Anwendung von Schutzgasen 1 2 2.1 2.2 2.3

Vorsicht bei Gasen, die schwerer als Luft sind! Sie fallen in Vertiefungen (siehe Tabelle 1) Vorsicht beim Begehen von Behältern und Gruben Unfallverhütungsvorschriften und verkehrsrechtliche Vorschriften beachten Druckgasflaschen gegen Umfallen oder Fortrollen zuverlässig sichern Flaschenventile beim Transport durch Flaschenkappen schützen Gefahr durch tiefe Temperaturen; es können „Verbrennungen“ durch tiefkalte Gase entstehen. Daher Handschuhe tragen.

3 3.1 3.2 3.3

Brand- und Explosionsgefahr Reiner Sauerstoff erhöht die Brandgefahr Öl und Fett bei Sauerstoffverwendung verboten Wartung und Instandsetzung der Gasversorgung erfordert Fachpersonal

4

Farbkennzeichnung von Gasflaschen (nach DIN EN 1089-3) (siehe auch Kapitel „Arbeitssicherheit beim Schweißen“)

Die Umstellung der Farbkennzeichnung beginnt in Deutschland ab 1998 und soll bis 1. 7. 2006 abgeschlossen sein.

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1.07 Seite 14

Druckgasflaschen Die Kennzeichnung von Druckgasflaschen erfolgt nach folgenden Regelwerken: TRG

Technische Regeln von Druckgasen

DIN EN 10089

Teil 1 Teil 2 Teil 3

Stempelung Gefahrzettel Farbcodierung

Auf der Flaschenschulter erfolgt die verbindliche Kennzeichnung des Gasinhaltes auf dem Gefahrgutaufkleber mit − − − −

dem Prüfdatum dem Leergewicht dem Fassungsvermögen dem Arbeitsdruck.

Außerdem dient als zusätzliche Information die Farbkennzeichnung der Flaschenschulter oder der ganzen Flasche. Sie informiert über die Eigenschaften der Gase (brennbar, oxidierend, giftig usw.) und ist erkennbar, wenn der Gefahrgutaufkleber wegen zu großer Entfernung noch nicht lesbar ist (siehe auch 4.05 Arbeitssicherheit beim Schweißen). Der dargestellte Gefahrgutaufkleber erfüllt die Anforderungen der Transportvorschriften (GGVS/GGVE) und enthält, z. B. für technischen Sauerstoff, die nachfolgend erläuterten Informationen:

1 2 3 4

Risiko und Sicherheitssätze Gefahrzettel Zusammensetzung des Gases bzw. des Gasgemisches Produktbezeichnung des Herstellers

5 6 7 8

EWG-Nummer bei Einzelstoffen oder das Wort „Gasgemisch“ Vollständige Gasbenennung nach GGVS Herstellerhinweis Name, Anschrift und Telefonnummer des Herstellers

Bild 12: Gefahrgutaufkleber

8. Literatur /1/ DIN EN 439 DIN Deutsches Institut für Normung e.V.; Berlin; Beuth Verlag GmbH /2/ DIN 1910 /3/ TRG Technische Regeln von Druckgasen

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WIG-Schweißen I

1.08-1 Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Prinzip 2. Schweißanlage und Schweißprozess 3. Eingesetzte Schutzgase und Anwendung des Verfahrens 4. WIG-Schweißbrenner (Bauarten) 5. Wolframelektroden 6. Einfluss der Schutzgase auf das Einbrandprofil

1 1 1 2 2 5 7

Wolfram-Inertgasschweißen 1. Prinzip Im Schweißbrenner ist eine Wolframelektrode eingespannt, in die der Schweißstrom eingeleitet wird. Zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück entsteht ein Lichtbogen, der den Grundwerkstoff aufschmilzt und den zugeführten Schweißstab abschmilzt. Aus dem Schweißbrenner strömt inertes Schutzgas und schirmt die glühende Wolframelektrode und das Schweißbad vor Luftzutritt ab.

2. Schweißanlage und Schweißprozess

1

Netzanschluss

2 Schweißstromquelle 3 Schweißstromleitung (Elektrode 4 Schweißstromleitung (Werkstück) 5 Werkstückklemme 6 Schutzgasflasche mit Druckminderer und Gasmengenmesser 7 Schutzgasschlauch 8 Schweißbrenner 9 Schweißstab 10 Werkstück 11 Wolframelektrode 12 Spannhülse und Stromleitung 13 Lichtbogen 14 flüssiges Schweißgut 15 festes Schweißgut 16 Schutzgasmantel

Bild 1: Schema der WIG-Schweißanlage mit Schweißprozess

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1.08-1

WIG-Schweißen I

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3. Eingesetzte Schutzgase und Anwendung des Verfahrens Beim Wolfram-Inertgasschweißen kommen nur inerte Schutzgase zur Anwendung, denn die glühende Wolframelektrode darf keinen chemischen Reaktionen ausgesetzt werden: - Argon (Ar) - Helium (He) Gemische Argon (Ar) und Helium (He) sowie Wasserstoff (H 2). Mit dem Wolfram-Inertgasschweißen können Stähle und Nichteisenmetalle in allen Positionen verschweißt werden. Wirtschaftlicher Einsatz ist bei Bauteildicken von 0,5 mm bis 5 mm, bei dickeren Werkstücken werden nur die Wurzellagen mit dem Schweißprozess ausgeführt. Wichtige Anwendungsbereiche sind Luft- und Raumfahrttechnik, Feinwerktechnik, Chemieanlagenbau, Apparatebau und Behälterbau.

4. WIG-Schweißbrenner (Bauarten) Beim WIG-Schweißen werden in Abhängigkeit von den geforderten Lichtbogenleistungen gas- oder wassergekühlte Brenner eingesetzt. Der prinzipielle Aufbau eines Brenners stellt sich wie folgt dar:

Bild 2: 1: Druckknopfschalter 2: Handgriff, 3: Wolframelektrode 4: Argondüse 5: Wassermantel 6: Spannhülse 7: Brennerkörper 8: Brennerkappe

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WIG-Schweißen I

1.08-1 Seite 3

4.1 Luftgekühlte WIG-Brenner werden bis zu einer Lichtbogenstromstärke von ca. 250 A einsetzbar.

Bild 3: Schnitt durch einen luftgekühlten Brenner

4.2 Wassergekühlte WIG-Brenner werden bei hoher Lichtbogenleistung und Einschaltdauer eingesetzt. Bild 4 zeigt den Schnitt eines wassergekühlten Brenners.

Bild 4: Schnitt durch einen wassergekühlten WIG-Brenner

4.3 Bauarten von luft- und wassergekühlten WIG-Schweißbrennern Die Bild 5 und Bild 6 zeigen eine Auswahl von luft- und wassergekühlten WIG-Brennern in gerader und gekröpfter Bauart. In Bild 6 rechts oben ist ein Maschinenbrenner mit Zuführmöglichkeit für den Zusatzdraht dargestellt.

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WIG-Schweißen I

1.08-1 Seite 4

Bild 5: Luftgekühlte WIG-Brennerarten

Bild 6: Wassergekühlte WIG-Schweißbrenner

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1.08-1

WIG-Schweißen I

Seite 5

5. Wolframelektroden Die Güte einer WIG-Schweißnaht hängt im wesentlichem Maße von der Wolframelektrodenart und Elektrodenendenform ab. Es werden reine Wolframelektroden von solchen mit Oxidzusätzen unterteilt. Die Unterschiede zwischen diesen Elektrodensorten liegen in der Elektronenaustrittsarbeit (Bild 7). Hieraus wird ersichtlich, dass die reine Wolframelektrode ca. 1000 °C heißer wird als eine Wolfram Thoriumelektrode, um einen stabil brennenden Lichtbogen zu erreichen. Die erforderliche Stromdichte für diesen Lichtbogen liegt bei der reinen W-Elektrode in der flüssigen Phase der Elektrodenenden, während bei der thorierten Elektrode die erforderliche Austrittsarbeit im festen Zustand des Elektrodenwerkstoffs erfolgt. Aus Tabelle 1 sind die empfohlenen Lichtbogenstromwerte in Abhängigkeit der Elektrodendurchmesser, Stromart und Polung zu ersehen. Thorium wird in zunehmendem Maße durch andere Oxide ersetzt.

Bild 7: Elektronenemission: Dichte j des Elektronenstromes als Funktion der Temperatur T an reinen und an thorierten Wolframelektroden: Tth: Temperatur der thorierten Elektrode beim Schweißen Tr : Temperatur der reinen Wolframelektrode beim Schweißen

Tabelle 1: Empfohlene Stromstärkebereiche in Abhängigkeit des Elektrodendurchmessers (Auszug aus DIN EN 26848) Elektrodendurchmesser

mm 0,5 1,0 1,6 2 2,5 3,2 4 5 6,3 8 10

Gleichstrom A Elektrode negativ (-) Reines Wolfram mit Wolfram Oxid-Zusätzen 2 bis 20 10 bis 75 40 bis 130 75 bis 180 130 bis 230 160 bis 310 275 bis 450 400 bis 625 550 bis 875

2 bis 20 10 bis 75 60 bis 150 100 bis 200 170 bis 250 225 bis 330 350 bis 480 500 bis 675 650 bis 950

Wechselstrom A

Elektrode positiv (+) Reines Wolfram mit Wolfram Oxid-Zusätzen

10 bis 20 15 bis 25 17 bis 30 20 bis 35 35 bis 50 50 bis 70 65 bis 100

10 bis 20 15 bis 25 17 bis 30 20 bis 35 35 bis 50 50 bis 70 65 bis 100

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Reines Wolfram

Wolfram mit OxidZusätzen

2 bis 15 15 bis 55 45 bis 90 65 bis 125 80 bis 140 150 bis 190 180 bis 260 240 bis 350 300 bis 450

2 bis 15 15 bis 70 60 bis 125 85 bis 160 120 bis 210 150 bis 250 240 bis 350 330 bis 460 430 bis 575 650 bis 830

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WIG-Schweißen I

1.08-1 Seite 6

5.1 Endformen der Elektroden Die Endform der Wolfram Elektrode hat einen Einfluss auf die Lichtbogenform und somit auf die Form des Wärmestromes zum Werkstück (siehe Bild 8). Das Elektrodenende wird im wesentlichen von der Stromart und Polung sowie von der thermischen Belastung durch die Höhe der Stromstärke bestimmt. Bei Gleichstrom Minus-Polung kann in unteren Stromstärkenbereichen eine kegelige Endenform erhalten bleiben. Mit Erhöhung der Lichtbogenstromstärke verflüssigt sich die Elektrodenspitze und verformt sich zu einer Halbkugel mit einem Durchmesser von etwa der Elektrodendicke (siehe Bild 9).

Bild 8: Abhängigkeit des Einbrandes beim WIG-Schweißen von der Elektrodenform bei gleichem Schweißstrom

Die Ausbildung der Elektrodenenden sind bei anderen Oxidzusätzen ähnlich.

Bild 9: Ausbildung der Elektrodenendform bei unterschiedlicher Stromstärke

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1.08-1

WIG-Schweißen I

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5.2 Arten, Zusammensetzung und Kennzeichnung von Wolfram-Elektroden gemäß DIN EN 26848 Tabelle 2: Arten, Zusammensetzung und Kennzeichnung von Wolfram-Elektroden Kurzzeichen

Zusammensetzung Oxidzusatz

Kennfarbe

Verunreinigungen

Wolfram

Gew.-%

Art

Gew.-%

Gew.-%

-

-

≤ 0,20

99,8

grün

1)

0,35 ... 0,55

ThO2

≤ 0,20

Rest

hellblau

WT 10

0,80 ... 1,20

ThO2

≤ 0,20

Rest

gelb

WT 20

1,70 ... 2,20

ThO2

≤ 0,20

Rest

rot

WT 30

2,80 ... 3,20

ThO2

≤ 0,20

Rest

violett

WT 40

3,80 ... 4,20

ThO2

≤ 0,20

Rest

orange

1)

0,15 ... 0,50

ZrO2

≤ 0,20

Rest

braun

WZ 8

0,70 ... 0,90

ZrO2

≤ 0,20

Rest

weiß

WL 10

0,90 ... 1,20

La2O3

≤ 0,20

Rest

schwarz

WC 20

1,80 ... 2,20

CeO2

≤ 0,20

Rest

grau

1,80 ... 2,20

La2O3

≤ 0,20

Rest

dunkelblau

WP WT 4

WZ 3

WL 20 WS 2 1) 2)

(Auszug aus DIN EN 26848)

2) 2)

Mischoxide

türkis

nicht handelsüblich z.Z. nicht genormt

6. Einfluss der Schutzgase auf das Einbrandprofil Die Form des Lichtbogens wird auch wesentlich von der Schutzgasart bestimmt. Dabei wirken sich die physikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten, bei aktiven Gasen auch der Dissoziation aus. Bild 10 zeigt die Einbrandprofile von Blindraupen und Kehlnähten (Bild 11) am Grundwerkstoff X5CrNi18-10 (1.4301) von WIG-Schweißungen unter verschiedenen Schutzgasen.

Bild 10: Einbrandprofile beim WIG-Schweißen mit verschiedenen Schutzgasen an einem 5 mm dicken Blech, Stromstärke 130 A, Lichtbogenlänge 4 mm, Schweißgeschwindigkeit 15 cm/min.

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WIG-Schweißen I

Vs = 7 cm/min

Vs = 11 cm/min

Argon

93,5% Ar + 6,5 % H2

1.08-1 Seite 8

Bild 11: Einbrandprofile WIG-Schweißen unter verschiedenen Schutzgasen, Grundwerkstoff 1.4301

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WIG-Schweißen II

1.08-2 Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. WIG-Schweißen von Aluminium 2. WIG-Aluminiumschweißen mit Wechselstrom 3. WIG-Aluminiumschweißen mit Gleichstrom 4. Schweißnahtvorbereitung beim WIG-Aluminiumschweißen 5. Schweißfehler

1 1 1 3 5 5

1. WIG-Schweißen von Aluminium 1.1 Überblick Für die schweißtechnische Verarbeitung kommen folgende Aluminiumwerkstoffe in Betracht: A. Reinaluminium (Al 99,9; Al 99,5 usw.) mit hoher Korrosionsbeständigkeit, aber geringer Festigkeit (80 N/mm²), die durch Kaltverformen (Walzen usw.) erhöht werden kann (130 N/mm²). Die Kaltverfestigung geht beim Schweißen im Nahtbereich verloren. B. Naturharte Aluminiumlegierungen (AlMn; AlMg 3 usw.) höhere Festigkeit durch Legierungselemente (240 N/mm²). Durch Kaltverformen ist eine Festigkeitssteigerung möglich (320 N/mm²), die durch Schweißen im Nahtbereich wieder verloren geht. C. Aushärtbare Aluminiumlegierungen (AlMgSi1; AlZnMg1 usw.) Durch Wärmebehandlungen (Ausscheidungsvorgänge) werden gute Festigkeitseigenschaften erreicht (380 N/mm²). Der Festigkeitsverlust nach dem Schweißen im Nahtbereich kann durch Warmauslagern (100-250 °C) oder durch Lagern bei Raumtemperatur teilweise rückgängig gemacht werden. Die Hauptschwierigkeiten beim Schweißen von Aluminiumwerkstoffen beruhen auf der hohen Schmelztemperatur der Oxidhaut. Diese wird beim WIG-Schweißen üblicherweise nicht durch Flussmittel (wie beim Gasschweißen, das für Aluminium aber kaum noch eingesetzt wird), sondern durch physikalische Effekte bei der Einwirkung des elektrischen Stromes im Bereich des Lichtbogenfußpunktes zerstört. Voraussetzung für Schweißverbindungen ohne Oxideinschlüsse und damit auch ohne Bindefehler ist eine Vorbehandlung vor allem der Werkstücke im Nahtbereich und eventuell des Zusatzwerkstoffes möglichst kurz vor dem Schweißen durch Beizen oder mechanisch, z.B. Bürsten. Es werden Bürsten mit Borsten aus hochlegiertem Werkstoff verwendet, die keinesfalls auch zum Bürsten von Eisenwerkstoffen benutzt werden dürfen.

2. WIG-Aluminiumschweißen mit Wechselstrom Die Wechselstromschweißung wird derzeit in der praktischen Fertigung am stärksten eingesetzt. Während der positiven Halbwelle tritt der Reinigungseffekt auf, während der negativen Halbwelle kann die vorher stark aufgeheizte Wolframelektrode wieder abkühlen. Somit sind bei der Wechselstromschweißung die Vorteile der beiden Gleichstrompolungsarten vereinigt. Da bei jedem Stromnulldurchgang der Lichtbogen erlischt (Bild 1), wurde früher üblicherweise mit einer Hochfrequenzüberlagerung (150 kHz bei 1500 bis 2000 V) gearbeitet, um ein Wiederzünden des Lichtbogens zu erleichtern. Diese Geräte wurden inzwischen ersetzt durch Impulsgeneratoren, die nicht mehr konstant, sondern nur noch im Rhythmus der Netzfrequenz hochfrequente Spannungsimpulse abgeben (Bild 2) und somit z.B. den Rundfunk- oder Fernsehempfang in der näheren Umgebung weniger stören und dem gemäß nicht mehr bei der Bundespost angemeldet werden müssen.

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1.08-2

WIG-Schweißen II

Seite 2

Bild 1: WIG-Lichtbogen bei Wechselstrom

Bild 2: Impulsgenerator; Spannungsimpulse

Tabelle 1: Richtwerte für das WIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen mit Wechselstrom Werkstückdicke mm

Fugenform

1 2 3 4 6 8 10 12

II II II II V V V V

Wolfram-Elektrodendurchmesser mm

Schweißstrom *)

Argonverbrauch

A

Schweißstabdurchmesser mm

1,6 2,4 2,4 3,2 3,2 4,0 4,8 6,4

50 ... 60 60 ... 90 90 ... 150 150 ... 180 180 ... 240 200 ... 280 260 ... 350 320 ... 400

2 2 3 3 4 4 5 5

4 ... 5 5 ... 6 5 ... 6 6 ... 8 8 ... 10 8 ... 10 10 ... 12 12 ... 14

Lagenzahl

L/min 1 1 1 1 2 2 2 ... 3 3

*) Werte für Stumpfnähte; bei Kehlnähten sind sie um 10 % bis 20 % zu erhöhen.

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WIG-Schweißen II

1.08-2 Seite 3

3. WIG-Aluminiumschweißen mit Gleichstrom Bei der Gleichstromschweißung treten aufgrund physikalischer Gegebenheiten an Anode (+) und Katode (-) unterschiedliche Temperaturen auf, Bild 3 und Bild 4.

Bild 3: Gleichstromlichtbogen, Elektrode als Katode (-); Einbrandverhältnisse

Bild 4: Gleichstromlichtbogen, Elektrode als Anode (+); Einbrandverhältnisse

Bei der in Bild 3 gezeigten Anordnung mit der Elektrode als Katode treffen die emittierten Elektronen auf dem als Anode gepolten Werkstück auf und erzeugen an der Auftreffstelle, durch Umwandlung von kinetischer Energie, viel Wärme und damit einen tiefen Einbrand. Die Elektrodenspitze wird hierbei vergleichsweise nur wenig erwärmt, da hier die Gasionen auftreffen, die im Vergleich zu den Elektronen zwar eine größere Masse aufweisen, zum anderen aber bei weitem nicht so zahlreich und vor allem nicht so schnell wie die Elektronen sind. Die Oxidhaut wird bei dieser Polung nicht zerstört, so dass Verfahren mit dieser Polungsart zunächst für das Schweißen von Aluminium ungeeignet erscheinen. Bei der in Bild 4 gezeigten Anordnung mit der Elektrode als Anode, treffen die emittierten Elektronen auf die Elektrode auf und erwärmen sie stark. Das als Katode gepolte Werkstück erwärmt sich vergleichsweise nur wenig. Es entsteht daher nur ein flacher Einbrand. Bei dieser Polung tritt ein "Reinigungseffekt" auf, d.h. die Oxidhaut wird aufgerissen und entfernt. Dieser Effekt wird dadurch erklärt, dass die vergleichsweise schweren Ionen auf die Oxidhaut auftreffen und diese zerstören. Bei dieser Polung führt die hohe thermische Belastung der Wolframelektrode jedoch zu einer schnellen Zerstörung derselben. Unter Verwendung dieser Polungsart werden vereinzelt Schweißungen durchgeführt, indem man für dünne Bleche unverhältnismäßig dicke Wolframelektroden einsetzt. Von technischer Bedeutung ist das WIG-Schweißen mit dieser Polungsart jedoch nicht.

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WIG-Schweißen II

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Bezüglich der WIG-Schweißung bei negativer Polung der Elektrode setzt sich in letzter Zeit eine Methode durch, bei der anstelle des sonst üblichen Inertgases Argon das Gas Helium verwendet wird. Dies ist in einigen besonderen physikalischen Eigenschaften dieses Gases begründet. Durch die im Vergleich zu Argon höhere Ionisationsenergie ergibt sich eine von etwa 75 % höhere Schweißspannung bei gleichen Stromstärkewerten (Bild 5) und damit auch eine größere Wärmezufuhr in das Werkstück. Die höhere Wärmeleitfähigkeit des Heliums ist ein weiterer Vorteil gegenüber dem Argon. Ein Nachteil beim Helium, hervorgerufen durch die schlechtere elektrische Leitfähigkeit, ist der unruhigere Lichtbogen und das schwierigere Zünden beim WIG-Schweißen. In vielen Fällen ergeben Gemische aus Argon und Helium einen brauchbaren Kompromiss. Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist noch zu berücksichtigen, dass Helium teurer ist als Argon, und dass aufgrund des geringeren spezifischen Gewichtes vergleichsweise mehr Helium als Argon zum Gasschutz eingesetzt werden muss.

Bild 5: Verhältnis Lichtbogenspannung zu Schweißstrom bei Verwendung verschiedener Gase (nach Schöbel)

Die höhere Energieeinbringung mittels Helium ermöglicht höhere Schweißgeschwindigkeiten (Tabelle 2), geringere Vorwärmtemperaturen bei gleichem Einbrand (Bild 6) und eine geringere Porenneigung durch ein heißeres Schmelzbad mit geringerer Viskosität und besseren Entgasungsmöglichkeiten. Tabelle 2: WIG-Schweißen von AlMg3, Doppel-V-Naht, 16 mm Blechdicke Gasart Argon Argon + 30 % Helium Argon + 70 % Helium

Schweißstrom (A)

Schweißspannung (V)

Schweißgeschwindigkeit (cm/min)

400

29 30,5 33

45 50 60

Bild 6: Beeinflussung des Einbrandes durch Vorwärmen

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1.08-2

WIG-Schweißen II

Seite 5

Man kann davon ausgehen, dass sich die WIG-Schweißung von Aluminiumwerkstoffen unter Verwendung von Helium in zunehmendem Maße durchsetzen wird, insbesondere bei der maschinellen Schweißung. In Tabelle 3 sind Richtwerte für das Schweißen mit Gleichstrom aufgeführt. Tabelle 3: Richtwerte für die WIG-Schweißung von Aluminiumwerkstoffen mit Gleichstrom Werkstückdicke

Fugenform

Wolframelektroden

«

mm

mm

Grad

Schweißstrom A

Schweißgeschwindigkeit cm/min

Heliumverbrauch l/min

Lagenzahl

1

II

1,6

90

85

120

15

1

2

II

2,4

90

110

100

15

1

3

II

2,4

90

150

80

15

1

4

II

2,4

90

180

80

15

1

5

II

2,4

90

200

70

20

1+1

6

II

3,2

90

220

70

20

1+1

8

II

3,2

60

265

60

25

1+1

10

II

4,0

60

320

50

25

1+1

4. Schweißnahtvorbereitung beim WIG-Aluminiumschweißen Die Nahtvorbereitung ist genormt nach DIN 8552 Teil 1. Tabelle 4 zeigt in Anlehnung an die Norm einige gebräuchliche Fugenformen. Tabelle 4: Fugenformen für das WIG-Schweißen von Aluminium Lfd. Nr.

Werkstückdicke

Ausführungsart

Benennung

Sinnbild

Fugenform Öffnungswinkel α Flankenwinkel β Grad

s mm

Maße in mm Stegabstand

Steghöhe

b

c

1

bis 3

einseitig

Bördelnaht

-

-

-

2

bis 5 -------------bis 8

einseitig

I-Naht

--------------

-----------0...2

----------

3

bis 12

einseitig

V-Naht

≈ 70

0...2

-

5. Schweißfehler Bezüglich der Schweißfehler soll hier unterschieden werden zwischen allgemeinen Schweißfehlern durch falsche Brenner- und Stabführung, durch Mängel in der Werkstückvorbereitung und im Gasschutz und zusätzlichen Fehlern, die bei der Aluminiumschweißung auftreten. Entsprechende Angaben sind in Tabelle 5 und im Bild 7 und Bild 8 wiedergegeben.

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1.08-2

WIG-Schweißen II

Seite 6

Tabelle 5: Fehler durch Mängel in der Schweißnahtvorbereitung und im Gasschutz Fehlerbild Oberfläche matt, Nahtränder rau, mangelhafter Fluss Poren

Ursachen mangelnde Vorbereitung von Nahtbereich und Schweißstab (nicht metallisch blank) Werkstück verschmutzt, Öl, Fett, Farbe, Feuchtigkeit Luft im Argon, undichte Schläuche und Gasdüsen saugen Luft an, eingewirbelte Luft, Zugluft, Brennerabstand zu groß, Argonstrom zu stark Argonmangel

Oberfläche oxidiert, matt, mangelhafter Schmelzfluss weißlicher Rauch, Elektrodenspitze oxidiert Unterseite Anlauffarben, grau verzundert, rau, verbrannt dunkle Niederschläge, Poren, unruhiger Lichtbogen

reinigen, Handschuhe sauber ? Kontrolle Argonweg, Brennerneigung, Zug, Ventilatorwind, Düsengröße, Argon l/min

mangelnde Wurzelspülung Wasserundichtigkeit im Brenner, Kondenswasser im Brenner

Lichtbogen flackert, Niederschlag von Metalldampf, geringerer Einbrand

Fehler

Abhilfe bürsten, schmirgeln, beizen, strahlen

Brenner kontrollieren, Wassermagnetventil schließt während Schweißpausen nicht Elektrode erneut vorbereiten

verunreinigte Elektrodenspitze

mögliche Auswirkungen

Oxideinschlüsse

Ursachen zu wenig Schweißstrom – zu großer Spalt, untere Stegkante nicht gebrochen

zu langer Lichtbogen

Nahtbereiche nicht gereinigt, das heiße Stabende wird nach dem Eintauchen aus dem Schutzgasbereich geführt und nach Reaktion mit dem Luftsauerstoff wieder in die Schmelze gebracht

Kerben

Oxide

Poren

Reinigungswirkung des Lichtbogens reicht nicht wesentlich unter die Schmelzmulde ohne Fugenvorbereitung, ohne Schweißzusatz

geringerer Einbrand I-Naht an zu dicken Werkstücken beidseitig nacheinander geschweißt zu große Brennerneigung

negative Vorgabe

Gasaufnahme

I-Naht an zu dicken Blechen Brenner verkantet

Brenner versetzt

Raupe, einseitige Kerben

einseitiger Wurzelbindefehler

Drahtende verlässt nach dem Abschmelzen den Schutzbereich

Bild 7: Allgemeine Fehler durch Brennerund Stabführung

beidseitig gleichzeitig geschweißt

Poren

eingebrachter Wasserstoff, Feuchtigkeit in Oxidschichten, Fett und Farbrückstände im Schweißbereich auf Staboberfläche, undichte Wasserkühlung, Kondenswasser im Brennerkopf (wenn Kühlwasserumlauf während Schweißpausen nicht unterbrochen wird) unstabiler Lichtbogen während des Schweißens, besonders an Ansatzstellen und beim Überschweißen von Heftstellen zu hohe Abkühlgeschwindigkeit: Poren im Übergang Naht - Grundwerkstoff werden durch nicht genügend entgasten Grundwerkstoff verursacht.

Bild 8: Typischer Fehler beim WIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen

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1.08-2

WIG-Schweißen II

Seite 7

Eine Ursache für metallurgische Poren ist immer im Werkstoff gelöster und beim Schweißen aufgenommener Wasserstoff, der beim Erstarren der Schmelze nicht entweichen konnte. Der Grund hierfür liegt im Löslichkeitssprung für Wasserstoff bei Änderung des Aggregatzustandes fest (0,036 ml/100 g Al) gegenüber flüssig (0,7 ml/100 g Al-Schmelze) und weiterhin in der starken Zunahme der Löslichkeit der Schmelze bei steigender Temperatur auf etwa 50 ml/100 g Al kurz vor Erreichen der Siedetemperatur. Dies bedeutet einen Anstieg der H2-Löslichkeit vom Schmelz- zum Siedepunkt um das 70-fache, bei Stahl hingegen nur um das 1,6-fache, Bild 9. Insbesondere Reinst- und Reinaluminium neigen zur Porenbildung in der Schweißnaht. Das Ausgasen wird durch höhere Wärmeeinbringung (Vorwärmen 100 bis 250 °C) und niedrigere Schweißgeschwindigkeit verbessert. Die Vermeidung von Poren erfordert äußerste Sauberkeit hinsichtlich Fett, Öl, Feuchtigkeit u.Ä. im Bereich der Schweißnaht und beim Zusatzwerkstoff.

Bild 9: Die charakteristische H2-Löslichkeit in Aluminium in Abhängigkeit von der Temperatur

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1.08-2 Seite 8

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1.08-3

WIG Schweißen-III

Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Einteilung des WIG-Schweißens 2. Verfahrensvarianten 3. Sonderverfahren

1 1 2 7

1. Einteilung des WIG-Schweißens Handschweißen Teilmechanisches Schweißen Vollmechanisches Schweißen Automatisches Schweißen Tabelle 1: Einteilung des WIG-Schweißens Bewegungs-/ Arbeitsabläufe Benennung Kurzzeichen WIG

Handschweißen (manuelles Schweißen) m

Brenner-/ Werkstück- Zusatzvorführung schub

Werkstückhandhabung

von Hand

von Hand

von Hand

von Hand

mechanisch

von Hand

mechanisch

mechanisch

von Hand

mechanisch

mechanisch

mechanisch

m-WIG

Teilmechanisches Schweißen t t-WIG

Vollmechanisches Schweißen v v-WIG

Automatisches Schweißen a a-WIG

nach DIN 1910 Teil 1 (Auszug)

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1.08-3

WIG Schweißen-III

Seite 2

Bild 1: Schematische Darstellung des WIG-Schweißens

2. Verfahrensvarianten 2.1 Schweißen mit Impulsstrom

IP IG IA tP tG tC

= Impulsstrom = Grundstrom = Arithmetischer Strommittelzeit = Impulsstromzeit = Grundstromzeit = Zykluszeit

Bild 2: Schweißen mit Impulsstrom

Die Vorteile des WIG-Impulslichtbogenschweißens gegenüber dem Schweißen mit Konstantstrom lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: − Möglichkeit der geringeren Energieeinbringung, − besseres Tiefen-/Breitenverhältnis bei größeren Wanddicken, − stabilerer Lichtbogen, − gleichmäßigere Wurzelausbildung, − bessere Zwangslageneignung, − geringerer Verzug der Werkstücke, − bessere Modellierbarkeit des Schmelzbades, − bessere Spaltüberbrückbarkeit.

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1.08-3 Seite 3

2.2 Schweißen mit Kaltdraht

Bild 3: Schematische Darstellung - Schweißen mit Kaltdraht

2.3 Schweißen mit Heißdraht

Bild 4: Schematische Darstellung - Schweißen mit Heißdraht

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1.08-3 Seite 4

2.3 Orbitalschweißen 2.4.1 Rohreinschweißen

Bild 5: Vollmechanisches Rohreinschweißen (nach MAN-GHH)

Bild 6: Beispiel für ein Stromprogramm (nach Messer-Griesheim)

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1.08-3

WIG Schweißen-III

Seite 5

2.4.2 Rohrschweißen

Bild 7: Schematische Darstellung des mechanisierten Stumpfschweißens von Rohren mit einer Rohrschweißzange

Bild 8: "Orbital"-Schweißvorrichtungen für verschiedene Anwendungsfälle

(Werkfoto: Arc Machines, USA)

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WIG Schweißen-III

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2.5 Engspaltschweißen

Bild 9: Vergleich der Ersparnis an Nahtvolumen durch die WIG/MAG/UP-Engspaltschweißung (nach Siemens-KWU)

Bild 10: Orbital-Engspaltschweißen (nach ESAB)

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WIG Schweißen-III

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3. Sonderverfahren 3.1 Schweißen mit Mehrkathodenbrenner

Bild 11: WIG-Mehrkathodenbrenner

Bild 12: Schweißgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Anzahl der Elektroden

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WIG Schweißen-III

1.08-3 Seite 8

3.2 Punktschweißen

Bild 13: Schematische Darstellung - Punktschweißen

3.3 Doppelgasschweißen

Bild 14: Schematische Darstellung - Doppelgasschweißen

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1.09-1

MIG/MAG-Schweißen I

Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Kennzeichnung 2. Vorteile des MIG/MAG-Schweißens 3. Nachteile des MIG/MAG-Schweißens 4. Einsatzgebiete, Verbreitung des Verfahrens 5. Überblick über die Lichtbogenarten (ohne Hochleistungsverfahren) 6. Aufbau einer MIG/MAG-Schweißanlage 7. Literatur

1 1 2 2 3 3 4 16

1. Kennzeichnung Das MIG/MAG-Schweißen ist ein Lichtbogenschweißverfahren mit einer endlosen, abschmelzenden Drahtelektrode unter einer Schutzgasabdeckung. Das MIG/MAG-Schweißen kann teilmechanisch (siehe DIN1910 Teil 1 /1/), mit von Hand geführtem Brenner oder vollmechanisiert eingesetzt werden. In DIN 1910 Teil 4 ist das Verfahren beschrieben. Es wird Gleichstrom verwendet, die Drahtelektrode ist in der Regel am Pluspol (Bild 1).

Bild 1: Aufbau einer MIG/MAG-Schweißanlage /2/

In den Tabellen (Tabelle 1 und Tabelle 2) sind weitere Bezeichnungen und die Kennzahlen nach ISO 4063 für die einzelnen Verfahrensvarianten bei konventionellen und Sonderverfahren aufgelistet.

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MIG/MAG-Schweißen I

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2. Vorteile des MIG/MAG-Schweißens Mit dem MIG/MAG-Schweißen können fast alle schweißgeeigneten Werkstoffe verbunden werden. Unlegierte und legierte Stähle, sowie CrNi-Stähle werden mit dem MAG-Schweißen (aktive, CO2- und/oder sauerstoffhaltige Schutzgase) verschweißt. Andere Werkstoffe wie Aluminium, Magnesium, Nickelbasiswerkstoffe, Kupfer, Titan usw. erfordern das MIG-Schweißen mit inerten Schutzgasen. Die erreichbare Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit sind hoch, bei ausreichender Nahtqualität. Die Anforderungen an den Schweißer sind bei unlegierten und legierten Stählen in der Großserie vergleichsweise gering. Bei hochwertigen Bauteilen aus Stahl, Chrom-Nickelstahl, Aluminiumwerkstoffen usw. ist aber eine gewissenhafte Schulung der Schweißer unbedingt notwendig. Das Verfahren kann leicht mechanisiert werden (Robotereinsatz). Bauteile von 0,8 bis > 10 mm Dicke können im Stumpfoder T-Stoß verschweißt werden. Nahtwurzeln können frei mit entsprechender Nahtvorbereitung oder mit Hilfseinrichtungen (Badsicherungen) geschweißt werden. Das Verfahren lässt sich in Zwangslagenpositionen einsetzen. Die Anschaffungskosten sind bei Standardanlagen vergleichsweise gering. Tabelle 1: Weitere Bezeichnungen und Verfahrensvarianten für das MIG/MAG-Schweißen Kurzzeichen

Kennzahl nach ISO 4063

Metall-Schutzgasschweißen

MSG

13

Oberbegriff

Metall-Inertgasschweißen

MIG

131

Inerte Schutzgase (Ar und/oder He)

Metall-Aktivgasschweißen

MAG

Schweißverfahren

Bemerkungen

135

Argonreiche Mischgase

Metall-Aktivgasschweißen mit Fülldrahtelektrode

136

Argonreiche Mischgase oder 100% CO2

Metall-Inertgasschweißen mit Fülldrahtelektrode

137

Inerte Schutzgase

CO2-Schweißen

MAGC

/

Schutzgas 100% CO2

Mischgasschweißen

MAGM

/

Argonreiche Mischgase

MF

114

Metalllichtbogenschweißen mit Fülldrahtelektrode ohne Schutzgas

mit selbstschützenden Fülldrahtelektroden

Tabelle 2: MIG/MAG-Sonderschweißverfahren (Hochleistungsschweißverfahren: siehe Abschnitt 17) Kurzzeichen

Kennzahl nach ISO 4063

Elektrogasschweißen

MSGG

73

Schweißen in senkrechter Position

Plasma-Metall-Schutzgasschweißen

MSGP

151

Plasma- und MIG-Lichtbogen in einem Brenner

/

/

Schweißverfahren

MIG/MAG-Punktschweißen

Bemerkungen

kurzzeitiges Schweißen

3. Nachteile des MIG/MAG-Schweißens Nahtanfangs- und Nahtansatzbindefehler sind nicht immer vermeidbar, da gleichzeitig mit Beginn der Wärmeeinbringung durch den Lichtbogen auch Zusatzdraht abgeschmolzen wird. Bei zu geringer Schweißgeschwindigkeit sind Bindefehler durch vorlaufendes Schweißbad möglich. Beim Schweißen im Freien oder zugigen Hallen muss durch geeignete Vorrichtungen die Schutzgasatmosphäre aufrecht erhalten werden.

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1.09-1

MIG/MAG-Schweißen I

Seite 3

4. Einsatzgebiete, Verbreitung des Verfahrens Das MSG-Schweißen hat in den letzten 40 Jahren eine sehr starke Verbreitung erfahren. Etwa 70 % des verbrauchten Schweißzusatzwerkstoffes fallen auf diese Verfahren. Das MSG-Schweißen wird überall in der metallverarbeitenden Industrie, im Stahlbau, Schiffbau, Behälterbau und Fahrzeugbau eingesetzt. Geschweißt werden vorwiegend Kehl- und Überlappnähte in unterschiedlichen Positionen an Blechen bis etwa 10 mm Dicke, bei Einzelfertigung bis zur Großserie. Es werden vorwiegend unlegierte und legierte Stähle verbunden. Der Einsatz bei CrNi-Stählen und bei Aluminiumwerkstoffen steigt stetig an.

5. Überblick über die Lichtbogenarten (ohne Hochleistungsverfahren) Die Abschmelzleistung beim MIG/MAG-Schweißen überdeckt einen sehr großen Bereich. Je nach Abschmelzleistung (Drahtelektrodengeschwindigkeit und Stromstärke) ändert sich das Abschmelzverhalten der Drahtelektrode. Nach DIN 1910 Teil 4 werden 5 Lichtbogenarten unterschieden. Bild 2 zeigt Hochgeschwindigkeits-Filmaufnahmen von Kurz-, Impuls- und Sprühlichtbogen. In Tabelle 3 sind wichtige Merkmale aufgelistet. In 1.09-2, Abschnitt 4 werden die Lichtbogenarten ausführlich besprochen.

Bild 2: Lichtbogenarten, Bilder aus Hochgeschwindigkeitsfilmen /3/ 1. Bildzeile: Kurzlichtbogen (Stahl), I = 100 A, U = 17 V. 2. Bildzeile: Impulslichtbogen (Aluminium), Aufnahme mit Gegenlicht. 3. Bildzeile: Impulslichtbogen (AL 99,5), Aufnahme ohne Gegenlicht. 4. Bildzeile: Sprühlichtbogen (Stahl), I = 340 A, U = 30 V.

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1.09-1

MIG/MAG-Schweißen I

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Tabelle 3: Lichtbogenarten beim konventionellen MIG/MAG-Schweißen Lichtbogenart

Anwendung

Werkstoffübergang

Spritzerbildung

Bemerkungen

MIG/MAGKurzlichtbogen

Dünnblechbereich, Zwangslagen, Wurzelschweißung

im Kurzschluss, grobtropfig

Gering, mit geeigneter Stromquelle

geringe Wärmeinbringung, geringe Abschmelzleistung

MIG/MAG-Übergangslichtbogen (Mischlichtbogen)

mittlere Blechdicken, Zwangslagen

Werkstoffübergang z. T. im Kurzschluss

z. T. am Werkstück haftende Spritzer

mittlere Leistung

MIG/MAG-Sprühlichtbogen

mittlere und dicke Bleche in Position PA, PB

feintropfiger Werkstoffübergang ohne Kurzschlüsse

Gering

hohe Abschmelzleistung

MAG-Langlichtbogen (unter CO2 oder hohen CO2 -Anteilen im Schutzgas)

mittlere und dicke Bleche in Position PA, PB

Werkstoffübergang z. T. im Kurzschluss

z. T. am Werkstück haftende Spritzer

hohe Abschmelzleistung

MIG/MAG-Impulslichtbogen

großer Arbeitsbereich

kurzschlussfrei, 1 Tropfen pro Impuls

sehr gering

höhere Wärmeeinbringung als im Kurzlichtbogen

6. Aufbau einer MIG/MAG-Schweißanlage Bausteine:

Leistungsteil (Schweißgleichrichter) Drahtfördereinheit (Drahtspulenaufnahme, Drahtfördermotor, Drahtförderrollen) Schlauchpaket Schweißbrenner Kühleinrichtung Schutzgaseinrichtung Bedienungs- und Einstellelemente.

6.1 Leistungsteil Das Leistungsteil einer MIG/MAG-Anlage erzeugt einen konstanten oder impulsförmigen Gleichstrom. Bei konventionellen Anlagen besteht das Leistungsteil aus einem Transformator mit Anzapfungen auf der Primär- und Sekundärseite, einem nachgeschalteten Gleichrichter und bei Bedarf einer Drossel (Induktivität). Die Spannung, die das Leistungsteil abgibt, ist z.B. durch Stufenschalter einstellbar. Bei einer Belastung des Leistungsteils (höhere Stromentnahme) sinkt die Spannung nur geringfügig (etwa 0-5 V/100 A). Man spricht von einer Konstantspannungs- oder CP-Stromquelle. Diese nur leicht fallende statische Spannungs-, Stromkennlinie (Bild 3) ist notwendig, um in allen Betriebszuständen eine konstante Lichtbogenlänge zu gewährleisten (siehe 1.06-2, Abschnitt 1,2, statische Kennlinie). Anmerkung: Beim MIG/MAG-Schweißen wird von konventionellen und vielen transistorisierten Stromquellen eine Spannung vorgegeben. Nach dem Ohmschen Gesetz (und dynamischen Einflüssen wie Induktivitäten und Kapazitäten) ergibt sich die Stromstärke aus Spannung und Gesamtwiderstand im Schweißstromkreis.

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1.09-1

MIG/MAG-Schweißen I

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6.1.1 Konventionelle Schweißgleichrichter für das MIG/MAG-Schweißen (Bild 3) Die konventionellen Schweißgleichrichter werden in Westeuropa kaum noch angeboten, da die Herstellungskosten durch den Trafo mit Anzapfungen und den Stufenschaltern für hohe Ströme zu hoch sind. Die Anlagen sind robust und für das teilmechanische Schweißen gut geeignet. Nachteilig ist, dass die eingestellte Lichtbogenspannung nicht während des Schweißvorgangs verändert werden kann. Gütemerkmale sind die Anzahl der einstellbaren Spannungsstufen (mind. 20 bei einer 300 A Stromquelle) und die Wirksamkeit der Drossel (nachgeschaltete Induktivität im Schweißstromkreis) im Kurzlichtbogenbereich.

Bild 3: Konventioneller Schweißgleichrichter für das MIG/MAG-Schweißen, statische Kennlinie /4/

6.1.2 Thyristorgesteuerte Schweißgleichrichter (Bild 4, siehe auch 1.06-1, Abschnitt 7.1) Bei thyristorgesteuerten Leistungsteilen fallen die Anzapfungen am Transformator weg. Ein Thyristorsteller (Phasenanschnitt) auf der Primärseite und ein halb- oder vollgesteuerter Brückengleichrichter auf der Sekundärseite des Transformators ermöglichen eine stufenlose Spannungseinstellung. Diese Bauart ist preiswert, da keine Anzapfungen am Trafo erforderlich sind. Sie wird in der Regel für Standardschweißaufgaben in der Klein- und Großserie eingesetzt. Werden diese Anlagen im unteren Leistungsbereich eingesetzt, so kann durch den Phasenanschnitt die Welligkeit des Schweißstroms zu groß werden und den Schweißvorgang negativ beeinflussen. Eine ausreichend große Drossel reduziert die Welligkeit. Besser ist, die Stromquelle für die entsprechende Schweißaufgabe auszuwählen und nicht z.B. eine 500 A Stromquelle mit nur 200 A Schweißstrom zu belasten. Durch die stufenlose Spannungseinstellung ist diese Bauart auch für vollmechanische Anwendungen geeignet.

Bild 4: Thyristorgesteuerter Schweißgleichrichter für das MIG/MAG-Schweißen, statische Kennlinie /4/

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MIG/MAG-Schweißen I

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Anmerkung zur Drossel (siehe auch 1.06-1, Abschnitt 5): MIG/MAG-Leistungsteile haben in der Regel eine verstellbare Drossel (Induktivität). Diese ist bei konventionellen und thyristorgesteuerten Stromquellen real, als Eisenkern mit Wicklung vorhanden und bei transistorgesteuerten Leistungsteilen z.T. elektronisch nachgebildet. Eine Drossel glättet den Schweißstrom und verändert die Stromanstiegsgeschwindigkeit. Z.B. ist für den Zündvorgang ein schneller Stromanstieg vorteilhaft, während für das Kurzlichtbogenschweißen eine geringe Stromanstiegsgeschwindigkeit weniger Spritzer ergibt.

6.1.3 Transistorisierte Schweißgleichrichter Transistorgesteuerte Schweißgleichrichter sind seit mehr als 20 Jahren im praktischen Einsatz. Sie werden heute nicht mehr nur für vollmechanische Anwendungen und für anspruchsvolle Schweißaufgaben (z.B. Impulslichtbogen) eingesetzt. Der günstige Preis dieser Anlagen, die sehr guten Schweißeigenschaften und die meistens einfache Bedienung dieser Anlagen (Schweißdatenprogramme) ergeben bei fast allen MIG/MAG-Schweißaufgaben Vorteile gegenüber konventionellen Anlagen. Transistorgesteuerte Leistungsteile ermöglichen eine stufenlose Einstellung der Spannung, der Induktivität und allen anderen Einstellgrößen. Die statische Strom-Spannungskennlinie, die bei konventionellen Leistungsteilen fest durch die Bauart des Transformators und weiterer Bauteile vorgegeben ist, kann hier in der Regel von 0 V/100 A Spannungsabfall bis 5 V/100 A verändert werden. Dies erlaubt zusammen mit einer in weiten Grenzen einstellbaren Drossel ein spritzerarmes Schweißen auch bei ungünstigen Randbedingungen. Schweißprogramme am Nahtanfang und Nahtende verbessern den Zündvorgang und verringern die Gefahr von Bindefehlern. Der Werkstoffübergang im Impulslichtbogen, der für Aluminiumwerkstoffe und CrNi-Stähle zu empfehlen ist und auch bei Stählen häufig eingesetzt wird, kann nur mit transistorisierten Stromquellen durchgeführt werden (die früher eingesetzten thyristorgesteuerten Stromquellen haben nur begrenzte Einstellmöglichkeiten). Im Impulsbetrieb wird häufig mit einer Konstant-Spannungskennlinie während der Impulsphase (notwendig für die Lichtbogenlängenregelung) und einer Konstant-Stromkennlinie während der Grundstromphase gearbeitet. Andere Hersteller arbeiten im Impulsbetrieb nur mit geregeltem Strom. Die Lichtbogenlänge wird hier durch wechselnde Impulsfrequenzen, veränderlichen Impulsbreiten oder variabler Drahtgeschwindigkeit erreicht (siehe 1.09-2, Abschnitt 4 und 1.09-3, Abschnitt 2 Impulslichtbogen). 6.1.3.1 Transistorisierte „analoge“ Stromquelle (siehe 1.06-1, Abschnitt 7) Diese Stromquellen waren die ersten transistorisierten Impulsstromquellen am Markt (etwa 1980). Sie sind wegen neuer Entwicklungen in der Leistungselektronik weitgehend durch getaktete Stromquellen ersetzt worden, da sie teuer in der Herstellung sind und hohe thermische Verluste haben. Anlagen mit analog arbeitenden Transistoren können am schnellsten auf Änderungen im Lichtbogen reagieren. Sie werden deshalb noch für Sonderanlagen oder kombiniert mit getakteten Transistoren (Hybridanlagen) eingesetzt. 6.1.3.2 Transistorisierte "sekundär-getaktete" Stromquelle (siehe 1.06-1, Abschnitt 7) Sekundär-getaktete MIG/MAG-Stromquellen sind zurzeit die am meisten eingesetzten transistorisierten Geräte. Der Aufbau ist einfach und robust. Durch den Einsatz von Schalttransistoren, die wie ein Lichtschalter im gesperrten Zustand keine und im eingeschalteten Zustand nur geringe Verluste haben, kann auf eine aufwendige Kühlung der Transistoren verzichtet werden. Die Schaltransistoren haben wie ein Lichtschalter nur zwei Zustände – Ein oder Aus. Die Schaltfrequenz kann dabei sehr hoch sein (20–100 kHz). Wird am Schweißlichtbogen ein hoher Strom benötigt, so werden die Schalttransistoren eine lange Zeit eingeschaltet und nur für eine kurze Zeit ausgeschaltet. Der mittlere Strom, der sich durch eine nachgeschaltete Induktivität bildet, ist hoch. Wird niedriger Schweißstrom benötigt, so wird dementsprechend das Tastverhältnis geändert (kurze Einschaltzeit und lange Ausschaltzeit). Die Zeit für das Ändern des Schweißstroms als Antwort auf Einstellgrößen, Regelvorgänge oder Lichtbogeneinflüssen ist sehr kurz.

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6.1.3.3 Transistorisierte "primär-getaktete" Stromquelle (siehe 1.06, Abschnitt 7) Der etwas komplexere Aufbau dieser Anlagen ergibt beim Hersteller keine Mehrkosten, da beim Transformator und Drossel durch die hohen Taktfrequenzen Gewicht eingespart werden kann. Die anfangs aufgetretenen Probleme mit diesen Anlagen, die mangelnde Spannungsfestigkeit der Transistoren bei Spannungsspitzen im Netz und die Störung von anderen Geräten durch diese Anlagen sind behoben. Der Einsatz dieser Stromquellen wird in Zukunft steigen, da trotz des höheren Anteils an "Elektronik" die Herstellungskosten geringer sind. 6.2 Drahtförderung Beim MIG/MAG-Schweißen wird die Drahtelektrode von der Spule abgezogen und von einer Drahtvorschubeinheit durch ein mehrere Meter langes Schlauchpaket bis zum Stromkontaktrohr im Brenner geschoben. Aus dem Kontaktrohr muss die Drahtelektrode mit absolut gleichmäßiger Geschwindigkeit austreten, um ein gutes Schweißergebnis zu erreichen. Ein Abbremsen des Drahtes verlängert den Lichtbogen und kann im Extremfall zu einem Zurückbrennen bis zum Stromkontaktrohr führen. Ein ungleichmäßiger Drahtvorschub (Stottern) führt zu Kurzschlüssen beim Schweißen und damit zu einer verstärkten Spritzerbildung. Die Drahtfördereinheit verwendet in der Regel gehärtete Rollen, in die eine keilförmige oder bei weichen Drähten eine dem Drahtdurchmesser angepasste Nut eingearbeitet ist (siehe Bild 5). Dabei kann eine Rolle oder auch mehrere Rollen angetrieben werden. Am meisten verbreitet, für einfache Anlagen, sind Drahtvorschubgeräte mit einer angetriebenen Rolle. Bei mechanisiertem Einsatz haben sich bis zu vier angetriebene Rollen bewährt. In Bild 6 ist das Schema der Drahtförderung dargestellt. Die dünnen Drahtelektroden (0,8-1,6 mm) neigen stark zum Ausknicken, wenn sie nicht gut geführt werden. In den nachfolgenden Bildern (Bild 7 und Bild 8) sind häufig beobachtete Fehler bei der Drahtführung aufgezeigt.

Bild 5: Drahtförderrollen, Keilrillen für harte und runde Rillen für weiche Drähte /2/

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Bild 6: Schema der Drahtförderung /2/

Bild 7: Fehler durch zu kleine oder zu große Drahtförderrollen /2/

Bild 8: Ausknicken der Drahtelektrode durch falsche Drahteinlaufdüsen /2/

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6.3 Schlauchpaket Das Schlauchpaket und der Schweißbrenner gehören zu den hochbelasteten Verschleißteilen beim MIG/MAG-Schweißen. Das Schlauchpaket bringt die Drahtelektrode, den Schweißstrom, das Schutzgas und das Kühlwasser zum Brenner. Das Schlauchpaket sollte so kurz wie möglich sein. Übliche Längen sind 2-3 m. Längere Schlauchpakete bis etwa 5 m können bei Stahldrähten ab 1,2 mm Drahtelektrodendurchmesser noch verwendet werden. Bei dünneren Stahldrähten oder weicheren Drähten (z.B. Aluminium) sind Drahtförderstörungen zu erwarten. Aus diesem Grund ist bei mechanisierten Anwendungen (z.B. Schweißroboter) ein Zusatzantrieb im Brenner oder nahe am Brenner unbedingt zu empfehlen. Das Schlauchpaket darf nicht geknickt oder in zu engen Radien verlegt werden. Eine schonende Behandlung - also das Schlauchpaket nicht als Zugseil für das Verschieben der Stromquelle verwenden und nicht überfahren - versteht sich von selbst. Das Stromkabel im Schlauchpaket ist bei hohen Strömen wassergekühlt. Das Kupferkabel ist von einem Schlauch umgeben, der mit dem zurücklaufenden Kühlwasser vom Brenner gekühlt wird. Dadurch kann der Kabelquerschnitt und somit auch das Gewicht des Schlauchpakets gering gehalten werden. Die Drahtelektrode ist im Schlauchpaket bei Stahl von einer Drahtwendel und bei Aluminium von einem Kunststoffrohr umgeben, die dem Drahtdurchmesser angepasst sind. Die Bohrung der Drahtwendel bzw. der Kunststoffseele ist etwa 0,5-1 mm größer als der Drahtdurchmesser. Die Länge der Drahtführung muss exakt der Schlauchpaketlänge angepasst werden, damit der Draht an keiner Stelle ausknicken kann. 6.4 Schweißbrenner Ein MIG/MAG-Schweißbrenner besteht aus einem Kontaktrohr, einer Schutzgasdüse und einem Handgriff bzw. einem Befestigungsrohr bei Maschinenbrennern. Zwischen dem aus dem Kontaktrohr austretenden Draht und dem Werkstück brennt ein Lichtbogen (siehe Bild 1). Der Lichtbogen und das hocherhitzte Schweißbad werden vor der Umgebungsluft durch ein aus der Schutzgasdüse austretendes Schutzgas geschützt. Wassergekühlte Brenner führen die Strahlungswärme des Lichtbogens von Kontaktrohr und Gasdüse über das Kühlwasser ab. Ungekühlte (gas- oder luftgekühlte) Brenner erreichen schon nach kurzer Schweißzeit Temperaturen bis zu 700 °C an Kontaktrohr und Düse /6/. Dadurch erweicht das Kupfer des Kontaktrohres, der Verschleiß wird größer und an der Gasdüse haften, durch die höhere Temperatur, Spritzer leichter an. Deshalb sollten bei höheren Schweißströmen immer wassergekühlte Brenner eingesetzt werden. Die Schweißbrenner sind Stromwerten zugeordnet, die beachtet werden sollten, da zu groß dimensionierte Brenner zu schwer sind und den Schweißer zu stark belasten. Zu kleine Brenner werden thermisch überlastet. Zu beachten ist, dass argonreiche Schutzgasgemische die Brenner thermisch höher belasten als CO2. Eine Umstellung der Schutzgase kann einen stärkeren Brenner erfordern und damit zusätzliche Kosten verursachen. In Bild 9 ist ein MIG/MAG-Schweißbrenner abgebildet. Die Schnittzeichnung zeigt den Aufbau des Brenners bei gas- und wassergekühltem Brenner.

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Bild 9: Schnittzeichnung eines MIG/MAG-Schweißbrenners in gas- und wassergekühlter Ausführung

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Das Stromkontaktrohr muss den Schweißstrom auf die Drahtelektrode übertragen. Dies ist bei der hohen spezifischen Strombelastung nur mit einem Verschleiß am Stromkontaktrohr möglich. Die Bohrung im Stromkontaktrohr, die bei Stahl etwa 0,2 mm und bei Aluminium etwa 0,4 mm größer als der Drahtdurchmesser ist, weitet sich am Ende kegelförmig auf. Die freie Drahtlänge verändert sich und wenn Ablagerungen im Kontaktrohr durch verschmutzte Drahtoberflächen hinzukommen, wird der Lichtbogen unregelmäßig und kann stärker spritzen. Das Kontaktrohr welches aus E-Cu, CuCr oder CuCrZr besteht, muss bei Verschleiß ausgetauscht werden. Richtwerte für das Wechseln können nicht angegeben werden, da die Strombelastung und die Verschmutzung der Drahtoberfläche durch z.B. Ziehseifenreste die Standzeit stark beeinflussen können. Ein Wechsel des Stromkontaktrohres bei Drahtspulenwechsel kann als gute Standzeit angesehen werden. Welcher Kontaktrohrwerkstoff für die Fertigung optimal ist, muss durch Versuche herausgefunden werden. E-Cu hat sehr gute elektrische Eigenschaften, verschleißt aber bei mechanischer Beanspruchung sehr stark. Härtere und warmfestere Kontaktrohrwerkstoffe (es werden auch solche aus Sonderwerkstoffen wie WCu oder WAg angeboten) haben einen geringen mechanischen Abrieb, verschleißen aber durch elektroerosive Vorgänge. Die Kosten eines Stromkontaktrohrs sind gering gegenüber den Kosten bei Stillstand einer Roboterschweißanlage durch ein defektes Stromkontaktrohr. Ein regelmäßiger Wechsel, bevor das Stromkontaktrohr verschlissen ist, wird in der Großserie häufig durchgeführt. In Bild 10 sind häufige Störungsursachen bei Kontaktrohren dargestellt.

Anschmelzungen durch Drahtoberflächenfehler, sehr hohe Impulsströme beim Schweißen mit dem Impulslichtbogen oder bei der Lichtbogenzündung.

Spritzer am Bohrungsrand „verlängern“ das Kontaktrohr (mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit) und wirken stark bremsend.

Spritzer aus der Lichtbogenzone oder Zerplatzungen von Anschmelzungen der Drahtelektrode in Kontaktzonen mit örtlich sehr hoher Stromdichte.

Ablagerungen von Abriebteilchen und Ziehhilfsmitteln durch mangelhaft gereinigte Drahtoberflächen oder von Abriebteilchen durch Störungen im Bereich der Drahtfördereinrichtungen.

Zu große Kontaktrohrbohrung verursacht besonders bei Drähten mit wenig Vorbiegung und geraden Brennern häufig wechselnde Kontaktstelle und freie Drahtelektrodenlänge.

Drähte mit größerer Vorbiegung verbessern die Kontaktqualität, verstärken aber auch die Reibung in Förderschlauch und Kontaktrohr.

Bild 10: Häufige Störungen in Stromkontaktrohren /2/

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6.5 Bedienungs- und Einstellelemente Für das Einstellen des Lichtbogens und des Werkstoffübergangs an konventionellen Schweißanlagen sind nur zwei bzw. drei Einstellgrößen notwendig. Dies sind die Spannung (Lichtbogenlänge) und die Drahtelektrodenvorschubgeschwindigkeit (Schweißstromstärke). Die bei hochwertigen Schweißanlagen vorhandene dritte Einstellgröße, die auch den Werkstoffübergang beeinflusst, ist die Drossel (Induktivität im Schweißstromkreis). Dabei sollten die Werte für die Spannungseinstellung (Leerlaufspannung) in Volt und die Drahtvorschubgeschwindigkeit in z.B. Meter pro Minute kalibriert sein. Oft übliche Skalenwerte von 1-10, die keine Zuordnung zu den wirklichen Werten erlauben, sollten der Vergangenheit angehören. In Bild 11 ist ein Teilbildschirm einer transistorisierten Stromquelle dargestellt.

Anmerkung: Die wirkliche Lichtbogenspannung ist deutlich kleiner als die eingestellte Leerlaufspannung. Der Spannungsabfall, durch die Neigung der statischen Strom-/Spannungskennlinie und ohmsche Verluste sind der Grund. Einigermaßen genau kann sie nur zwischen Kontaktrohr und Werkstück gemessen werden. Dies ist in der Praxis kaum möglich. Wird an den Klemmen der Stromquelle gemessen, so ist die gemessene Spannung um den Spannungsabfall im Schlauchpaket und Werkstückkabel höher, als die wirkliche Lichtbogenspannung. Die Lichtbogenspannung ergibt sich annäherungsweise aus: (Der Spannungsabfall beim Stromübergang vom Kontaktrohr auf die Drahtelektrode von etwa 60-120 mV/100 A Schweißstrom ist nicht berücksichtigt).

ULicht = ULeer – ∆UKennlinie x I / 100 - ∆USchlauch - ∆UWerk - ∆Ufreie Drahtlänge) Dabei ist: ULicht ULeer.. ∆UKennlinie I ∆USchlauch ∆UWerk ∆Ufreie Drahtlänge

Lichtbogenspannung [V]. eingestellte Leerlaufspannung [V]. Spannungsabfall der statische Kennlinie (z. B. 3 V/100 A). augenblickliche Stromstärke [A]. Spannungsabfall im Schlauchpaket (etwa 0,2 V/100 A Schweißstrom). Spannungsabfall in 5 m langer Werkstückleitung und Masseanschlussklemme (etwa 0,4 V/100A Schweißstrom). Spannungsabfall im freien Drahtende (Bei 15 mm Kontaktrohrabstand etwa 0,3 V/100 A bei 1,2 mm dicker Drahtelektrode und etwa 0,6 V/100 A bei einer 0,9 mm dicken Drahtelektrode).

Die Lichtbogenspannung ist bei 3 V/100 A Spannungsabfall und sonstigen Verlusten von etwa 1 V/100 A etwa 4 V/100 A Schweißstrom niedriger, als die eingestellte Leerlaufspannung. Diese große Differenz erfordert in den Schweißdatenblättern die genaue Angabe was und an welcher Stelle gemessen wurde. Bei elektronisch gesteuerten Schweißanlagen sind unterschiedliche Konzepte üblich. Fast immer zeigt ein kleiner (oft viel zu kleiner) Bildschirm die Einstelldaten an. Mit entsprechenden Bedienungselementen können auf diesem Bildschirm unterschiedliche Menüebenen aufgerufen werden. Z.T. sind die Abläufe verwirrend und nur für Computerspezialisten, aber nicht für den Schweißer geeignet. Da die Fähigkeit unterschiedlicher Leistungsteile auf den Schweißprozess zu reagieren, nur geringe Unterschiede aufweist, ist die einfache Bedienbarkeit ein wichtiges Auswahlkriterium. Fast alle Hersteller bieten im Gerät abgespeicherte Einstelldaten an. Dies kann das Wählen der richtigen Einstelldaten erleichtern. Da sie aber vom erfahrenen Schweißer nicht immer als optimal gewertet werden, sollten einfache Korrekturen möglich sein. Auch ein Erstellen und Abspeichern von eigenen Programmen sollte möglich sein.

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Bild 11: Bildschirm einer transistorisierten Stromquelle

6.6 Auswahlkriterien für Schweißanlagen Beim Kauf von MIG/MAG-Schweißanlagen muss über die Bauart von Stromquellen entschieden werden. Nach Tabelle 4 kann in Abhängigkeit vom Einsatzfall die passende Stromquelle ausgewählt werden. Tabelle 4: Auswahlkriterien für MIG/MAG-Schweißanlagen Stromquelle, Bauart Stromquelle mit Stufenschalter

Preis

Einsatzgebiet

gering Handschweißen in Serie, vorzugsweise bei Stahl

Thyristorgesteuerte gering Handschweißen in Stromquelle Serie, vorzugsweise bei Stahl

Impulsbetrieb

Nahtqualität

Netzspannungskompensation

Mechanisierbarkeit

nein

gut, wenn Drossel verstellbar

nein

Nein

nein

gut, wenn nicht im unteren Einstellbereich geschweißt wird

ja / nein

bedingt mechanisierbar

Thyristorgesteuerte Stromquelle mit Impulsen

mittel

Handschweißen, Stahl, Al u. CrNiStahl

ja, aber nur bei Al und CrNi-Stahl

gut, bei Impulsbetrieb nur befriedigend

ja

Bedingt mechanisierbar

Sekundär getaktete transistorgesteuerte Stromquelle

hoch

Handschweißen, mechanisches Schweißen, auch Roboter

ja, bei allen Werkstoffen

sehr gut

ja

Mechanisierbar über Leitspannungen

Primär getaktete transistorgesteuerte Stromquelle

hoch

Handschweißen, mechanisches Schweißen, auch Roboter

ja, bei allen Werkstoffen

sehr gut

ja

Mechanisierbar über Leitspannungen

Das Leistungsschild an einer MIG/MAG-Stromquelle nach EN 60974-1 kann die Auswahl der richtigen Schweißanlage stark erleichtern, da wichtige Kennwerte, wie z.B. der Leistungsbereich und die Netzbelastung aufgeführt sind. Bild 12 zeigt ein Leistungsschild. Die Angaben auf dem Leistungsschild sind in 1.06-2 ausführlich beschrieben.

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Bild 12: Leistungsschild einer MIG/MAG-Stromquelle nach EN 60974-1 /2/

Die Einschaltdauer, die beim MIG/MAG-Schweißen im Handbetrieb mit etwa 60 % und beim mechanisierten Schweißen mit 100 % angesetzt werden kann, lässt sich auf eine andere Einschaltdauer nach folgender Formel umrechnen, bzw. können damit zwei Stromquellen in ihrer Leistungsfähigkeit miteinander verglichen werden (siehe auch 1.06-2, Abschnitt 2, Einschaltdauer). ED 1 x (Schweißstrom 1)2 vergleichen mit ED 2 x (Schweißstrom 2)2. ED1/ED2 → Einschaltdauer von Stromquelle 1 und 2. Schweißstrom 1 / 2 → maximaler Schweißstrom bei Stromquelle 1 und 2. In Tabelle 5 sind Richtwerte zur Auslegung von MIG/MAG-Schweißanlagen in Abhängigkeit vom Drahtdurchmesser angegeben. Dabei stellen die fett gedruckten Werte die Mittelwerte für den Sprühlichtbogen beim Schweißen unter argonreichen Mischgasen dar. Die unteren Werte der Spannung sind für den Kurzlichtbogen bei geringer Stromstärke geeignet. Tabelle 5: Richtwerte zur Auslegung einer MIG/MAG-Schweißanlage (Stahl) Drahtelektrodendurchmesser [mm]

Lichtbogenspannung [V]

Schweißstrom [A]

Abschmelzleistung [kg/h]

0,8

13 – 26

50 - 220

0,8 – 3,4

1,0

14 – 27

60 - 260

1,2 – 4,8

1,2

15 – 32

80 - 320

1,5 – 6,3

1,6

17 – 35

100 – 460

2,5 – 7,5

Je nach Anwendungsfall kann die Anordnung Stromquelle, Drahtvorschubeinheit, Schlauchpaket, Brenner stark unterschiedlich sein. Standardanlagen für das Schweißen in einer Kabine oder von Bauteilen mit begrenzten Abmessungen sind Stromquellen mit eingebauter oder aufgebauter Drahtvorschubeinheit. Die Schlauchpakete sind dabei meistens nicht länger als 3 m. Werden größere Bauteile geschweißt, so kann die Stromquelle und das Drahtvorschubgerät getrennt werden. Der leichtere Drahtvorschub kann nahe der Schweißstelle durch entsprechende Einrichtungen platziert werden. Andere Bauarten verwenden zusätzliche Antriebsmotoren im oder nahe am Brenner.

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In Bild 13 sind unterschiedliche Zusammenstellungen von Leistungsteil und Drahtfördereinheit dargestellt. Berücksichtigt werden muss, dass längere Schlauchpakete einen höheren Spannungsabfall haben und deshalb eine Stromquelle mit höherer Leistung benötigt wird.

Bild 13: Drahtfördereinrichtungen /2/

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7. Literatur /1/

DIN Taschenbuch 191, Schweißtechnik 4, Beuth-Verlag

/2/

Baum L. u. V. Fichter: Der Schutzgasschweißer, Teil II, MIG/MAG-Schweißen. Die Schweißtechnische Praxis, Band12 (1999), DVS-Verlag, Düsseldorf.

/3/

Ruckdeschel, W.: Werkstoffübergang beim MIG/MAG-Schweißen. Linde-Bericht 70-F-51 (1970).

/4/

Aichele G. u. A. A. Smith: MAG-Schweißen (1975), DVS-Verlag, Düsseldorf.

/5/

Knoch, R. u. W. Welz: Metall- Aktivgas-Impulslichtbogenschweißen mit transistorisierten Stromquellen. Schweißen u. Schneiden 38 (1986), Heft 2, S. 67-71.

/6/

Pomaska H. U.: MAG-Schweißen "kein Buch mit sieben Siegeln". Linde AG.

/7/

Schambach, B.: Aktueller Stand schweißtechnischer Europäischer Normen, Sonderausgabe zur 26. Sondertagung „Schweißen im Anlagen und Behälterbau“ (2000), München.

/8/

Dilthey, U.: Energiebilanz der Bogensäule. DVS-Berichte 30 (1974), S.139-156.

/9/

Knoch R.: Schweißkennwerte für das MAG-Schweißen. DVS-Berichte, Band 91, DVS-Verlag.

/10/

N. N.: DVS-Lehrgang: Metall-Schutzgasschweißen

/11/

Schellhase, M.: Der Schweißlichtbogen-ein technologisches Werkzeug. Band 84, DVS-Verlag, Düsseldorf.

/12/

Welz, W. u. R. Knoch: Einstellen und Klassifizieren von Impulslichtbogen beim Metall-Aktivgasschweißen. Schweißen u. Schneiden 41 (1989), Heft 12, S.658-660.

/13/

Welz, W. u. R. Knoch: Untersuchung des Metall-Aktivgasschweißens mit Impulslichtbogen. Schweißen u. Schneiden 41 (1989), Heft 10, S. 542-547.

/14/

Knoch, R.: Messgrößen und Messgeräte beim Metall-Schutzgasschweißen. Schweißen u. Schneiden 38 (1986), Heft 7, S.330-334.

/15/

N.N.: Kurzfassung der EN 287. SLV Duisburg.

16/

Knoch R.: Verbesserung der Zünd- und Anlaufphase beim Metall-Aktivgas-Schweißen. Schweißen u. Schneiden 35 (1983), Heft 8, S. 370-376.

/17/

Knoch, R.: Untersuchung des Zündvorganges und des Anfangsbindefehlers beim MetallAktivgas-Schweißen. Schweißen u. Schneiden 35 (1983), Heft 9, S. 432-435.

/18/

DVS-Richtlinie 0912, Teil 1 - Vermeiden von Bindefehlern. Teil 2 - Vermeiden von Poren.

/19/

Knoch, R. u. A. W. E. Nentwig: Schneller MAG-Schweißen mit mehreren Drahtelektroden. DVS-Berichte Nr. 162 (1994), Seite 77-81.

/20/

Baum, L. u. R. Knoch: Höhere Wirtschaftlichkeit durch MAG-Hochleistungsverfahren. DVS-Berichte Nr. 183 (1997), Seite 50-55.

/21/

Marfels, W.: Der Lichtbogenschweißer, Schweißtechnische Praxis. DVS-Verlag, Düsseldorf.

/22/

DVS-Merkblatt0909-1: Grundlagen des MSG-Hochleistungsschweißens mit Massivdrahtelektroden, Definitionen und Begriffe.

/23/

DVS-Merkblatt 0926: Anforderungen an Schweißanlagen zum Metallschutzgasschweißen.

/24/

DVS-Merkblatt 0932: MAG-Einstellpraxis – Verfahrens- und bauteilabhängige Einflüsse auf die Nahtgeometrie.

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1.09-2

MIG/MAG-Schweißen II

Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Schweißzusatz- und Schweißhilfsstoffe 2. Lichtbogenlängenregelung beim MIG/MAG-Schweißen, Prinzip der inneren Regelung 3. Kräfte am Lichtbogen, Werkstoffübergang 4. Lichtbogenarten 5. Literatur

1 1 10 10 14 20

1. Schweißzusatz- und Schweißhilfsstoffe 1.1 Drahtelektroden 1.1.1 Massivdrähte Drahtelektroden für die wichtigsten Werkstoffe sind genormt. In Tabelle 1 sind diese angeführt. Tabelle 1: Drahtelektroden für das MIG/MAG-Schweißen (Auszug aus /7/) EN-/prENNummer

Ausgabe

Titel

Zusammenhang mit DIN

*)

ISO

EN 440

Schweißzusätze – Drahtelektroden und Schweißgut zum MSG – Schweißen von unlegierten Stählen und Feinkornstählen – Einteilung

1994

DIN EN 440

IDT

ISO 864 DIS 14341

EN 758

Schweißzusätze – Fülldrahtelektroden zum Lichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von unlegierten Stählen und Feinkornstählen - Einteilung

1997

DIN EN 758

IDT

WI

prEN 1) ISO 1071

Schweißzusätze – Drahtelektroden, Drähte und Stäbe zum Lichtbogenschweißen für Gusseisenwerkstoffe

DIN 8573

VGL DIS 14174

EN 12070

Schweißzusätze – Drahtelektroden, Drähte und Stäbe zum Lichtbogenschweißen warmfester Stähle - Einteilung

1999

DIN EN 12070

IDT

DIS 11837

EN 12071

Schweißzusätze –Fülldrahtelektroden, Drähte und Stäbe zum Lichtbogenschweißen warmfester Stähle - Einteilung

1999

DIN EN 12071

IDT

WI

EN 12072

Schweißzusätze – Drahtelektroden, Drähte und Stäbe zum Lichtbogenschweißen nichtrostender und hitzebeständiger Stählen - Einteilung

1999

DIN EN 12072

IDT

DIS 14343

EN 12073

Schweißzusätze – Fülldrahtelektroden, Drähte und Stäbe zum 1999 Metall-Lichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von nichtrostenden und hitzebeständigen Stählen - Einteilung

DIN EN 12073

IDT

WI

EN 12534

Schweißzusätze – Drahtelektroden und Schweißgut zum Metall-Schutzgasschweißen von hochfesten Stählen - Einteilung

1999

DIN EN 12534

IDT

prEN 3) 12535

Schweißzusätze – Fülldrahtelektroden zum MetallSchutzgasschweißen von hochfesten Stählen – Einteilung

1999

DIN EN 12535

IDT

prEN ISO 182733

Schweißzusätze – Drahtelektroden, Drähte und Stäbe zum 1999 Lichtbogenschweißen für Aluminium und Aluminiumlegierungen – Einteilung

DIN 1732-1 E DIN EN ISO 18273

VGL DIS 18273 IDT

prEN ISO 1) 18274

Schweißzusätze – Drahtelektroden, Drähte und Stäbe zum Lichtbogenschweißen für Nickelwerkstoffe

DIN 1736-1

VGL DIS 18274

DIN EN prEN ISO ISO/DIS WI

= = = = = =

Deutsche Norm Europäische Norm Europäischer Normentwurf Internationale Norm Internationaler Normentwurf Normungsvorhaben

1)

4)

4)

4)

IDT = DIN ist mit Europäischer Norm/Normentwurf IDENTISCH VGL = DIN ist mit europäischer Norm/Normentwurf vergleichbar *) Art des Zusammenhangs 1) In Vorbereitung: Veröffentlichung wird im Jahre 2000 erwartet 4) Normungsvorhaben (WI) im zuständigen ISO Normungsgremium zur Übernahme/parallelen Abstimmung (PV) vorgesehen

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1.09-2

MIG/MAG-Schweißen II

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Für das Schweißen von unlegierten Stählen und Feinkornstählen werden Drahtelektroden nach EN 440 (Tabelle 2) eingesetzt. In der alten Norm DIN 8559 wurden die Drahtelektroden SG2 (für das Schweißen mit argonreichen Mischgasen) und SG3 (bei CO2) eingesetzt. Die vergleichbaren Drahtelektroden in EN 440 sind die Drahtelektroden G3Si1 und G4Si1. Tabelle 2: Drahtelektroden und Schweißgut zum MSG-Schweißen von unlegierten Stählen und Feinkornstählen nach EN 440 (Kurzfassung) /2/

EN 440 – G 46 3 M G3Si1 Metall-Schutzgasschweißen Kennziffer für die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften des Schweißgutes Kennziffer

35 38 42 46 50

Mindeststreckgrenze N/mm2 355 380 420 460 500

Zugfestigkeit 2

N/mm 470-570 470-600 500-640 530-680 560-720

Mindestbruch dehnung % 22 20 20 20 18

Kennzeichen für die Kerbschlagarbeit des Schweißgutes KennTemperatur für zeichen Mindestkerbschlagarbeit 47 J °C Z keine Anforderungen A 20 0 0 2 -20 3 -30 4 -40 5 -50 6 -60 LB-E-EN 440-1-02.95

Kurzzeichen für die chemische Zusammensetzung für Drahtelektroden (Auszug) Kurzzeichen G0 G2Si1 G3Si1 G4Si1 G3Si2 G2Ti G3Ni1 G2Ni2 G2Mo G4Mo G2Al

C 0,06-0,14 0,06-0,14 0,06-0,14 0,06-0,14 0,04-0,14 0,06-0,14 0,06-0,14 0,09-0,12 0,06-0,14 0,08-0,14

Si 0,5-0,8 0,7-1,0 0,8-1,2 1,0-1,3 0,4-0,8 0,5-0,9 0,4-0,8 0,3-0,7 0,5-0,8 0,3-0,5

Chemische Zusammensetzung Mn Ni Mo

Al

Jede andere Zusammensetzung 0,9-1,3 0,15 0,15 0,02 1,3-1,6 0,15 0,15 0,02 1,6-1,9 0,15 0,15 0,02 1,3-1,6 0,15 0,15 0,02 0,9-1,4 0,15 0,15 0,05-0,2 1,0-1,6 0,8-1,5 0,15 0,02 0,8-1,4 2,1-2,7 0,15 0,02 0,9-1,3 0,15 0,4-0,6 0,02 1,7-2,1 0,15 0,4-0,6 0,02 0,9-1,3 0,15 0,15 0,35-0,75

Ti und Zr 0,15 0,15 0,15 0,15 0,05-0,25 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15

Kennzeichen für Schutzgase Die Kennzeichen M und C entsprechen den Angaben für die Schutzgase, die in EN 439 festgelegt sind.

Das Kennzeichen M ist anzuwenden, wenn die Einteilung mit einem Schutzgas EN 439-M2, jedoch ohne He, durchgeführt worden ist.

Das Kennzeichen C ist anzuwenden, wenn die Einteilung mit einem Schutzgas EN 439-C1, Kohlendioxid, durchgeführt worden ist.

Einen vergleichbaren Aufbau haben die Normen EN 12070 für warmfeste Stähle und EN 12072 für nichtrostende und hitzebeständige Stähle. In den Bildern 1 und 2 sind Beispiele aufgeführt.

EN 12070 G CrMo 1 Si

EN 12072 G 19 12 3 L

Norm Kennbuchstabe MSG-Massivdrahtelektrode Cr 0,9 – 1,30 % Mo 0,40 – 0,65 % Si 0,50 – 0,80

Norm Kennbuchstabe MSG-MassivDrahtelektrode Cr 18 – 20 % Ni 11 – 14 % Mo 2,5 – 3 % Low carbon (niedriger C-Gehalt)

Bild 1: Beispiel für eine Drahtelektrode, die für den Werkstoff 13CrMo4-5 eingesetzt wird /2/

Bild 2: Beispiel für eine Drahtelektrode, die für den Werkstoff X2CrNi19-11 eingesetzt wird /2/

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In Tabelle 3 sind Anwendungen für die Drahtelektroden nach EN 440 beschrieben. Tabelle 3: Anwendungsbereiche der Drahtelektroden nach EN 440 /2/

Typ G2Si1-

zum Schweißen von Baustählen unter schwach oxidierenden argonreichen Mischgasen der Gruppen M12 bis M14 nach DIN EN 439.

Typ G3Si1-

zum Schweißen von Baustählen unter argonreichen Mischgasen der Gruppen M12 bis M24 nach DIN EN 439. Beim Schweißen mit Mischgasen aus der Hauptgruppe M3 oder CO2 vermindert sich die Streckgrenze und Schweißgutzähigkeit (Tabelle 5-2).

Typen G4Si1 und G3Si2-

zum Schweißen von Baustählen unter Mischgasen der Gruppen M2, M3 oder C1 nach EN 439.

Typ G2Ti-

Dieser Drahtelektrodentyp weist einen gegenüber anderen Sorten deutlich höheren Anteil an Titan auf. Das Element führt im Stahl zu Feinkörnigkeit. Der Anwendungsbereich der Drahtelektrode ist deshalb beim Schweißen von Feinkornbaustählen zu suchen.

Typen G3Ni1 und G3Ni2-

Der erhöhte Nickelgehalt der Drahtelektroden bewirkt eine Erhöhung der Zähigkeit, besonders bei niedrigen Temperaturen. Der Einsatz dieser Typen ist zu empfehlen, wenn tieftemperaturzähe Stähle zu schweißen sind oder besonders hohe Zähigkeiten im Schweißgut verlangt werden.

Typen G2Mo und G4Mo-

Durch das Zulegieren von Molybdän wird die Warmstreckgrenze erhöht. Diese Drahtelektroden sind zu verwenden, wenn Stähle wie 16Mo3 zu schweißen sind.

Drahtelektroden für das MSG-Schweißen sind meistens auf Spulenkörper aufgewickelt. Je nach Einsatz kann dieser Spulenkörper sehr klein (1 kg) oder sehr groß (einige 100 kg) sein. Für Großverbraucher gibt es neben Großspulen auch Fässer, aus denen der Draht durch eine Vorrichtung abgezogen wird. Neben Dorn- und Haspelspulen aus Kunststoff gibt es auch solche aus verformtem Draht. Diese werden verstärkt verwendet, da die Entsorgung problemlos ist. Gebräuchliche Drahtelektrodendurchmesser sind: (0,6); 0,8; (0,9); 1,0; 1,2; (1,4); 1,6 [mm]. Der Drahtdurchmesser 0,6 mm sollte höchstens für billige Hobbygeräte verwendet werden. Der Drahtdurchmesser 0,9 mm wird häufig in der Automobilfertigung eingesetzt. Drahtdurchmesser von 1,6 bis 3,2 mm sind bei Fülldrähten zum Auftragschweißen üblich, bei Massivdrähten sehr selten. An die Drahtoberfläche werden hohe Anforderungen gestellt, um den Schweißstrom im Kontaktrohr auf den Draht übertragen zu können. Drähte für unlegierte, warmfeste und hochfeste Stähle sind deshalb mit einer dünnen Kupferschicht überzogen. Nichtrostende und hitzebeständige Stähle dürfen nicht verkupfert werden. Die schlechtere, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit dieser Werkstoffe erschweren die Stromübertragung. Drahtförderstörungen bis zum Festbrennen der Drahtelektrode im Kontaktrohr sind manchmal nicht zu vermeiden. Weiche Al-Drahtelektroden können nicht störungsfrei durch längere Schlauchpakete geschoben werden. Ein Drahtfördermotor im Brenner ist bei mechanisierten Anwendungen zu empfehlen.

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1.1.2 Fülldrahtelektroden (gasgeschützte Fülldrähte) Fülldrahtelektroden bestehen aus einer metallischen, rohrförmigen Umhüllung und einer pulverförmigen Füllung. Die Füllung besteht aus mineralischen und/oder metallischen Stoffen. Übliche Querschnittsformen sind in Bild 3 dargestellt. Der Pulveranteil liegt meistens unter 30%.

Bild 3: Übliche Querschnittsformen bei Fülldrahtelektroden /2/

Die Füllstoffe haben in Verbindung mit dem Schutzgas Einfluss auf Lichtbogenstabilität, Spritzerbildung, Raupenprofil, Raupenoberfläche, Schlackenentfernbarkeit, Nahtaufbau in Zwangslagen und mechanisch-technologische Schweißguteigenschaften. Gasgeschützte Fülldrähte erfordern eine Schutzgasabdeckung in der gleichen Güte wie Massivdrahtelektroden. Fülldrahtelektroden sind teuerer als Massivdrahtelektroden. Sie kommen deshalb nur dort zum Einsatz, wo gute Schweißeigenschaften und/oder hohe Nahtgüte Vorteile ergeben. In Tabelle 4 sind die wichtigsten Eigenschaften der unterschiedlichen Füllungen beschrieben. Tabelle 4: Eigenschaften und Anwendungshinweise zu Fülldrahtelektroden zum MAG-Schweißen von unlegierten Stählen und Feinkornstählen Rutiltyp

basischer Typ

-

stabiler Lichtbogen und wenig Spritzer

-

guter Seiteneinbrand

-

-

-

Werktoffübergang großtropfiger und Raupe weniger glatt als bei Rutilfüllung

weniger Einbrand in der Nahtmitte im Vergleich zu Massivdraht

-

beim Schweißen mit CO2 mehr Spritzer als bei Ar-CO2-Gemischen

glatte Nahtoberfläche und gute Schlackenentfernbarkeit

-

Stromquellen mit guten dynamischen Eigenschaften erforderlich

Drähte mit schnell erstarrender Schlacke günstig für das Schweißen in Zwangspositionen an dickeren Werkstücken

-

in Zwangsposition ist der Impulslichtbogen günstig

-

gute mechanisch-technologische Schweißguteigenschaften

mechanisch-technologische Eigenschaften des Schweißgutes, besonders bei tieferen Temperaturen, stark vom Legierungstyp des Drahtes abhängig.

-

verminderte Rissanfälligkeit bei bedingt schweißgeeigneten Stählen (z.B. Stähle mit erhöhtem C-Gehalt, warmfeste Stähle, kaltzähe Stähle, Feinkornstähle mit höheren Streckgrenzen, dicke Stahlgussteile)

-

Brennerpolung nach Herstellerangaben (häufig Minuspolung)

Metallpulvertyp -

im Kurzlichtbogenbereich weniger Spritzer als beim Massivdraht

-

für Wurzelschweißungen gut geeignet

-

der Sprühlichtbogenbereich beginnt früher als beim Massivdraht

-

bessere Wiederzündfähigkeit und weniger Rauch als bei schlackebildenden Fülldrähten

-

mehr Widerstandserwärmung im freien Drahtende als bei Massivdrähten

In Tabelle 5 ist eine Kurzfassung der EN 758 für Fülldrahtelektroden von unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen mit und ohne Schutzgasabdeckung aufgelistet.

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Einen vergleichbaren Aufbau haben die Normen für Fülldrahtelektroden EN 12071 (warmfeste Stähle), EN 12073 (nichtrostende und hitzebeständige Stähle) und prEN 12535 (hochfeste Stähle). Tabelle 5: Kurzfassung der EN 758 für Fülldrahtelektroden von unlegierten Stählen und Feinkornstählen mit und ohne Schutzgas /2/.

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1.1.2 Selbstschützende Fülldrahtelektroden (MF-Verfahren) Diese Drähte haben in der Füllung einen hohen Anteil an gasebildenden Stoffen (z.B. Carbonaten). Metalldämpfe und Schlacken schützen zusätzlich das Schweißbad. Für eine ausreichende Schutzgasentwicklung ist ein freies Drahtende von mind. 20 mm notwendig. Zu lange freie Drahtenden können aber zu erhöhten Stickstoffgehalten im Schweißgut führen. Die Rauchbildung ist bei diesen Elektroden meistens sehr hoch. Es werden für diese Drähte Schweißbrenner mit integrierter Absaugung angeboten. Vorteilhaft kann das MF-Schweißen auf Baustellen sein, wo ohne besondere Abschirmung gearbeitet werden kann. Im Vergleich zu Stabelektroden kann oft eine höhere Wirtschaftlichkeit erreicht werden. Die Nahtgüte erreicht nicht immer die Werte von Fülldrähten mit Schutzgas oder von umhüllten Stabelektroden. In EN 758 und EN 12073 sind auch Fülldrahtelektroden ohne Schutzgas für unlegierte Stähle und Feinkornbaustähle sowie für nichtrostende und hitzebeständige Stähle enthalten. Die Verbreitung dieser selbstschützenden Fülldrahtelektroden für das Verbindungsschweißen ist in Deutschland sehr gering. Häufiger werden solche Drähte für das Auftragschweißen eingesetzt.

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1.2 Schutzgase Schutzgase sind notwendig um den Werkstoffübergang im Lichtbogen, das Schweißbad und die Rückseite der Naht (Nahtwurzel) vor Oxidation und unerwünschter Gasaufnahme zu schützen. Je nach Werkstoff und Verfahren werden Schutzgase unterschiedlicher Zusammensetzung eingesetzt. Schutzgase zum Schutzgasschweißen sind in EN 439 genormt. Tabelle 6 zeigt einen Ausschnitt aus EN 439 für das MIG/MAG-Schweißen. In Tabelle 7 sind häufig angewandte Schutzgase für einige Werkstoffe aufgelistet. Tabelle 6: Einteilung von Schutzgasen für das MIG/MAG-Schweißen nach EN 439 (Ausschnitt) Verfahren nach DIN 1910 Teil 4

chemisches Verhalten

Gruppe und Kennzahl EN 439

Komponenten

O2

I1 inert

I2

oxidierend

Rest

M11

>0 bis 5

Rest

M12

>0 bis 5

M14

>0 bis 5

M21

>5 bis 25

M22

MAGC

stark oxidierend

Aluminium, Kupfer, Bronze, (Ni- und Ni-Leg.); für alle Stahlsorten ungünstig dicke Al- und Cu-Teile ohne oder mit verminderter Vorwärmung dicke Al- und Cu-Teile ohne oder mit verminderter Vorwärmung, Ni und Ni-Leg.

MIGk, MIGp, MIGs

H2

>0 bis 95 >0 bis 5

MIGk, MIGp, MIGs MIGk, MIGp, MIGs

hochlegierte CrNi-Stähle

MAGk, MAGp, MAGs

Rest

hochlegierte CrNi-Stähle, ferritische Cr-Stähle

MAGk, MAGp, MAGs

>0 bis 3

Rest

hochlegierte CrNi-Stähle, ferritische Cr-Stähle

MAGk, MAGp, MAGs

>0 bis 3

Rest

un- und niedriglegierte Baustähle, hochlegierte Cr- und CrNi-Stähle mit mehr Oxiden

MAGk, MAGp, MAGs

Rest

un- und niedriglegierte Baustähle; CrNi-Stähle ohne Korrosionsbeanspruchung (Massivdrähte), Fülldrähte (meistens auch für CrNi-Stähle geeignet)

MAGk; MAGp u. MAGs bei CO2-Anteilen < 20 %

>3 bis 10

Rest

un- und niedriglegierte Baustähle, (hochlegierte CrNi-Stähle > Oxide), Zwangspositionen schwieriger

MAGk, MAGp, MAGs

M23

>0 bis 5

>3 bis 10

Rest

un- und niedriglegierte Baustähle

MAGk, MAGp, MAGs

M24

>5 bis 25

>0 bis 8

Rest

un- und niedriglegierte Baustähle

MAGk; MAGp u. MAGs bei CO2-Anteilen < 20 %

M31

> 25 bis 50

Rest

un- und niedriglegierte Baustähle

MAGk, MAGü, MAGI

> 10 bis 15

Rest

un- und niedriglegierte Baustähle Zwangspositionen schwieriger

MAGk, MAGp, MAGs

>8 bis 15

Rest

un- und niedriglegierte Baustähle Zwangspositionen schwieriger

MAGk; MAGp u. MAGs bei CO2-Anteilen < 20 %

unlegierte Stähle, niedriglegierte Stähle mit Einschränkungen; Fülldrähte; günstig für Zwangspositionen an dickeren Teilen

MAGk, MAGI

unlegierte Stähle, niedriglegierte Stähle mit Einschränkungen

MAGk, MAGI

M32

stärker

He

100

M13

MAGM

Ar 100

I3 schwächer

Lichtbogenarten nach DIN 1910 Teil 4

Volumen-Prozent

CO2

MIG

Anwendungsbeispiele

M33

>5 bis 50

C1

100

C2

Rest

>0 bis 30

Sondergase ersetzen bei CrNi-Stählen und Nickelbasiswerkstoffen einen Teil des Argons durch Helium. Auch Schutzgase für Hochleistungsschweißverfahren verwenden Ar/He-Gemische mit Zusätzen von CO2 und O2.

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Tabelle 7: Häufig angewandte Schutzgase für das MSG-Schweißen. Werkstoff

Zusammensetzung

Bezeichnung nach EN 439

unlegierte und legierte Stähle, warmfeste Stähle

100 % CO2 argonreiche Mischgase: mit: 5 - 25% CO2 mit: >3 -10 % O2 mit: >0 - 5 % O2 und >3 - 10 % CO2

C

CrNi-Stähle

M 2.1 M 2.2 M 2.3

argonreiche Mischgase: mit: >0 - 5 % CO2 mit: >0 - 3 % O2

M 1.2 M 1.3

Aluminium u. Al-Legierung.

100 % Argon Argon mit bis zu 95 % Helium

I1 I3

Nickel u. Nickellegierung.

100 % Argon argonreiche Mischgase: mit >0 – 5 % CO2 und > 0 – 5 % H2

I1 M1.1

Die Schutzgase beeinflussen den Werkstoffübergang, die Spritzerbildung, das Nahtaussehen, die Einbrandform und die mech. technologischen Gütewerte. In Tabelle 8 sind die Auswirkungen verschiedener Schutzgase auf die Schweißnaht beschrieben. Tabelle 8: Eigenschaften von Schutzgasen für unlegierte Stähle und Feinkornbaustähle. Schutzgas

Spritzermenge

Einbrandform

Abbrand

Porenhäufigkeit

Mech. techn. Gütewerte

gering

gut

gering

mittel

gut

90 Ar, 10 CO2

gering

Argonfinger

gering

mittel

gut

70 Ar, 30 CO2

stärker

gut

stärker

mittel

mittel

92 Ar, 8 O2

gering

Argonfinger

stärker

stärker

gut

88 Ar, 12 O2

gering

Argonfinger

sehr stark

stärker

mittel

100 % CO2

stark

sehr gut

sehr stark

gering

mittel

82 Ar, 18 CO2

Das Nahtaussehen wird mit zunehmenden CO2- und O2-Gehalt schlechter. Die Tropfenablösung und der Werkstoffübergang bei verschiedenen Schutzgaszusammensetzungen wird in Abschnitt 3 beschrieben. Die in den Stromquellen eingebaute Schutzgassteuerung gewährleistet eine ausreichende Schutzgasabdeckung über die gesamte Schweißzeit. Beim Handschweißen unterscheidet man zwischen einer Zweitakt- und Viertaktsteuerung. Bei der Zweitaktsteuerung wird mit dem Brennerschalter die Schweißspannung, der Drahtvorschub und die Schutzgasströmung eingeschaltet. Bei erneuter Betätigung des Brennerschalters am Ende des Schweißvorgangs, wird gleichzeitig mit der Schweißspannung und dem Drahtvorschub, auch die Schutzgasströmung abgeschaltet. Die vollkommene Schutzgasabdeckung ist am Anfang und am Ende des Schweißvorgangs bei der Zweitaktschaltung nicht immer gewährleistet. Sie wird deshalb nur für untergeordnete Anwendungen oder für das Heftschweißen eingesetzt. Die Viertaktschaltung schaltet beim Drücken des Brennerschalters die Schutzgasströmung ein. Wird der Schalter losgelassen, so wird auch Schweißspannung und Drahtvorschub eingeschaltet. Am Ende des Schweißvorgangs wird beim erneuten Drücken des Brennerschalters die Schweißspannung und der Drahtvorschub abgeschaltet. Ein Loslassen des Brennerschalters schaltet auch die Schutzgasströmung ab. Es liegt also im Belieben des Schweißers wie lange vor oder nach dem Schweißen die Schutzgasabdeckung bleiben soll.

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Bei mechanisierten Anwendungen oder dem Roboterschweißen kann die Schutzgasvor- und Nachströmung durch Zeitglieder oder im Programm eingestellt werden. Aus wirtschaftlichen Gründen wird die Vor- und Nachströmzeit so gering wie möglich eingestellt. Bei gasempfindlichen Werkstoffen wie Titan oder Zirkon sind z.T. lange Nachströmzeiten erforderlich. Die Schutzgasversorgung erfolgt entweder aus Druckflaschen mit 200 bzw. 300 bar Innendruck oder immer häufiger durch eine Ringleitung mit zentraler Versorgung aus der flüssigen Phase. In beiden Fällen muss der Druck reduziert werden und die Durchflussmenge gemessen werden. Es werden zwei Methoden der Durchflussmengenmessung eingesetzt: • mit Staudüse (Kapillare), siehe Bild 4 • mit Schwebekörper, siehe Bild 5. Bei der Staudüse wird der Druck, der sich bei Durchfluss eines Gases vor dieser aufbaut, gemessen und an einem Manometer dessen Skala in l/min geeicht ist, abgelesen. Bei der Messung mit Schwebekörper wird in einem konischen Glasrohr mit Skala eine Kugel durch das Gas hochgedrückt. Die Stellung der Kugel entspricht der Durchflussmenge. Für den Praktiker ist zusätzlich eine Überprüfung der Schutzgasmenge durch ein Messröhrchen, welches auf die Schutzgasdüse gesteckt wird, zu empfehlen.

Bild 4: Schutzgasmengenmessung mit Staudüse

Bild 5: Schutzgasmengenmessung mit Schwebekörper

Die notwendigen Schutzgasmengen sind abhängig von den Werkstoffen, der Stromstärke, der Nahtposition und der Schutzgaszusammensetzung (siehe Bild 6). Die notwendige Schutzgasdurchflussmenge kann bei Abweichung der Gaszusammensetzung vom Gas, für welches das Messgerät geeicht ist (z. B. Argon), durch folgende Formel bestimmt werden:

Vx = VArgon ⋅

ρ Argon ρx

vX = gesuchte Gasmenge [l/min] vArgon = am Durchflussmesser angezeigte Gasmenge [l/min] 3 ρArgon = Dichte von Argon (1,748) [kg/m ] 3 ρX = Dichte des gesuchten Gases [kg/m ]

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Bild 6: Schutzgasmenge in Abhängigkeit von Gasdüsendurchmesser und Stromstärke /2/

2. Lichtbogenlängenregelung beim MIG/MAG-Schweißen, Prinzip der inneren Regelung Die Lichtbogenlänge muss beim MSG-Schweißen unbedingt konstant gehalten werden, um eine gleichmäßige Nahtqualität zu erreichen. Dies geschieht durch die sogenannte "innere Regelung", mittels einer Stromquelle mit Konstantspannungskennlinie und einer konstanten Drahtelektrodengeschwindigkeit. In 1.05-2, Abschnitt 2.4: Regelungsarten und 1.06-2, Abschnitt1.2: Statische Kennlinie ist die Lichtbogenlängenregelung beschrieben.

3. Kräfte am Lichtbogen, Werkstoffübergang Am Drahtelektrodenende, dem Lichtbogenansatz wirken unterschiedliche Kräfte, die den Werkstoffübergang von der Drahtelektrode zum Schweißbad beeinflussen können. In Bild 7 sind diese schematisch dargestellt. Zusätzlich spielt die Temperatur und die Temperaturverteilung am Drahtende eine entscheidende Rolle bei der Tropfenablösung.

Bild 7: Kräfte beim Werkstoffübergang im Lichtbogen /2/

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Die Pinchkraft ist eine elektromagnetische Kraft, die an jedem stromführenden Leiter wirkt (Bild 8) und im Quadrat zur Schweißstromstärke wächst und im Quadrat zur Querschnittsfläche abnimmt. Trotzdem ist diese Kraft nicht groß und kann nur wirksam werden, wenn das Drahtende teigig oder flüssig ist. In Bild 9 ist dies bei zwei verschiedenen Stromstärken und damit Erwärmungszuständen aufgezeigt. Bei geringer Stromstärke reicht die Pinchkraft nicht aus, um den dickflüssigen Tropfen stark zu verformen. Der Tropfen wird nur wenig eingeschnürt. Es gehen große Tropfen in das Schweißbad über. Bei hoher Stromstärke wird die sog. kritische Stromstärke überschritten. Die Pinchkraft kann dann das dünnflüssige Drahtende verformen und sehr feine Tropfen ablösen.

Bild 8: Pinchkraft (vereinfacht) nach Pomaska /6/

Bild 9: Auswirkung der Pinchkraft bei geringer und hoher Stromstärke /6/

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Einen weiteren starken Einfluss auf die Tropfenablösung hat die Oberflächenspannung (Grenzflächenspannung) am hocherhitzten Drahtende. Metallisch blanke Drahtoberflächen, wie sie bei inerten Schutzgasen entstehen (ohne Oxide), haben eine sehr hohe Oberflächenspannung (auch Tropfen mit sehr dicken Oxidschichten verhalten sich ähnlich wie Tropfen mit hoher Oberflächenspannung). Es besteht eine Tendenz zu großen Tropfen. Wird dem Schutzgas etwas Sauerstoff in Form von O2- oder CO2-Zusätzen beigefügt, so bilden sich auf den angeschmolzenen Tropfen Oxidinseln. Diese reduzieren die Oberflächenspannung sehr stark (wie „Pril“ bei Wasser). Statt wenigen großen Tropfen, gehen viele kleine in das Schweißbad über. Eine weitere Kraft ist der Dampfdruck, der durch das überhitzte Schweißbad entsteht und der Tropfenablösung entgegenwirkt. Die elektromagnetische Kraft und die Kraft des Plasmastrahls wirken in Richtung Schweißbad, die Richtung der Schwerkraft ist von der Schweißnahtposition abhängig. Auch die Schutzgaszusammensetzung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Tropfenablösung. Schweißschutzgase sind unterschiedlich gute Wärmeleiter bei den hohen Temperaturen, wie sie am Lichtbogenansatz und im Lichtbogen auftreten (siehe Bild 10). Eine wichtige Temperatur ist hier der Verdampfungspunkt des Werkstoffes (etwa 3000 °C bei Stahl ), da sich etwa diese Temperatur an der abschmelzenden Drahtelektrode einstellen wird.

Bild 10: Wärmeleitfähigkeit von Gasen bei hohen Temperaturen

Argon ist bei hohen Temperaturen gegenüber anderen Gasen ein schlechter Wärmeleiter. Da die Wärmeleitfähigkeit mit der elektrischen Leitfähigkeit bei ionisierten Gasen etwa gleich verläuft, kann angenommen werden, dass Argon bei Temperaturen um 3000 °C auch ein schlechter elektrischer Leiter ist. Bei noch tieferen Temperaturen ist Argon nicht mehr thermisch ionisiert und damit ein Nichtleiter. Der Schweißstrom vom Werkstück zur Elektrode kann also nur im Bereich des heißen Argongases übertragen werden, im Kern der Lichtbogensäule und den Lichtbogenansatzpunkten. Die Stirnseite des Drahtelektrodenendes, bei Drahtdurchmessern von 0,8 - 1,2 mm bietet nur eine kleine Fläche für den Lichtbogenansatz. Die Temperatur an dieser Stelle wird etwas über dem Verdampfungspunkt von Stahl liegen (um 3000 °C). Bei dieser Temperatur reicht die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Argons nicht aus, um den gesamten Schweißstrom nur über die Stirnseite des Drahtelektrodenendes zu übertragen. Der Lichtbogen steigt an der Mantelfläche des Drahtendes hoch. Dieses Hochsteigen beeinflusst entscheidend den Werkstoffübergang bei Argon und argonreichen Mischgasen (Bild 11). Das Drahtende wird durch den Lichtbogenansatz (Anodenfallgebiet) nicht nur von der Stirnseite, sondern

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über einen größeren Bereich auch von außen nach innen erwärmt. Es bildet sich am Drahtende eine längere hocherhitzte Zone. Die Pinchkraft kann wirksam werden und das flüssige Drahtende einschnüren, so dass je nach Temperatur bzw. Stromstärke kleine bis sehr kleine Tropfen in das Schweißbad übergehen.

Bild 11: Lichtbogenansatzstellen bei Argon, argonreichen Mischgasen (Sprühlichtbogen) und CO2 (Langlichtbogen) /2/3/

Ganz anders ist dies bei 100 % CO2 und argonreichen Mischgasen mit mehr als 25 % CO2. Das Schutzgas CO2 dissoziiert bei Temperaturen um 3000 °C. Dabei ist die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit sehr gut (siehe Maximum bei CO2 in Bild 10). Um den Schweißstrom zu übertragen, genügt am Drahtende ein kleiner Lichtbogenansatzpunkt (Bild 11). Die Wärme wird nur von diesem Ansatzpunkt in die Drahtelektrode geleitet. Damit ist das Ende der Drahtelektrode immer heißer, als eine Stelle z.B. 2 mm oberhalb vom Drahtelektrodenende. Die Pinchkraft kann dort durch die niedrigere Temperatur nicht ausreichend wirksam werden, um kleine Tropfen abzulösen. Bei längerer Lichtbogeneinwirkung bildet sich am Drahtende ein unregelmäßiges Gebilde aus geschmolzenen hocherhitzten Draht, welches durch die vorher beschriebenen Kräfte am Lichtbogen unkontrolliert bewegt wird. Eine gezielte Ablösung des Tropfens ist nicht gegeben. Die Tropfen gehen oft im Kurzschluss über, wobei starke Spritzer entstehen können.

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4. Lichtbogenarten In Abhängigkeit von Drahtelektrodendurchmesser, Drahtgeschwindigkeit und Schutzgaszusammensetzung ergeben sich bei geringer Drahtgeschwindigkeit der Kurzlichtbogen und bei hoher Drahtgeschwindigkeit der Sprühlichtbogen, wobei die Lichtbogenspannung angepasst werden muss. Bei argonreichen Mischgasen mit geringem CO2-Gehalt geht schon bei geringer Stromstärke der Kurzlichtbogen ohne Misch- oder Übergangslichtbogen in den Sprühlichtbogen über. Bei dem häufig eingesetzten argonreichen Mischgas Argon +18 % CO2 liegt zwischen dem Kurz- und Sprühlichtbogenbereich bei höheren Stromstärken ein ausgeprägter Mischlichtbogenbereich, der verstärkt zu Spritzern neigt. In Bild 12 sind die Arbeitsbereiche bei zwei Schutzgasen mit unterschiedlichem CO2-Gehalt dargestellt.

Bild 12: Arbeitsbereiche von Kurz- und Sprühlichtbogen unter verschiedenen Schutzgasen

4.1 Kurzlichtbogen Der Kurzlichtbogen sollte eigentlich Lichtbogen mit Kurzschlüssen genannt werden, da der Lichtbogen fast regelmäßig durch Kurzschlüsse unterbrochen wird. Während der Lichtbogenphase wird die Drahtelektrode angeschmolzen. Dieser flüssige Werkstoff geht während des Kurzschlusses in das Schweißbad über. Die Stromstärke ist beim Kurzlichtbogen gering, das Schweißbad am Drahtende ist zähflüssig und klein. Die Pinchkraft wird dadurch kaum wirksam.

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Der Kurzlichtbogenzyklus läuft folgendermaßen ab: Zu einem Zeitpunkt brennt zwischen Drahtelektrode und Werkstück ein Lichtbogen. Der Draht wird gleichmäßig in Richtung Schweißbad vorgeschoben und verkürzt immer mehr die Lichtbogenlänge, dabei schmilzt der Lichtbogen am Drahtende eine Kugel an. Nach kurzer Lichtbogenbrennzeit taucht die flüssige Kugel ins Schweißbad ein. Es entsteht ein Kurzschluss. Während dieser Kurzschlussphase geht ein großer Teil des flüssigen Drahtendes in das Schweißbad über. Da während des Kurzschlusses kein neuer Drahtwerkstoff geschmolzen wird, sondern nur das gesamte freie Drahtende durch Widerstandserwärmung (der Kurzschlussstrom fließt durch den Draht) erhitzt wird, wird die Kurzschlussbrücke immer kleiner und heißer. Zusätzlich ist der Schweißstrom durch den Kurzschluss angestiegen, sodass die Pinchkraft wirksam werden kann und die Kurzschlussbrücke abschnürt. Es zündet wieder ein Lichtbogen und der gesamte Vorgang wiederholt sich je nach Einstellung zwischen 20 und 120 mal in der Sekunde. In Bild 13 ist dieser Vorgang aufgezeichnet.

Bild 13: Stromverlauf und Werkstoffübergang im Kurzlichtbogen /2/

Der Kurzlichtbogen bringt durch die kürzere Lichtbogenbrennzeit wenig Wärme in das zu schweißende Bauteil. Durch den Kontaktübergang kann auch ein zähes Schweißgut übertragen werden. Der Kurzlichtbogen ist deshalb gut geeignet für dünne Bauteile, Zwangslagenschweißungen, für das Nahtwurzelschweißen und für die Überbrückung von Schweißspalten. Er kann nach dem bisherigen Stand der Technik besonders im unteren Leistungsbereich, nicht durch andere Lichtbogenarten ersetzt werden. Beim Lösen der Kurzschlussbrücke entstehen Spritzer, die aber bei guten Geräten (einstellbare Drossel, Induktivität) im unteren Stromstärkebereich so klein sind, dass sie nicht am Bauteil festschweißen.

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4.2 Sprühlichtbogen Wird beim MSG-Schweißen die sogenannte „kritische Stromstärke“ überschritten (siehe Bild 11), so ist bei argonreichen Mischgasen das Drahtende so heiß und dünnflüssig, dass die Pinchkraft wirksam werden kann. Die kritische Stromstärke ist abhängig vom Drahtdurchmesser und der Schutzgaszusammensetzung. Die angeschmolzene Drahtelektrode geht feintropfig ins Schweißbad über. Dabei entstehende Spritzer sind in der Regel so klein, dass sie nicht am Bauteil festschweißen. In Bild 14 ist der Werkstoffübergang im Sprühlichtbogen in Abhängigkeit von der Schutzgaszusammensetzung dargestellt. Der Einfluss der Lichtbogenspannung auf den Werkstoffübergang im Sprühlichtbogen ist in dem Bild 15 und Bild 16 zu erkennen.

Bild 14: Werkstoffübergang im Sprühlichtbogen in Abhängigkeit der Schutzgaszusammensetzung /2/

a: b: c: d: e:

sehr langer Lichtbogen. langer Lichtbogen mit kleiner Stromdichte und grobtropfigem Werkstoffübergang. Sprühlichtbogen. Hochleistungs-Kurzlichtbogen. Lange Lichtbogenunterbrechungen durch Kurzschlüsse. Dadurch großer Anteil von Widerstandserwärmung beim Abschmelzen der Elektrode.

Schutzgas: Ar + 18 % CO2 Drahtelektrode: G4Si1, ∅ = 1,2 mm

Bild 15: Einfluss der Lichtbogenspannung auf den Werkstoffübergang im Sprühlichtbogen /2/

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Bild 16: Einfluss der Lichtbogenspannung auf den Werkstoffübergang im Sprühlichtbogen /2/

4.3 Übergangslichtbogen, Mischlichtbogen Dieser Lichtbogen tritt im Grenzbereich zwischen Kurz- und Sprühlichtbogen auf und wird von einigen Fachleuten noch zum Kurzlichtbogenbereich gerechnet. Im Übergangslichtbogen geht ein Teil des angeschmolzenen Drahtwerkstoffs bereits ohne Kurzschlüsse aber bedingt durch die geringere Stromstärke (geringere Pinchkraft), grobtropfig über. Da der Lichtbogen relativ kurz ist, können Kurzschlüsse bei der Tropfenablösung auftreten. Diese Kurzschlüsse, bei höheren Stromstärken als im Kurzlichtbogen, können stärkere Spritzer verursachen, die am Bauteil festschweißen. Der Übergangslichtbogen sollte gemieden werden, ist aber besonders bei Fallnahtpositionen nicht immer vermeidbar. Der Impulslichtbogen kann diesen Stromstärkebereich bei geringer Spritzerbildung überdecken. 4.4 Langlichtbogen Der Langlichtbogen tritt unter 100 % CO2 oder argonreichen Mischgasen mit mehr als 25 % CO2 im mittleren und oberen Strombereich auf. Die gute Wärmeleitfähigkeit dieser Schutzgase in diesem Temperaturbereich ergibt einen punktförmigen Lichtbogenansatz am Drahtelektrodenende und verhindert ein Hochsteigen des Lichtbogens am Drahtende. Das Drahtelektrodenende ist wenige Millimeter hinter dem Lichtbogenansatz schon zu kalt um eine nennenswerte Verformung durch die Pinchkraft zu erfahren. Die übergehenden Tropfen sind sehr groß (die dickere Oxidschicht durch die stärker oxidierenden Schutzgase verstärkt dies zusätzlich). Die Tropfen gehen unregelmäßig, oft begleitet von Kurzschlüssen, in das Schweißbad über (Bild 17). Die daraus resultierende Spritzerbildung ist auch bei optimaler Einstellung und guten Stromquellen deutlich stärker als bei argonreichen Mischgasen. Der Stromverlauf und der Werkstoffübergang sind in Bild 18 dargestellt.

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Bild 17: Typischer Werkstoffübergang beim Langlichtbogen /2/

Bild 18: Stromverlauf und Werkstoffübergang im Langlichtbogen /2/

4.5 Impulslichtbogen Der Impulslichtbogen verwendet anstelle eines Gleichstromes einen impulsförmigen Gleichstrom. Im Idealfall soll mit jedem Impuls ein Tropfen vom Drahtende abgelöst werden und am Ende des Impulses kurzschluss- und spritzerfrei in das Schweißbad übergehen. Diese Überlegungen führten schon etwa 1965 zu thyristorgesteuerten Impulsstromquellen, die feste Impulsfrequenzen wie 25, 33 1/3, 50 und 100 Hz hatten. Für Al-Werkstoffe und für CrNi-Stähle waren diese Stromquellen geeignet. Bei Aluminiumwerkstoffen konnte mit dickeren Drahtelektroden (1,2 und 1,6 mm) an dünnen Blechen geschweißt werden, für die sonst 0,8 mm dicke Drahtelektroden verwendet werden mussten, die erhebliche Drahtförderprobleme zur Folge hatten. Nachteilig war bei diesen Anlagen die Impulsformung, die an dem Phasenanschnitt mit Thyristoren gebunden war. Schmale Impulse waren in der Stromstärke niedrig, breite Impulse hatten eine hohe Stromstärke. Bei Al-Werkstoffen, die mit breiten Impulsen gut von der Drahtelektrode abgelöst werden können und bei CrNi-Stählen, die keine hohen Ansprüche an die Impulsform stellen, konnten brauchbare Ergebnisse erzielt werden. Unlegierte und legierte Stähle konnten mit diesen Anlagen nicht verschweißt werden, obwohl es von Stromquellenherstellern immer wieder versucht wurde. Mit der Weiterentwicklung der Leistungselektronik sind Anfang der 80er Jahre erste transistorisierte Stromquellen auf den Markt gekommen. Mit diesen Stromquellen mit variabler Impulsfrequenz und beliebig wählbarer Impulsbreite und Impulshöhe konnten, die für Stähle notwendigen hohen, schmalen Impulse bei niedrigem Grundstrom eingestellt werden. Diese Entwicklung von transistorisierten Strom-

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quellen bedeutete einen sehr großen Fortschritt beim MSG-Schweißen. Erstmalig konnte über einen großen Leistungsbereich spritzerarm bis spritzerfrei geschweißt werden. In Bild 19 ist der Stromverlauf und der Werkstoffübergang zu sehen. Das Ziel ist pro Impuls einen Tropfen abzulösen. In 3.09-3, Abschnitt 1.8 wird das Einstellen und die Anwendung des Impulslichtbogens beschrieben.

Bild 19: Strom- und Spannungsverlauf beim Impulslichtbogen /2/

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5. Literatur /1/

DIN Taschenbuch 191, Schweißtechnik 4, Beuth-Verlag

/2/

Baum L. u. V. Fichter: Der Schutzgasschweißer, Teil II, MIG/MAG-Schweißen. Die Schweißtechnische Praxis, Band12 (1999), DVS-Verlag, Düsseldorf.

/3/

Ruckdeschel, W.: Werkstoffübergang beim MIG/MAG-Schweißen. Linde-Bericht 70-F-51 (1970).

/4/

Aichele G. u. A. A. Smith: MAG-Schweißen (1975), DVS-Verlag, Düsseldorf.

/5/

Knoch, R. u. W. Welz: Metall- Aktivgas-Impulslichtbogenschweißen mit transistorisierten Stromquellen. Schweißen u. Schneiden 38 (1986), Heft 2, S. 67-71.

/6/

Pomaska H. U.: MAG-Schweißen "kein Buch mit sieben Siegeln". Linde AG.

/7/

Schambach, B.: Aktueller Stand schweißtechnischer Europäischer Normen, Sonderausgabe zur 26. Sondertagung „Schweißen im Anlagen und Behälterbau“ (2000), München.

/8/

Dilthey, U.: Energiebilanz der Bogensäule. DVS-Berichte 30 (1974), S.139-156.

/9/

Knoch R.: Schweißkennwerte für das MAG-Schweißen. DVS-Berichte, Band 91, DVS-Verlag.

/10/

N. N.: DVS-Lehrgang: Metall-Schutzgasschweißen

/11/

Schellhase, M.: Der Schweißlichtbogen-ein technologisches Werkzeug. Band 84, DVS-Verlag, Düsseldorf.

/12/

Welz, W. u. R. Knoch: Einstellen und Klassifizieren von Impulslichtbogen beim Metall-Aktivgasschweißen. Schweißen u. Schneiden 41 (1989), Heft 12, S.658-660.

/13/

Welz, W. u. R. Knoch: Untersuchung des Metall-Aktivgasschweißens mit Impulslichtbogen. Schweißen u. Schneiden 41 (1989), Heft 10, S. 542-547.

/14/

Knoch, R.: Messgrößen und Messgeräte beim Metall-Schutzgasschweißen. Schweißen u. Schneiden 38 (1986), Heft 7, S.330-334.

/15/

N.N.: Kurzfassung der EN 287. SLV Duisburg.

16/

Knoch R.: Verbesserung der Zünd- und Anlaufphase beim Metall-Aktivgas-Schweißen. Schweißen u. Schneiden 35 (1983), Heft 8, S. 370-376.

/17/

Knoch, R.: Untersuchung des Zündvorganges und des Anfangsbindefehlers beim MetallAktivgas-Schweißen. Schweißen u. Schneiden 35 (1983), Heft 9, S. 432-435.

/18/

DVS-Richtlinie 0912, Teil 1 - Vermeiden von Bindefehlern. Teil 2 - Vermeiden von Poren.

/19/

Knoch, R. u. A. W. E. Nentwig: Schneller MAG-Schweißen mit mehreren Drahtelektroden. DVS-Berichte Nr. 162 (1994), Seite 77-81.

/20/

Baum, L. u. R. Knoch: Höhere Wirtschaftlichkeit durch MAG-Hochleistungsverfahren. DVS-Berichte Nr. 183 (1997), Seite 50-55.

/21/

Marfels, W.: Der Lichtbogenschweißer, Schweißtechnische Praxis. DVS-Verlag, Düsseldorf.

/22/

DVS-Merkblatt0909-1: Grundlagen des MSG-Hochleistungsschweißens mit Massivdrahtelektroden, Definitionen und Begriffe.

/23/

DVS-Merkblatt 0926: Anforderungen an Schweißanlagen zum Metallschutzgasschweißen.

/24/

DVS-Merkblatt 0932: MAG-Einstellpraxis – Verfahrens- und bauteilabhängige Einflüsse auf die Nahtgeometrie.

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0 Inhaltsverzeichnis 1. Einstellen von MIG/MAG-Schweißanlagen 2. Impulslichtbogen 3. Mögliche Fehler beim MIG/MAG-Schweißen 4. Literatur

1 1 11 17 29

1. Einstellen von MIG/MAG-Schweißanlagen 1.1 Einstellgrößen beim konventionellen Lichtbogen Einfache Stromquellen besitzen 2 Knöpfe zum Einstellen des Lichtbogens, die Spannungseinstellung und den Drahtvorschub. Dazu kommt bei aufwendigeren Geräten noch eine verstellbare Induktivität (Drossel). Die statische Strom-/Spannungskennlinie einer konventionellen Schweißanlage mit stufenweiser Einstellung der Spannungswerte und die Lichtbogenkennlinie ist in Bild 1 dargestellt. Die jeweilige, von Drahtdurchmesser, Schutzgas und anderen Größen abhängige Lichtbogenkennlinie schneidet die statische Spannungskennlinie. Die Spannung und der Drahtvorschub stehen in keinem festen Verhältnis zueinander, da sich dieses bei unterschiedlichen Werkstoffübergängen ändert (Kurz-, Sprühlichtbogen). Eine zunehmende Drahtgeschwindigkeit erfordert aber immer auch eine Erhöhung der Lichtbogenspannung. In Bild 2 ist dieser Zusammenhang für 1,2 mm dicke Drahtelektroden bei unterschiedlichen Schutzgasen dargestellt. CO2 und höher CO2-haltige argonreiche Mischgase benötigen eine höhere Lichtbogenspannung, als Argon und argonreiche Mischgase mit weniger als 20 % CO2.

Bild 1: Statische Kennlinie und Lichtbogenkennlinie. Lichtbogenlänge bei unterschiedlichen Arbeitspunkten /2/

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Bild 2: Lichtbogenspannung und Schweißstrom bei verschiedenen Schutzgasen (Werte aus Versuchsreihen) /9/

Je nach Schweißaufgabe muss der Schweißer die Art des Werkstoffübergangs wählen (Kurz-, Übergangs- oder Sprühlichtbogen, bzw. den Langlichtbogen anstelle des Sprühlichtbogens bei CO2 als Schutzgas). In Tabelle 1 sind Schweißdaten für unterschiedliche Drahtdurchmesser und Werkstoffübergänge bei Stahl aufgelistet. Diese Daten helfen bei der Grobeinstellung der Schweißanlage. Tabelle 1:

Schweißdaten und Arbeitsbereiche bei Stahl unter argonreichen Mischgasen (ohne Hochleistungsverfahren) /9/

Drahtdurchmesser [mm]

Lichtbogenspannung [V]

Schweißstrom [A]

Drahtvorschub [m/min]

0,8

14-18

50-130

2,0-8,0

1,0

16-19

70-160

2,0-6,5

1,2

17-20

100-200

2,0-6,0

0,8

18-22

110-140

6,0-9,0

1,0

18-24

130-180

5,0-7,5

1,2

19-26

170-240

5,0-7,5

0,8

23-28

140-190

9,0-14,0

1,0

24-30

180-280

7,5-18,0

1,2

25-32

220-340

6,5-12,0

1,0

20-32

80-280

3,0-18,0

1,2

22-35

100-340

2,0-12,0

Lichtbogenart, Werkstoffübergang Kurzlichtbogen

Anwendung

unterer Leistungsbereich Dünnblechbereich, Zwangslagen, Wurzelschweißen, Spaltüberbrücken

Übergangslichtbogen

mittlerer Leistungsbereich mittlere Blechdicken, Fallnaht

Sprühlichtbogen

oberer Leistungsbereich dickere Bleche oder Schweißen mit sehr hoher Schweißgeschwindigkeit, Füll- und Decklagen in waagrechter Position

Impulslichtbogen

unterer bis oberer Leistungsbereich Einschränkungen im unteren Leistungsbereich durch zu hohe Wärmeeinbringung

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Anmerkung zu Tabelle 1: Beim Schweißen unter argonreichen Mischgasen mit höherem CO 2-Gehalt (z.B. Argon + 18 % CO2) verschieben sich die unteren Spannungs- und Drahtgeschwindigkeitsangaben beim Übergangs-, Sprühund Impulslichtbogen etwas nach oben. Z.B. beginnt der Sprühlichtbogen bei 1,2 mm dicker Drahtelektrode unter Argon mit 18 % CO2 erst bei einer Drahtgeschwindigkeit von 9,5 m/min. Der dazugehörende Spannungswert beträgt mindestens 28 V. Zum Einstellen des Lichtbogens hat der Schweißer in der Regel keine Messgeräte, nach denen er seinen Lichtbogen einstellen kann. Selbst wenn Messgeräte vorhanden sind, kann die Übertragung von Messwerten, von einer Stromquelle auf die andere, problematisch sein, wenn z.B. unterschiedlich lange Schlauchpakete und Werkstückkabel verwendet werden (Spannungsabfall in den Leitungen). Je Schweißaufgabe wählt der Schweißer den Drahtelektrodendurchmesser (der Draht mit 1,2 mm Durchmesser wird am meisten eingesetzt, dicht gefolgt vom 1,0 mm dicken Draht). 0,8 mm dicke Drähte werden nur bei sehr dünnen Bauteilen eingesetzt oder im Hobbybereich, wenn die Leistung der Schweißanlage zu gering ist. Die Drahtelektrodengeschwindigkeit ist in der Regel die einzige Größe, die der Schweißer bewusst einstellen kann. Die Drahtgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Abschmelzleistung und bestimmt bei gleichbleibender Schweißgeschwindigkeit den Nahtquerschnitt. Diese Werte sind ja oft im Schweißdatenblatt vorgegeben. Die anderen dort angegebenen Werte, wie Schweißspannung oder Schweißstromstärke müssen nicht bei unterschiedlichen Schweißanlagen zum gleichen Ergebnis führen. Je nach Kennlinienneigung der Stromquelle, Länge des Schlauchpaktes oder bei unterschiedlichen Messpunkten kann die einzustellende Spannung stark abweichen. Der Schweißstrom wird von der Drahtgeschwindigkeit und zum Teil von der Spannung und dem Kontaktrohrabstand bestimmt. Auch auf diese Größe hat der Schweißer keinen direkten Einfluss. Der gut ausgebildete Schweißer stellt seinen Lichtbogen nach dem Gehör und dem was er sieht ein. Der Werkstoffübergang muss stimmen und der Lichtbogen muss die richtige Länge haben. Im Kurzlichtbogen dem unteren Leistungsbereich stellt der Schweißer einen Lichtbogen mit gleichmäßiger Kurzschlussfrequenz ein, die je nach Stromstärke und Schweißaufgabe zwischen 20 und 120 Hz liegen kann. Eine zu hohe Spannungseinstellung oder eine zu niedrige Drahtgeschwindigkeit ergeben einen zu langen Lichtbogen mit zu geringer Kurzschlussfrequenz mit großen Tropfen, die Spritzer ergeben können. Eine zu hohe Drahtgeschwindigkeit oder zu geringe Spannungseinstellung ergeben zu hohe Kurzschlussfrequenzen, einen zu kurzen Lichtbogen und eine im Verhältnis zur Lichtbogenbrennzeit zu lange Kurzschlusszeit. Dabei sollte die Drossel (Induktivität, soweit vorhanden) beim Kurzlichtbogen auf stark und im Sprühlichtbogen auf gering gestellt werden. Beim Sprühlichtbogen werden die gleichen Einstellgrößen (Spannung u. Drahtgeschwindigkeit) benötigt. Auch hier wird bei zu hoher Spannungseinstellung der Lichtbogen zu lang und die ohne Kurzschluss im Lichtbogen frei übergehenden feinen Tropfen bleiben zu lange in der oxidierenden Atmosphäre und können dabei Legierungselemente verlieren. Das Geräusch des Lichtbogens soll nicht zischend sein. Bei der richtigen Lichtbogenlänge ist noch ein deutliches Knistern zu hören. Ein zu langer Lichtbogen ist auch an einer stärkeren Rauchbildung zu erkennen. Ein zu kurzer Sprühlichtbogen hat noch Kurzschlüsse und kann somit Spritzer ergeben.

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1.2 Einfluss der Lichtbogenspannung Die Lichtbogenspannung bestimmt die Lichtbogenlänge und damit die Nahtbreite. Ist die Lichtbogenspannung groß, wird die Naht flach und breit und es können Randkerben, sowie negative Nahtveränderungen durch magnetische Blaswirkung auftreten. Bei einem sehr langen Lichtbogen können Legierungselemente im Lichtbogen stärker abgebrannt werden und die Rauchentwicklung nimmt zu. Eine zu geringe Spannung ergibt schmale, stark überhöhte Nähte und die Gefahr von Kurzschlüssen. In Bild 3 ist dies an Kehlnähten und Blindraupen dargestellt. In Bild 4 ist der Einfluss der Lichtbogenspannung im Kurzlichtbogenbereich zu erkennen.

Bild 3: Einfluss der Lichtbogenspannung bei Kehlnähten und Blindraupen im Sprühlichtbogenbereich /2/

Bild 4: Einfluss der Lichtbogenspannung im Kurzlichtbogenbereich /2/

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1.3 Einfluss der Drahtgeschwindigkeit Die Drahtgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Abschmelzleistung und steht in einem fast linearen Verhältnis zur Schweißstromstärke. Eine zunehmende Drahtgeschwindigkeit erhöht die Stromstärke und die Einbrandtiefe. Die Nahtbreite wird im sinnvollen Arbeitsbereich nur unwesentlich beeinflusst. Die Nahtüberhöhung steigt durch die erhöhte Abschmelzleistung an, wenn nicht die anderen Parameter, wie Spannung und Schweißgeschwindigkeit, ebenfalls erhöht werden. In Bild 5 sind Anwendungsbereiche in Abhängigkeit von der Drahtgeschwindigkeit angegeben. Das Bild 6 und Bild 7 zeigen Änderungen in der Nahtgeometrie bei verschiedenen Drahtgeschwindigkeiten mit und ohne Anpassung der Lichtbogenspannung.

Bild 5: Anwendungsbereiche in Abhängigkeit von der Lichtbogenleistung /2/

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Bild 6: Einfluss der Stromstärke ohne Anpassung der Lichtbogenspannung /2/

Bild 7: Einfluss von Stromstärke und Drahtgeschwindigkeit mit Anpassung der Lichtbogenspannung /2/

1.4 Einfluss des Stromkontaktrohrabstandes Der Stromkontaktrohrabstand ist definiert als Abstand zwischen Stromkontaktrohrende und der Werkstückoberfläche (siehe Bild 8 und DIN 1910 Teil 11). Diese Größe ist nicht exakt, da die Schweißbadhöhe und die Lichtbogenlänge nicht genau gemessen werden kann. In der Praxis werden im unteren Strombereich geringere (etwa 10-15 mm) und im oberen Strombereich größere (15-20 mm) Werte eingestellt, um das Stromkontaktrohr und die Gasdüse thermisch zu entlasten (siehe Richtwerte in Tabelle 2). In Bild 9 ist der Einfluss des Stromkontaktrohrabstandes auf die Stromstärke und damit auch auf die Einbrandtiefe zu erkennen.

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Bild 8: Stromkontaktrohrabstand

Tabelle 2: Stromkontaktrohrabstand in Abhängigkeit von der Lichtbogenart Lichtbogenart

Stromkontaktrohrabstand k [mm]

Rückstand s [mm]

Kurzlichtbogen

etwa 10 x Drahtdurchmesser

0-3

Langlichtbogen

etwa 8 - 12 x Drahtdurchmesser

2-5

Sprühlichtbogen

etwa 12 - 16 x Drahtdurchmesser

5

Bei Kehlnähten kann manchmal das Stromkontaktrohr aus der Gasdüse vorstehen.

Bild 9: Einfluss des Stromkontaktrohrabstandes auf Nahtgeometrie und Stromstärke

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1.5 Einfluss der Schweißgeschwindigkeit Bei konstanten Schweißdaten verringert eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit den Nahtquerschnitt. Soll bei erhöhter Schweißgeschwindigkeit die gleiche Nahtgeometrie erreicht werden, so müssen die Schweißspannung und die Drahtgeschwindigkeit erhöht werden. Die Schweißgeschwindigkeit ist nicht beliebig wählbar. Beim Handschweißen sind Schweißgeschwindigkeiten von 40-60 cm/min sinnvoll, da bei höheren Werten ein Handschweißer den Brenner nicht mehr gleichmäßig führen kann. Beim mechanisierten Schweißen kann die Schweißgeschwindigkeit bis zur Verfahrensgrenze gesteigert werden. Ist sie zu hoch, können Randkerben auftreten und die Schweißnaht wird überhöht und schmal. Schweißgeschwindigkeiten von 1-1,5 m/min sind in der Serienfertigung üblich. Wird die Schweißgeschwindigkeit auf Werte unter 40 cm/min verringert, so kann ein vorlaufendes Schweißbad den Einbrand stark vermindern, sodass Bindefehler auftreten können (siehe Bild 10). Es ist besser eine Naht in drei Lagen schnell zu schweißen, als langsam in einer Lage.

Bild 10: Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf die Einbrandtiefe

1.6 Einfluss der Brennerstellung Die Brennerstellung, stechend, neutral (senkrecht), oder schleppend, beeinflusst die Einbrandform und die äußere Nahtgeometrie. Eine stechende Brennerstellung breitet die Naht, der Einbrand wird aber geringer. Bei zu stark stechender Brennerstellung (> 20° bei Stumpfnähten und > 35° bei Kehlnähten), kann durch ein vorlaufendes Schweißbad der Einbrand so stark verringert werden, dass Bindefehler auftreten. Bei schleppender Brennerstellung wird die Naht schmal und überhöht sowie der Einbrand tiefer. In Bild 11 sind die Einflüsse graphisch dargestellt. Die Brennerstellung beim Schweißen von Fallnähten sollte etwa 90° zur Blechoberfläche sein.

Bild 11: Einfluss der Brennerstellung auf die Nahtform

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1.7 Einfluss der Schweißnahtposition Die Schweißnahtpositionen sind mit Kurzzeichen gekennzeichnet. Die Bezeichnungen sind in EN ISO 6947 und EN 287 beschrieben (siehe auch 1.9-4, Abschnitt 1). Beim Schweißen in den waagrechten oder horizontalen Nahtpositionen lassen sich die höchsten Abschmelzleistungen erreichen, wobei die Schweißgeschwindigkeiten entsprechend erhöht werden müssen, um ein zu großes, vorlaufendes Schweißbad zu vermeiden. In der Fallnahtposition versucht das dünnflüssige Schweißbad nach unten zu laufen. Um Bindefehler zu vermeiden, muss die Schweißgeschwindigkeit höher als die des abfließenden Bades sein. In Bild 12 ist dies dargestellt. Der Lichtbogen wird in der Fallnahtposition kurz, bis an die Spritzergrenze, eingestellt. Kurz- und Übergangslichtbogen sind dafür geeignet. Ein "a-Maß" bis zu 3,5 mm ist bei Stahl in dieser Position in einer Lage erreichbar. Am sich drehenden Rohr sind alle Positionen einstellbar. In Bild 13 sind die Auswirkungen auf die Nahtgeometrie dargestellt. Die steigende Nahtposition für dickere Nähte ist nur mit pendelnder Brennerbewegung erreichbar (siehe Bild 14 und Bild 15). Die Schweißgeschwindigkeit und die Abschmelzleistung sind dabei gering.

Bild 12: Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf die Flankenaufschmelzung bei Fallnähten /2/

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Bild 13: Einfluss der Schweißnahtposition auf die Nahtgeometrie am sich drehenden Rohr

Bild 14: Drahtelektrodenführung und Lagenaufbau beim Schweißen von senkrechten Kehlnähten /2/

Bild 15: Drahtelektrodenführung und Lagenaufbau beim Schweißen von senkrechten Stumpfnähten /2/

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2. Impulslichtbogen 2.1 Einstellen des Impulslichtbogens Beim Impulslichtbogen sind fünf Einstellgrößen notwendig um den Werkstoffübergang richtig einzustellen. Diese sind: Drahtgeschwindigkeit, Impulsfrequenz, Impulsbreite, Impulshöhe und Grundstromhöhe. In Bild 16 sind diese Größen dargestellt. In Abweichung von der bildlichen Darstellung in Bild 16 wird meistens statt der Impuls- und Grundstromzeit der inverse Wert, die Impulsfrequenz angegeben. Auch gibt es bei den Geräteherstellern unterschiedliche Auffassungen über die Impulszeit. Oft wird abweichend von Bild 16 nur die Stromanstiegszeit und der Bereich mit relativ konstantem Strom als Impulsbreite angesehen. Dabei wird der Bereich des abfallenden Stroms bereits dem Grundstrom zugeordnet. Es ist deshalb manchmal schwierig Schweißdaten an unterschiedlichen Geräten zu bewerten. Die Impulshöhe wird bei den Einstelldaten entweder als Impulsspannung (wenn während der Impulsstromphase eine Konstantspannungskennlinie vorhanden ist) oder als Impulsstrom (wenn der Strom geregelt wird) angegeben. Ausführlich werden diese unterschiedlichen Kennlinien und Arten der Lichtbogenlängenregelung in /2/ beschrieben. Weitere Unterschiede gibt es in der Form der Impulse. Will man auf unterschiedlichen Impulsanlagen vergleichbare Impulslichtbogen einstellen, so sind Drahtgeschwindigkeit, Impulsfrequenz und Grundstromhöhe nach Bild 16 und Tabelle 3 zu wählen und die Impulsbreite und -höhe so zu wählen, dass ein spritzerarmer, kurzschlussfreier Lichtbogen erreicht wird. Viele Schweißanlagen haben vorprogrammierte Schweißdaten für den Impulslichtbogen. Diese können das Finden der optimalen Impulsparameter sehr erleichtern. Oft ist aber eine Korrektur dieser Daten, eine Anpassung an die Gerätekonfiguration (z.B. Schlauchpaketlänge) und an die verwendete Drahtelektrode notwendig.

Bild 16: Impulsstromverlauf mit Bezeichnungen /2/

Beim Impulslichtbogen soll pro Impuls ein Tropfen von der Drahtelektrode abgelöst werden und kurzschlussfrei in das Schweißbad übergehen. Ablauf: Es brennt ein Lichtbogen zwischen Drahtende und Schweißbad mit einer Grundstromstärke von etwa 30 - 40 A (diese muss bei Stahl so gering wie möglich sein, bei Aluminium mit zunehmender Blechdicke höher). Bei dieser geringen Grundstromstärke wird das Drahtende fast nicht angeschmolzen, sondern nur der Lichtbogen in den Pausen zwischen den Impulsen aufrechterhalten. Nach wenigen Millisekunden Grundstrom (je nach Impulsfrequenz) kommt ein sehr schneller Stromanstieg (etwa 800 - 1000 A/ms) auf Stromstärken, die deutlich über der kritischen Stromstärke des verwendeten Drahtdurchmessers liegen (etwa 480 - 550 A bei 1,2 mm Drahtdurchmesser).

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Diese hohen Stromstärken schmelzen in etwa 2 ms bei Stahl eine so große Menge Draht, dass diese durch die Pinchkraft eingeschnürt werden kann (siehe Tabelle 3). Bevor der Tropfen ganz abgelöst ist, soll der Impulsstrom bereits wieder fallen. Der abgeschnürte Tropfen geht ohne Kurzschluss ins Schweißbad über und das Drahtende mit der Restschmelze wird durch den Grundstrom weiter erhitzt. Je nach Abschmelzleistung werden 40 – 250 (400) Impulse pro Sekunde eingestellt. Die Impulse bei Stahl müssen sehr kurz (1,8 - 2,2 ms), aber sehr hoch sein. Bei CrNi-Stählen sind die Impulse noch kürzer (1,6 - 2,0 ms ), können aber bei nur geringer Verschlechterung des Tropfenübergangs breiter gewählt werden (z.B. bei thyristorgesteuerten Stromquellen ). Bei Al-Werkstoffen werden breitere, wenig hohe Impulse gewählt um die Al-Schmelze nicht zu überhitzen (z.B. Magnesiumausdampfungen am Tropfen). Der Grundstrom muss bei Aluminium in Abhängigkeit von der Blechdicke höher als bei Stahl sein, um die notwendige Wärme in das Bauteil zu bekommen. Dies geschieht oft auf Kosten eines „EinTropfen-Übergangs“ pro Impuls. Auch sehr schmale und hohe Stromimpulse können bei Aluminium zu guten Ergebnissen führen. Die Einstellung ist aber etwas schwieriger. Tabelle 3: Schweißstrom, Leistung und Pinchkraft bei Grund- und Impulsstrom Dimension

Grundstrom

Impulsstrom

Verhältnis: Impuls/Grundstrom

Schweißstrom [A]

30

550

18,3

Lichtbogenleistung [kW]

0,6

20,3

33,9

Pinchkraft [I²] n. /6/11/

900

302500

336

Anmerkung: Die Pinchkraft ist nach Pomaska und Schellhase eine Funktion von Schweißstrom und den Durchmessern von Draht und Lichtbogensäule. Wird vereinfacht bei der Pinchkraft nur das Quadrat des Schweißstroms bewertet, so entstehen die Werte in der unteren Zeile der Tabelle 3. Die Steigerung der Pinchkraft um das 336-fache beim Impulsspitzenstrom, gegenüber dem Grundstrom, erklärt das schnelle Ablösen von Tropfen in Zeiten um 1 ms. Umfangreiche Untersuchungen /12/ haben ergeben, dass die Tropfengröße, die sich vom Drahtende am leichtesten ablöst, weitgehend unabhängig von Drahtdurchmesser und Drahtgeschwindigkeit ist. Einfluss auf diese „ideale“ Tropfengröße haben der Werkstoff (Tropfendurchmesser bei Stahl etwa 1,1 - 1,2 mm; bei CrNi-Stahl und Al größer), im geringen Maße die Schutzgaszusammensetzung und die Grundstromhöhe /5/12/13/. Diese Zusammenhänge bedeuten, dass eine einmal gefundene ideale Impulsstromform (Impulsbreite, Impulshöhe und Grundstromhöhe) auch bei unterschiedlichen Abschmelzleistungen (Drahtgeschwindigkeit) beibehalten werden kann. Es muss in diesem Fall nur die Drahtgeschwindigkeit und die Impulsfrequenz in einem bestimmten Verhältnis verändert werden. In Bild 17 ist dieses Verhältnis für G3Si1 und G4Si1 Drähte von 0,9 und 1,2 mm aufgetragen. In Tabelle 4 sind weitere Hinweise für die Einstellung eines Impulslichtbogens enthalten. Der Impulslichtbogen ist in der Regel spritzerfrei, wenn der Drahtvorschub sehr gut ist. Mit einem am Kontaktrohr stotternd austretendem Draht kann auch mit der besten transistorisierten Stromquelle kein kurzschlussfreier, spritzerfreier Lichtbogen erzielt werden.

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Bild 17: Verhältnis Impulsfrequenz zur Drahtgeschwindigkeit bei verschiedenen Drahtdurchmessern /2/

Tabelle 4: Einstellhilfen für das Impulslichtbogenschweißen

•

Zweiter Mann und vollmechanisches Schweißen zum Einstellen von Vorteil

•

Argonreiches Schutzgas verwenden; geringe Kohlendioxidanteile sind für den Anfänger besser geeignet als zum Beispiel 82 % Ar + 18 % CO2

•

Wahlschalter an der Stromquelle (Drahtelektrodendurchmesser, Werkstoff usw. einstellen) Neues Kontaktrohr einsetzen, Drahtelektrodenförderung überprüfen

• • •

Grundstrom so niedrig wie möglich einstellen (etwa 40 A), bei Lichtbogenaussetzern den Grundstrom erhöhen Impulsstrom (Impulsspannung) so hoch wie möglich einstellen

•

Impulsbreite auf kleinen Wert einstellen (ungefähr 2,0 ms)

• •

Drahtelektrodengeschwindigkeit nach gewünschter Abschmelzleistung Bild 17 entnehmen Impulsfrequenz nach Bild 17 einstellen

•

Schweißversuch

•

Einstellung korrigieren, eventuell Impulshöhe verringern und Impulsbreite optimieren, um einen kurzen Lichtbogen zu bekommen

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2.2 Weitere Hinweise zur Anwendung des Impulslichtbogens Einbrand Der Einbrand ist beim Impulslichtbogen bei geringer Strombelastung etwas tiefer als beim Kurzlichtbogen. Im oberen Leistungsbereich brennt dagegen der Sprühlichtbogen tiefer ein. Der Einbrand nimmt bei gleicher Abschmelzleistung durch höheren Impulsstrom zu. Lichtbogenstabilität Eine saubere Werkstückoberfläche und eine gleichmäßige Drahtförderung sind Voraussetzungen für einen stabilen Lichtbogen. Das richtige Verhältnis von Impulsfrequenz zur Drahtgeschwindigkeit ergibt eine gleichmäßige Ablösung des angeschmolzenen Drahtendes. Schweißgeschwindigkeit Der Impulslichtbogen muss, wie auch andere Werkstoffübergänge, so kurz wie möglich eingestellt werden um eine ausreichende Schweißgeschwindigkeit zu erzielen. Eine zu hohe Schweißgeschwindigkeit ergibt Randkerben und eine schmale überhöhte Naht. Die Grenzen der Schweißgeschwindigkeit sind vergleichbar mit den konventionellen Lichtbogen (< 1,5 m/min bei einer Drahtelektrode). Schweißpositionen Günstig sind die Positionen PA, PB sowie PG mit kleinen Nahtneigungswinkeln. Zwangslagenpositionen sind im unteren Leistungsbereich schwieriger als im Kurzlichtbogen zu beherrschen. Im oberen Leistungsbereich ist der Impulslichtbogen vergleichbar mit dem Sprühlichtbogen. Lärm Impulslichtbogen sind im Lärmpegel vergleichbar mit dem Kurzlichtbogen und etwas lauter als der Sprühlichtbogen. Spritzer Zu lang eingestellte Lichtbögen, ungünstiges Verhältnis von Impulsfrequenz und Drahtgeschwindigkeit, sowie zunehmender Gehalt an CO2 (Grenze 18 % CO2) im argonreichen Mischgas fördern die Spritzerbildung. 2.3 Impulslichtbogen mit wechselnder Impulsfrequenz Einige Impulsgeräte können während des Schweißvorgangs periodisch von hoher Impulsfrequenz und hoher Drahtgeschwindigkeit auf eine geringere Impulsfrequenz und Drahtgeschwindigkeit umschalten. Es ergibt sich dabei eine Nahtoberraupe, die mit dem WIG-Schweißen vergleichbar ist. Für Heißrissempfindliche Werkstoffe sind hier Verbesserungen möglich, auf Kosten der Schweißgeschwindigkeit. In Bild 18 ist der Vorgang dargestellt. Die Hersteller bezeichnen diese Verfahrensvariante mit: DoppelPulsschweißen, Hyper-Pulsschweißen, Alu-Plusschweißen usw.

Bild 18: Nahtansicht und Stromverlauf bei wechselnder Impulsfrequenz

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2.4 Vorteile des Impulslichtbogenschweißens − − − − −

Werkstoffübergang sehr spritzerarm im unteren und mittleren Leistungsbereich flachere Raupen als der Kurzlichtbogen bei Al-Werkstoffen dickere Drahtelektroden bei dünnen Bauteilen anwendbar bessere Nahtformen bei CrNi-Stählen gute Anpassung der Schweißdaten an die Schweißaufgabe möglich (z.B. beschichtete Bleche, Auftragschweißen)

2.5 Nachteile des Impulslichtbogenschweißens − − − − − −

Schweißanlagen teurer Einstellung der Schweißdaten schwieriger hohe Anforderungen an die Drahtqualität Spaltüberbrückung bei Stahl meistens schwieriger als im Kurzlichtbogen höhere Schweißgeschwindigkeiten als mit konventionellen Lichtbogen nicht möglich. für Fallnähte mit größerem Nahtneigungswinkel (> 40°) meistens nicht geeignet.

2.6 Bewertung von Messwerten beim Impulslichtbogenschweißen Bewertung der Messwerte von arithmetischen und quadratischen Mittelwerten. In der Praxis wird oft behauptet, dass beim Impulslichtbogenschweißen gegenüber den anderen Werkstoffübergängen weniger Strom bei gleicher Drahtgeschwindigkeit benötigt wird. Dies ist nicht der Fall. Die Messgeräte in den Stromquellen messen den arithmetischen Mittelwert. Für die Bewertung des Impulslichtbogens ist aber der Effektivwert maßgeblich. Bei hohen schmalen Impulsen können große Differenzen zwischen beiden Werten auftreten. In Bild 19 ist der Strom- und Spannungsverlauf mit den errechneten Mittelwerten (arithmetisch und effektiv) aufgetragen. Die Mittelwerte von Strom und Spannung können beim konventionellen MIG/MAG-Schweißen brauchbare Hilfen zum Einstellen des Lichtbogens sein. Beim Impulslichtbogen kommen diesen Werten höchstens eine vergleichende Funktion zu, da gleiche Mittelwerte auch bei stark unterschiedlichen Impulsformen die gleiche Größe haben können.

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IP IG IM Ieff

Impulsspitzenstrom [A] Grundstrom [A] arithmetischer Mittelwert [A] quadratischer Mittelwert [A]

Bild 19: Bezeichnungen der wichtigsten elektrischen und zeitabhängigen Größen beim Impulslichtbogen /2/14/

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3. Mögliche Fehler beim MIG/MAG-Schweißen Das MAG-Schweißen an Stählen erfordert in der Großserie, bei verminderten Ansprüchen, nur eine kurze Schulung der Schweißer. Bei höheren Anforderungen, wie dickeren Bauteilen und anderen Werkstoffen, ist eine umfangreiche Schulung der Schweißer unbedingt erforderlich. Diese Schulung ist auch bei vollmechanisiertem Schweißen notwendig, da der Schweißer zwar den Brenner nicht von Hand führt, aber sehr genau wissen muss, wie eine Stromquelle eingestellt und der Brenner angestellt wird. Fehler beim MIG/MAG-Schweißen können Risse, Poren, Bindefehler, Spritzer und eine ungünstige Nahtgeometrie sein (in EN 25817, DIN Taschenbuch Schweißtechnik 4 sind diese beschrieben). Risse treten beim MAG-Schweißen von unlegierten und legierten Werkstoffen nur bei einer sehr starken Verformungsbehinderung und zu schwachen Heftnähten auf. Bei Vollausteniten und einigen AlWerkstoffen können Heißrisse auftreten. Risse und ihre Ursachen werden bei den Werkstoffen beschrieben. 3.1 Bindefehler am Nahtanfang, Nahtüberlappung und Nahtansatz, Endkrater am Nahtende Alle Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender Elektrode schmelzen gleichzeitig mit Beginn der Wärmeeinbringung durch den Lichtbogen auch Zusatzwerkstoff ab. Dabei kann es durchaus vorkommen, dass die ersten Tropfen, die im Lichtbogen übergehen, auf einem nur unvollkommen aufgeschmolzenen Grundwerkstoff treffen. Die Tropfenenergie reicht nicht aus, um den Grundwerkstoff anzuschmelzen. Die Tropfen liegen ohne Verbindung auf dem Grundwerkstoff auf. Bruchteile einer Sekunde später ist das Bauteil vorgewärmt und der Bindefehler verschwindet. Es bleibt aber in vielen Fällen ein unverschweißter Nahtanfang, der besonders bei dynamischer Belastung gefährlich werden kann. Auch bei Nahtansatzstellen bleibt eine ungenügend verschweißte Stelle, wenn das Nahtende nicht ausgeschliffen wird. In Bild 20 bis Bild 22 sind Fehler und entsprechende Tipps zu deren Vermeidung aufgezeigt. Bei großen Schweißbädern, durch hohen Strom und geringer Schweißgeschwindigkeit, kann am Ende ein sog. Endkrater auftreten. Dieser zeigt eine unschöne Nahtoberraupe und kann Anreicherungen von niedrigschmelzenden Verunreinigungen aufweisen, die ungünstige mech. Gütewerte (evt. Risse) ergeben. Neue MIG/MAG-Anlagen haben Start- und Endprogramme, die z.B. einen spritzerfreien Schweißbeginn und ein Nahtende mit praktisch keinem Endkrater ermöglichen. Eine 100 %-ige Fehlervermeidung ist aber auch mit Startprogrammen (Heißstart) nicht immer möglich. Wenn der Fehler am Anfang oder Ende der Naht nicht vermieden werden kann, so sind diese in Bereiche mit niedriger Belastung zu legen. Bei Rundnähten, die keine Fehler aufweisen dürfen, ist oft ein Ausschleifen unumgänglich.

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Bild 20: Schematische Darstellung von Nahtanfang, Nahtüberlappung und Nahtansatz /18/17/

Bild 21: Einbrandprofile in Abhängigkeit vom Anfahrmodus /16/17/

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Bild 22: Anlauf und Kraterbleche /2/

3.2 Bindefehler in der Schweißnaht Bindefehler in der Schweißnaht können durch nicht aufgeschmolzene Nahtflanken oder nicht aufgeschmolzene Schweißraupen entstehen. Bindefehler entstehen immer dort, wo der Lichtbogen den Grundwerkstoff oder die vorher geschweißten Lagen nicht richtig aufschmelzen kann. Es ist in der Regel nicht möglich nur durch das heiße Schweißgut den Grundwerkstoff aufzuschmelzen. Die wichtigste Fehlerursache für Bindefehler in der Naht ist ein vorlaufendes Schweißbad. Das Schweißbad ist hier so groß, bzw. es fließt in der Fallnahtposition so schnell, dass der Lichtbogen den Grundwerkstoff vor dem Schweißbad nicht aufschmelzen kann. Ein zu großes Schweißbad durch eine zu geringe Schweißgeschwindigkeit ist hier meistens die Ursache (in Bild 23 sind Fehler aufgezeigt). Andere Gründe für Bindefehler sind durch ungünstige Nahtgeometrie (zu kleiner Öffnungswinkel, fehlende Zugänglichkeit durch den Schweißbrenner oder einer ungünstigen Anordnung und Lage der vorher geschweißten Raupen) gegeben. In Bild 24 bis Bild 33 sind weitere Fehler aufgezeichnet.

a)

ungeeignete Nahtvorbereitung Öffnungswinkel zu klein Stegabstand zu klein Steghöhe zu groß Kantenversatz zu groß stark überwölbte Einzellage Schleifkerben größere Spritzer- und Schlackenansammlung

Bild 23: Ursachen für Bindefehler /2/

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b)

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zu geringe Lichtbogenleistung Spannung zu klein (zu viele Lichtbogenunterbrechungen) Stromstärke bzw. Drahtfördergeschwindigkeit zu klein Schweißgeschwindigkeit zu groß Brennerabstand (Widerstand im freien Drahtende) zu groß Lichtbogenlänge zu groß

Bild 24: Bindefehler durch zu geringe Lichtbogenleistung /2/

c)

Schweißen auf vorlaufender Schmelze Abschmelzleistung, Schweißbadvolumen zu groß Schweißgeschwindigkeit zu langsam Brennerneigung zu stark stechend Schweißraupen zu breit, zu dick Pendeln des Brenners nicht der Fugenform angepasst Nahtneigung in Schweißrichtung zu groß

Bild 25: Bindefehler durch vorlaufendes Schweißbad /2/

Bild 26: Bindefehler durch falsche Raupenanordnung /2/

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Bild 27: Bindefehler durch eingeschränkte Zugänglichkeit /2/

Bild 28: Bindefehler durch fehlerhafte Brennerführung /2/

Bild 29: Schweißen von Füll- und Decklagen /2/

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Bild 30: Bindefehler durch ungünstigen Lagenaufbau /2/

Bild 31: Bindefehler durch vorlaufendes Schweißbad /2/

Bild 32: Bindefehler durch zu kleine Lichtbogenleistung in Position PF (steigend) /2/

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Bild 33: Zusammenfassung der Ursachen für Bindefehler beim MIG/MAG-Schweißen /2/

3.3 Poren Poren in der Schweißnaht können unterschiedliche Ursachen haben (siehe Übersicht Bild 47). Wichtige Ursachen sind: − Fehler am Brenner (Bild 34) − ungünstige Brennerführung (Bild 35) − Zugluft (Bild 36) − magn. Blaswirkung (Bild 37) − zu langer Lichtbogen (Bild 38) − Seigerungen (Bild 39) − ungeeignetes Schutzgas oder ungeeignete Drahtelektrode (Bild 40) − Beschichtungen, Verschmutzungen, ungenügende Oxidentfernung bei Aluminium (Bild 41) − Schnittkanten beim Laserschneiden mit Stickstoff (Bild 42) − Hohlräume (Bild 43) − geringe Löslichkeit von Gasen (z.B. Wasserstoff bei Al), Bild 44 und Bild 45) Die Wasserstoffporen bei Aluminium steigen nach oben. Wenn durch die Nahtform dies behindert wird, bleiben die Gaseinschlüsse im Schweißgut (Bild 46). Bild 47 zeigt im Überblick Ursachen für Poren beim MIG/MAG-Schweißen.

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Bild 34: Poren durch Fehler am Brenner

Bild 35: Porenbildung durch falsche Brennerhaltung /2/

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Bild 36: Poren durch Zugluft /2/

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Bild 37: Poren durch Blaswirkung /2/

Lichtbogen zu lang (Lichtbogenspannung zu groß) Langer Tropfenweg und große Schmelzbadoberfläche vergrößern die Reaktionsdauer mit Schutzgasverunreinigungen. Starke Metallgasdampfbildung verursacht Wirbel im Schutzgas

Bild 38: Poren durch zu langen Lichtbogen /2/

Bild 39: Poren durch Seigerungen /2/

Bild 40: Poren durch ungünstige Kombination Drahtelektrode-Schutzgas /2/

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Bild 41: Poren durch Beschichtungen /2/

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Bild 42: Poren durch Laserschnitte mit N2oder O2-haltigen Schneidgasen /2/

Bild 43: Porenbildung durch expandierende Gase aus Hohlräumen /2/

Poren lassen sich bei den meisten Werkstoffen vermeiden. Bei Aluminiumwerkstoffen ist aber eine absolut porenfreie Naht kaum möglich. Der Grund ist die geringe Löslichkeit von Wasserstoff im erstarrten Aluminium (Bild 44). Die Poren bilden sich im Schweißbad am Übergang von flüssig zu fest. In Bild 45 und Bild 46 ist dies dargestellt.

Bild 44: Wasserstofflöslichkeit in Aluminium und Eisen in Abhängigkeit von der Temperatur /Linde-Werkbild/

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Bild 45: Porenentstehung beim Erstarren des Schweißgutes /2/

ungenügend entgaster Grundwerkstoff unstabiler Lichtbogen während des Schweißens, besonders an Ansatzstellen und beim Überschweißen von Heftstellen eingebrachter Wasserstoff durch mangelhafte Sauberkeit (Feuchtigkeit in Oxidschichten, Fett und Farbrückstände im Schweißbereich, auf Staboberfläche, undichte Wasserkühlung, Kondenswasser im Brennerkopf, wenn Kühlwasserumlauf während der Schweißpausen nicht unterbrochen wird) Riefen in den Stoßflächen dicke Teile zu wenig vorgewärmt behinderte Ausgasung in den Positionen q und ü zu kleine Schweißgeschwindigkeit (gashaltige Grundwerkstoffe)

Bild 46: Porenbildung durch behinderte Ausgasung bei Al-Werkstoffen /17/

Bild 47: Zusammenfassung der Ursachen für Poren beim MIG/MAG-Schweißen /2/

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3.4 Fehler in der Nahtgeometrie Randkerben oder zu stark überhöhte Nähte sind häufige Fehler an der sichtbaren Naht. Durch Änderung der Schweißdaten sind diese meistens zu beheben (siehe Bild 48). Der Argonfinger, ein geringer Rand- und tiefer Mitteneinbrand, kann Bindefehler in der Schweißnaht ergeben. Durch höher CO2-haltige Schweißschutzgase (z.B. 82 % Ar + 18 % CO2) wird dieser Fehler vermieden. Spannung zu groß (Lichtbogen zu lang) Schweißgeschwindigkeit zu groß Brenner nicht gependelt Brenner nicht stechend geführt Brenner verkantet (einseitig Kerben) sehr stark oxidierende Schutzgase Blaswirkung bei größeren Lichtbogenleistungen (Nahtenden)

Lichtbogenleistung zu groß Spannung zu groß (Lichtbogen zu lang) Drahtfördergeschwindigkeit zu klein Schweißgeschwindigkeit zu klein oder Naht zu dick ungünstig Schweißposition

Lichtbogenleistung zu groß Spannung zu groß Pendelbreíte zu klein Verweildauer am Nahtrand zu kurz Brennerführung ohne Bogen nach oben Schweißgeschwindigkeit zu groß

Bild 48: Ursachen für Randkerben /2/

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4. Literatur /1/

DIN Taschenbuch 191, Schweißtechnik 4, Beuth-Verlag

/2/

Baum L. u. V. Fichter: Der Schutzgasschweißer, Teil II, MIG/MAG-Schweißen. Die Schweißtechnische Praxis, Band12 (1999), DVS-Verlag, Düsseldorf.

/3/

Ruckdeschel, W.: Werkstoffübergang beim MIG/MAG-Schweißen. Linde-Bericht 70-F-51 (1970).

/4/

Aichele G. u. A. A. Smith: MAG-Schweißen (1975), DVS-Verlag, Düsseldorf.

/5/

Knoch, R. u. W. Welz: Metall- Aktivgas-Impulslichtbogenschweißen mit transistorisierten Stromquellen. Schweißen u. Schneiden 38 (1986), Heft 2, S. 67-71.

/6/

Pomaska H. U.: MAG-Schweißen "kein Buch mit sieben Siegeln". Linde AG.

/7/

Schambach, B.: Aktueller Stand schweißtechnischer Europäischer Normen, Sonderausgabe zur 26. Sondertagung „Schweißen im Anlagen und Behälterbau“ (2000), München.

/8/

Dilthey, U.: Energiebilanz der Bogensäule. DVS-Berichte 30 (1974), S.139-156.

/9/

Knoch R.: Schweißkennwerte für das MAG-Schweißen. DVS-Berichte, Band 91, DVS-Verlag.

/10/

N. N.: DVS-Lehrgang: Metall-Schutzgasschweißen

/11/

Schellhase, M.: Der Schweißlichtbogen-ein technologisches Werkzeug. Band 84, DVS-Verlag, Düsseldorf.

/12/

Welz, W. u. R. Knoch: Einstellen und Klassifizieren von Impulslichtbogen beim Metall-Aktivgasschweißen. Schweißen u. Schneiden 41 (1989), Heft 12, S.658-660.

/13/

Welz, W. u. R. Knoch: Untersuchung des Metall-Aktivgasschweißens mit Impulslichtbogen. Schweißen u. Schneiden 41 (1989), Heft 10, S. 542-547.

/14/

Knoch, R.: Messgrößen und Messgeräte beim Metall-Schutzgasschweißen. Schweißen u. Schneiden 38 (1986), Heft 7, S.330-334.

/15/

N.N.: Kurzfassung der EN 287. SLV Duisburg.

16/

Knoch R.: Verbesserung der Zünd- und Anlaufphase beim Metall-Aktivgas-Schweißen. Schweißen u. Schneiden 35 (1983), Heft 8, S. 370-376.

/17/

Knoch, R.: Untersuchung des Zündvorganges und des Anfangsbindefehlers beim MetallAktivgas-Schweißen. Schweißen u. Schneiden 35 (1983), Heft 9, S. 432-435.

/18/

DVS-Richtlinie 0912, Teil 1 - Vermeiden von Bindefehlern. Teil 2 - Vermeiden von Poren.

/19/

Knoch, R. u. A. W. E. Nentwig: Schneller MAG-Schweißen mit mehreren Drahtelektroden. DVS-Berichte Nr. 162 (1994), Seite 77-81.

/20/

Baum, L. u. R. Knoch: Höhere Wirtschaftlichkeit durch MAG-Hochleistungsverfahren. DVS-Berichte Nr. 183 (1997), Seite 50-55.

/21/

Marfels, W.: Der Lichtbogenschweißer, Schweißtechnische Praxis. DVS-Verlag, Düsseldorf.

/22/

DVS-Merkblatt 0909-1: Grundlagen des MSG-Hochleistungsschweißens mit Massivdrahtelektroden, Definitionen und Begriffe.

/23/

DVS-Merkblatt 0926: Anforderungen an Schweißanlagen zum Metallschutzgasschweißen.

/24/

DVS-Merkblatt 0932: MAG-Einstellpraxis – Verfahrens- und bauteilabhängige Einflüsse auf die Nahtgeometrie.

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0 Inhaltsverzeichnis 1. Nahtvorbereitung (Überblick) 2. Schweißbadsicherungen 3. Schweißdaten für das MIG/MAG-Schweißen 4. MIG/MAG-Hochleistungsverfahren 5. Sonderverfahren 6. Blaswirkung 7. Literatur

1 1 4 6 9 20 22 24

1. Nahtvorbereitung (Überblick) In DIN 1912 Teil 1, Zeichnerische Darstellung, Schweißen, Löten, Begriffe und Benennungen für Schweißstöße, -fugen und -nähte. In EN 22553, Schweiß- und Lötnähte, symbolische Darstellungen in Zeichnungen (Bemaßungen) In DIN 1912, Schweißstöße In EN ISO 6947 Arbeitspositionen beim Schweißen

Die Wahl einer optimalen Nahtvorbereitung kann in der Praxis viel Geld sparen. Die Stumpfnaht mit einer Wurzelschweißung erfordert einen sehr gut ausgebildeten Schweißer, ist sehr teuer aber bei dynamisch hoch belasteten Bauteilen oft nicht zu umgehen. In der Großserie werden Stumpfnähte kaum angewandt. Durch ein gezieltes Legen der Schweißnähte in Bereiche mit geringerer Beanspruchung können in vielen Fällen Kehl- und Überlappnähte anstelle von Stumpfnähten eingesetzt werden. Diese können in der Regel ohne Badsicherung und mit hoher Abschmelzleistung geschweißt werden.

Die Nahtvorbereitung für verschiedene Werkstoffgruppen ist genormt in: EN 29692:

Schweißnahtvorbereitung, Fugenformen an Stahl, Gasschweißen, Lichtbogenhandschweißen und Schutzgasschweißen (DIN Taschenbuch, Schweißtechnik 4). In den Tabellen 1-3 sind Beispiele für Stahl dargestellt.

DIN 8552, Teil 1:

Schweißnahtvorbereitung, Fugenformen an Aluminium und Al-Legierungen, Gasschweißen und Schutzgasschweißen. In den Tabellen 4 und 5 sind Beispiele dargestellt.

DIN 8552, Teil 3:

Schweißnahtvorbereitung, Fugenformen an Kupfer und Cu-Legierungen.

DIN 2559:

Nahtvorbereitungen an Rohren.

DIN 3239:

Nahtvorbereitungen an Rohren.

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Tabelle 1: Nahtvorbereitung für das MAG-Schweißen an Stahl (Bördel-, I- und V-Nähte, einseitig geschweißt), Ausschnitt aus EN 29692

Tabelle 2:

Nahtvorbereitung für das MAG-Schweißen an Stahl (V-, Y- und DY-Nähte, beidseitig geschweißt), Ausschnitt aus EN 29692

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Tabelle 3:

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Nahtvorbereitung für das MAG-Schweißen an Stahl (Überlapp-, Kehl-, und Ecknähte, einseitig geschweißt), Ausschnitt aus EN 29692

Tabelle 4: Nahtvorbereitung für das MIG-Schweißen an Aluminium (Dünndraht) /2/

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Tabelle 5: Nahtvorbereitung für das MIG-Schweißen an Aluminium (Dickdraht) /2/

2. Schweißbadsicherungen Eine Schweißbadsicherung ist bei Stumpfnähten (seltener bei Kehlnähten) notwendig, wenn ein Gegenschweißen von der anderen Seite vermieden werden soll oder nicht möglich ist. Das Schweißen mit Schweißbadsicherungen ist meistens mit zusätzlichem Aufwand verbunden. Es ist zu prüfen welche Schweißbadsicherungen geeignet sind oder ob eine andere Naht geschweißt werden kann. In Bild 1 sind Beispiele von Schweißbadsicherungen für das MIG/MAG-Schweißen dargestellt. Häufig angewandt werden bei kleineren, geraden Bauteilen Spannvorrichtungen mit Kupferschienen. Diese haben in der Regel eine Nut, die je nach Anforderungen und Werkstoff auch mit Schutzgas oder Formiergas gespült werden kann. Bei häufiger Benutzung sind diese Kupferschienen auch wassergekühlt. Kupferschienen ohne Nut können Fehler in der Nahtwurzel erzeugen. Andere Schweißbadsicherungen sind aus Keramik, Glas oder verwenden ein pulverbeschichtetes Klebeband (alle nur einmal benutzbar). Auch auf ein Pulverkissen wird bei größeren Bauteilen geschweißt (siehe auch Unterpulverschweißen). Bei Schweißbadsicherungen, die angeschweißt werden, ist zu beachten, dass Kerben und Spalten bleiben, die bei dynamischer und korrosiver Beanspruchung problematisch sein können. Schweißbadsicherungen, die bei Drehteilen oder Pressteilen am Bauteil angebracht werden, können zugleich eine Fixierung bilden. Teuer aber sehr gut ist eine Schweißbadsicherung durch das Bauteil. Z.B. kann eine Y-Naht geschweißt werden, die auf der Gegenseite ausgekreuzt und gegengeschweißt wird. Eine preiswerte aber gute Methode ist die häufig beim UP-Schweißen angewandte, aber auch für das MIG/MAG-Schweißen geeignete TWO-RUN-Technik. Das Bauteil wird zuerst auf einer Seite geschweißt, dass mehr als die halbe Blechdicke aufgeschmolzen wird. Danach wird das Bauteil gewendet und auf der Gegenseite so geschweißt, dass die Nahtwurzeln sich überlappen. In vielen Fällen, z.B. bei hohen Anforderungen, ist es sinnvoll die Nahtwurzel mit dem WIG-Verfahren zu schweißen.

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guter Wurzelschutz, in allen Positionen anwendbar; Beseitigung ist aufwendig, bei Verbleib besteht Gefahr der Spaltkorrosion

preiswert, weil oft wiederanwendbar; in allen Positionen anwendbar; durch schnelle Wärmeableitung erhöhte Aufhärteneigung; bei Anschmelzung Rissgefahr im Wurzelbereich

gute Wurzelformung; für Zwangspositionen nicht geeignet.

gute Wurzelformung; gute Anpassung an Werkstückunebenheiten; für Zwangspositionen nicht geeignet

gute Wurzelformung, in allen Positionen anwendbar; meistens nur einmal verwendbar

gute Anpassung an unterschiedliche Bauteilformen und Werkstückunebenheiten; der Kleber erlaubt nur geringe Vorwärmtemperatur; keine Anpressvorrichtung erforderlich

gute Wurzelformung; Haltevorrichtung notwendig

Bild 1: Schweißbadsicherungen für das MIG/MAG-Schweißen

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3. Schweißdaten für das MIG/MAG-Schweißen Schweißdaten aus Tabellen oder anderen Unterlagen können nur selten ohne Korrekturen auf die anstehende Schweißaufgabe übertragen werden. Sie geben aber dem Schweißer eine Hilfestellung bei der Einstellung der optimalen Schweißdaten und der Schweißaufsichtsperson Informationen über den zeitlichen Ablauf und den voraussichtlichen Kosten. Nomogramme, wie z.B. in dem Bild 2 und Bild 3 dargestellt, rechnen wichtige Größen um und geben Hinweise über erreichbare Schweißgeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Nahtformen (weitere Nomogramme in Baum/Fichter /2/).

Bild 2: Zusammenhang der mechanischen Größen beim MAG -Schweißen (Drahtdurchmesser, Drahtgeschwindigkeit, Schweißgeschwindigkeit, Querschnittsfläche der Raupe, Abschmelzgewicht und Abschmelzvolumen). Das im Nomogramm eingetragene Beispiel zeigt, dass für das Schweißen einer 5 mm dicken Kehlnaht bei einer Schweißgeschwindigkeit von 50 cm/min (Drahtdurchmesser 1,2 mm) ohne Berücksichtigung von Spritzerverlusten und Nahtüberhöhung eine Drahtgeschwindigkeit von 11,2 m/min erforderlich ist /2/.

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Bild 3: Arbeitsbereich für das MAG-Schweißen von Kehlnähten in den günstigen Positionen PA bis PB (Drahtdurchmesser 1,0 mm). Zur Vermeidung von Einbrandkerben und Raupenüberwölbungen muss mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit und abnehmendem a-Maß die Nahtneigung vergrößert werden /2/.

In Tabelle 6 sind Schweißdaten für das MIG-Schweißen von Aluminium und in Tabelle 7 Schweißdaten für das MAG-Schweißen von unlegiertem Baustahl eingetragen. Tabelle 6: Leistungskennwerte für das MIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen /2/ Prozess: Art der Fertigung:

MIG-Schweißen teilmechanisch

Grundwerkstoff: Schweißzusatz:

Aluminium und niedriglegierter Aluminiumwerkstoff SG-AlMg5 oder SG-AlMg4,5Mn nach DIN 1732-1

Nahtart:

Stumpfnaht

Schweißhilfsstoff: Schweißposition:

Schutzgas DIN EN 439-11 PA

Blechdicke

Nahtart

mm 4 5 5 6 6 8 10

12

12

Nahtvorbereitung Spalt Steghöhe

mm I-Naht I-Naht V-Naht (70°) I-Naht V-Naht (70°) V-Naht (70°) V-Naht (60°)

V-Naht (60°)

V-Naht (60°)

Lagenzahl

mm

Arbeitsspannung

Schweißstrom

V

A

Einstellwerte DrahtDrahtvorschub elektrodendurchmesser m/min mm

23 25 22

180 200 160

3,2 4,3 5,6

Bemerkungen

Schutzgas

Verbrauchswerte SchweißSchutzzusatz gas

Hauptzeit th

l/min

g/m

l/m

min/m

1,2 1,6 1,6

1,2 18 18

30 77 126

34 60 75

2,9 3,3 4,2

0 0 0

1,5

1 1 1

0 0

1,5

1 1

26 22

230 170

7,1 6,0

1,6 1,6

18 18

147 147

69 81

3,9 4,6

0

1,5

2

26

220

6,8

1,6

18

183

90

5,0

0

2

3: 1 2 G

26 24 25

220 200 230

6,2 6,0 7,2

1,6 1,6 1,6

20 20 20

191

109

1,9 1,6 1,9

5,4

26 26 28

240 220 250

13,7 12,2 15,6

1,2 1,2 1,2

23 23 23

340

185

2,6 3,0 2,5

8,1

27

260

3,6

2,4

25

27

280

3,6

2,4

25

346

189

0

0

1,5

1,5

3: 1 2 G 2: 1 2

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G = Gegenlage nach Auskreuzen

4,0 3, 6

7,6

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Tabelle 7: Leistungskennwerte für das MAG-Schweißen von unlegiertem Baustahl /2/ Prozess: Art der Fertigung:

MAG-Schweißen teilmechanisch

Grundwerkstoff: Schweißzusatz:

unlegierter Baustahl Drahtelektrode DIN EN 440-G3Si1 oder G4Si1

Nahtart:

Stumpfnaht

Schweißhilfsstoff: Schweißposition:

Schutzgas DIN EN 439...M21 PA

Schutzgas

Werkstückdicke

Nahtvorbereitung Spalt Nahtöffnungswinkel

Drahtelektrodendurchmesser

Arbeitsspannung

Einstellwerte SchweißDrahtstrom vorschubgeschwindigkeit

Lagenzahl

mm

°

mm

V

A

m/min

l/min

g/m

l/m

min/m

1,5

I-Naht

0,5

-

-

0,8

18

110

5,9

10

1

39

17

1,7

2

I-Naht

1,0

-

-

1,0

18,5

125

4,2

10

1

51

19

1,9

3

I-Naht

1,5

-

-

1,0

19

130

4,7

10

1

69

24

2,4

4

I-Naht

2,0

-

-

1,0

19

135

4,8

10

1

103

35

3,5

5

V-Naht

2,0

50

W D

1,0

18,5 21

125 200

4,3 8,0

12

2

221

78

6,5

6

V-Naht

2,0

50

W D

1,0

18,5 21

125 205

4,3 8,3

12

2

249

78

6,5

8

V-Naht

2,0

50

W M; D

1,2

18 27,5

135 270

3,1 8,1

10...15

3

374

100

8,3

10

V-Naht

2,5

50

W M; D

1,2

18,5 28

135 290

3,2 9,0

10...15

3

591

134

10,6

12

V-Naht

2,5

50

W 2 M; D

1,2

18,5 28

135 290

3,2 9,0

10...15

4

791

168

12,7

15

V-Naht

3,0

50

W 3 M; D

1,2

18,5 28,5

130 300

3,2 9,2

10...15

5

1275

263

19,5

20

V-Naht

3,0

50

W 11 M; D

1,2

19 29

140310 310

3,8 9,5

10...15

12

2085

400

29,0

20

DV-Naht

3,0

50

W 3M 2D

1,2

19 29 29

140 310 310

3,8 9,5 9,5

10...15

6

1200

240

17,5

mm

Schweißzusatz

Verbrauchswerte SchutzHauptgas zeit th

Schweißlage Wurzellage (W) Mittellage (M) Decklage (D)

Nahtart

Bemerk.

Angaben über prozessbedingte Nebenzeiten: Die prozessbedingten Nebenzeiten (Entfernen der Schweißspritzer, Säubern der Gasdüse, Wechsel der Drahtrolle u.a.) können überschlägig mit 20 bis 40 % von th angenommen werden. Sie hängen von der Spritzerbildung und damit von der Art des Schutzgases und den Einstellwerten ab.

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4. MIG/MAG-Hochleistungsverfahren Das MIG/MAG-Schweißen kann im Vergleich zu anderen Schweißverfahren schon in der konventionellen Form als Hochleistungsverfahren angesehen werden. Trotzdem wird seit langem versucht die Leistung weiter zu erhöhen. Eine Leistungserhöhung bedeutet entweder eine größere Abschmelzleistung, eine höhere Schweißgeschwindigkeit oder beides. Das DVS-Merkblatt 0909-1 „Grundlagen des MSG-Hochleistungsschweißens mit Massivdrahtelektroden – Definition und Begriffe“ gibt einen Überblick über die Verfahren. Bild 4 zeigt einen Überblick über die Leistungsbereiche von konventionellen und Hochleistungschweißverfahren mit ein und zwei Drahtelektroden.

Bild 4: Leistungsbereiche des konventionellen und des MAG-Hochleistungschweißens mit einer und zwei Drahtelektroden (die erreichbaren Schweißgeschwindigkeiten sind blechdicken und positionsabhängig) /22/.

Hochleistungsverfahren sind in der Regel vollmechanische Anwendungen, da die Belastungen durch eine höhere Stromstärke und hohen Schweißgeschwindigkeiten nicht über längere Zeit vom Schweißer verlangt werden können. Ende der 80er Jahre ist mit dem sogenannten T.I.M.E.-Prozess (Lizenznehmer Fa. Fronius) ein Hochleistungsverfahren in Deutschland bekannt geworden. Etwa zur gleichen Zeit wurden an der SLV München die Mehrdrahtverfahren weiterentwickelt. Beide Richtungen, mit einer und mit zwei Drahtelektroden haben in vielen Bereichen die Wirtschaftlichkeit deutlich steigern können. Für die MIG/MAG-Hochleistungsschweißverfahren werden im DVS-Merkblatt 0909-1 neue Verfahrenskurzzeichen angegeben.

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Bild 5: Einteilung und Bezeichnung der Prozessvarianten des MSG-Hochleistungsschweißens (Begriffe nach ISO857 in Klammern) /22/.

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4.1 Hochleistungsverfahren mit einer Drahtelektrode Angeregt durch den T.I.M.E.-Prozess (ursprünglich wurde damit nur der rotierende Lichtbogen bezeichnet) wurden auch von anderen Stellen die Bereiche mit höherer Drahtelektrodengeschwindigkeit genauer untersucht. Daraus sind zusätzlich eine Reihe von interessanten Verfahrensvarianten entstanden. Tabelle 8 zeigt Kennzeichen der HL-Verfahren mit einer Drahtelektrode. Tabelle 8: MIG/MAG-HL-Verfahren mit einer Drahtelektrode

Sprühlichtbogen (oberer Leistungsbereich): - argonreiches Mischgas aber auch Mehrkomponentengasen - hohe Leistung, dicke Bauteile oder höhere Schweißgeschwindigkeit - geringe Spritzerbildung Hochleistungskurzlichtbogen: - argonreiches Mischgas, längeres freies Drahtende - hohe Leistung, wie Sprühlichtbogen aber geringere Spannung - kurzer, kurzschlussbehafteter Lichtbogen - guter Einbrand, oft höhere Schweißgeschwindigkeit, teilweise überhöhte Naht - Firmennamen: Rapid-Arc, forcierter Lichtbogen Hochleistungssprühlichtbogen: - argonreiches Mischgas mit 2-4 Komponenten, oft mit bis zu 30 % Heliumbeimengungen - längeres freies Drahtende - sehr hohe Leistung, sehr tiefer Einbrand - in Teilbereichen instabiler Prozess - Firmennamen: modifizierter Sprühlichtbogen, globularer Werkstoffübergang Rotierender Lichtbogen: - argonreiches Mischgas mit 2-4 Komponenten oft mit bis zu 30 % Heliumbeimengungen - längeres freies Drahtende - sehr hohe Leistung, breiter Einbrand - beim Übergang vom Sprühlichtbogen zum rotierenden Lichtbogen sind Instabilitäten möglich - Firmennamen: T.I.M.E. Process, Rapid-Melt, Schweißen mit Linfast-Schutzgasen

In Bild 6 sind die unterschiedlichen Arten des Werkstoffübergangs in Abhängigkeit von Drahtgeschwindigkeit und Spannung aufgetragen. Bild 7 und Bild 8 zeigen Darstellungen des Werkstoffübergangs und der typischen Einbrandform der verschiedenen Hochleistungsverfahren mit einer Drahtelektrode in Abhängigkeit von Drahtgeschwindigkeit und Arbeitsspannung.

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Bild 6: Arbeitsbereiche beim MAG-Schweißen mit einer Drahtelektrode

Bild 7: Arbeitsbereiche und typische Werkstoffübergänge von MAG-Schweißverfahren mit einer Drahtelektrode in Abhängigkeit von Schweißspannung und Drahtvorschubgeschwindigkeit /Linde Gas AG/

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Bild 8: Arbeitsbereiche und Raupenprofile beim MAG-Hochleistungsschweißen mit einer Drahtelektrode /2/

4.1.1 Sprühlichtbogen, MIGs/MAGs (oberer Strombereich) Der konventionelle Sprühlichtbogen reicht bei 1,2 mm dicken Drahtelektroden bis etwa 12 (14) m/min. Untersuchungen haben ergeben, dass mit entsprechenden Einstellwerten und geeigneter Schutzgaszusammensetzung der Sprühlichtbogenbereich bis auf 18 bzw. 26 m/min Drahtgeschwindigkeit ausgedehnt werden kann. In Bild 9 sind die Arbeitsbereiche bei unterschiedlichen Schutzgaszusammensetzungen aufgetragen. Z.B. kann mit einem argonreichen Mischgas (Ar + 25 % He + 3 % O 2) ein Sprühlichtbogen bis etwa 18 m/min Drahtgeschwindigkeit (1,2 mm Drahtdurchmesser) aufrecht erhalten werden, der dann übergangslos in einen rotierenden Lichtbogen übergeht. Mit dem Schutzgas Ar + 25 % He + 25 % CO 2 kann der Sprühlichtbogenbereich bis etwa 26 m/min ausgedehnt werden. Bei den hohen Drahtgeschwindigkeiten wird ein verlängertes freies Drahtende (25-30 mm) eingestellt, um die Stromstärke zu begrenzen und die Schneidwirkung des Hochleistungslichtbogens zu verringern.

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Bild 9: Einfluss der Schutzgaszusammensetzung auf die Lichtbogenart beim konventionellen MAG-Schweißen und dem MAG-Hochleistungsschweißen /Linde Gas AG/

4.1.2 Hochleistungskurzlichtbogen, MAGhk Im Bereich etwa gleicher Drahtgeschwindigkeit wie beim Sprühlichtbogen, aber geringerer Lichtbogenspannung kann mit dem Hochleistungskurzlichtbogen geschweißt werden. Diese Art des Werkstoffübergangs ist trotz der hohen Drahtgeschwindigkeit und Stromstärke noch kurzschlussbehaftet. Der Lichtbogen rotiert im oberen Leistungsbereich. Dadurch kann auch bei höheren Schweißgeschwindigkeiten eine ausreichend breite Naht mit günstiger Einbrandform erreicht werden. Eine stärkere Spritzerbildung tritt in der Regel nicht auf.

4.1.3 Hochleistungssprühlichtbogen, MAGhs Wird ausgehend vom Hochleistungskurzlichtbogen und Sprühlichtbogen die Drahtgeschwindigkeit erhöht ohne gleichzeitig die Lichtbogenspannung deutlich zu erhöhen, wird der Bereich des Hochleistungssprühlichtbogens erreicht. Dieser Lichtbogen erzeugt einen sehr tiefen, aber schmalen Einbrand (Argonfinger und Kristallstoß) und wird deshalb von vielen Fachleuten als nicht für das Schweißen geeignet eingestuft. Auch kann der Prozess instabil sein, da kurzzeitig ein rotierender Lichtbogen auftreten kann. Große Gaseinschlüsse sind dann möglich.

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4.1.4 Rotierender Lichtbogen, MIGr/MAGr Die ersten Untersuchungen zum rotierenden Lichtbogen sind /3/ um 1970 mit 0,8 mm dicken Drahtelektroden und 64 m/min Drahtgeschwindigkeit durchgeführt worden. Für den damals angestrebten Anwendungsfall, dem Plattieren von Reaktorkomponenten, war der Prozess nicht stabil genug. In den letzten Jahren sind unter anderen Voraussetzungen mit dem sog. T.I.M.E.-Prozess durchaus gute Ergebnisse erzielt worden. Mit speziellen 3- und 4-Komponenten-Schutzgasen sind Drahtgeschwindigkeiten bis 50 m/min (1,2 mm Drahtdurchmesser) erzielt worden. In der Praxis sind Drahtgeschwindigkeiten von 18-30 m/min üblich. Es ergibt sich ein breiter, ausreichend tiefer Einbrand. 4.2 Hochleistungsverfahren mit zwei Drahtelektroden Es werden zur Zeit zwei Verfahren mit zwei Drahtelektroden beim MIG/MAG-Schweißen eingesetzt. Das MIG/MAG-Doppeldraht- und das MIG/MAG-Tandemschweißen (Tabelle 9). Die Schweißstromzuführung ist bei beiden Verfahren unterschiedlich. Während beim Doppeldrahtschweißen beide Drahtelektroden von einer Stromquelle mit dem Schweißstrom versorgt werden, wird beim Tandemschweißen für jede Drahtelektrode eine eigene Stromquelle eingesetzt. In Bild 10 ist dies zu erkennen.

Bild 10: MSG-Mehrdrahtverfahren Tabelle 9: MIG/MAG-HL-Verfahren mit zwei Drahtelektroden /19/20/ MIG/MAG-Doppeldrahtschweißen: - argonreiches Mischgas, Impuls- oder Sprühlichtbogen - geringe bis sehr hohe Leistungen möglich - sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erreichbar - Verfahren mit zwei Drahtelektroden, einer Stromquelle, einem Brenner, einem Kontaktrohr MIG/MAG-Tandemschweißen: - argonreiches Mischgas, Impuls- oder Sprühlichtbogen - geringe bis sehr hohe Leistungen möglich - sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erreichbar - Verfahren mit zwei Drahtelektroden, zwei Stromquellen, einem Brenner, zwei potentialgetrennten Kontaktrohren

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Anlagen für diese Verfahren werden bereits von einer Reihe von Herstellern angeboten. Der Vorteil dieser HL-Mehrdrahtverfahren liegt im großen Leistungsbereich bei der Abschmelzleistung und der Schweißgeschwindigkeit. Es kann an den beiden Drahtelektroden mit dem Kurzlichtbogen (unterer Leistungsbereich), wie auch mit dem rotierenden Lichtbogen (oberer Leistungsbereich), je nach Blechdicke, Nahtform und Schweißaufgabe gearbeitet werden. Die Schweißgeschwindigkeit kann in weiten Grenzen eingestellt werden. Gegenüber Eindrahtverfahren ist mindestens eine Verdoppelung der Schweißgeschwindigkeit möglich. Die Streckenenergie ist bei zwei Drahtelektroden in der Regel etwas geringer als bei einer Drahtelektrode und kann der Schweißaufgabe angepasst werden. Mit den MIG/MAG-Mehrdrahtverfahren können alle schweißbaren Werkstoffe verbunden werden. Bild 11 zeigt die Arbeitsbereiche von MIG/MAG-Prozessvarianten mit einer und zwei Drahtelektroden. Die im Diagramm eingezeichnete Drahtgeschwindigkeit für zwei Drahtelektroden wird in der Praxis oft deutlich überschritten, wie auch in Bild 4 dargestellt.

Bild 11: Arbeitsbereiche von MAG-Eindraht- und MAG-Tandemschweißen /19/20/

4.2.1 MIG/MAG-Doppeldrahtschweißen, MIGD/MAGD Durch das gemeinsame Kontaktrohr ist die Spannung an beiden Drahtelektroden annähernd gleich. Der Schweißstrom bildet sich nach dem Ohm´schen Gesetz (Parallelschaltung von Widerständen) aus. In der Regel wird die Stromstärke an beiden Drähten auch annähernd gleich sein. Es gibt aber auch die Möglichkeit unterschiedliche Drahtgeschwindigkeiten, z.B. höhere Drahtgeschwindigkeit am ersten Draht (kurzer Lichtbogen) und einen etwas längeren Lichtbogen am zweiten Draht einzustellen. Damit kann ein tiefer Einbrand bei einer guten Nahtoberfläche erzielt werden. Die magnetische Blaswirkung, die bei gleich gepolten Drahtelektroden zwei nebeneinander brennende Lichtbogen aufeinander zu bewegt, wird hier positiv genutzt. Durch den in Abhängigkeit von Schweißstrom und Schutzgas optimierten Drahtabstand bewirkt die magnetische Ablenkung, dass die übergehenden Tropfen genau in der Mitte zwischen den beiden Drähten das Schweißbad erreichen (Bild 12). Dabei entsteht ein langgezogener ovaler Lichtbogenbrennfleck am Bauteil (Bild 13). Die deutlich vergrößerte Auflagefläche des Lichtbogens vor dem Werkstoffübergang erlaubt auch bei hohen Schweißgeschwindigkeiten eine ausreichende Aufschmelzung des Grundwerkstoffs. Nach dem Werkstoffübergang kann die große Lichtbogenauflagefläche die Naht breiten und eine flache Naht ohne Randkerben ausbilden. Die Mehrdrahtverfahren haben auch bei hohen Schweißgeschwindigkeiten und hohen Abschmelzleistungen keinen schneidenden Lichtbogen, sodass z.B. auch bei ungenauer Bauteilvorbereitung mit hoher Leistung gearbeitet werden kann.

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Bild 12: Optimaler Drahtelektrodenabstand bei Mehrdrahtverfahren. Durch die Ablenkung treffen sich die Tropfen in der Mitte zwischen den beiden Drähten /19/20/

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Bild 13: Das verlängerte Schweißbad durch den vor- und nachlaufenden Lichtbogen ermöglicht sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten /19/20/

4.2.2 MIG/MAG-Tandemschweißen, MIGT/MAGT Diese Verfahrensvariante wird heute bevorzugt, da es gegenüber der Doppeldrahttechnik eine etwas höhere Stabilität bei Störungen bietet und beim Tandemschweißen die beiden Lichtbögen mit unterschiedlichen Einstellwerten besser an die Schweißaufgabe angepasst werden können. Die erreichbaren Abschmelzleistungen und Schweißgeschwindigkeiten sind dagegen weitgehend gleich. Die magnetische Blaswirkung, die auch beim Tandemschweißen wirkt, kann aber durch den Einsatz von zwei Impulslichtbogen, die um 180° phasenverschoben sind, weitgehend aufgehoben werden. In Bild 14 ist die Blaswirkung ohne und in Bild 15 mit Phasenverschiebung dargestellt. Die Abschmelzleistung bei Stahl mit phasenverschobenen Impulslichtbogen ist auf etwa 18 kg/h begrenzt. Ohne diese Phasenverschiebung werden im Sprüh- oder Impulslichtbogen Abschmelzleistungen von über 25 kg/h erzielt. Im Dünnblechbereich sind Schweißgeschwindigkeiten von mehr als 3 m/min üblich. Weitere Anwendungen sind das MIG/MAG-Tandem-Auftragschweißen und das Tandemschweißen mit Fülldrahtelektroden. Die Investitionskosten für die Mehrdrahtverfahren sind vergleichsweise gering, da nur zwei handelsübliche Impulsstromquellen und ein Mehrdrahtbrenner eingesetzt werden. Beide Verfahren werden wegen der hohen Schweißgeschwindigkeit nur vollmechanisch angeboten. Als Schutzgase werden bei Stahl meistens handelsübliche argonreiche Zweistoffgemische eingesetzt. Bild 16 und Bild 17 zeigen Querschliffe.

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Bild 14: Blaswirkung und Ablenkung des Lichtbogens bei synchronen Impulsen /19/20/

Bild 15: Verminderte Blaswirkung durch Phasenverschiebung der Impulse /19/20/

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Bild 16: MAG-Mehrdrahtschweißen einer Kehlnaht (a-Maß = 4 mm) an Stahl. Blechdicke 5 mm, Abschmelzleistung 14,8 kg/h, Schweißgeschwindigkeit 1,9 m/min.

Bild 17: MIG-Mehrdrahtschweißen einer Überlappnaht mit 0,9 mm Spalt an AlMg2,7 Mn, Blechdicke 4 mm, Abschmelzleistung 6,6 kg/h, Schweißgeschwindigkeit 3,0 m/min.

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5. Sonderverfahren 5.1 Elektrogasschweißen Das Elektrogasschweißen ist im Aufbau vergleichbar mit dem Elektroschlackeschweißen. Es werden dicke, senkrecht stehende Bleche mit hoher Abschmelzleistung verbunden. Es entsteht ein großes Schweißbad, dass durch seitlich angebrachte wassergekühlte Kupferbacken gehalten wird. Die Vorrichtung mit Brenner und Kupferbacken wird bei steigendem Schweißbad nach oben gezogen. Die mechanischen Gütewerte dieser Verbindungen können durch das große Schweißbad geringer sein, als bei Nähten in Viellagentechnik. In Bild 18 ist das Prinzip dargestellt.

Bild 18: Elektroschlackeschweißen /1/

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5.2 Plasma-Metall-Schutzgasschweißen Dieses Verfahren ist eine Kombination von Plasmabrenner und MIG-Brenner. Der Plasmalichtbogen am Nahtanfang kann den Grundwerkstoff aufschmelzen, bevor die Drahtelektrode abgeschmolzen wird. Die Gefahr von Bindefehlern wird z.B. bei dicken Al-Blechen dadurch verringert. In Bild 19 ist ein PlasmaMIG-Brenner dargestellt.

Bild 19: Plasma-MIG-Brenner /2/

5.3 MAG-Punktschweißen Beim MIG/MAG-Punktschweißen wird der Brenner nicht oder z.B. bei Al-Werkstoffen nur ganz wenig über das Werkstück bewegt. Der Brenner wird mit einer Spezialgasdüse auf das Bauteil aufgesetzt (Bild 20). In der Düse sind Öffnungen für den Schutzgasaustritt und zum Beobachten der Schweißstelle. Geschweißt werden meist aufeinanderliegende Bleche (wie beim Widerstandspunktschweißen). Im oberen Blech ist meistens eine Bohrung, wodurch die Sicherheit der Verbindung deutlich gesteigert wird, besonders wenn zwischen Ober- und Unterblech ein Spalt vorhanden ist. Nur bei ganz dünnen Blechen und guter Passung kann das Loch im Oberblech entfallen. In Bild 21 sind Anwendungen, wie sie in der KFZ-Reparatur üblich sind, dargestellt.

Bild 20: MAG-Punktschweißen /2/

Bild 21: Anwendungsbeispiele für das MAG-Punktschweißen /2/

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6. Blaswirkung Um die Elektrode, um den Lichtbogen und im Werkstück bilden sich bei Stromdurchfluss magnetische Felder aus. Diese Magnetfelder üben auf den Lichtbogen Kräfte aus. Da der Lichtbogen leicht beweglich ist, wird er von diesen Kräften abgelenkt. Man nennt dies Blaswirkung. Die Blaswirkung kann bei Gleichstrom und bei magnetischen Werkstoffen besonders stark sein. In den Bildern 22 bis 25 sind Beispiele für die Blaswirkung und deren Vermeidung angegeben.

Bild 22: Blaswirkung /21/

Der Lichtbogen wird an Stahlteilen in folgender Weise abgelenkt:

an Kanten nach innen

vom Stromanschluss weg

zu großen Stahlmassen hin

in Fugen auf die geschweißte Naht zu

Bild 23: Ursachen der Blaswirkung /21/

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1.09-4 Seite 23

Die Blaswirkung kann man beherrschen:

durch Neigen der Elektrode

durch zahlreiche, kräftige Heftstellen

Bild 24: Maßnahmen gegen die Blaswirkung /21/

Die Blaswirkung kann man beherrschen:

durch die Schweißfolge

durch die Schweißfolge

durch zusätzliche Stahlmassen

durch Verlegen des Stromanschlusses

Bild 25: Maßnahmen gegen die Blaswirkung (Fortsetzung) /21/

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MIG/MAG-Schweißen IV

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7. Literatur /1/

DIN Taschenbuch 191, Schweißtechnik 4, Beuth-Verlag

/2/

Baum L. u. V. Fichter: Der Schutzgasschweißer, Teil II, MIG/MAG-Schweißen. Die Schweißtechnische Praxis, Band12 (1999), DVS-Verlag, Düsseldorf.

/3/

Ruckdeschel, W.: Werkstoffübergang beim MIG/MAG-Schweißen. Linde-Bericht 70-F-51 (1970).

/4/

Aichele G. u. A. A. Smith: MAG-Schweißen (1975), DVS-Verlag, Düsseldorf.

/5/

Knoch, R. u. W. Welz: Metall- Aktivgas-Impulslichtbogenschweißen mit transistorisierten Stromquellen. Schweißen u. Schneiden 38 (1986), Heft 2, S. 67-71.

/6/

Pomaska H. U.: MAG-Schweißen "kein Buch mit sieben Siegeln". Linde AG.

/7/

Schambach, B.: Aktueller Stand schweißtechnischer Europäischer Normen, Sonderausgabe zur 26. Sondertagung „Schweißen im Anlagen und Behälterbau“ (2000), München.

/8/

Dilthey, U.: Energiebilanz der Bogensäule. DVS-Berichte 30 (1974), S.139-156.

/9/

Knoch R.: Schweißkennwerte für das MAG-Schweißen. DVS-Berichte, Band 91, DVS-Verlag.

/10/

N. N.: DVS-Lehrgang: Metall-Schutzgasschweißen

/11/

Schellhase, M.: Der Schweißlichtbogen-ein technologisches Werkzeug. Band 84, DVS-Verlag, Düsseldorf.

/12/

Welz, W. u. R. Knoch: Einstellen und Klassifizieren von Impulslichtbogen beim Metall-Aktivgasschweißen. Schweißen u. Schneiden 41 (1989), Heft 12, S.658-660.

/13/

Welz, W. u. R. Knoch: Untersuchung des Metall-Aktivgasschweißens mit Impulslichtbogen. Schweißen u. Schneiden 41 (1989), Heft 10, S. 542-547.

/14/

Knoch, R.: Messgrößen und Messgeräte beim Metall-Schutzgasschweißen. Schweißen u. Schneiden 38 (1986), Heft 7, S.330-334.

/15/

N.N.: Kurzfassung der EN 287. SLV Duisburg.

16/

Knoch R.: Verbesserung der Zünd- und Anlaufphase beim Metall-Aktivgas-Schweißen. Schweißen u. Schneiden 35 (1983), Heft 8, S. 370-376.

/17/

Knoch, R.: Untersuchung des Zündvorganges und des Anfangsbindefehlers beim MetallAktivgas-Schweißen. Schweißen u. Schneiden 35 (1983), Heft 9, S. 432-435.

/18/

DVS-Richtlinie 0912, Teil 1 - Vermeiden von Bindefehlern. Teil 2 - Vermeiden von Poren.

/19/

Knoch, R. u. A. W. E. Nentwig: Schneller MAG-Schweißen mit mehreren Drahtelektroden. DVS-Berichte Nr. 162 (1994), Seite 77-81.

/20/

Baum, L. u. R. Knoch: Höhere Wirtschaftlichkeit durch MAG-Hochleistungsverfahren. DVS-Berichte Nr. 183 (1997), Seite 50-55.

/21/

Marfels, W.: Der Lichtbogenschweißer, Schweißtechnische Praxis. DVS-Verlag, Düsseldorf.

/22/

DVS-Merkblatt0909-1: Grundlagen des MSG-Hochleistungsschweißens mit Massivdrahtelektroden, Definitionen und Begriffe.

/23/

DVS-Merkblatt 0926: Anforderungen an Schweißanlagen zum Metallschutzgasschweißen.

/24/

DVS-Merkblatt 0932: MAG-Einstellpraxis – Verfahrens- und bauteilabhängige Einflüsse auf die Nahtgeometrie.

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0 Inhaltsverzeichnis

1

1. Einleitung, Verfahrensprinzip

1

2. Schweißgerätetechnik

3

3. Die umhüllten Stabelektroden für das Lichtbogenhandschweißen

5

4. Literatur

12

1. Einleitung, Verfahrensprinzip

Bild 1: Lichtbogenhandschweißen

Beim Lichtbogenhandschweißen brennt der Schweißlichtbogen zwischen einer umhüllten abschmelzenden Stabelektrode und dem Werkstück. Der Schweißlichtbogen und das grundwerkstoffseitige Schmelzbad werden vor dem Zutritt der Luft durch das sich aus der Umhüllung bildende Schutzgas und einer Schlacke geschützt. Dieser Schweißprozess ist vielseitig in allen Schweißpositionen und besonders im Freien anwendbar. Die Gerätetechnik ist einfach aufgebaut. Mit dem Lichtbogenhandschweißen können alle schweißbaren Eisenwerkstoffe, Nickel- und Nickellegierungen, Kupfer- und Aluminiumwerkstoffe mit umhüllten Stabelektroden geschweißt werden. Das Lichtbogenhandschweißen erlaubt es, sowohl dünne Bleche ≥ 1,5 mm in einer Einlagentechnik und auch dickere (meist bis 20 mm) in einer Mehrlagentechnik zu schweißen. In Bild 2 ist von Killing der derzeitige Anwendungsumfang von Stabelektroden in Deutschland dargestellt.

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Davon werden ca.: 30 % im Handwerk, in Klein- und Mittelbetrieben angewendet 30 % verwendet der Schiffbau 10 % werden im Rohrleitungsbau eingesetzt 5%

verwendet der Stahlbau, meist auf Baustellen

5%

werden im Kessel- und Druckbehälterbau eingesetzt um eine hohe Nahtqualität zu erzielen; keine Bindefehler, ausgezeichnete Zähigkeitseigenschaften, niedrige Rissgefahr

der Rest von ca. 20 % wird im Chemieanlagenbau, für niedrig- und hochlegierte Werkstoffe, für höherfeste Stähle, im Fahrzeugbau und für Auftragsschweißungen eingesetzt.

Bild 2: Anteil der Schmelzschweißverfahren, bezogen auf das abgesetzte Schweißgut

Bild 3: Lichtbogenhand-Fallnahtschweißen im Freien (siehe 3/1.10-4, S. 11)

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2. Schweißgerätetechnik Wie aus dem Verfahrensprinzip ersichtlich ist, gehören die Schweißstromquellen, das Zubehör wie die Werkzeuge und die Arbeitsschutzbekleidung und die umhüllten Stabelektroden zu der Grundausrüstung beim Lichtbogenhandschweißen. Typische Schweißdaten sind:

Schweißstrom:

60 A bis 360 A Stromstärke je mm Elektrodendurchmesser 30 A bis 60 A

Gleichstrom (+/-Pol) oder Wechselstrom Stabelektroden:

∅ in [mm]: 2,0/2,5/3,2/4,0/5,0/6,0 Länge: 200 bis 450 mm

Abschmelzleistung:

0,5 bis 5,5 kg/h (bis100 % ED) bis 1,5 kg/h (Mittelwert)

2.1 Die Schweißstromquellen Da besonders ältere Schweißstromquellen für das Lichtbogenhandschweißen sehr lange halten, sind heute noch immer Schweißumformer, Schweißtransformatoren und Schweißgleichrichter im Einsatz. Die geringe Masse, eine tragbare Ausführung und ein guter Wirkungsgrad führen aber immer mehr zu einem stärkeren Übergang zum Schweißumrichter/Schweißinverter und dies in Verbindung mit technischen Vorteilen wie: •

einstellbare statische Belastungskennlinien, steil fallend, möglichst mit einer Schweißstromferneinstellung

•

Stromart: Gleichstrom und/oder Wechselstrom

•

Polumschaltung +/-

•

Netzspannungskompensation

•

„Hot-Start“ mit Schweißstromerhöhung im Zündvorgang

•

„Anti-stick“–Programm für den Fall, dass die Stabelektrode beim Zünden festklebt

•

Messgeräte, Programmbox u. a. Zusatzbaugruppen.

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1.10-1 Seite 4

Anforderungen für das Lichtbogenhandschweißen mit Stabelektroden: a) Stromart: Gleichstrom oder Wechselstrom b) Belastungskennlinie:

steil fallend

Schweißspannung Us in V

1 Lichtbogen zu lang

80 60

1

40

2 Lichtbogen richtig

2 3

20

100

200

300

400

Schweißstrom Is in A

3 Lichtbogen zu kurz

Bild 4: Verlauf der statischen Belastungskennlinien Us = f (Is) und des Prinzips der Lichtbogen-Handregelung

c) Einstellung des Schweißstromes erfolgt über die Einstellung der Belastungskennlinie an der Schweißstromquelle. Eine Ferneinstellung ist zweckmäßig. Polumschalter sind besonders für das Verschweißen von Fallnahtelektroden erforderlich. 2.2 Schweißzubehör Hierzu gehören: die Schweißleitungen, ein vollisolierter Elektrodenhalter, die Werkstückklemme, ein Schweißtisch mit Absaugung und Schutzwände außerdem Werkzeuge wie: ein Schlackenhammer, die Drahtbürste, ein Meißel oder Schleifgeräte, eine Schweißnahtlehre und Temperaturmessmittel. Zur Arbeitsschutzbekleidung gehören: ein Schweißerschutzhelm oder Handschirm, eine Schutzbrille, eine Mütze, Handschuhe, Arbeitsschuhe und schwerentflammbare Arbeitsanzüge oder eine lederne Schweißerschürze.

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vollisolierter Elektrodenhalter

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Magnetanschluss

Schraubzwinge

Bild 5: Schweißzubehör • vollisolierter Elektrodenhalter • Werkstückklemmen (Schraubzwinge/Magnetanschluss)

3. Die umhüllten Stabelektroden für das Lichtbogenhandschweißen Umhüllte Stabelektroden bestehen aus dem Kerndraht und einer mit Bindemittel (meist Wasserglas) gebundenen vorwiegend mineralischen Umhüllung. Während bei un- und niedriglegierten Stabelektroden im Allgemeinen unlegierte, weiche Kerndrähte eingesetzt werden, d. h. die Zulegierung zur Festigkeits- und Zähigkeitssteigerung erfolgt über die Umhüllung, unterscheidet man bei hochlegierten Stabelektroden in kernstab- und hüllenlegierte Typen (Kerndrähte für unlegierte Stabelektroden enthalten ca. C ≈ 0,06 bis 0,12 %; Si ≈ 0,06 %; Mn ≈ 0,3 bis 1,8 %; P, S ≤ 0,03 %). Die umhüllten Stabelektroden werden heute als Pressmantelelektroden (siehe auch Bild 8) nach einer genauen Rezeptur zusammengestellt, mit Bindemittel versehen, auf den Kerndraht gepresst und je nach dem Umhüllungstyp bei ca. 250 bis 450 °C in Öfen getrocknet. Anschließend werden sie gekennzeichnet (nach DIN/EN und/oder mit Firmennamen) und verpackt. 3.1 Einteilung und Aufgaben der umhüllten Stabelektroden Die Einteilung der umhüllten Stabelektroden kann nach folgenden Gesichtspunkten erfolgen: nach dem Verwendungszweck

Auftragschweißen, Verbindungsschweißen, Schneiden, Unterwasserschweißen usw.

nach der chemischen Zusammensetzung des Schweißgutes

unlegierte und niedriglegierte, hochlegierte Stabelektroden für NE-Metalle, Gusseisen usw.

nach den technologischen Eigenschaften

nach den mechanisch-technologischen Gütewerten des Schweißgutes, nach der Stromart, Polung, Abschmelzleistung, Ausbringung, Schweißpositionen, Nahtform und Wasserstoffgehalt des Schweißgutes.

nach dem Umhüllungstyp

Sauer Basisch Rutil Zellulose

nach der Herstellungsart

umhüllt

A B R C

Pressmantel, Doppelpressmantel, (Tauchelektroden)

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3.1.1 Abmessungen von Stabelektroden

Kernstab

Länge in mm

Durchmesser in mm 1,6 2,0

200

250 oder 350

2,5 3,2 4,0

350 oder 450

5,0 6,0

450

8,0

Aufgaben der Stabelektrodenumhüllung

Die Aufgaben der Stabelektrodenumhüllung sind:

Lichtbogen stabilisieren und Lichtbogenraum ionisieren

Zünden und Stabilisieren des Schweißlichtbogens bei gleichzeitiger Werkstoffübertragung und Bilden einer Schweißverbindung. Dabei übernimmt die Elektrodenumhüllung folgende Aufgaben:

Bild 6: Aufgaben der Stabelektrodenumhüllung

•

Verbesserung der Ionisierung der Lichtbogenstrecke, der Zündeigenschaften und der Lichtbogenstabilität

•

Bildung eines Schutzgases zur Abschirmung des schädigenden Einflusses der Luft (N 2 und O2)

•

Schlackenbildung zum Schutz der sich bildenden Schweißnaht (Oberseite und Wurzel), zur Verzögerung der Abkühlung sowie zur Formung der Naht

•

metallurgische Beeinflussung des Schweißgutes, d. h. Oxidation und Desoxidation sowie Abbinden schädlicher Begleitelemente (S, P) oder eine Auflegierung

Erhöhung der Abschmelzleistung (Ausbringen) durch sog. „Hochleistungselektroden“ durch Zusätze wie Eisenpulver.

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Die Umhüllungsdicke und die Zusammensetzung der Umhüllung der Stabelektroden haben einen wesentlichen Einfluss auf: •

die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften des Schweißgutes (mechanische Gütewerte)

•

die Heißriss- und/oder Kaltrissbildung (Wasserstoffgehalt im Schweißgut)

•

das Schweißverhalten, Zündverhalten der Stabelektrode und den Werkstoffübergang

•

die Spaltüberbrückbarkeit, das Nahtaussehen und die Einbrandtiefe (siehe Bild 7)

Bild 7: Einfluss der Umhüllungsdicke auf die Spaltüberbrückbarkeit, das Nahtaussehen und die Einbrandtiefe

3.2 Zusammensetzung der Umhüllung, Umhüllungsstoffe Die für Elektrodenumhüllungen verwendeten Stoffe sind sehr zahlreich. In der Hauptsache handelt es sich um Erze und Mineralien in Form von Oxyden, Hydroxyden, Karbonaten, Karbonylen, Silikaten, Chloriden, Fluoriden und anderen Verbindungen von Metallen und Nichtmetallen sowie um Ferrolegierungen, organische Stoffe und Verbindungen. Die gebräuchlichsten Umhüllungsstoffe können unterteilt werden in Oxydische Erze, Säuren, Basen, Flussmittel • •

Organische Stoffe, Metall, Metall- und Ferrolegierungen und Bindemittel (Wasserglas).

Sowohl die Schweißeigenschaften einer umhüllten Stabelektrode als auch die mechanischen Eigenschaften des Schweißgutes werden durch die Umhüllung entsprechend beeinflusst. Diese homogene Mischung enthält im Allgemeinen die folgenden fünf Hauptbestandteile:

–

schlackenbildende Stoffe (Quarz, Flussspat), desoxidierende Stoffe (Ferromangan, Ferrosilizium),

–

schutzgasbildende Stoffe (Zellulose, Kalkspat),

–

lichtbogenstabilisierende Stoffe (Kali-Feldspat, Rutil),

–

Bindemittel und, falls nötig (Kali- und Natrium-Wasserglas),

–

Legierungsbestandteile (Ferro-Chrom, Ti, Si, Nickelpulver usw.).

–

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Zusätzlich kann Eisenpulver hinzugefügt werden, um das Schweißgutausbringen zu erhöhen. Je nach der Zusammensetzung der Umhüllungen entstehen 4 Haupttypen mit den unter Abschnitt 0 beschriebenen Eigenschaften. Stabelektroden bestehen aus dem Kerndraht und einer durch Wasserglas verbundenen Umhüllung. 3.2.1 Kerndrähte für unlegierte Elektroden C Si Mn P, S

0,06 bis max. 0,12 % 0,06 % 0,3 bis max. 1,8 % ≤ 0,030 %

3.2.2 Elektrodenumhüllungsstoffe

Umhüllungsstoffe: Die für Elektrodenumhüllungen verwendeten Stoffe sind sehr zahlreich. In der Hauptsache handelt es sich um Erze und Mineralien in Form von Oxyden, Hydroxyden, Karbonaten, Karbonylen, Silikaten, Chloriden, Fluoriden und anderen Verbindungen von Metallen und Nichtmetallen sowie um Ferrolegierungen, organische Stoffe und Verbindungen. Die gebräuchlichsten Umhüllungsstoffe können unterteilt werden in

Oxydische Erze: Magnetit (Fe3O4), Eisenglimmer (Fe2O3), Brauneisenstein (2Fe2O3 3H2O) und andere oxydische Eisenerze, Braunstein (MnO2) und andere oxydische Manganerze, Ilmenit (FeTiO3) und andere oxydische Titaneisenerze; Säuren: Quarz (SiO2), Basalt, Kalifeldspat (Kal-Si3O3), Kaliglimmer (H2KAl3SiO12), Kaolin (Al4(OH)8Si4O10), Kieselerde (fälschlich oft als „Kieselkreide“ bezeichnet), Porphyr, Schiefermehl, Speckstein, Talkum (H2Mg3(SiO3)4), Ton, Betonit, Trachyt, Tripel, Walkerde; Basen: Kalkspat (Kreide, Marmor, Kalkstein) (CaCO3), Magnesit (MgCO3), Dolomit (CaMg(CO3)2), Spateisenstein (FeCO3), Manganspat (MnCO3), Bariumkarbonat (BaCO3); Flussmittel: Flussspat (CaF2), Kryolith (AIF3 . 3 NaF); Organische Stoffe: (als Klebemittel oder als Schutzgasbildner zugesetzt): Dextrin, Getreidemehl, Glyzerin, Holz- und Zellmehl, Kleister, Natur- und Kunstharze, Papier, tierische und pflanzliche Leime, Stärke, Zucker; Metall, Metall- und Ferrolegierungen: Aluminium-, Eisen-, Mangan- und Nickelpulver, Ferro-Chrom, -Mangan, -Molybdän, -Silizium, -Titan, Vanadin, -Wolf; Bindemittel: Kaliwasserglas K2O ⋅ SiO2 ⋅ NH2O (Natriumwasserglas)

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Richtanalysen der wichtigsten Umhüllungstypen (Angaben in %)

Saurer Typ

Zellulosetyp Zellulose 40 Rutil TiO2 Quarz SiO2 FeMn Wasserglas

20 25 15

Magnetit Fe3O4 Quarz SiO2 Kalkspat CaCO3 FeMn Wasserglas

Rutiltyp 50 20 10 20

Rutil Magnetit Quarz Kalkspat FeMn Wasserglas

Basischer Typ TiO2 Fe3O4 SiO2 CaCO3

45 10 20 10 15

Flussspat CaF2 Kalkspat CaCO3 Quarz SiO2 FeMn Wasserglas

45 40 10 5

siehe auch Killing: Handbuch der Schweißverfahren /1/

Fast keine Schlacke Erstarrungsintervall

Erstarrungsintervall

Erstarrungsintervall

vorhanden

der Schlacke: mittel

der Schlacke: groß

Tropfenübergang: mittel- bis feintropfig

Tropfenübergang: mittel- bis großtropfig

Zähigkeitswerte: gut

Zähigkeitswerte: sehr gut

Tropfenübergang: mitteltropfig Zähigkeitswerte: gut

der Schlacke: groß Tropfenübergang: feintropfig bis sprühregenartig Zähigkeitswerte: normal

3.2.3 Wirkung von Umhüllungstypen Umhüllungsrohstoff

Wirkung auf die Schweißeigenschaften

Quarz-SiO2

erhöht die Strombelastbarkeit, Schlackenverdünner

Rutil-TiO2-

verbessert Schlackenabgang und Nahtzeichnung, gutes Wiederzünden

Magnetit-Fe3O4

verfeinert den Tropfenübergang

Kalkspat-CaCO3

setzt die Lichtbogenspannung herab, Schutzgas- und Schlackenbildner

Flussspat-CaF2

Schlackenverdünner bei basischen Elektroden, verschlechtert die Ionisation

Kali-Feldspat

leicht ionisierbar, verbessert die Lichtbogenstabilität

K2O Al2O3 6 SiO2 Ferro-Mangan/Ferro-Silizium

Desoxidationsmittel

Zellulose

Schutzgasbildner

Kaolin Al2O3 2SiO2 2H2O

Gleitmittel

K- oder Na-Wasserglas

Bindemittel

K2SiO3/Na2SiO3

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3.3 Beschreibung der Eigenschaften der Haupt-Umhüllungstypen nach DIN EN 499 Sauerumhüllte Stabelektroden:

A

Die Umhüllung dieses Typs wird durch hohe Eisenoxidanteile gekennzeichnet und – infolge des hohen Sauerstoffpotentials – durch desoxidierende Stoffe (Ferromangan). Bei einer dicken Umhüllung verursacht die saure Schlacke einen sehr feinen Tropfenübergang und flache und glatte Schweißnähte. Sauerumhüllte Stabelektroden sind nur begrenzt für das Schweißen in Zwangsposition geeignet und sind empfindlicher für das Entstehen von Erstarrungsrissen als Stabelektroden anderer Umhüllungstypen. Basischumhüllte Stabelektroden:

B

Charakteristisch für die dicke Umhüllung dieser Stabelektroden ist der große Anteil an Erdalkali-Carbonaten, z. B. Calciumcarbonat und Flussspat. Um die Schweißeigenschaften, besonders für das Schweißen mit Wechselstrom, zu verbessern, können größere Mengen nichtbasischer Bestandteile (z. B. Rutil und/oder Quarz) erforderlich sein. Basischumhüllte Stabelektroden haben zwei herausragende Eigenschaften: Die Kerbschlagarbeit des Schweißgutes ist, besonders bei tiefen Temperaturen, höher und ihre Risssicherheit dem hohen metallurgischen Reinheitsgrad des Schweißgutes, während die geringe Kaltrissempfindlichkeit, trockene Stabelektroden vorausgesetzt, im geringen Wasserstoffgehalt begründet ist. Er ist niedriger als bei allen anderen Typen und sollte die Obergrenze H = 15 ml/100 g Schweißgut nicht überschreiten. Basischumhüllte Stabelektroden sind für das Schweißen in allen Positionen, ausgenommen Fallposition, geeignet. Speziell für das Schweißen in Fallposition geeignete basische Stabelektroden haben eine besondere Zusammensetzung der Umhüllung. Zelluloseumhüllte Stabelektroden:

C

Stabelektroden dieses Typs enthalten einen großen Anteil verbrennbarer organischer Substanzen in der Umhüllung, insbesondere Zellulose. Aufgrund des intensiven Lichtbogens eignen sich derartig umhüllte Stabelektroden besonders für das Schweißen in Fallposition. Dünn rutilumhüllte Stabelektroden:

R

Stabelektroden dieses Typs ergeben einen groberen Tropfenübergang als die dickrutilumhüllten. Sie sind damit für das Schweißen von dünnen Blechen geeignet. Stabelektroden des Rutiltyps sind für alle Schweißpositionen – ausgenommen Fallposition – geeignet. Dick rutilumhüllte Stabelektroden:

RR

Bei Stabelektroden dieses Typs ist das Verhältnis von Umhüllungs- zu Kernstabdurchmesser ≥ 1,6. Charakteristisch sind der hohe Rutilgehalt der Umhüllung, das gute Wiederzünden und die feinschuppigen, gleichmäßigen Nähte. Rutilzellulose-umhüllte Stabelektroden:

RC

Die Zusammensetzung der Umhüllung dieser Stabelektroden ist ähnlich der der rutilumhüllten Stabelektroden, sie enthält jedoch größere Zellulose-Anteile. Stabelektroden dieses Typs können daher auch für das Schweißen in Fallposition verwendet werden. Rutilsauer-umhüllte Stabelektroden:

RA

Das Schweißverhalten von Stabelektroden dieses Mischtyps ist mit sauerumhüllten Stabelektroden vergleichbar. In der Umhüllung dieser Stabelektroden sind jedoch wesentliche Anteile an Eisenoxid durch Rutil ersetzt. Daher können diese meist dickumhüllten Stabelektroden für das Schweißen in allen Positionen, ausgenommen Fallposition, eingesetzt werden. Rutilbasisch-umhüllte Stabelektroden:

RB

Charakteristisch für die Umhüllung dieses Typs sind die hohen Anteile an Rutil zusammen mit angehobenen basischen Anteilen. Diese meist dickumhüllten Stabelektroden besitzen, neben guten mechanischen Eigenschaften des Schweißgutes, gute Schweißeigenschaften in allen Schweißpositionen, außer Fallposition.

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Elektrodenherstellung

Bild 8: Stabelektrodenherstellung; /1/

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4. Literatur /1/ Killing: Handbuch der Schweißverfahren, Teil 1, DVS-Verlag Düsseldorf

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0 Inhaltsverzeichnis 1. Kennzeichnung von Stabelektroden nach Europäischen Normen (z. B. DIN EN 499) 2. Literatur

1 1 7

1. Kennzeichnung von Stabelektroden nach Europäischen Normen (z. B. DIN EN 499) 1.1 Einleitung Diese Norm enthält eine Einteilung zur Bezeichnung von umhüllten Stabelektroden mit Hilfe der Streckgrenze, der Zugfestigkeit und der Zähigkeit des Schweißgutes. Das Verhältnis von Streckgrenze zur Zugfestigkeit des Schweißgutes ist im allgemeinen höher als das für den Grundwerkstoff. Anwender sollten daher beachten, dass ein Schweißgut, das die Mindeststreckgrenze des Grundwerkstoffes erreicht, nicht unbedingt dessen Mindestzugfestigkeit erreicht. Wenn bei der Anwendung eine bestimmte Mindestzugfestigkeit gefordert wird, muss daher bei der Auswahl des Schweißzusatzes die Spalte 3 in Tabelle 1 berücksichtigt werden. Es sollte beachtet werden, dass die für die Einteilung der Stabelektroden benutzten mechanischen Eigenschaften des reinen Schweißgutes abweichen können von denen, die an Fertigungsschweißungen erreicht werden. Dies ist bedingt durch Unterschiede bei der Durchführung des Schweißens, wie z B. Stabelektrodendurchmesser, Pendelung, Schweißposition und Werkstoffzusammensetzung. 1.2 Anwendungsbereich Diese Norm legt Anforderungen für die Einteilung von umhüllten Stabelektroden und des Schweißgutes im Schweißzustand für das Lichtbogenhandschweißen von unlegierten Stählen und Feinkornstählen mit einer Mindeststreckgrenze bis zu 500 N/mm² fest. 1.3 Die Einteilung nach acht Merkmalen: • das erste Merkmal besteht aus dem Kurzzeichen für das Produkt/den Schweißprozess; • das zweite Merkmal besteht aus der Kennziffer für die Festigkeitseigenschaften und die Bruchdehnung des Schweißgutes; • das dritte Merkmal enthält das Kennzeichen für die Kerbschlagarbeit des Schweißgutes; • das vierte Merkmal enthält das Kurzzeichen für die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes; • das fünfte Merkmal besteht aus dem Kurzzeichen für den Umhüllungstyp; • das sechste Merkmal besteht aus der Kennziffer für das Ausbringen und die Stromart; • das siebente Merkmal besteht aus der Kennziffer für die Schweißposition; • das achte Merkmal enthält das Kennzeichen für den Wasserstoffgehalt des Schweißgutes. Die Normbezeichnung ist in zwei Teile gegliedert, um den Gebrauch dieser Norm zu erleichtern.

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1.3.1 Verbindlicher Teil Dieser Teil enthält die Kennzeichen für die Art des Produktes, die Festigkeits-, Dehnungs- und Zähigkeitseigenschaften, die chemische Zusammensetzung und den Umhüllungstyp (die Kennzeichen sind nachfolgend beschrieben).

1.3.2 Nicht verbindlicher Teil Dieser Teil enthält die Kennzeichen für das Ausbringen, die Stromart, die Schweißpositionen, für die die Stabelektrode geeignet ist, und die Kennzeichen für den Wasserstoffgehalt. Die vollständige Normenbezeichnung ist auf Verpackungen und in den Unterlagen sowie Datenblättern der Hersteller anzugeben. Oft werden zusätzlich Firmenbezeichnungen verwendet, die in der Praxis sehr oft benutzt werden (z. B. ZELCORD, Garant, OK, SHGelbB).

1.3.3 Bezeichnungsbeispiel nicht verbindlich

EN 499

verbindlicher Teil

E

46

6

Mn1Ni

nicht verbindlich

B

4

2

H5

Kurzzeichen für den Umhüllungstyp Kurzzeichen für die chemische Zusammensetzung Kennzeichen für die Kerbschlagarbeit Kennziffer für die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften Kurzzeichen für das Produkt/den Schweißprozess Kennziffer für das Ausbringen und die Stromart Kennziffer für die Schweißposition Kennzeichen für den Wasserstoffgehalt

Bezeichnung einer umhüllten Stabelektrode (E) für das Lichtbogenhandschweißen, deren Schweißgut eine Mindeststreckgrenze von 460 N/mm2 (46) aufweist und für das eine Mindestkerbschlagarbeit von 47 J bei – 60 °C (6) erreicht wird und mit einer chemischen Zusammensetzung von 1,5 % Mn und 0,8 % Ni (Mn1Ni). Die Stabelektrode ist basischumhüllt (B), verschweißbar an Gleichstrom, Ausbringen 140 % (4), und ist geeignet für alle Schweißpositionen, außer Fallposition (2). Der Wasserstoffgehalt überschreitet nicht 5 ml/100 g deponiertes Schweißgut (H5).

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Lichtbogenhandschweißen II

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1.3.4 Kennzeichen und Anforderungen 1.3.4.1 Kennzeichnung auf dem Produkt Umhüllte Stabelektroden müssen auf der Umhüllung eine Kennzeichnung durch den Hersteller/Lieferer haben. Vorteilhaft ist zusätzlich der verbindliche Teil der Normbezeichnung. 1.3.4.2 Kennzeichnung auf der Verpackung Die Verpackung muss folgende Angaben enthalten: • • • • • • • • • 1)

Name des Herstellers und Fabrikationsnummer Handelsname Normbezeichnung (z. B. nach DIN EN 499) Abmessungen (Durchmesser und Länge) Stromart, empfohlene Strombereiche Masse oder Stückzahl Rücktrocknungsvorschriften (bei basischen Elektroden) Gesundheitsschutz- und Sicherheitshinweise sowie Zulassungen 1) (falls vorhanden) Gemäß den Landesbauordnungen bedürfen Bauprodukte für den Metallbau gemäß der Bauregelliste A Teil 1 eines Übereinstimmungsnachweises in Form eines Übereinstimmungszertifikats einer PÜZ-Stelle (Ü-Zeichen).

1.3.5 Kennziffer für die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften des Schweißgutes Die Kennziffer in Tabelle 1 erfasst die Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung des reinen Schweißgutes im Schweißzustand. Tabelle 1: Kennziffer für Festigkeits- und Dehnungseigenschaften des Schweißgutes Kennziffer 35 38 42 46 50 1) 2)

Mindeststreckgrenze 2 [N/mm ] 355 380 420 460 500

1)

Zugfestigkeit 2 [N/mm ]

Mindestbruchdehnung [%]

440 bis 570 470 bis 600 500 bis 640 530 bis 680 560 bis 720

22 20 20 20 18

Es gilt die untere Streckgrenze (ReL). Bei nicht eindeutig ausgeprägter Streckgrenze ist die 0,2 %-Dehngrenze (Rp0,2). Messlänge ist gleich dem fünffachen Probendurchmesser

1.3.6 Kennzeichen für die Kerbschlagarbeit des Schweißgutes Das Kennzeichen in Tabelle 2 erfasst die Temperatur, bei der eine Kerbschlagarbeit von 47 J erreicht wird. (Es sind drei Proben zu prüfen. Nur ein Einzelwert darf 47 J unterschreiten und muss mindestens 32 J betragen.) Wenn ein Schweißgut für eine bestimmte Temperatur eingestuft ist, eignet es sich folglich für jede höhere Temperatur nach der Tabelle 2.

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Tabelle 2: Kennzeichen für Kerbschlagarbeit des Schweißgutes

Kennbuchstabe/

Mindest-Kerbschlagarbeit 47 J

Kennziffer

°C

Z

keine Anforderungen

A 0

+ 20 0

2

- 20

3

- 30

4 5

- 40

6

- 60

- 50

1.3.7 Kurzzeichen für die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes Das Kurzzeichen in Tabelle 3 erfasst die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes. Tabelle 3: Kurzzeichen für die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes

Chemische Zusammensetzung 1)2)3) LegierungsKurzzeichen Mn

Mo

Ni

2,0 1,4

0,3 bis 0,6

-

> 1,4 bis 2,0

0,3 bis 0,6

-

1Ni

1,4

-

0,6 bis 1,2

2Ni

1,4

1,8 bis 2,6

3Ni

1,4

-

> 2,6 bis 3,8

Mn1Ni

> 1,4 bis 2,0

-

0,6 bis 1,2

1NiMo

1,4

0,3 bis 0,6

0,6 bis 1,2

kein Kurzzeichen Mo MnMo

Z 1)

2) 3)

%

Jede andere vereinbarte Zusammensetzung Falls nicht festgelegt: Mo < 0,2, Ni < 0,3, Cr < 0,2, V < 0,05, Nb < 0,05, Cu < 0,3 Einzelwerte in der Tabelle sind Höchstwerte Die Ergebnisse sind auf dieselbe Stelle zu runden, wie die festgelegten Werte unter Anwendung von ISO 31-0, Anhang B, Regel A.

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1.3.8 Kurzzeichen für den Umhüllungstyp Der Umhüllungstyp einer Stabelektrode hängt hauptsächlich von den schlackenbildenden Bestandteilen ab. Die Kurzzeichen für den Umhüllungstyp werden durch die folgenden Buchstaben bzw. Buchstabengruppen gebildet: A C

= =

sauerumhüllt zelluloseumhüllt

R RR RC RA RB

= = = = =

rutilumhüllt dick rutilumhüllt rutilzellulose-umhüllt rutilsauer-umhüllt rutilbasisch-umhüllt

B

=

basischumhüllt

1.3.9 Kennziffer für Ausbringen und Stromart Die Kennziffer in Tabelle 4 erfasst das Ausbringen nach EN 22401 und die Stromart. Tabelle 4: Kennziffer für Ausbringen und Stromart Kennziffer

1)

Ausbringen %

Stromart

1)

1

≤ 105

Wechsel- und Gleichstrom

2

≤ 105

Gleichstrom

3

> 105

≤ 125

Wechsel- und Gleichstrom

4

> 105

≤ 125

Gleichstrom

5

> 125

≤ 160

Wechsel- und Gleichstrom

6

> 125

≤ 160

Gleichstrom

7

> 160

Wechsel- und Gleichstrom

8

> 160

Gleichstrom

Um die Eignung für Wechselstrom nachzuweisen, sind die Prüfungen mit einer Leerlaufspannung von max. 65 V durchzuführen.

Ausbringen Unter Ausbringung versteht man das Verhältnis von abgeschmolzenem Schweißgut (stammt aus dem Kerndraht und der Umhüllung) zu der Masse des abgeschmolzenen Kerndrahtes.

Ausbringun g =

Masse des abgeschmol zenen Schweißgut es x 100 in [%] Masse des abgeschmol zenen Kerndrahts

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1.3.10 Kennziffer für die Schweißposition Die Schweißpositionen, für die eine Stabelektrode nach EN 1597-3 überprüft wurde, werden durch eine Kennziffer wie folgt angegeben: 1. alle Positionen; 2. alle Positionen, außer Fallposition; 3. Stumpfnaht in Wannenposition, Kehlnaht in Wannen- und Horizontalposition 4. Stumpfnaht in Wannenposition, Kehlnaht in Wannenposition; 5. Fallposition und Positionen wie Kennziffer 3.

1.3.11 Kennzeichen für den Wasserstoffgehalt des Schweißgutes Das Kennzeichen nach Tabelle 5 enthält den Wasserstoffgehalt, der an Schweißgut mit Stabelektrodendurchmesser 4 mm nach ISO 3690 bestimmt wird. Die Stromstärke beträgt 90 % des höchsten vom Hersteller empfohlenen Wertes. Stabelektroden, die für Wechselstrom empfohlen werden, sind an Wechselstrom zu prüfen. Bei Eignung der Stabelektroden nur für Gleichstrom ist mit Gleichstrom unter Benutzung der empfohlenen Polarität zu prüfen. Um die Wasserstoffgehalte richtig zu bewerten, sind die Herstellerangaben über Stromart und Rücktrocknungsbedingungen zu beachten. Tabelle 5: Kennzeichen für Wasserstoffgehalt des Schweißgutes

Wasserstoffgehalt Kennzeichen

ml/100 g Schweißgut max.

H5

5

H 10 H 15

10 15

1.4 Bezeichnungsbeispiele Bezeichnung einer umhüllten Stabelektrode für das Lichtbogenschweißen (E) deren Schweißgut eine Mindeststreckgrenze von 460 N/mm2 (46) aufweist und für das eine Mindestkerbschlagarbeit von 47 J bei – 30 °C (3) erreicht wird und mit einer chemischen Zusammensetzung von 1,1 % Mn und 0,7 % Ni (1 Ni). Die Stabelektrode ist basischumhüllt (B), verschweißbar an Wechsel- und Gleichstrom, Ausbringen 140 % (5), und ist geeignet für alle Positionen außer Fallposition (2). Der Wasserstoffgehalt wird bestimmt nach ISO 3690 und überschreitet nicht 5 ml/100 g deponiertes Schweißgut (H5).

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Die Normenbezeichnung ist wie folgt: EN 499 – E 46 6 Mn1Ni B 4 2 H5 (siehe auch Seite 9) Hierbei bedeuten: EN 499

=

Norm-Nummer

E

=

Umhüllte Stabelektrode/Lichtbogenhandschweißen

46

=

Festigkeit und Bruchdehnung, Mindeststreckgrenze 460 N/mm 2, Zugfestigkeit 530 – 680 N/mm2, Mindestbruchdehnung 20 %

6

=

Kerbschlagarbeit, 47 J bei – 60 °C

Mn1Ni

=

Chemische Zusammensetzung (siehe Tabelle)

B

=

Umhüllungstyp: basisch

4

=

Ausbringen: > 105 bis ≤ 125, Stromart: Gleichstrom Stromart: Wechsel- und Gleichstrom

2

=

Schweißposition: alle Positionen, außer Fallposition

H5

=

Wasserstoffgehalt: max. 5 ml/100 g Schweißgut

2. Literatur /1/ DIN EN 499: Umhüllte Stabelektroden zum Lichtbogenschweißen von unlegierten Stählen und Feinkornstählen

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Lichtbogenhandschweißen II E 46 6 Mn1Ni B

Erläuterungen zu den Kennzeichen der DIN EN 499 Zu €: Kennbuchstaben E = Lichtbogenhandschweißen Zu ó: Kennzeichen f ür Streckgrenze, Festigkeit und Dehnung des Schweißgutes Kennziffer

Mindeststreckgrenze N/mm²

Zugfestigkeit N/mm²

Mindestdehnung %

35

335

440 bis 570

22

38

380

470 bis 600

20

42

420

500 bis 640

20

46

460

530 bis 680

20

50

500

560 bis 720

18

Zu

Z A 0 2

ú ÷ ø í

Beispiel Zu

Bemerkung f ür Baustähle S235 bis S355 f ür höherf este Feinkornbaustähle

R

rutilumhüllt

RR

rutilumhüllt (dick)

RC

rutilzelluloseumhüllt

RA

rutilsauerumhüllt

RB

rutilbasischumhüllt basischumhüllt

Zu

÷: zusätzliche Kennziff ern f ür Ausbringung und Stromart Zusätzliche Kennziffer 1

Ausbringung % < 105

Stromart Wechsel- und Gleichstrom

2

< 105

Gleichstrom

3

> 105 bis ≤ 125

Wechsel- und Gleichstrom

4

> 105 bis ≤ 125

Gleichstrom

5

> 125 bis ≤ 160

Wechsel- und Gleichstrom

4

- 40

6

> 125 bis ≤ 160

Gleichstrom

5

- 50

7

> 160

Wechsel- und Gleichstrom

- 60

8

> 160

Gleichstrom

kein Kurzze ichen

Zu

Mo (Moly bdän)

Ni (Nickel)

2,0

–

–

1,4

0,3 bis 0,6

–

0,3 bis 0,6

–

1 Ni

1,4

–

0,6 bis 1,2

2 Ni

1,4

–

1,8 bis 2,6

3 Ni

1,4

–

2,6 bis 3,8

> 1,4 bis 2,0

–

0,6 bis 1,2

1,4

–

0,6 bis 1,2

ø: zusätzliche Kennziff er für die Schweißposition Zusätzliche Kennziffer 1

Chemische Zusammensetzung in %

> 1,4 bis 2,0

1NiMo

zelluloseumhüllt

- 30

Mn (Mangan)

Mn1Ni

sauerumhüllt

C

B

ì: Kurzzeichen f ür die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes

MnMo

Umhüllungsarten der Stabelektrode

A

3

Legierungskurzzeichen

Mo

ú: Kurzzeichen f ür die Art der Umhüllung Kurzzeichen

Mindest-KerbDie Kerbschlagarbeit ist ein Maß f ür schlagarbeit 47 J °C die Zähigkeit des Werkstoff es und wird in J = Joule gemessen. keine Die Kennzeichen geben an, bei Anf orderungen welcher Prüf temperatur die Kerb+ 20 schlagarbeit v on 47 Joule erreicht 0 wird. Je höher die Ke nnziff er, desto zäher das Schweißgut. - 20

6

Z

ö

2 H5

ó: Kennzeichen f ür Streckgrenze, Festigkeit und Dehnung des Schweißgutes Kennbuchstabe/ Kennziffer

Zu

€ ó ì

4

Seite 8

Schweißposition alle Positionen

für Baust ähl e S235 bis S355

2

für ni edrigl egiert e Molybdän-St ähle

4

alle Positionen, außer Fallposition Stumpf naht, Wannenposition, Kehlnaht, Wannen-, Horizontal, Steigposition Stumpf naht, Wannenposition, Kehlnaht, Wannenposition

5

wie 3, und f ür Fallposition empf ohlen

3

für höherfest e Feinkronstähle (bis maximal 500 N/mm² Streckgrenze.)

Zu

í: Kennzeichen f ür den diffusiblen Wasserstoff

Jede andere v ereinbarte Zusammensetzung

Kennzeichen H 5

Wasserstoffgehalt in ml/100 g Schweißgut max. 5

H 10

10

H 15

15

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1.10-2 Seite 9

Lichtbogenhandschweißen II Auswahlbeispiele TITAN ROT Normbezeichnung:

dick rutilumhüllt DIN EN 499

DIN 1913

ISO 2560

AWS A 5.1

E 35 0 RR 12

E 43 22 RR6

E 43 2RR 22

E 6013

Kennzeichnung:

Stempelaufdruck, Kopffarbe rot

Anwendungsgebiet, Eigenschaften:

Elektrode mit vielseitiger Anwendbarkeit im Maschinen-, Rohrleitungs-, Behälterund Schiffbau. Hervorragende Zündeigenschaften, weicher Lichtbogen. wenig Spritzer, feinschuppiges und glattes Nahtbild, flache Hohlkehlnähte, meist selbstlösende Schlacke.

Werkstoffe:

Allg. Baustähle: Schiffbaustähle: Kesselbleche: Rohrstähle: Stahlguss:

Zulassungen/ Eignungsprüfungen:

Schweißanleitung: Schweißpositionen: Stromstärke, Verpackungsangaben:

Normbezeichnung:

C

Si

Mn

0,08 %

0,25 %

0,4 %

Zugfestigkeit Rm N/mm²

Dehnung A5 %

Kerbschlagarbeit ISO-VJ 0°C

> 360

440 – 550

> 22

> 47

=−

DIN 1913

ISO 2560

AWS A 5.1

E 51 53 B 10

E 51 4B 110 20 (H)

E 7018

Anwendungsgebiet, Eigenschaften:

Mitteltropfige basische Universalelektrode mit 110 % Ausbringung für Verbindungsschweißungen von un- und niedriglegierten Stählen im Maschinen-, Stahl-, Kesselund Schiffbau mit hervorragenden Schweißeigenschaften. Besonders gut geeignet für die Zwangslagenschweißung. Das besond. gasarme Schweißgut und die hohe Desoxidationsfähigkeit ergeben sichere Schweißungen auch an höher P-, S- und C-haltigen Stählen. Spezialumhüllung mit verzögerter Feuchtigkeitsaufnahme (LMA-Typ).

Werkstoffe:

Allg. Baustähle: Schiffbaustähle: Feinkornbaust.: Kesselbleche: Rohrstähle: Stahlguss: Betonstähle:

USt 37-2, RSt 37-2, St 44-2, St 37-3, St 44-3, St 52-3 A - E, A32 - E32, A36, E36 StE/WStE/TStE 315 – StE/WStE/TStE 355 HI, HII, 17Mn4, 19Mn6 St 37.0 - St 52.0, St 37.4 - St 52.4, St 35.8, St 45.8 GS-38, GS-45, GS-52 BSt 420 S, BSt 500 S

TÜV, UDT, DB/Ü, BV, GL, LR, NV, PRS, RS – siehe Anhang

Schweißgutrichtanalyse

Gütewerte des reinen Schweißgutes

~

DIN EN 499 E 42 2 B 42 H10

Stempelaufdruck, Kopffarbe blau

Zulassungen/ Eignungsprüfungen:

Streckgrenze Re N/mm²

basischumhüllt

Kennzeichnung:

TÜV, UDT, DB/Ü, BV, GL, LR, NV, – siehe Anhang

Schweißgutrichtanalyse

Gütewerte des reinen Schweißgutes

USt 37-2, RSt 37-2, St 44-2, St 37-3, St 44-3 A, B, D HI, HII, 17Mn4, 19Mn6 St 37.0 - St 44.0, St 37.4 - St 44.4, St 35.8, St 45.8 GS-38, GS-45

GARANT

C

Si

Mn

0,08 %

0,5 %

1,0 %

Streckgrenze Re N/mm²

Zugfestigkeit Rm N/mm²

Dehnung A5 %

Kerbschlagarbeit ISO-VJ -20°C

> 420

510 – 560

> 22

> 54

PA, PB, PC, PE, PF Schweißanleitung:

=+

Rücktrocknung: 300 – 350 °C/2h

Artikel-Nr.

∅ / Länge mm

Stromstärke A

kg/Paket

ca. Stück Paket

kg/1000 Stück

.00.240.162

1,6 / 250

25 - 50

1,5

250

6,5

.00.240.202

2,0 / 250

45 - 70

1,7

185

9,2

.00.240.252

2,5 / 250

60 - 100

1,7

113

15,0

.00.100.202

2,0 / 250

45 – 60

1,6

161

9,9

.00.240.253

2,5 / 350

60 - 100

4,8

230

20,9

00.100.253

2,5 / 350

60 – 90

4,6

208

22,1

.00.240.323

3,25 / 350

90 - 140

4,8

137

35,0

.00.100.323

3,25 / 350

120 – 160

4,5

115

39,1

.00.240.324

3,25 / 450

90 - 140

6,0

134

44,8

.00.100.324

3,25 / 450

120 – 150

6,0

118

50,8

.00.240.403

4,0 / 350

130 - 200

4,8

90

53,3

.00.100.403

4,0 / 350

160 - 200

5,0

93

53,8

.00.240.404

4,0 / 450

130 - 200

6,0

89

67,4

.00.100.404

4,0 / 450

160 – 200

6,0

88

68,2

.00.240.504

5,0 / 450

180 - 230

6,0

57

105,3

.00.100.454

4,5 / 450

180 – 230

6,0

70

85,7

.00.100.504

5,0 / 450

220 – 270

6,0

57

105,3

.00.100.604

6,0 / 450

290 - 360

6,0

42

142,9

Schweißpositionen: Stromstärke, Verpackungsangaben:

(aus Katalog: Kjellberg, Finsterwalde 1997) © 2003 Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Nachdruck und unbefugte Weitergabe sind unzulässig und werden gesetzlich verfolgt

PA, PB, PC, PE, PF, (PG) Artikel-Nr.

∅ / Länge mm

Stromstärke A

kg/Paket

ca. Stück Paket

kg/1000 Stück

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1.10-3

Lichtbogenhandschweißen III

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0 Inhaltsverzeichnis 1. Auswahl von Stabelektroden für das Lichtbogenhandschweißen 2. Literatur

1 1 13

1. Auswahl von Stabelektroden für das Lichtbogenhandschweißen Die Auswahl von Stabelektroden erfolgt nach werkstoff- und schweißtechnischen Gesichtspunkten. Dabei wird zuerst ein Vergleich der mechanischen Gütewerte des Schweißzusatzes mit den Gütewerten des Grundwerkstoffes vorgenommen, wobei die Mindestanforderungen des Grundwerkstoffes auch im reinen Schweißgut erreicht werden müssen. Für die Auswahl von Stabelektroden können folgende Kriterien genannt werden: •

der zu verschweißende Grundwerkstoff – für unlegierte Stähle und Feinkornstähle – für höherfeste Stähle – für warmfeste Stähle – für nichtrostende und hitzebeständige Stähle – für Gusseisenwerkstoffe – für Nichteisenmetalle weiter unterteilt nach: – der chemischen Zusammensetzung – den metallurgischen und physikalischen Eigenschaften

•

die Beanspruchung des Bauteils geordnet nach: – konstruktiver Gestaltung des Bauteils – ruhende oder schwingende Beanspruchung – Beanspruchungszustand (Größe der Belastung)

•

die Schweißaufgabe geordnet nach: Schweißbedingungen, Schweißposition, vorhandener Schweißstromquelle, geeigneter Umhüllungstyp

•

die Wirtschaftlichkeit geordnet nach: Abschmelzleistung, Ausbringen, Streckenenergie

Die Auswahl der umhüllten Stabelektroden erfolgt meist nach den Katalogen für Schweißzusätze der Herstellerfirmen (auch „Schweißweiser“ genannt). Folgende Normen sind vorhanden: DIN EN 499 für - umhüllte Stabelektroden - unlegierte Stähle und Feinkornbaustähle DIN EN 757 - hochfeste Stähle DIN EN 1599 - warmfeste Stähle DIN EN 1600 - nichtrostende und hitzebeständige Stähle DIN 8555 - Schweißzusätze zum Auftragschweißen DIN 8573 - Gusseisenwerkstoffe

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Lichtbogenhandschweißen III

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1.1 Eigenschaften der wichtigsten Stabelektroden Die mechanischen Gütewerte und die Verschweißbarkeitseigenschaften der Stabelektroden werden bestimmt durch das - chemische und physikalische (Schlacken- und Schmelzenviskosität) Verhalten der Schweißschlacke: sauer, neutral, basisch und die - Art der Lichtbogenatmosphäre (Ionisierung, Schutzgasbildung): oxidierend, desoxidierend (reduzierend).

1.1.1 Sauerumhüllte Stabelektroden (A) Die Umhüllung enthält große Anteile von Schwermetalloxyden (Fe3O2; Fe2O3, SiO2). Der Gehalt an Sauerstoff und oxidischen Schlacken ist hoch. Die mechanischen Gütewerte sind daher niedrig. Die entstehende Verbrennungswärme macht diese Elektroden zum „heißgehenden“ Stabelektrodentyp. Sie neigen zur Rissbildung und zu Einbrandkerben. Dünn umhüllte erzsaure Stabelektroden haben einen großtropfigen Werkstoffübergang, sehr dick umhüllte einen feintropfigen. Positiv ist die gute Schlackenentfernbarkeit in Spitzkerben, saubere Nahtzeichnung. Reine erzsaure umhüllte Stabelektroden werden heute kaum angewendet. Eine Typenauswahl: DIN EN 499 E 35 O A 12 E 35 O A 13 E 35 O A 34 E 42 2 RA 73

} }

dünnumhüllt dickumhüllt

Anwendungen: Dünnumhüllte erzsaure Stabelektroden: Für Dünnblechschweißungen, gute Spaltüberbrückbarkeit, geeignet für alle Schweißpositionen, außer fallend. Z. B. im Karosseriebau, Profilstahlbau, landwirtschaftliche Geräte, Reparaturen. Dickumhüllte saure Typen: Hochleistungselektrode, dickere Kehlnähte. Hier werden mehr Mischtypen rutilsauer (RA) eingesetzt. Diese Stabelektroden haben eine hohe Abschmelzgeschwindigkeit; sehr hoch strombelastbar. Konkave glatte Nähte, Sicheres Erfassen des Wurzelpunktes bei Kehlnähten. Geeignet für verzinkte, geprimerte und angerostete Teile. Durch niedrigen Si-Gehalt sehr gut für anschließendes Verzinken, Emaillieren und Gummieren geeignet.

1.1.2 Rutilumhüllte Stabelektroden (R) Hauptbestandteil der Umhüllungen ist Rutil (TiO2); es wirkt im Lichtbogen weniger oxidierend, die Lichtbogenatmosphäre ist etwa neutral, der Legierungsabbrand ist geringer. R-Typen sind Universalelektroden, über die Umhüllungsdicke und als „Mischtypen“ können Forderungen für viele Anwendungsbereiche erfüllt werden. R-Typ dünn umhüllt

grobtropfiger Werkstoffübergang, gute Spaltüberbrückbarkeit daher: Dünnblech-Elektrode, jedoch starke Endkraterbildung

RC-Typ mitteldick rutilzelluloseumhüllt

Schweißgut zähflüssig, gut geeignet für Fallnahtschweißung (Kehlnähte) im Metallbau (nicht Stumpfnähte an Rohren)

RR-Typ dickumhüllt

feintropfiger Werkstoffübergang, hohe Abschmelzleistung, glatte Nähte

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Lichtbogenhandschweißen III

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Die Verformungseigenschaften des Schweißgutes sind bei Stählen mit höherem Mn-Gehalt (S355) schlecht. Diese Stabelektroden sind im bauaufsichtlichen Bereich nur für den Stahl S 235 mit Auflagen zugelassen (Zulassungsblatt beachten). RB-Typen dickrutilbasisch umhüllt

mitteltropfiger Werkstoffübergang, gute Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften, besser als RR-Typen, sehr gute Positionsverschweißbarkeit, hohe Abschmelzleistung häufige Anwendung im Rohrleitungs- und Stahlbau bei Zwangslagenschweißungen und Wurzelschweißungen z. B. Pos. PF.

Rutilumhüllte Stabelektroden werden mit Gleichstrom am –Pol oder mit Wechselstrom verschweißt. Eine Typenauswahl: DIN EN 499 E 38 A R 12 E 42 O R 12 E 38 O RC 11 E 38 2 RR 12 E 42 A RR 73

E 42 2 RB 12 E 42 2 RB 53

1.1.3 Basischumhüllte Stabelektroden (B) Die Umhüllung besteht aus etwa 80 % Calciumcarbonat (CaCO3) und Calciumfluorid (CaF2). Im Lichtbogen ist wenig Sauerstoff vorhanden. Der Abbrand von Legierungselementen ist daher gering. Die Schweißschlacke ist basisch. Die mechanischen Gütewerte sind hervorragend. • Hohe Kerbschlagarbeit des Schweißgutes, besonders bei tiefen Temperaturen; • Hohe Risssicherheit, besser als bei anderen Typen (dabei senkt der hohe metallurgische Reinheitsgrad des Schweißgutes die Heißrissgefahr und ein geringerer Wasserstoffgehalt die Kaltrissempfindlichkeit). Eine Typenauswahl: DIN EN 499 E 38 2 B 22 H 10 E 46 4 B 42 H 10 E 50 4 2Ni B 42 H5 E 42 5 B 32 H5 E 46 8 3Ni B 73 H5 DIN EN 757 E 69 5 Mn2NiCrMo B 32 H5 Anwendungen: Sehr dehnungsfähiges Schweißgut bei niedriger Streckgrenze auch für schrumpf/behinderte Bauteile große Nahtquerschnitte sowie für höherfeste Stähle als weiches Schweißgut für starre Konstruktionen. Auch zum Verschweißen von verschiedenen Stahlsorten und bei großen Bauteildicken und zum Verschweißen von durch P, S und N 2 verunreinigten Stählen brauchbar. Diese Stahlbegleitelemente werden abgebunden und in die Schlacke überführt. Lagerung: Durch hohe basische Umhüllung sehr anfällig gegen Feuchtigkeit. Trocknung: Bei längerer Lagerung vor dem Schweißen: Nachtrocknen etwa 2 Stunden bei 250 bis 350° C. Bis zum Schweißen bei etwa 100° C warm halten.

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1.1.4 Zelluloseumhüllte Stabelektroden (C) Sie enthalten einen hohen Anteil an verbrennbaren Substanzen (Zellulose) und werden fast ausschließlich für das Fallnahtschweißen von erdverlegten Rohrleitungen eingesetzt. Es wird eine große Schweißgeschwindigkeit bei hoher Abschmelzleistung erreicht. Die Rauchentwicklung ist groß, stört aber im Freien kaum. Das Schweißen mit Fallnahtelektroden muss erlernt werden. Es werden röntgensichere Rohr-Rundnähte bei guten bis sehr guten Gütewerten des Schweißgutes erzielt. Verschweißbar mit Gleichstrom: Wurzel am –Pol Hotpass, Fülllagen und Decklagen am +Pol. Die Schweißnähte haben ein grobschuppiges Nahtaussehen. Eine Typenauswahl: DIN EN 499

E 35 2 C 25 E 42 2 C 25 E 46 3 C 25 E 503 1 Ni C 25

Anwendungen: Zellulose-Stabelektroden für das Schweißen an Großrohren (Pipelines). Besonders für Wurzelschweißungen (E 35 2 C 25, z. B. Cel 70) für Hotpass, Füll- und Decklagen (E 50 3 1 Ni C 25, z. B. Cel 90) Anmerkungen: • • • •

Stabelektroden sind luftdicht in Blechdosen verpackt. Es muss eine definierte Restfeuchtigkeit vorhanden sein. Die Schweißnähte sind in einer „Wärme“ zu schweißen. Es müssen spezielle Fallnahtschweißstromquellen mit sehr steilen Belastungskennlinien und Leerlaufspannungen ≥ 80 V verwendet werden. Eine exakte Nahtvorbereitung ist notwendig (kein Kantenversatz, genauer Luftspalt).

1.1.5 Hochleistungselektroden, Mehrausbringungselektroden Diese Stabelektroden enthalten in der Umhüllung zusätzlich Eisenpulver bis gut zum doppelten dessen, was über den Kerndraht eingebracht wird. In der PB-Position kann bis 160 % Ausbringung und in der PA-Position über 160 % bis ca. 220 % Ausbringung verschweißt werden. Das Verschweißen erfolgt für RR- und RA-Typen mit Gleichstrom am –Pol, für B oder RB-Typen mit Gleichstrom am +Pol. Eine bevorzugte Anwendung sind längere durchlaufende Kehlnähte (z. B. Baggerbau, Schiffbau). Eine Typenauswahl: DIN EN 499

E 42 2 RA 73 E 42 O RR 73 E 42 2 RB 53

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1.2 Auswahl der umhüllten Stabelektroden nach den zu verschweißenden Grundwerkstoffen (nur Beispiele) 1.2.1 Umhüllte Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen nach DIN EN 499 Die Kennzeichnung dieser Gruppe von umhüllten Stabelektroden nach DIN EN 499 wurde bereits in dem Abschnitt 1.10-2, S. 1 bis S. 9 beschrieben. Die Übersicht auf der Seite 8 des Abschnittes 1.10-2 enthält ein Bezeichnungsbeispiel mit Erläuterungen. Die Auswahl dieser Schweißzusatzwerkstoffe richtet sich nach den Mindestforderungen an die mechanischen Gütewerte des jeweiligen Grundwerkstoffes. Umhüllte Stabelektroden nach DIN EN 499 für unlegierte Stähle und Feinkornbaustähle stellt die größte Gruppe der Stabelektroden dar. Eine genaue Auswahl bieten die Zusatzwerkstoffhersteller in ihren Katalogen (Schweißweiser) an. Die Beschreibung der Haupttypen ist in dem Abschnitt 1.10-1, S. 10, Pkt. 3.3 enthalten.

Beispiele für Grundwerkstoff-Zusatzwerkstoff-Kombinationen sind:

Grundwerkstoff EN-Typ

Zusatzwerkstoff EN-Typ

S235 JR

E 38 O RC 11 E 42 O RR 12

S235 J2 G 3

E 38 O RC 11 E 42 O RR 12 E 42 4 B 12

S355 J2 G 3

E 42 O RC 11 E 42 O RR 12 E 42 4 B 12

Bei unberuhigten Stählen dürfen möglichst keine Seigerungszonen angeschmolzen werden. Es sind basische Stabelektroden zu verwenden. Zur Auswahl von Zusatzwerkstoffen für Mischverbindungen mit unlegierten Baustählen siehe in 1.10-3, Pkt. 1.4.

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Zuordnung geeigneter Stabelektroden für bestimmte Schweißarbeiten Stumpf- und Kehlnähte an dünnwandigen Profilen Werkstoff: S235 DIN EN 499

E 38 O RR 12

Kehlnähte an langen Doppel-T-Trägern Werkstoff: S235 Schweißposition: PB DIN EN 499

E 38 O RR 73

Doppel V-Naht an Zugstangen mit großer Werkstückdicke Werkstoff: S355 Schweißposition: PA DIN EN 499 E 38 3 B 22

Kehlnähte an Konsolen (t 10 mm) Werkstoff: S235 Schweißposition: PF DIN EN 499

E 38 2 RB 12

Stumpfnähte an Rohren (L235) Naht 1 Schweißposition PG DIN EN 499 E 38 2 C 25 Naht 2 Schweißposition PF DIN EN 499 E 38 2 RB 12

1.2.2 Umhüllte Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von hochfesten Stählen nach DIN EN 757 Zum Lichtbogenhandschweißen von hochfesten Feinkornbaustählen im Stahlbau werden fast ausschließlich basisch (B) umhüllte Stabelektroden angewendet. Zur Einheitlichkeit der Bezeichnung wurden Teile aus der DIN EN 499 übernommen. Angaben über die Festigkeitseigenschaften des Schweißgutes beziehen sich auf den Schweißzustand wenn ein T in der Bezeichnung zugefügt ist beziehen sich die Werte auf den spannungsarmgeglühten Zustand. Ein Z für Legierungselemente zeigt an, dass die chemische Zusammensetzung außerhalb der festgelegten Grenzen liegt (siehe auch das folgende Bezeichnungsbeispiel).

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Feinkornbaustähle sind mit

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Mn Mn und Mo Mn und Ni Mn, Ni, Mo Mn, Ni, Cr, Mo und Mikrolegierungselementen (z. B. S690Q wasservergütet) legiert.

Basische Elektroden für das Verschweißen von Feinkornbaustählen müssen rückgetrocknet werden, und zwar mit höheren Temperaturen als B-Elektroden nach EN 499 (2 Stunden bei 300 – 350 °C, jedoch max. 10 Stunden). Elektroden sind meist mit Zündhilfen versehen (zusätzliche Schutzgaswolke beim erstmaligen Zünden, Vermeidung von Ansatzporen). Der Wasserstoffgehalt des Schweißgutes sollte 15 ml/100 g Schweißgut nicht überschreiten H 15, H 10, H 5. Mit gezielter Wärmeeinbringung arbeiten – Streckenenergie beachten – keine zu dicken Lagen, besonders in Position „PF“. Arbeitstemperatur nicht über 200 °C. Für die Streckenenergie gilt bei Wanddicken < 15 mm: Wanddicke = Streckenenergie kJ/cm.

Beispiel:

Ausziehlängen in Abhängigkeit von der Streckenenergie Materialdicke 10 mm, S690Q

Rein basisch umhüllte Elektroden neigen beim Verschweißen im unteren Stromstärkenbereich zum Kleben (z. B. Wurzelschweißen bei V-Nähten). Verbesserung durch Doppelmantelelektroden

Die Übersicht zur Kennzeichnung umhüllter Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von hochfesten Stählen DIN EN 757 befindet sich auf der Seite 14.

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1.2.3 Umhüllte Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von warmfesten Stählen DIN EN 1599 Diese Norm enthält eine Einteilung zur Bezeichnung von umhüllten Stabelektroden mit der chemischen Zusammensetzung des reinen Schweißgutes. Warmfeste Stähle werden bei hohen Betriebstemperaturen (300 – 600 °C) und hohen Drücken eingesetzt. Stabelektroden können rutil- oder basischumhüllt sein. Zuordnung geeigneter Stabelektroden zu bestimmten warmfesten Stählen: Beispiele: Grundwerkstoffe:

16Mo3 13CrMo4-5 10CrMo9-10

Zusatzwerkstoffe:

EMoR12 ECrMo1B22 H5 ECrMo2B22 H5

Stabelektrodenbezeichnungsbeispiel: DIN EN 1599 E CrMo1 B 2 2 H5 5 ml Wasserstoffgehalt auf 100 g Schweißgut Schweißposition (alle außer Fallnaht) Ausbringen und Stromart (Ausbringen < 105 %, DC) Umhüllungstyp (Basisch) Chem. Zusammensetzung des reinen Schweißgutes, 1 % Chrom, 0,5 % Molybdän Umhüllte Stabelektrode Die mechanischen Eigenschaften des reinen Schweißgutes des Typs ECrMo1 sind: • Mindeststreckgrenze Re 355 N/mm² • Mindestzugfestigkeit Rm 510 N/mm² • Mindestbruchdehnung 20 % • Kerbschlagarbeit 47 Joule bei + 20 °C • Vorwärmtemperatur 150 ° - 250 °C • Wärmenachbehandlung: Glühen 660 ° - 700 °C, Haltedauer 60 Min. Anmerkung: Häufig wird bei dickeren Werkstoffen im Stumpfstoß (U-Nahtvorbereitung) die Wurzel WIG-, die Füll- und Decklagen aus wirtschaftlichen Gründen mit der Basischen Stabelektrode geschweißt! Risse in Schweißverbindungen können durch Wasserstoff verursacht oder maßgeblich beeinflusst werden. Die Gefahr von wasserstoffinduzierten Rissen erhöht sich mit zunehmendem Legierungsgehalt und der Höhe der Spannungen. Wasserstoff im Schweißgut entsteht z. B. durch nicht ordnungsgemäß rückgetrocknete Basische Stabelektroden (2 Std. bei 300 °C). Die Kaltrissneigung ist um so geringer, je niedriger der Wasserstoffgehalt des Schweißgutes ist.

Die Übersicht zur Kennzeichnung umhüllter Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von warmfesten Stählen DIN EN 1559 befindet sich auf der Seite 15.

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1.2.4 Umhüllte Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von nichtrostenden und hitzebeständigen Stählen DIN EN 1600 Diese Norm enthält eine Einteilung zur Bezeichnung von umhüllten Stabelektroden mit Hilfe der chemischen Zusammensetzung des reinen Schweißgutes. Stabelektroden können rutil- oder basischumhüllt sein; in beiden Fällen werden die Stabelektroden an DC +Pol verschweißt (rutilumhüllt an AC möglich). Hochlegierte Stabelektroden müssen nach Herstellerangaben rückgetrocknet werden (2 Std. bei 300 °C). Bei Nichtbeachtung dieser Maßnahme ist vor allem am Nahtanfang mit Poren zu rechnen. Kernstablegierte Chrom-Nickelelektroden sind mit niedriger Stromstärke zu verschweißen. Legierungselemente sind in der Reihenfolge Cr, Ni, Mo zahlenmäßig hintereinander ohne Kurzzeichen aufgeführt. Beim Verschweißen von Basisch umhüllten CrNi-Stabelektroden treten im Schweißrauch Chromate (Chrom VI – Verbindungen) auf. Hier sollte mit Punktabsaugung an der Schweißstelle – oder mit Filteratemschutzmasken (P3) geschweißt werden. Hochlegierte Rutilumhüllte Stabelektroden enthalten deutlich niedrigere Chrom VI Anteile. Zuordnung geeigneter Stabelektroden zu bestimmten hochlegierten Werkstoffen: Beispiele: Martensitische, ferritische Stähle (magnetisch) • Grundwerkstoff: X6Cr13 Werkstoff Nr. 1.4000 x geeignete Stabelektrode: DIN EN 1600 E131 B22 Austenitische Stähle (unmagnetisch) • Grundwerkstoff: X6CrNiTi18-10 Werkstoff Nr. 1.4541 x geeignete Stabelektroden: DIN EN 1600 E19 9 Nb R 12 DIN EN 1600 E 19 12 3 Nb R 12 • Grundwerkstoff: X5CrNiTi17-12-2 Werkstoff Nr. 1.4571 x geeignete Stabelektrode: DIN EN 1600 E19 12 3 Nb R 12 • Grundwerkstoff: X2CrNi18-9 Werkstoff Nr. 1.4307 x geeignete Stabelektrode: DIN EN 1600 E19 9 L R 12 Stabelektrodenbezeichnungsbeispiel: DIN EN 1600 E 19 12 3 Nb R 1 2 Schweißposition (alle außer Fallnaht) Ausbringen und Stromart Umhüllungstyp (Rutil) Stabilisator (Niob) Legierungselement: Molybdän 3 % Legierungselement: Nickel 12 % Legierungselement: Chrom 19 % Umhüllte Stabelektrode Die mechanischen Eigenschaften des reinen Schweißgutes des Typs 19 12 3 Nb sind: 350 N/mm² • Mindeststreckgrenze Rp 0,2 550 N/mm² • Mindestzugfestigkeit Rm • Mindestbruchdehnung 25 % Wärmebehandlung keine

Die Übersicht zur Kennzeichnung umhüllter Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von legierten Stählen DIN EN 1600 befindet sich auf der Seite 16.

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1.3 Stabelektroden für das Auftragschweißen DIN 8555 Wichtige Angaben auf der Elektrodenpackung: 1. Legierungsgruppe der Elektrode 2. Härte des reinen Schweißgutes 3. Schweißguteigenschaften Legierungsgruppen: Härtestufen:

1 – 32 150, 200, 250, 300, 350, 400 HB 40, 34, 50, 55, 60, 65, 60 HRC Die Härtestufe gibt die jeweilige Härte des Schweißgutes ohne Nachbehandlung an. Kennzahl für die Legierungsgruppe Einteilung der Schweißzusätze

Angaben weiterer Schweißeigenschaften Es werden nur Eigenschaften des Schweißgutes genannt, die neben der Härteangabe besonders typisch sind. Folgende Kennbuchstaben sind anzuwenden (mehrere Kennbuchstaben sind alphabetisch zu ordnen): C = korrosionsbeständig G = schmirgelbeständig K = kaltverfestigungsfähig. Die Verschleißeigenschaften des Schweißgutes sind von einer kaltverfestigenden Nachbehandlung abhängig. Sie kann durch nachträgliches Hämmern oder Pressen, aber auch ohne eine solche Nachbehandlung erreicht werden, wenn das Schweißgut im Betrieb selbst einer Druckbeanspruchung, rollenden oder schlagenden Beanspruchung unterliegt (z. B. Mn-Hartstähle). N = nicht magnetisierbar P = schlagbeständig R = rostbeständig S = schneidhaltig (Schnellarbeitsstähle usw.) T = warmfest (temperaturfest) im Sinne von Warmarbeitswerkzeugstählen Z = hitzebeständig (Zunderbeständig), d. h. für Temperaturen über etwa 600 °C.

Legierungsgruppe 1

Art des Schweißzusatzes bzw. des Schweißgutes

2

unlegiert mit mehr als 0,4 % C oder niedriglegiert mit mehr als 0,4 % C und bis max. 5 % Legierungsbestandteile Cr, Mn, Mo, Ni insgesamt

3

legiert, mit den Eigenschaften von Warmarbeitsstählen

4

legiert, mit den Eigenschaften von Schnellarbeitsstählen

5

legiert mit mehr als 5 % Cr und niedrigem CGehalt (bis etwa 0,2 % C)

6

legiert mit mehr als 5 % Cr und höherem CGehalt (etwa 0,2 bis 2,0 % C)

7

Mn-Austenite mit 11 bis 18 % Mn und mehr als 0,5 % C und bis 3 % Ni

8

Cr-Ni-Mn-Austenite

9

Cr-Ni-Stähle (rost-, säure- und hitzebeständig

10

hoch C-haltig und hoch Cr-legiert mit und ohne zusätzliche Karbidbildner

20

Co-Basis, Cr-W-legiert, mit oder ohne Ni und Mo

21

Karbid-Basis (gesintert, gegossen oder gefüllt)

22

Ni-Basis, Cr-legiert, Cr-B-legiert

23

Ni-Basis, Mo-legiert mit oder ohne Cr

umhüllt (Basisch oder Rutil)

30 31 32

Cu-Basis, Sn-legiert Cu-Basis, Al-legiert Cu-Basis, Ni-legiert

Legierungsgruppe

unlegiert bis 0,4 % C oder niedriglegiert bis 0,4 % C und bis max. 5 % Legierungsbestandteile Cr, Mn, Mo, Ni insgesamt

Die Eigenschaften eines Auftragschweißgutes können von bestimmten Behandlungsvorschriften abhängig sein, die vom Hersteller angegeben werden.

Beispiel: E 7 – UM – 200 K kaltverfestigungsfähig

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Härte Brinell

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DIN 8555 1. Baggerzahn aus Mn-Hartstahl

Mn-Hartstähle möglichst „kalt“ schweißen (Wasserbad) - geringe Stromstärke - kleine Elektrodendurchmesser - kurzen Lichtbogen - nur Strichraupen usw. 2. Baggerzahn aus niedrig legiertem Stahlguss Vorwärmen auf 200 – 300 °C

Die Legierungsgruppen enthalten: E 6 – UM – 60 bis 2 % C E 7 – UM – 250 K bis 1,2 % C E 8 – UM – 200 E 10 – UM – 65 ~3%C

bis 18 % Cr 19 % Cr bis 35 % Cr

9 % Ni

11 – 18 % Mn 6 % Mn 8 % Mn

Man unterscheidet zwischen Reib- und Schlagverschleiß. Die Rissgefahr steigt mit zunehmender Auftragsdicke und –fläche. Oft reicht gitter- oder punktförmiges Auftragen aus (Baumaschinen). Reines Schweißgut tritt erst in der 3. Lage auf. Bei weniger Lagen, Werte (z. B. Härte) der Elektroden 1 oder 2 Stufen höher wählen. 1.4 Stabelektroden für Schwarz-Weiß-Verbindungen nach DIN EN 1600 (siehe Kapitel 2.25 Hauptgebiet 2 „Fügen unterschiedlicher Werkstoffe“, Abschnitt 2,) Für das Verschweißen von unlegiertem (S235) mit hochlegiertem Stahl X6CrNiTi18-10) können mehrere „überlegierte“ Zusatzwerkstoffe verwendet werden. Bewährte Legierungstypen für das Schweißen von artverschiedenen Stählen sind: DIN EN 1600 E 18 9 Mn6 R12 (Werkstoff Nr. 1.4370) DIN EN 1600 E23 12 R12 (Werkstoff Nr. 1.4332)

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Anmerkung:

Beispiele:

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Werden bei Schwarz-Weiß-Verbindungen unlegierte Zusatzwerkstoffe nach DIN EN 499 verwendet, gibt es Aufhärtungen in der Schweißnaht. Werden bei Schwarz-Weiß-Verbindungen „nur“ hochlegierte 18-10 Zusatzwerkstoffe nach DIN EN 1600 verwendet, so gibt es ebenfalls Aufhärtungen in der Schweißnaht. Anschweißen von Tragstützen (S235) an Behälterwände aus austenitischem ChromNickelstahl 18-10.

Einfache Ausführung

Höherwertige Ausführung

Für das Schweißen von Kehlnähten an Schwarz-Weiß-Verbindungen ist eine „Hüllenlegierte“ Stabelektrode (unlegierter Kerndraht) von Vorteil. Kennzeichnung MP = Metallpulver: (Verträgt höhere Strombelastung als Kernstablegierte Stabelektroden). Beispiel: DIN EN 1600 E23 12 MP R12 E18 8 Mn6 MP R73 Schweißposition Mehrausbringung 160 %

1.5 Stabelektroden zum Reparaturschweißen von Grauguss nach DIN 8573 Für das Schweißen von Grauguss werden zwei Methoden angewendet (siehe Kapitel „Besonderheiten beim Schweißen von Eisengusswerkstoffen“, Hauptgebiet 2). Das Graugusswarmschweißen mit einem artgleichen Zusatzwerkstoff. Dabei wird das ganze Schweißteil langsam auf ca. 600 °C im Ofen angewärmt, geschweißt und wieder langsam im Ofen, in heißem Sand oder in Asche abgekühlt. Hierzu können folgende Stabelektroden nach DIN 8573 angewendet werden: E FeC-G-S46 artgleiche Gusseisenwarmschweißung (600 °C, in PA) E FeC-G-BG46 artgleiche Warmschweißung (von GGG bei 600 °C in PA) E FeC-L BG 44 artgleiche Warmschweißung (von GGL bei 650 °C in PA)

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Das Graugusskaltschweißen mit einem artfremden Schweißzusatz mit Nickelbasis-Zusatzwerkstoffen. Hiermit werden nur kurze Nahtabschnitte (20 bis 30 mm-Länge) im Pilgerschritt geschweißt und anschließend gehämmert, um dadurch die bei der Abkühlung auftretenden Spannungen abzubauen. Das Schweißteil darf nur handwarm werden. Die Stabelektroden werden mit wenig Strom und einem kurzen Lichtbogen verschweißt. Hierzu können folgende Stabelektroden nach DIN 8573 angewendet werden: E Ni-G3 Reinnickel-Elektroden E NiFe C1 Nickel-Eisen-Elektrode E Ni BG 12 Ni-Kerndrahtelektrode E Ni BG 22 bei bearbeitbarer Graugussschweißung E NiFe-1 BG 22 das Schweißgut hat eine höhere Festigkeit als Reinnickelelektroden.

1.6 Sonderelektroden 1.6.1 Schneidelektroden Hoch strombelastbar, für grobes Trennen, auch zum Ausnuten verwendbar, starke Rauchentwicklung.

1.6.2 Schneidelektroden – Hohl – Spezialelektrodenhalter mit Strom und O2-Zuführung (5 bar) notwendig. Auch für grobes Trennen von Teilen die mehrschichtig aufeinander liegen. Unterwasserschneiden ist mit wasserabweisender Schutzschicht auf der Elektrodenumhüllung möglich.

1.6.3 Kohleelektroden (meist verkupfert Arc-Air-Verfahren) Spezialelektrodenhalter mit Strom und Pressluftzuführung (5 bar) notwendig. Anzuwenden bei un-, niedrig- und hochlegierten Stählen, z. B. Ausfugen für das Gegenlagenschweißen. Schweißgerät: DC +Pol an der Elektrode, pro mm Elektrodendurchmesser 50 A Leider nicht geräuscharm.

1.6.4 Vorwärmelektroden Für Anwärmarbeiten im „Schlosserischen Bereich“; ergibt kein metallisches Schweißgut; starke Rauchentwicklung.

2. Literatur /1/ DVS 0959: Merkblatt – Auswahl und Anwendung von Stabelektroden nach DIN EN 499 für das Verbindungsschweißen von unlegierten Stählen und Feinkornstählen. /2/ Schuster: Schweißen von Eisen, Stahl- und Nickelwerkstoffen. DVS-Verlag Düsseldorf, 1997

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Tabelle 2: Kennzeichen f ür die Kerbschlagarbeit des reinen Schweißgutes

Tabelle 1: Kennziff er f ür die Festigkeitseigenschaf ten Kennziffer

Mindeststreckgrenze 1) N/mm²

Zugfestigkeit N/mm²

Mindestbruchdehnung %

55

550

610 bis 780

18

62

620

690 bis 890

69

690

79 89

Kennzeichen

Temperatur für die durchschnittliche Mindestkerbschlagarbeit 47 J °C

18

Z

keine Anf orderungen

760 bis 960

17

A

+ 20

790

880 bis 1080

16

0

0

890

980 bis 1180

15

2

- 20

3

- 30

4

- 40

5

- 50

6

- 60

7

- 70

8

- 80

2)

1) Es

gilt die untere Streckgrenze (ReL ). Bei nicht eindeutig ausgeprägter Streckgrenze ist die 0,2 %-Dehngrenze (Rp0,2 ) anzuwenden. 2) Die MEsslänge ist gleich dem fünff achen Probendurchmesser.

Tabelle 3: Kurzze ichen f ür die chemische Zusammensetzung des reinen Schweißgutes Chemische Zusammensetzung Mn

Stabelektrode Stabelektrode

Kurzzeichen für den Umhüllungstyp Der Buchstabe T gibt an, dass Festigkeits-, Dehnungs- und Kerbschlageigenschaf ten f ür die Einteilung des auf getragenen Schweißgutes f ür den spannungsarm geglühten Zustand, 1 h zwischen 560 °C und 600 °C, gelten. Das Prüfstück ist zum Abkühlen auf 300 °C im Of en zu lagern.

Cr

Mo 0,3 bis 0,6

1,4 bis 2,0





Mn1Ni

1,4 bis 2,0

0,6 bis 1,2

1NiMo 1,5NiMo 2NiMo Mn1NiMo Mn2NiMo Mn2NiCrMo Mn2Ni1CrMo

1,4 1,4 1,4 1,4 bis 1,4 bis 1,4 bis 1,4 bis

0,6 1,2 1,8 0,6 1,8 1,8 1,8

      0,3 bis 0,6 0,6 bis 1,0

2,0 2,0 2,0 2,0

bis bis bis bis bis bis bis

1,2 1,8 2,6 1,2 2,6 2,6 2,6

0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3

 bis bis bis bis bis bis bis

0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6

Z Jede andere v ereinbarte Zusammensetzung Falls nicht f estgelegt: C 0,03 % bis 0,10 %, Ni < 0,3 %, Cr < 0,2 %, Mo < 0,2 %, V < 0,05 % Nb < 0,05 %, Cu < 0,3 %, P < 0,025 %, S < 0,020 %. Einzelwerte in der Tabell e sind Höchstwerte. Die Ergebnisse sind auf dieselbe Stelle zu runden wie die f estgelegten Werte unter Anwendung Anhang B, Regel A v on ISO 31-0: 1992.

2) 3)

Umhüllte Umhüllte

Ni

MnMo

1)

Kurzzeichen für das Produkt/den Schweißprozess Das Kurzzeichen f ür die umhüllte Stabelektrode zum Lichtbogenhandschweißen ist der Buchstabe E.

1) 2) 3)

% (min)

Kurzzeichen

Kurzzeichen für den Umhüllungstyp Diese Stabelektroden sind basischumhüllt. Das Kurzzeichen ist B. Für zelluloseumhüllte und andere Umhüllungsty pen siehe EN 499.

EN EN

757-E 757-E

62 62

7 7

Kennziffer für die Schweißposition Die Schweißpositionen, f ür die eine Stabelektrode nach prEN 1597-3 überprüf t wurde, werden durch eine Kennziff er wie f olgt angegeben: 1 alle Positionen: 2 alle Positionen, außer Fallposition; 3 Stumpf naht in Wannenposition, Kehlnaht in Wannen- und Horizontalposition; 4 Stumpf naht in Wannenposition, Kehlnaht in Wannenposition; 5 Fallposition und Positionen wie Kennziffer 3.

Mn1Ni Mn1Ni

B B

3 T

4

Kennziffer für Ausbringen und Stromart Die Kennziff er in Tabelle 4 erf asst das Ausbringen nach EN 22401 und die Stromart nach Tabelle 4. Tabelle 4: Kennziff er f ür Ausbringen und Stromart

H5

Tabelle 5: Kennzeichen f ür den Wasserstoffgehalt des auf getragenen Schweißgutes Kennzeichen

Wasserstoffgehalt ml/100 g aufgetragenes Schweißgut max.

H 5

5

H 10

10

Bild 1: Kennzeichnung umhüllter Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von hochfesten Stählen © 2003 Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Nachdruck und unbefugte Weitergabe sind unzulässig und werden gesetzlich verfolgt

1)

Kennziffer

Ausbringen %

1

≤ 105

Stromart

1)

Wechsel- und Gleichstrom

2

≤ 105

Gleichstrom

3

> 105 ≤ 125

Wechsel- und Gleichstrom

4

> 105 ≤ 125

Gleichstrom

5

> 125 ≤ 160

Wechsel- und Gleichstrom

6

> 125 ≤ 160

Gleichstrom

7

> 160

Wechsel- und Gleichstrom

8 > 160 Gleichstrom Um die Eignung f ür Wechselstrom nachzuweisen, sind die Prüf ungen mit einer Leerlauf spannung v on max. 65 V durchzuf ühren.

DIN EN 757 Schweißprozesse und -ausrüstung

Lichtbogenhandschweißen III

1.10-3 Seite 15

Tabelle 1: Kurzzeichen f ür die chemische Zusammensetzung des reinen Schweißgutes Chemische Zusammensetzung Legierungskurzzeichen

C

Si 0,80

0,40 bis 1,50

MoV

0,03 bis 0,12 0,80

CrMo0,5

0,05 bis 0,12 0,80

CrMo1

0,05 bis 0,12 0,80

0,40 bis 1,50

0,80

0,40 bis 1,50

0,05 bis 0,15 0,80

0,80 bis 1,50

CrMo1L CrMoV1 CrMo2 CrMo2L CrMo5

0,05

0,05 bis 0,12 0,80 0,05

0,80

0,03 bis 0,12 0,80

Mn

P

S

Cr

Mo

V

0,025

—

0,40 bis 0,70

—

0,40 bis 1,50

0,030

0,025 0,30 bis 0,60 0,80 bis 1,20 0,25 bis 0,60

—

0,40 bis 1,50

0,030

0,025 0,40 bis 0,65 0,40 bis 0,65

—

—

4)

0,030

0,025 0,90 bis 1,40 0,45 bis 0,70

—

—

4)

0,030

0,025 0,90 bis 1,40 0,45 bis 0,70

—

—

0,030

0,025 0,90 bis 1,30 0,90 bis 1,30 0,10 bis 0,35

0,030

0,025

2,0 bis 2,6 0,90 bis 1,30

—

—

0,030

0,025

2,0 bis 2,6 0,90 bis 1,30

—

—

0,025

0,03 bis 0,12 0,80

0,40 bis 1,30

0,025

0,06 bis 0,12 0,60

0,40 bis 1,50

0,025

Z 1) 2) 3) 4)

—

0,40 bis 1,30 0,40 bis 1,50

0,025

4,0 bis 6,0 0,40 bis 0,70

0,025 8,0 bis 10,0 0,90 bis 1,20

— 0,15

5)

—

0,40 bis 1,30

CrMo91

0,15 bis 0,22 0,80

Andere Elemente

0,030

4)

CrMo9

CrMoWV12

Kerbschlagarbeit (J) Schweißgut MindestKv MindestMindestWärmebehandlung Zugbei + 20 °C StreckBruchfestigkeit grenze dehnung 2) MindestVorwärmWärmenachbehandlung R Kurzzeichen R eL 1) A Mittelund m für das Prüfstück Mindestwert Einzel- ZwischenN/mm² % N/mm² aus drei lagenTemperatur 4) Zeit in wert 3) Proben temp. °C °C Minuten 5)

% (min)

0,10

Mo

Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften des reinen Schweißgutes

1) 2) 3)

— Ni 1,0

0,025 8,0 bis 10,5 0,80 bis 1,20 0,15 bis 0,30 Ni 0,40 bis 1,00 Nb 0,03 bis 0,10 N 0,02 bis 0,07 0,40 bis 1,30 0,025 0,025 10,0 bis 12,0 0,80 bis 1,20 0,20 bis 0,40 Ni 0,8 W 0,40 bis 0,60 Jede andere v ereinbarte Zusammensetzung

Umhüllte Kurzzeichen für den Umhüllungstyp Der Umhüllungstyp einer Stabelektrode bestimmt maßgeblich die Gebrauchseigenschaften der Stabelektrode und die Eigenschaften des Schweißgutes. Zwei Kurzze ichen werden zur Beschreibung des Umhüllungsty ps v erwendet: - R rutilumhüllt, - B basischumhüllt. ANMERKUNG: Anhang A enthält eine Beschreibung der Merkmale f ür jeden Umhüllungsty p

Kurzzeichen für das Produkt/den Schweißprozess Das Kurzzeichen f ür die umhüllte Stabelektrode zum Lichtbogenhandschweißen ist der Buchstabe E.

Stabelektrode

355

510

22

47

38

< 200

570 bis 620

60

MoV

355

510

18

47

38

200 bis 300

690 bis 730

60

CrMo0,5

355

510

22

47

38

100 bis 200

600 bis 650

60

CrMo1

355

510

20

47

38

150 bis 250

660 bis 700

60

CrMo1L

355

510

20

47

38

150 bis 250

660 bis 700

60

CrMoV1

435

590

15

24

19

200 bis 300

680 bis 730

60

CrMo2

400

500

18

47

38

200 bis 300

690 bis 750

60

CrMo2L

400

500

18

47

38

200 bis 300

690 bis 750

60

CrMo5

400

590

17

47

38

200 bis 300

730 bis 760

60

CrMo9

435

590

18

34

27

200 bis 300

740 bis 780

120

CrMo91

415

585

17

47

38

200 bis 300

750 bis 770

120 bis 180

250 bis 350 CrMoWV12 550 690 15 34 27 740 bis 780 120 oder 400 bis 500 6) 1) Es gilt die untere Streckgrenze (ReL ). Bei nicht eindeutig ausgeprägter Streckgrezne ist die 0,2 %-Dehngrenze (R p0,2 ) anzuwenden. 2) Die Messlänge entspricht dem Fünffachen des Probendurchmessers. 3) Nur ein Einzelwert niedriger als der Mindest-Mittelwert ist erlaubt. 4) Das Prüfstück ist im Of en bis auf 300 °C abzukühlen, wobei 200 °C/h nicht überschritten werden dürf en. 5) Grenzabweichun g ± 10 Minuten. 6) Unmittelbar nach dem Schweißen ist die Probe auf 120 °C bis 100 °C abzukühlen und in diesem Temperaturbereich mindestens 1 Stunde lang zu halten.

Falls nicht f estgelegt: Ni < 0,3 %, Cu < 0,3 %,. V < 0,03 %, Nb < 0,01 %, Cr > 0,2 % Einzelwerte in der Tabell e sind Höchstwerte Die Ergebnisse sind auf dieselbe Stelle zu runden wie die f estgelegten Werte unter Anwendung v on Regel A nach Anhang B ISO 31-0; 1992. Für rutilumhüllte Stabelektroden sind Mn-Anteile v on 0,4 % bis 0,9 %, f ür basischumhüllte Stabelektroden sind Mn-Anteile v on 0,7 % bis 1,5 % üblich.

Kurzzeichen für die chemische Zusammensetzung des reinen Schweißgutes Das Kurzzeichen in Tabelle 1 erf asst die chemische Zusammensetzung des reinen Schweißgutes. Das reine Schweißgut der umhüllten Stabelektroden in Tabelle 1 muss die mechanischen Eigenschaften nach Tabelle 2 erf üllen.

Mo

Tabelle 3: Kennziff er f ür Ausbringen und Stromart

EN

1599 - E

Kennziffer für die Schweißposition Die Schweißpositionen, f ür die eine Stabelektrode nach EN 1597-3 überprüf t wurde, werden durch eine Kennziffer wie f olgt angegeben: 1 alle Positionen: 2 alle Positionen, außer Fallposition; 3 Stumpf naht in Wannenposition, Kehlnaht in Wannen- und Horizontalposition; 4 Stumpf naht in Wannenposition, Kehlnaht in Wannenposition; 5 Fallposition und Positionen wie Kennziffer 3.

CrMo1

B

4

4

Kennziffer 1

H5

1)

Tabelle 4: Kennzeichen f ür den Wasserstoffgehalt des auf getragenen Schweißgutes Kennzeichen

Ausbringen % ≤ 105

Stromart

1)

Wechsel- und Gleichstrom

2

≤ 105

Gleichstrom

3

> 105 ≤ 125

Wechsel- und Gleichstrom

4

> 105 ≤ 125

Gleichstrom

Um die Eignung f ür Wechselstrom nachzuweisen, sind die Prüf ungen mit einer Leerlauf spannung v on max. 65 V durchzuf ühren.

Wasserstoffgehalt ml/100 g aufgetragenes Schweißgut max.

H 5

5

H 10

10

Bild 2: Kennzeichnung umhüllter Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von warmfesten Stählen nach DIN EN 1559 © 2003 Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Nachdruck und unbefugte Weitergabe sind unzulässig und werden gesetzlich verfolgt

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Lichtbogenhandschweißen III

1.10-3 Seite 16

Tabelle 1: Kurzzeichen f ür die chemische Zusammensetzung des reinen Schweißgutes Chemische Zusammensetzung % (m/m)

Legierungskurzzeichen

C

Si

Mn

P

4)

S

4)

Cr

Ni

Tabelle 1

1) 2) 3)

5)

Mo

5)

Andere Elemente

Martensitisch/ f erritisch 13

0,12

1,0

1,5

0,030

0,025

11,0 bis 14,0

-

-

-

13 4

0,06

1,0

1,5

0,030

0,025

11,0 bis 14,5

3,0 bis 5,0

0,4 bis 1,0

-

17

0,12

1,0

1,5

0,030

0,025

16,0 bis 18,0

-

-

-

Austenitisch 19 9 19 9 L

0,08 0,04

1,2 1,2

2,0 2,0

0,030 0,030

0,025 0,025

18,0 bis 21,0 18,0 bis 21,0

9,0 bis 11,0 9,0 bis 11,0

-

-

19 9 Nb

0,08

1,2

2,0

0,030

0,025

18,0 bis 21,0

9,0 bis 11,0

-

Nb

19 12 2

0,08

1,2

2,0

0,030

0,025

17,0 bis 20,0

10,0 bis 13,0

2,0 bis 3,0

-

19 12 3 L

0,04

1,2

2,0

0,030

0,025

17,0 bis 20,0

10,0 bis 13,0

2,5 bis 3,0

Nb

19 12 3 Nb

0,08

1,2

1,0 bis 5,0 0,030

0,025

17,0 bis 20,0

12,0 bis 15,0

3,0 bis 4,5

5)

Spezialsorten 18 8 Mn 7) 19 9 MnMo

6)

N 0,20

0,04

1,2

2,5

0,030

0,025

21,0 bis 24,0

7,5 bis 10,5

2,5 bis 4,0

N 0,08 bis 0,20

25 7 2 N L 25 9 3 Cu N L

0,04 0,04

1,2 1,2

2,0 2,5

0,035 0,030

0,025 0,025

24,0 bis 28,0 24,0 bis 27,0

6,0 bis 8,0 7,5 bis 10,5

1,0 bis 3,0 2,5 bis 4,0

N 0,20 N 0,10 bis 0,25; Cu 1,5 bis 3,5

25 9 4 N L

8)

8)

0,04

1,2

2,5

0,030

0,025

24,0 bis 27,0

8,0 bis 10,5

2,5 bis 4,5

Voll austenitisch. Hohe Korrosionsbeständigkeit 18 15 3 L 7)

0,04

1,2

1,0 bis 4,0 0,030

0,025

16,5 bis 19,5

14,0 bis 17,0

2,5 bis 3,4

-

18 16 5 N: 4)

0,04

1,2

1,0 bis 4,0 0,035

0,025

17,0 bis 20,0

15,5 bis 19,0

3,5 bis 5,0

N 0,20

7)

0,04

1,2

1,0 bis 4,0 0,030

0,025

19,0 bis 22,0

24,0 bis 27,0

4,0 bis 7,0

Cu 1,0 bis 2,0; N 0,25

20 16 3 Mn N L 7)

0,04

1,2

5,0 bis 8,0 0,035

0,025

18,0 bis 21,0

15,0 bis 18,0

2,5 bis 3,5

N 0,20

25 22 2 N L 7)

0,04

1,2

1,0 bis 5,0 0,030

0,025

24,0 bis 27,0

20,0 bis 23,0

2,0 bis 3,0

N 0,20

27 31 4 Cu L 7)

0,04

1,2

0,025

26,0 bis 29,0

30,0 bis 33,0

3,0 bis 4,5

Cu 0,6 bis 1,5

20 25 5 Cu N L

2,5

0,030

Umhüllte

Stabelektrode

EN

Kurzzeichen für das Produkt/Schweißprozess Das Kurzzeichen f ür die umhüllte Stabelektrode zum Lichtbogenhandschweißen ist der Buchstabe E. Kurzzeichen für den Umhüllungstyp Zwei Kurzzeichen werden zur Beschreibung des Umhüllungstyps verwendet: - R rutilumhüllt, - B basischumhüllt.

1600 - E

P

4)

S

4)

Cr

Ni

5)

Mo

5)

Andere Elemente

C

Si

0,20

1,2

4,5 bis 7,5 0,035 0,025

17,0 bis 20,0

7,0 bis 10,0

-

-

3,0 bis 5,0 0,035 0,025

0,04 bis 0,14

1,2

18,0 bis 21,5

9,0 bis 11,0

0,5 bis 1,5

-

0,10

1,2

2,5

0,030 0,025

18,0 bis 21,0

9,0 bis 12,0

1,5 bis 3,5

-

23 12 L

0,04

1,2

2,5

0,030 0,025

22,0 bis 25,0

11,0 bis 14,0

-

-

23 12 Nb

0,10

1,2

2,5

0,030 0,025

22,0 bis 25,0

11,0 bis 14,0

-

Nb

23 12 2 L

0,04

1,2

2,5

0,030 0,025

22,0 bis 25,0

11,0 bis 14,0

2,0 bis 3,0

-

29 9

0,15

1,2

2,5

0,035 0,025

27,0 bis 31,0

8,0 bis 12,0

-

-

0,08

1,0

2,5

0,030 0,025

14,5 bis 16,5

7,5 bis 9,5

1,5 bis 2,5

-

0,04 bis 0,08

1,2

2,5

0,030 0,025

18,0 bis 21,0

9,0 bis 11,0

-

-

25 4

0,15

1,2

2,5

0,030 0,025

24,0 bis 27,0

4,0 bis 6,0

-

-

22 12

0,15

1,2

2,5

0,030 0,025

20,0 bis 23,0

10,0 bis 23,0

-

-

0,06 bis 0,20

1,2

2,5

0,030 0,025 23,0 bisb 27,0 18,0 bis 22,0

-

-

0,35 bis 0,45

1,2

0,25

1,2

25 20

7)

25 20 H 18 36

N 0,20 bis 0,30; Cu 1,5; W 1,0

Mn

1) 2) 3)

20 10 3

Hitzebeständige Sorten 16 8 2 19 9 H

6)

Austenit. ferrit. Hohe Korrosionsbeständigkeit 22 9 3 N L 8)

Chemische Zusammensetzung % (m/m)

Legierungskurzzeichen

7)

7)

1,0 bis 5,0 0,030 0,025 2,5

0,030 0,025

23,0 bis 27,0

18,0 bis 22,0

-

-

14,0 bis 18,0

33,0 bis 37,0

-

-

5)

6)

1)

Einzelwerte in der T abelle si nd H öchstwert e. Nicht in der T abell e aufgef ührt e umhüllte St abelektr oden si nd ähnlich z u k ennz eichnen, wobei der Buc hstabe „Z“ voranz ust ellen ist. 3) Die Ergebniss e sind auf dies elbe St elle z u runden wie di e f estgelegte n W erte unt er A nwendung v on Reg el A nac h Anhang B von ISO 31-0; 1992 4) Die Summe von P und S darf 0, 050 % nicht überst eigen; dies gilt nicht für 25 7 2 N L, 20 16 3 Mn N L, 18 8 Mn, 18 9 MnMo und 2 9 9. 5) Falls nicht fes tg elegt: Mo < 0, 75 % , Cu > 0,75 % und Ni > 0,60 %. 6) Nb min. 8 x % C, max. 1,1 %; bis 20 % des Anteils an Nb können durch Ta ersetz t werden. 7) Das reine Schw eißgut ist weit gehend vollaustenitisc h u nd kann des hal b anfälli g sei n f ür Mikrorisse und Erstarrungsrisse. Das A uftr eten v on Rissen wird dadurch reduzi ert, dass der Mangananteil im reinen Schweißg ut erhöht wird. Deshalb ist der Manganant eil für eini ge Le gierungs typen höher. 8) Unter di esem Kurzzeichen aufg eführte Stabel ektroden werden gewöhnlic h für bestimmte Eigensc haf ten ausgewählt und si nd nicht direk t austauschbar. 2)

Kennziffer für Ausbringen und Stromart

19

12

2

R

3

Kennziffer 1

4

Kennziffer für die Schweißposition Die Schweißpositionen, f ür die eine Stabelektrode nach EN 1597-3 überprüf t wurde, werden durch eine Kennzif f er wie f olgt angegeben: 1 alle Positionen; 2 alle Positionen, außer Fallposition; 3 Stumpf naht in Wannenposition, Kehlnaht in Wannen- und Horizontalposition; 4 Stumpf naht in Wannenposition, Kehlnaht in Wannenposition; 5 Fallposition und Positionen wie Kennziff er 3.

1)

Ausbringen % ≤ 105

Stromart

1)

Wechsel- und Gleichstrom

2

≤ 105

Gleichstrom

3

> 105 bis ≤ 125

Wechsel- und Gleichstrom

4

> 105 bis ≤ 125

Gleichstrom

5

> 125 bis ≤ 160

Wechsel- und Gleichstrom

6

> 125 bis ≤ 160

Gleichstrom

7

> 160

Wechsel- und Gleichstrom

8

> 160

Gleichstrom

Um die Eignung f ür Wechselstrom nachzuweisen, sind die Prüf ungen mit einer Leerlauf spannung v on max. 65 V durchzuf ühren.

Bild 3: Kennzeichnung umhüllter Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von legierten Stählen nach DIN EN 1600 © 2003 Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Nachdruck und unbefugte Weitergabe sind unzulässig und werden gesetzlich verfolgt

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1.10-4

Lichtbogenhandschweißen IV

Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Technologische Parameter 2. Fallnahtschweißen 3. Wirtschaftlichkeit 4. Literatur

1 1 10 16 20

1. Technologische Parameter 1.1 Lichtbogenlänge in [mm] Als Faustregel gilt: für Rutil-Stabelektroden: Lichtbogenlänge in [mm] ≅ Durchmesser des Kerndrahtes in [mm] für basische Stabelektroden: Lichtbogenlänge ≅ 0,5 x Durchmesser des Kerndrahtes 1.2 Schweißstrom in [A] Als Richtwert gilt:

20 bis 60 x d

Is in [A] ≅ 40 x Kerndrahtdurchmesser in [mm] Kerndrahtdurchmesser [mm] Stromstärke in Amp.

I

Faustregel für Amp. Stromstärke

min

2

2,5

3,2

4

5

6

40 – 80

50 – 100

90 – 150

120 – 200

180 – 270

220 - 360

20 bis 40 x d

30 bis 50 x d

35 bis 60 x d

max.

1.2.1 Schweißstrom nach der Dicke und dem Typ der Elektrodenumhüllung Dabei ist eine Verminderung oder Erhöhung des Schweißstromes nach folgenden technologischen Bedingungen erforderlich: Dicke und Typ der Elektrodenumhüllung • • •

blanke/dünn umhüllte Stabelektrode = weniger Strom mittel dick umhüllte Stabelektrode = normaler Strom sehr dick umhüllte Stabelektrode = erhöhter Strom

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Lichtbogenhandschweißen IV

1.10-4 Seite 2

1.2.2 Schweißstrom nach der Blechdicke/Rohrwanddicke t in [mm] • • •

geringe Dicke t ≥ 3 mm mittlere Dicke t ~ 8 ... 10 mm größere Dicke t ≥ 10 mm

) = weniger Strom ) = normaler Strom ) = erhöhter Strom

1.2.3 Schweißstrom nach der Nahtausführung und dem Nahtaufbau 1. Wurzellage 2. Fülllagen (Hotpass) 3. Decklagen

weniger Strom mehr Strom

(teilweise - Pol) (teilweise + Pol)

normaler Strom

Wärmeableitung durch das Schweißteil 1. dünne Bleche 2. Stumpfnähte 3. Kehlnähte

) = weniger Strom ) = normaler Strom ) = mehr Strom

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1.10-4

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1.2.4 Schweißstrom nach der Schweißposition

PA (Wannenposition)

) = erhöhter Strom

PB (Horizontalposition)

) = normaler Strom

PC (Querposition)

) = weniger Strom

PD (Halb-Überkopfposition)

) = weniger Strom

PE (Überkopfposition)

) = sehr wenig Strom

PF (Vertikale Position) steigend

) = etwas weniger Strom

PG (Vertikale Position) fallend

) = normaler Strom

mehr Strom PA; PB

weniger Strom PC; PD; PE; PF

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1.3 Arbeitstechniken und Elektrodenführung beim Lichtbogenhandschweißen Bewegungsrichtungen: • Zuglage • Pendellage • Tupfen

1. fortschreitende Bewegung 2. Pendelbewegung 3. nachführende Bewegung

Bild 1: Elektrodenführung

Die Elektrodenführung wird beeinflusst von: der Nahtart und Schweißlage, der Schweißposition, der auftretenden Blaswirkung, der Wärmewirkung des Schweißlichtbogens, dem Kerndrahtdurchmesser, dem Umhüllungstyp und der Umhüllungsdicke der Stabelektroden.

1.3.1 Nahtaufbau und Elektrodenführung Nahtaufbau und Elektrodenführung richten sich nach der Nahtform, der Schweißposition, der Elektrodenart und der Nahtdicke

Wird die Elektrode zügig, ohne größere Pendelbewegungen geführt, so spricht man von Strichraupen. Wird die Elektrode pendelnd geführt, so spricht man von Pendelraupen

Die im folgenden empfohlene Arbeitsweise ist ein erster Anhalt. Sie gilt für umhüllte Elektroden. Bei Strichraupen kann die Elektrode je nach Erfordernis mit kleinen seitlichen oder kreisenden Bewegungen geführt werden, die nicht größer als etwa der halbe Elektrodendurchmesser sind.

Kehlnähte in Wannenlage

Pendelraupen

Strichraupen

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Kehlnähte in horizontaler Lage

Strichraupen

Kehl- und V-Nähte in Steigposition (PF)

max. 2 x Elektroden-Ø

geschlossene offene Dreieckführung Wurzel

Pendelraupe Decklage

Kehlnähte in Überkopfposition (PF)

Strichraupen mit kleiner kreisender Bewegung

V-Nähte Querposition (PC)

Strichraupen

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1.3.2 Arbeitstechnik beim Lichtbogenhandschweißen

Pendelformen beim Lichtbogenhandschweißen

aus Killing: Handbuch der Schweißverfahren

1.3.3 Beispiel: Kehlnaht in PB-Position

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Elektrodenhaltung

Neigungswinkel der Elektrode

1.4 Blaswirkung Der Lichtbogen ist, wie jeder Stromleiter, von einem Magnetfeld umgeben. Wird das gleichmäßige Ausbreiten des Magnetfeldes behindert, so ergibt sich eine Ablenkung des Lichtbogens: die Blaswirkung. Häufige Gründe für Blaswirkung insbesondere bei Gleichstrom sind: • • •

Schweißen am Werkstückrand Schweißen neben großen Werkstückmassen Schweißen in der Nähe eines Werkstückanschlusses

Schweißen am Werkstückrand

Schweißen neben großen Werkstückmassen

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Schweißen in der Nähe des Werkstückanschlusses

Maßnahmen gegen die Blaswirkung sind: – –

– – –

Lichtbogenlänge klein und konstant halten Neigungswinkel der Stabelektrode verändern Werkstückanschluss beidseitig anbringen oder Werkstückanschluss verschieben zahlreiche Heftstellen schweißen richtige Schweißfolge wählen Wechselstrom anstelle von Gleichstrom anwenden

1.5 Empfehlungen zur Lagerung und Rücktrocknung von Stabelektroden /1/ Die Umhüllung von Stabelektroden ist – je nach dem Umhüllungstyp – mehr oder weniger hygroskopisch und enthält Wasser. Im Bild 2 sind die Quellen für Wasserstoff, der beim Schweißen ins Schweißgut gelangen kann, dargestellt. Auch während der Lagerung (je nach Verpackung) und während der Verarbeitungszeit kann die Umhüllung Wasser aus der Luft aufnehmen.

Bild 2: Quellen für Wasserstoff im Schweißgut

Stabelektroden sollten grundsätzlich nur im trockenen Zustand verschweißt werden. Geändertes Schweißverhalten sowie verstärktes Spritzen und Porenbildung sind Merkmale feuchter Umhüllung.

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Es wird daher heute eine besondere Verpackungstechnik (Kunststoffe, Blechbüchsen, Vakuum usw.) angewendet. Unter sachgemäßer Lagerung versteht man Räume mit weniger als 60 % relativer Luftfeuchtigkeit und einer Temperatur von ≥ 18 °C. Für das Nachtrocknen der Stabelektroden gelten folgende Anhaltswerte: •

Niedriglegierte, basische Stabelektroden

250 – 350 °C/ca. 2,5 Std.

•

Mittellegierte basische Stabelektroden für Feinkornbaustähle und warmfeste Stähle

300 – 350 °C/ca. 2,5 Std.

Hochlegierte Stabelektroden, basisch und rutilumhüllt (Zwischenlagerung bei ca. 150 °C)

300 ± 25 °C/ ca. 2,5 Std.

Gusselektroden

150 – 180 °C/ca. 1 Std.

• •

Temperatur in [°C]

Oxydation der Ferrolegierungen 400

300

Normalbereich m a x. 10 S t d.

200 auf ca. 200 °C abkühlen 100 zu

1

warmhalten im Köcher

ge ri ng

2

3

4

5 Trockenzeit in [h]

Bild 3: Empfehlungen zur Rücktrocknung von Stabelektroden

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1.5.1 Bedingungen zur Feuchtigkeitsaufnahme von Stabelektroden und Schweißpulvern

10

3,2

Feuchtigkeitsgehalt der Umhüllung [%]

Magnesit I 2,8

Feuchtigkeitsaufnahme [%]

2,4 2,0 Magnesit II 1,6 1,2 Flussspat 0,8 Marmormehl 0,4

4

8 12 16 Lagerdauer [Tage]

relative Luftfeuchtigkeit

8

95%

7 6 5 4 3 75%

2 1 0

Rutil 0,0 0

9

60% 0 5 10 15 20 25 30 Lagerungsdauer an feuchter Luft [Tage]

20

Bild 4: Feuchtigkeitsaufnahme verschiedener Mineralien bei Befeuchtung bei + 20 °C und 95 % RF (nach Wimmer). Gewisse Umhüllungs(Pulver)bestandteile sind besonders hygroskopisch.

(nach Böhler AG)

Bild 5: Feuchtigkeitsaufnahme basischer Stabelektroden bei Raumtemperatur unter verschiedener Luftfeuchtigkeit

Hohe Luftfeuchtigkeit führt zu großer Feuchtigkeitsaufnahme.

2. Fallnahtschweißen Das Lichtbogenhandschweißen mit umhüllten Stabelektroden in der Fallnahttechnik ist im erdverlegten Rohrleitungsbau zu der wirtschaftlichsten Handschweißmethode geworden 1 (siehe auch Bild 3 in 1.10-1) (Vorschriften siehe /2/, /3/, /4/). Haupteinflussfaktoren sind: • •

der Rohrgrundwerkstoff und die Rohrabmessungen, die verwendeten umhüllten Stabelektroden, die Schweißstromquellen und die Vorrichtungen,

•

die personellen Voraussetzungen: ausgebildete und geübte Schweißer und eine erfahrende Schweißaufsichtsperson,

•

die schweißtechnologischen Kenntnisse und Erfahrungen mit der Arbeitsvorbereitung, dem Schweißprozess, der Nahtnachbearbeitung und der Prüftechnik sowie

•

die Geländeverhältnisse und die Witterungsbedingungen.

1

Auf das vollmechanische MAG-Schweißen im Rohrleitungsbau wird an dieser Stelle nicht eingegangen.

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Bild 6: Baustelle - Verlegung einer Erdgastrasse in Deutschland

2.1 Umhüllte Stabelektroden Im erdverlegten Rohrleitungsbau werden in Deutschland ca. 85 % zelluloseumhüllte Fallnahtelektroden angewendet. Aber auch basischumhüllte Fallnahtelektroden kommen heute, meist für höherfeste Rohrstähle, zum Einsatz. In diesem Abschnitt wird die Fallnahtschweißung mit zelluloseumhüllten Stabelektroden behandelt. Die zelluloseumhüllten Stabelektroden (Eigenschaften siehe auch Abschnitt 3/1.10-3, S. 4, Pkt. 1.1.4) erzeugen durch die organischen Bestandteile in der Umhüllung in Verbindung mit einer definierten Feuchtigkeit (sie dürfen nicht vorgetrocknet werden) einen scharfen, stechenden Lichtbogen, der das Schweißen in fallender Position ermöglicht. Die Schutzgasatmosphäre besteht aus Kohlendioxyd und Wasserstoff. Der vorhandene Wasserstoff begünstigt zwar die Fallnahtschweißung, führt aber zu erhöhten Wasserstoffgehalten im Schweißgut. Zur schnelleren Wasserstoffabgabe nach dem Schweißen ist es notwendig, die Rohre auf 100 bis 150 °C vor dem Schweißen anzuwärmen. Die zelluloseumhüllten Stabelektroden sind dünn- bis mitteldickumhüllt. Hauptsächlich werden folgende Elektrodentypen angewendet: /5/ für Wurzellagen:

DIN EN 499

E 42 2 C 25

(z. B. Thyssen Cel 70)

für Wurzellagen und Hotpass, Füll- und Decklagen: für Füll-und Decklagen:

E 46 3 C 25 (z. B. Thyssen Cel 80)

E 50 3 1 Ni C 25 (z. B. Thyssen Cel 90)

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2.2 Schweißstromquellen Auch die Auswahl einer geeigneten „fallnahtsicheren“ Schweißstromquelle ist von großer Bedeutung. Zelluloseumhüllte Stabelektroden stellen einige besondere Forderungen an die Schweißstromquellen. Diese sind: • •

eine steil-fallende Belastungskennlinie mit einer möglichst hohen Leerlaufspannung (< 75 V bis 90 V), reiner Gleichstrom, mit geringem Oberwellenanteil,

•

eine einstellbare Stromerhöhung in Kurzschlussnähe (siehe Bild 7),

•

eine Ferneinstellung, damit eine Schweißstromeinstellung in Abhängigkeit von der Schweißposition möglich wird und eine Polumschaltung: -Pol für die Wurzelschweißung +Pol für Hotpass, Füll- und Decklagen.

•

Diese Bedingungen werden oft sehr gut von fahrbaren Schweißaggregaten (Diesel-/Benzinmotor plus Gleichstromgenerator) erfüllt. Es sind auch „fallnahtsichere“ Schweißinverter im Stromquellenprogramm vorhanden.

90 V Schweißspannung

80 V 70 V 60 V 50 V 40 V 30 V 20 V

Stromüberhöhung 0%

10 V

Stromüberhöhung 50% Stromüberhöhung 100%

V A

50 A

100 A 150 A Schweißstrom

200 A

250 A

Bild 7: Belastungskennlinie einer Schweißstromquelle mit Kurzschlussstromerhöhung zum Fallnahtschweißen

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2.3 Arbeitstechniken beim Fallnahtschweißen mit zelluloseumhüllten Stabelektroden Das Fallnahtschweißen mit zelluloseumhüllten Stabelektroden erfordert einige Besonderheiten in der Arbeitstechnik. Nachfolgend wird auf folgende Forderungen eingegangen:

2.3.1 Nahtvorbereitung 2.3.2 Arbeitstechniken, Elektrodenhaltung 2.3.3 Schweißen der Wurzellage (Rootpass) 2.3.4 Schweißen der Fülllagen und der Decklage

2.3.1 Nahtvorbereitung Für Rohre mit Wanddicken bis ca. 20 mm wird eine V-Naht mit Steg und einem Öffnungswinkel von 60 ° gemäß Bild 8 werksseitig angebracht. (Bei Rohren bis 80 mm Nenndurchmesser genügt auch oft ein Flankenwinkel kleiner als 60 °.) Die Toleranzen für die Nahtvorbereitung müssen unbedingt eingehalten werden und die so vorbereitete Schweißnaht darf nicht während des Transports oder auf der Baustelle wieder beschädigt werden. Das Schweißen erfolgt ohne Heften mit Innen- oder Außenzentriervorrichtungen.

Bild 8: V-Nahtvorbereitung zum Fallnaht- Bild 9: Innenzentrier-Vorrichtung für die Fallnahtschweißung von erdRohrschweißen verlegten Großrohren

2.3.2 Arbeitstechniken, Elektrodenhaltung /6/ Die Fallnahtschweißung beginnt in der 12.00-Position – fallend nach beiden Seiten. Die zelluloseumhüllten Stabelektroden werden fast senkrecht (etwa 10 ° geneigt), wie im Bild 10 dargestellt, verschweißt. Durch diese Elektrodenhaltung bildet sich eine runde Schweißöse und der Lichtbogen brennt bei der Wurzelschweißung mehr an der Rohrinnenseite.

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Bild 10: Neigungswinkel in Abhängigkeit von der Schweißposition

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Bild 11: Fallnahtschweißen mit zelluloseumhüllten Stabelektroden

Bild 12: Lagenaufbau 1 Wurzellage 2 Hotpass (2. Lage oder Heißlage) 3 – 8 Fülllagen/Mittellagen 9 Decklage

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Tabelle 1: Technologische Parameter zum Fallnahtschweißen, bezogen auf den Lagenaufbau nach Bild 12 Wurzellage Wanddicken El.- Ø Is Stromart, [mm] [mm] Polung [A]

Hotpass El.- Ø

Is

[mm]

[A]

Fülllagen

Stromart, Polung

El.- Ø

Is

[mm]

[A]

Decklage

Stromart, Polung

El.- Ø

Is

[mm]

[A]

Stromart, Polung

3–4

2,5

50– 80

=/-

3,25

120– 140

=/+

3,25

100120

=/+

3,25

80100

=/+

4–6

3,25

80110

=/-

4,0

180190

=/+

5,0

160180

=/+

5,0

140160

=/+

6 – 10

4,0

120140

=/-

4,0

170190

=/+

5,0

180200

=/+

5,0

160180

=/+

10 – 15

4,0

140160

=/-

4,0

170190

=/+

5,0

180220

=/+

5,0

170200

=/+

15

4,0

140160

=/-

5,0

190210

=/+

5,5

220250

=/+

5,0

170200

=/+

2.3.3 Schweißen der Wurzellage (Rootpass) Die Elektrode wird am –Pol ohne zu pendeln nur so schnell gezogen, dass sich oberhalb der Schweißöse das Schweißgut zu einer geschlossenen Schweißraupe ausbilden kann. Der Lichtbogen „bläst“ durch den Spalt und schmilzt dabei einen Teil der Wurzelkante mit auf. Beide Kanten müssen von der Wurzellage erfasst sein. Die Wurzellagen (links und rechts) und die 1. Fülllage (Hotpass) werden in einer „Wärme“ geschweißt, d. h. unmittelbar nacheinander. Nach der Wurzelschweißung müssen die seitlichen Schlacken ausgeschliffen und die Überhöhung in der Nahtmitte flachgeschliffen werden.

2.3.4 Schweißen der Fülllagen und der Decklage Die 1. Fülllage, der Hotpass, wird mit der max. Stromstärke, die vom Hersteller für diesen Elektrodendurchmesser angegeben ist, am +Pol verschweißt. Durch eine spezielle Elektrodenführung muss die Wurzel wieder teilweise aufgeschmolzen und Schlackenreste ausgespült werden. Für die weiteren Fülllagen wird die Stromstärke wieder etwas verringert, mit leicht kreisenden Bewegungen über die ganze Nahtbreite geschweißt. Die Pendelbreite darf den Wert 3-mal Elektrodenkerndrahtdurchmesser nicht überschreiten. Die Decklage wird ebenfalls am +Pol geschweißt, aber die Stromstärke um 20 bis 30 A reduziert (siehe auch Tabelle 1). Die Nahtflanken werden bis zu 2 mm überschweißt. Die Nahtüberhöhung beträgt 1 bis 2 mm.

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2.4 Zusammenfassung Fallnahtschweißen im Rohrleitungsbau: Es sind spezielle Zellulose-Fallnahtelektroden, „fallnahtsichere“ Schweißstromquellen und Schweißvorrichtungen erforderlich. Das Fallnahtschweißen muss erlernt werden. Bei richtiger Arbeitstechnik werden röntgensichere Nähte, bei guten bis sehr guten Gütewerten des Schweißgutes, einer großen Schweißgeschwindigkeit und einer hohen Abschmelzleistung erreicht. Die Streckenenergie ist wesentlich geringer als bei der Steignahtschweißung. Die Schweißnähte haben ein etwas grobschuppiges Nahtaussehen.

3. Wirtschaftlichkeit Das Schweißen mit umhüllten Stabelektroden wird heute hauptsächlich dort angewendet, wo „Hochleistungsschweißverfahren“ nicht oder nicht wirtschaftlich eingesetzt werden können. Dies ist besonders beim Schweißen auf einer Baustelle im Freien der Fall. Oft sind die einfache Gerätetechnik oder die guten mechanischen Gütewerte des Schweißgutes ein Vorteil. Bild 13 zeigt einen Vergleich der Abschmelzleistungen. Bei vergleichbaren Bedingungen zwischen dem MAG-Schweißen und dem Schweißen mit umhüllten Stabelektroden fällt ein reiner Vergleich der Abschmelzleistungen zum Vorteil für die MAG-Schweißung aus. Dennoch gibt es viele Bereiche in der Schweißtechnik, die den umhüllten Stabelektroden gehören, z. B. Reparaturen, Montageschweißungen, Schweißen im Freien, Fallnahtschweißung im Rohrleitungsbau und auch bei vielen Aufgaben im Behälter- und Anlagenbau wie die Beispiele zeigen.

Bild 13: Bereiche der Abschmelzleistungen von verschiedenen Schmelzschweißverfahren (nach Aichele).

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3.1 Ausbringen von Stabelektroden

Ausbringung in % =

Gewicht des Schweißgut es • 100 Gewicht des abgeschmol zenen Kernstabes

Durch zusätzliches Eisenpulver in der Umhüllung kann die Ausbringung über 100 % gesteigert werden. Beispiel: Ausbringung 175 % Ø 4 mm ⋅ 450 mm

Ausbringung 100 % Ø 4 mm ⋅ 450 mm

Gewicht des Kernstabs etwa 40 g Umhüllung ohne Eisenpulver

Gewicht des Schweißgutes gleich Gewicht des abgeschmolzenen Kernstabes.

Gewicht des Kernstabs etwa 40 g Umhüllung enthält Eisenpulver (z.B. 30 g)

Gewicht des Schweißgutes ist um 75 % größer als das Gewicht des abgeschmolzenen Kernstabes (Kernstab + Eisenpulver).

Die Ausbringung einer Stabelektrode wird in einer besonderen Kennziffer angegeben (neue Norm). Nach alter Norm werden Stabelektroden mit einer Ausbringung über 160 % „Hochleistungselektroden“ genannt und in die Klassen 11 und 12 eingeteilt. Hochleistungselektroden können nur in Wannenlage oder in Horizontalposition bei Kehlnähten verschweißt werden.

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3.2 Abschmelzleistung verschiedener Verfahren; Schweißen einer Kehlnaht mit a = 4 mm Abschmelzleistung *) kg/h bei 100 % ED

normale ED %

Abschmelzleistung kg/h bei normaler ED

UP-Schweißen 4 mm-Drahtelektrode 600 A

7,5

80

6,0

Teilmechanisches CO2-Schweißen 1,6 mm-Drahtelektrode 380 A

5,5

60

3,3

Hochleistungselektrode Kernstabdurchmesser 5 mm, 180 % Ausbringen, 330 A

4,9

50

2,45

Schwerkraftschweißen mit zwei Stativen Hochleistungselektrode 5 mm Durchmesser 180 % Ausbringen, 280 A

1,6

2 x 80

6,4

Schwerkraftschweißen mit zwei Stativen Normalelektrode 5 mm Durchmesser 100 % Ausbringen, 230 A

1,6

2 x 80

2,55

Verfahren

*)

ED Einschaltdauer (Lichtbogenbrennzeit) (aus Killing: Handbuch der Schweißverfahren)

Bild 14: Prinzip der Hochleistungselektroden

Eisen- oder Metallpulver in Elektrodenumhüllungen erhöht das metallische Ausbringen und die Abschmelzleistung.

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3.3 Abschmelzleistung von Stabelektroden (Mittelwerte)

Strom [in A]

Abschmelzmenge [in kg/h]

bis 150 bis 200 bis 250 bis 300 bis 350

0,2 – 1,3 1,0 – 3,0 1,5 – 3,5 1,8 – 4,5 ) 2,2 – 5,0 *

*) für dickumhüllte Hochleistungselektroden 150 – 220 % Ausbringung

c) b) a)

Hochleistungselektroden basisch umhüllte Elektroden. Ausbringen ≤ 120 % A- und R-umhüllte Elektroden. Ausbringen ≤ 105 %

Bild 15: Abschmelzleistung von Stabelektroden

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3.4 Wahl einer günstigen Schweißposition Alle Schmelzschweißverfahren erzielen in der Wannenposition (PA) die höchsten Abschmelzleistungen in Verbindung mit einer guten Nahtausbildung und einem tiefen Einbrand. Tabelle 2 zeigt nach Malisius den Einfluss der Schweißposition auf die Fertigungszeit. Das Bild 16 zeigt den Vergleich ungefährer Ausführungszeiten beim Stabelektrodenschweißen bezogen auf die Wannenposition (PA) bei gleichem Einschweißquerschnitt (nach Aichele). Bild 13 zeigt Bereiche der Abschmelzleistungen von verschiedenen Schmelzschweißverfahren (s. Aichele: „Kosten senken in der Schweißtechnik“, Der Praktiker Heft 7 (2000)). Tabelle 2: Einfluss der Schweißposition auf die Fertigungszeit Schweißposition

Anzahl der Raupen

Stabelektrodendurchmesser mm

reine Schweißzeit

Fertigungszeit

Vergleich

min/m

min/m

%

Kehlnähte, a-Maß 6 mm horizontal h (PB) 2 5 8,5 Wannenlage w (PA) 1 5 8,1 senkrecht steigend s (PF) 2 4 12,4 senkrecht fallend f (PG) 3 4 12,6 überkopf ü (PE) 5 4 13,0 Stumpfnähte, 8 mm V-Fugenvorbereitung ohne Gegenschweißen der Wurzel waagerecht w (PA) 2 4 13,7 quer an senkrechter Wand q (PC) 5 3,25/4 16,2 senkrecht steigend s (PF) 2 3,25/4 16,3 senkrecht fallend f (PG) 4 3,25/4 16,5 überkopf ü (PE) 5 3,25/4 20,0

PA (w) 100 %

PB (h) 130 %

PC (q) 180 %

PF (s) 220 %

15,7 14,2 24,2 24,7 34,0

100 90 154 158 217

25,0 31,2 31,3 31,7 54,0

100 125 126 127 216

PD (hü), PE (ü) 220 bis 250 %

Bild 16: Vergleich von Ausführungszeiten beim Stabelektrodenschweißen bezogen auf die Wannenposition PA

4. Literatur /1/ DVS 0504: Merkblatt – Transport, Lagerung und Rücktrocknung umhüllter Stabelektroden. /2/ API Standard 1104, Herausgeber: American Petroleum Institute /3/ Merkblatt: 1052 des VdTÜV /4/ DVGW-Regelwerk GW 301 /5/ Informationsunterlagen der Fa. Thyssen Draht AG

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0 Inhaltsverzeichnis 1. Schweißnahtfehler 2. Sonderanwendungen 3. Zur Arbeitssicherheit beim Lichtbogenhandschweißen 4. Literatur

1 1 3 5 6

1. Schweißnahtfehler Die wichtigsten vermeidbaren Schweißnahtfehler sind:

ungenügende Wurzeldurchschweißung

mangelhafte Bindung an den Nahtflanken

Kaltstellen, insbesondere an den Nahtansätzen

Schlackeneinschlüsse

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Weitere Schweißnahtfehler:

zu weit durchhängende Schweißnasen

Einbrandkerben

Poren, insbesondere in den Ansatzstellen

überschweißte gerissene Heftstellen

zu starke Nahtüberhöhung

ungleichschenklige Kehlnaht

Die meisten Schweißnahtfehler befinden sich in der Wurzel. Viele Wurzelfehler lassen sich durch sorgfältige Nahtvorbereitung und Zusammenbau vermeiden.

Gut vorbereitet ist halb geschweißt.

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2. Sonderanwendungen 2.1 Prinzip: Unterschienenschweißen (Elin-Hafergut) Anwendung mit langen Stabelektroden 700 bis 1000 mm z. B. im Schienenfahrzeugbau

2.2 Prinzip: Schwerkraftschweißen Anwendung für Kehlnähte im Schiffbau (Japan) (Ein Schweißer bedient bis zu 3 Geräte)

Ø [mm]

Strom [A]

Nahtdicke a = mm

Ausziehlänge I = mm

Schweißzeit [min]

g/Ah

kg/h

AR 11 AR 11 RR 11

5 6 5

240 320 260

12,5 12,7 13,0

3,0 4,0 3,4

6

340

700 710 710 660 720

2,68 2,83 2,85

RR 11

3,7 4,2 4,0 4,5 4,8

2,98

13,3

4,5

Elektrode

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Lichtbogenhandschweißen V

1.10-5 Seite 4

2.3 Prinzip: Federkraftschweißen (wie Schwerkraft)

2.4 Lichtbogen-Schneidelektroden Unter bestimmten Bedingungen ist das Trennen, Fugen, Einstechen von allen technischen Metallen, wie unlegierte und legierte Stähle, Gusseisen, Aluminium und Buntmetalle mit Schneidelektroden möglich. Handhabung Leichte Pendelbewegungen der Elektrode unterstützen das Austreiben des geschmolzenen Metalls aus der Schneidfuge. Günstig ist bei waagerechten Werkstücken ein Anstellwinkel von ca. 45 ° in Schneidrichtung und bei senkrechten Werkstücken ist ein Anstellwinkel von ca. 60 ° nach unten geeignet. Technische Daten: (nach Met-Ox Kjellberg, Finsterwalde) Durchmesser [Ø mm]

Länge [mm]

Stromstärke

2,5

250

120 – 130

3,25

450

200 – 300

4,0

450

300 – 400

5,0

450

350 – 450

[A]

Diese Elektroden (Met-Ox) werden mit Gleichstrom, -Pol oder mit Wechselstrom verwendet. Rücktrocknung: 70 °C/bis 30 min.

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1.10-5 Seite 5

3. Zur Arbeitssicherheit beim Lichtbogenhandschweißen (siehe Kapitel „Arbeitssicherheit beim Schweißen“) 3.1 Gefahren im elektrischen Stromkreis am Beispiel einer Lichtbogenschweißeinrichtung

Mögliche Fehler:

€ ó ì ö ú ÷ ø

defekter Netzanschluss (z. B. Steckdose herausgerissen, rep. Kabel), defekte Schweißstromquelle (fehlende Schalter oder Abdeckung), defekte Schweißstromleitung/Schlauchpaket, defekter Stabelektrodenhalter/Lichtbogenbrenner, Stabelektrode, Drahtelektrode, fehlerhafte Werkstückklemme, defekte Schweißstromrückleitungen.

Schutzmaßnahmen:

€ und ó

Reparaturen an defektem Netzanschluss oder defekter Schweißstromquelle (netzseitig) dürfen nur von einer Elektrofachkraft durchgeführt werden!

ì bis ø

Wartungsarbeiten sowie einfache Reparaturen darf nur ein unterwiesener Schweißer durchführen

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1.10-5

Lichtbogenhandschweißen V

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3.2 Gefahren beim Lichtbogenschweißen mit erhöhter elektrischer Gefährdung Beispiele:

Ursachen:

•

Zwangsweises Berühren elektrisch leitfähiger Bauteile mit ungeschützten Körperteilen (z. B. kniend, sitzend, liegend, angelehnt),

freier Bewegungsraum zwischen elektrisch leitfähigen Bauteilen kleiner als 2 m (zufälliges Berühren), •

nasse, feuchte oder heiße Arbeitsplätze erhöhen die Gefahr der elektrischen Körperdurchströmung,

Wirkung:

Zwangsweise Körperdurchströmung mit elektrischem Strom möglich,

Schutzmaßnahmen:

•

Verwendung geeigneter, entsprechend gekennzeichneter Schweißstromquellen,

S • • •

oder

K

oder

42 V

Benutzung isolierender Zwischenlagen (z. B. Gummimatten), Schweißstromquelle nicht in enge Räume stellen, Persönliche Schutzausrüstung.

4. Literatur /1/ DVS-Lehrgangsmappe: Lichtgobenhandschweißen. DVS-Verlag Düsseldorf

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1.11-1 u. 1.11-2 Seite 1

1. Allgemeine Einführung in das UP-Schweißen 1.1 Definition UP-Schweißen nach DIN 1910 "Der Lichtbogen brennt unsichtbar zwischen einer abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück oder zwischen zwei abschmelzenden Elektroden. Lichtbogen und Schweißzone werden durch eine Pulverschicht abgedeckt. Das Schweißbad wird vor dem Zutritt der Atmosphäre durch die aus dem Pulver gebildete Schlacke geschützt."

1.2 Prinzip des UP-Schweißens Drahtelektrode Bereich der Badreaktion

Bereich der Tropfenreaktion

Pulver Schlacke

Schweißgut Grundwerkstoff

Bereich der Aufmischung

Bild 1: Modell des UP-Schweißens

Der in Bild 1 dargestellte Querschnitt zeigt, dass das Schweißbad durch das Pulver abgedeckt wird, woraus sich ein sehr guter thermischer Wirkungsgrad ergibt, der in einer hohen Abschmelzleistung wiederzufinden ist. Während des UP-Schweißprozesses spielen sich metallurgische Vorgänge im Tropfenstadium, in der Badreaktion und im Bereich der Aufmischung mit dem Grundwerkstoff ab. Die Reaktionen im Tropfenstadium und die Badreaktion werden durch das Schweißpulver und dem eingesetzten Schweißzusatzwerkstoff bestimmt. Im Bereich der Aufmischung sind Einflüsse des Schweißzusatzwerkstoffs und des Grundmaterials zu finden. Daraus folgt, dass die chemische Zusammensetzung des Schweißgutes und seine mechanisch-technologischen Eigenschaften entscheidend von der eingesetzten Draht-Pulver-Kombination abhängen, die stets auf den Grundwerkstoff abgestimmt werden muss. In Bild 2 sind Abschmelzleistungen konventioneller Schweißverfahren gegenübergestellt.

Bild 2: Vergleich der Abschmelzleistung verschiedener Schweißverfahren

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Übliche Abschmelzleistungen beim UP-Schweißen mit einem Drahtelektrodendurchmesser von 4 mm liegen bei 7-8 kg/h, wenn eine Einschaltdauer von 100 % zugrundegelegt wird. Aus diesen Betrachtungen folgt, dass es sich um einen vollmechanisierten Schweißprozess handeln, muss, da bei einem manuellen Schweißen derartige Abschmelzleistungen nicht zu hochwertigen Schweißverbindungen führen. Weiterhin ist zu erkennen, dass es sich bei dem UP-Schweißen um ein Hochleistungsverfahren handelt, das üblicherweise bei Materialstärken ab 6 mm sinnvoll eingesetzt werden kann. In Tabelle 1 sind die Anwendungsgebiete dargestellt. Tabelle 1: Anwendungsbeispiele für das UP-Schweißen Industriezweig Schiffbau

Art der Bauteile

Nahtarten

Paneelfertigung Sektionsbau

Stumpf- und Kehlnähte Stumpf- und Kehlnähte

Rohrherstellung

Leitungsrohre Konstruktionsrohre Spiralrohre

Längs- und Rundnähte Längs- und Rundnähte Rundnähte

Behälterbau

Chemiereaktoren Kolonnen Druckbehälter

Längs- und Rundnähte Längs- und Rundnähte Längs- und Rundnähte

Kesselbau

Kesseltrommeln Sammler gasdichte Rohrwände

Längs- und Rundnähte Längs- und Rundnähte Längsnähte

Armaturenbau

Schiebergehäuse

Längs- und Rundnähte

Kran- und Brückenbau

Träger Fahrbahnplatten Profile

Stumpf- und Kehlnähte Stumpf- und Kehlnähte Stumpf- und Kehlnähte

allgemeiner Stahlbau

dickwandige Bauteile mit langen Nähten (z.B. Rammpfähle)

Stumpf- und Kehlnähte

Darüber hinaus ist ein sehr wichtiges Anwendungsgebiet das Plattieren von Bauteilen zum Schutz vor Korrosion und/oder Verschleiß. Für Plattierungsaufgaben werden üblicherweise das UP-Doppeldrahtverfahren oder das UP-Bandschweißen eingesetzt, da mit beiden Verfahren eine erhebliche Reduzierung der Aufmischung des Grundwerkstoffs erreicht werden kann. Entsprechend dem weiten Anwendungsfeld, bei dem Schwerpunkte im Behälterbau, im Schiffbau und in der Rohrherstellung zu finden sind, ist auch die angewandte Werkstoffpalette sehr umfangreich.

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In Tabelle 2 sind die Werkstoffgruppen dargestellt, die heute mittels UP-Schweißen verarbeitet werden. Tabelle 2: Werkstoffe die mit UP-Schweißen verarbeitet werden Werkstoffe

Beispiel

Normung

minimale Blechdicke

unlegierte- und niedriglegierte Werkstoffe

S235JRG2 (Rst37-2) S355J2G3 (St52-3)

DIN EN 10025(DIN 17100)

8mm

hochlegierte Werkstoffe ⇒ Cr-Ni-Stähle

X 2 CrNiMo 17122

DIN EN 10088 (DIN 17440)

6mm

Warmfeste Werkstoffe

16 Mo 3 (15 Mo 3) 13CrMo4-5(13CrMo44)

DIN EN 10028 T2 (DIN 17155)

8mm

Einsatzstähle (mit Einschränkungen)

16 MnCr 5

DIN 17210

8mm

Feinkornbaustähle

P 355 N, P 460 N

DIN EN 10113 DIN EN10128 T3 SEW 083

8mm

2. Anlagenaufbau In Bild 3 ist der schematische Aufbau eines Schweißsystems zum UP-Schweißen dargestellt. 9RUVFKXEHLQULFKWXQJ 6FKZHL‰NRSI RGHU %DXWHLO 6WHXHUXQJ

$

9

PPLQ

$QWULHE IU 'UDKWYRUVFKXE

3XOYHUWULFKWHU 6FKZHL‰VWURP]XIKUXQJ 3XOYHU 6FKODFNH

6FKZHL‰JXW

6FKZHL‰QDKW

6FKZHL‰QDKW YRUEHUHLWXQJ

6WURPTXHOOH

%DGVLFKHUXQJ

Bild 3: Schematischer Aufbau einer UP-Anlage :HUNVWFN

%DGVLFKHUXQJ

Die wesentlichen Komponenten werden im folgenden erläutert:

a) Vorschubeinrichtung Die Vorschubeinrichtung realisiert die Relativbewegung zwischen Bauteil und Schweißkopf mit der Drahtelektrode. Abhängig von der Bauteilgeometrie und den zu schweißenden Verbindungen werden unterschiedliche Systeme eingesetzt. • Balkenfahrwerke ( Längsnähte ) • Schweißmaste ( Längsnähte ) • Rollenböcke ( Rundnähte )

→ Bewegung des Schweißkopfes → Bewegung des Schweißkopfes oder des Bauteils → Bewegung des Bauteils

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b) Steuerung Mit der Steuerung werden die Parameter "Stromstärke", "Spannung" und "Schweißgeschwindigkeit" eingestellt. Diese Parameter können nicht unabhängig voneinander gewählt, sondern müssen aufeinander abgestimmt werden. Die Einflüsse der Schweißparameter sind in den folgenden Bildern schematisch dargestellt. 2.1 Stromstärke Die Stromstärke beeinflusst im wesentlichen die Einbrandtiefe

Bild 4: Einbrandtiefe als Funktion der Stromstärke

Als Anhaltswert kann davon ausgegangen werden, dass 100 A im I-Stoß einen Einbrand von ca. 1 mm erzeugen. Übliche Stromstärken bei einem Durchmesser der Drahtelektrode von 4 mm liegen bei I = 600 A. Aus diesen Werten ergibt sich eine Strombelastung, die üblicherweise bei ca. 150 A/mm Drahtdurchmesser liegt. Die Stromdichte liegt danach bei ca. 190 A/mm2. Es ist zu beachten, dass die Stromdichte die Einbrandtiefe wesentlich beeinflusst, nicht die absolute Stromstärke. 2.2 Spannung Die Spannung beeinflusst die Nahtbreite

Bild 5: Nahtbreite als Funktion der Spannung

Die üblicherweise eingesetzten Spannungen liegen bei ca. 30 V. 2.3 Schweißgeschwindigkeit Die Schweißgeschwindigkeit beeinflusst sowohl die Nahtbreite als auch die Nahttiefe

Bild 6: Nahtbreite und Nahttiefe als Funktion der Schweißgeschwindigkeit

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Übliche Schweißgeschwindigkeiten liegen bei ca. 55 cm/min. Werden zu geringe Schweißgeschwindigkeiten gewählt, brennt der Lichtbogen auf dem dann vorlaufenden Schmelzbad, was sowohl eine geringe Einbrandtiefe als auch Bindefehler nach sich zieht.

Aus den Punkten 2.1 - 2.3 ergibt sich ein Schweißparametersatz von I U v Drahtdurchmesser

= = = =

600 30 55 4

A V cm/min mm

der als Basisparametersatz anzusehen ist. Aus diesen Werten ergibt sich eine für das UP-Schweißen typische Streckenenergie von ca. 20 kJ/cm.

c) Stromquelle Üblicherweise wird Gleichstrom mit dem ⊕-Pol an der Drahtelektrode geschweißt. Andere Polungen sind ebenfalls möglich. Die Stromquellen sind standardmäßig Gleichrichter, wobei beachtenswert ist, das aufgrund des hohen Mechanisierungsgrades hohe Stromstärken bei einer Einschaltdauer von 100% zur Verfügung gestellt werden müssen. Bei Drahtelektrodendurchmessern > 3 mm wird eine fallende Stromquellencharakteristik eingesetzt (äußere Regelung), bei kleinen Drahtelektrodendurchmessern wird mit einer Konstantspannungscharakteristik gearbeitet (innere Regelung).

d) Schweißnahtvorbereitung Bedingt durch den tiefen Einbrand ist eine spezielle Nahtvorbereitung, bzw. der Einsatz von Schweißbadsicherungen notwendig. Die Schweißnahtvorbereitung ist in DIN EN 29692 genormt.

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Kurzzeichen

Werkstückdicke s

Ausführung

1.1 UP

1,5 bis 8

einseitig

1.2 UP

3 bis 20

beidseitig5)

Benennung

Symbol1)

Fugenform Schnitt

Seite 6

2)

Abstand 3) b

Maße Steghöhe c

-

0 bis 2

-

α; β Grad

Bemerkungen

Flankenhöhe h

4)

I-Naht

-

-

1.3 UP

4 bis 16

einseitig

-

2 bis 7

-

-

mit Badsicherung

1.4 UP

12 bis 30

beidseitig

-

4 bis 8

-

-

mit Badsicherung

2 UP

4 bis 20

einseitig

V-Naht

30 bis 60

bis 5

-

-

Badsicherung notwendig

3 UP

über 20

einseitig

Steilflankennaht

5 bis 10

12 bis 207)

-

-

Badsicherung notwendig

4 UP

10 bis 50

beidseitig

2/3 DV-Naht8)

1,5 bis 3

-

s/3

5 UP

14 bis 30

beidseitig

Y-Naht

30 bis 90

bis 1,5

6 bis 12

-

6 UP

über 15

beidseitig

DY-Naht

45 bis 90

bis 1,5

5 bis 10

h1 = h2 oder h1 ¹ h2

α1 = 50 bis 90 α2 = 50 bis 90

Gegenseite(a2) schweißen, Verfahren beliebig

Gegenseite schweißen, Verfahren beliebig

-

Bild 7: Schweißnahtvorbereitung für das UP-Schweißen nach DIN EN 29692, Teil 4

Zusammenfassend sind die wesentlichen Merkmale des UP-Eindrahtschweißens dargestellt.

3. Zusammenfassung UP-Eindrahtschweißen

= ~ FD  PP

Merkmale: - eine Drahtelektrode - eine Stromquelle - eine Regelung Vorteile:

- hohe Abschmelzung

Typische Schweißdaten: Drahtelektrodendurchmesser: 4 mm Stromstärke: 600 A Spannung: 30 V Schweißgeschwindigkeit: 55 cm/min

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Faustregel für die Auswahl des Drahtelektrodendurchmessers: I = 100 bis 200 ¼ Drahtdurchmesser

Faustregel für die Abschätzung der Einbrandtiefe: I-Stoß: Y-Stoß:

te   1 mm/100 A te   0,7 mm/100 A

4. Schweißzusatzwerkstoffe Als Schweißzusatzwerkstoffe werden Drahtelektroden eingesetzt. Die Oberfläche ist verkupfert, um die Reibungswiderstände zu minimieren und den Stromübergang zu verbessern. Üblicherweise betragen die Durchmesser der Drahtelektrode 4 mm. Bei hohen Stromstärken werden auch Drahtelektroden mit 5 mm Durchmesser eingesetzt, bei schlechter Zugänglichkeit der Schweißstelle oder bei der Gefahr des Durchfallens der Wurzel werden 3 mm Drahtelektroden verwendet. Bei der Verarbeitung von CrNi-Stählen werden standardmäßig 3 mm Drahtelektroden eingesetzt, um die Streckenenergie zu verringern. Die Schweißzusatzwerkstoffe für hochlegierte Werkstoffe sind in DIN 8556 zu finden. Tabelle 3 stellt einen Auszug aus dieser Norm dar. Tabelle 3: Auszug aus DIN 8556 Kurzname

Werkstoffnr.

X 8 Cr 14 X 8 CrNi 13 1 X 3 CrNi 13 4 X 8 CrTi 18 X 20 CrMo 17 1 X 5 CrNi 19 9 X 2 CrNi 19 9 X 5 CrNiNb 19 9 X 5 CrNiMo 19 11 X 2 CrNiMo 19 12 X 5 CrNiMoNb 19 12 X 2 CrNiMo 18 158) X 2 CrNiMo 18 168) X 2 CrNiMoCu 20 258) X 2 CrNiMnMoN 20 168) X 15 CrNiMn 18 88)

1.4009 1.4018 1.4351 1.45027) 1.4115 1.4302 1.4316 1.4551 1.4403 1.4430 1.4576 1.4433 1.4440 1.4519 1.4455 1.4370

C ≤ 0,10 0,10 0,04 0,10 0,25 0,06 0,025 0,07 0,06 0,025 0,07 0,025 0,025 0,025 0,025 0,20

X 12 CrNiMo 19 10 X 2 CrNi 24 12 X 2 CrNiNb 24 12 X 8 CrNiMo 23 13 X 10 CrNi 30 9 X 8 Cr 30 X 12 CrNi 25 4 X 12 CrNi 22 12 X 12 CrNi 25 208) X 20 NiCr 36 188)

1.4431 1.4332 1.4556 1.4459 1.4337 1.4773 1.4820 1.4829 1.4842 1.4863

0,15 0,025 0,025 0,12 0,15 0,10 0,15 0,15 0,15 0,30

Si5) ≤ 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

Mn ≤ 1,5 ≤ 1,5 ≤ 1,5 ≤ 1,5 ≤ 1,5 ≤ 2,0 ≤ 2,0 ≤ 2,0 ≤ 2,0 ≤ 2,0 ≤ 2,0 2,5 - 5,0 2,5 - 5,0 2,0 - 5,0 5,0 - 9,0 5,0 - 8,0 ≤ 2,5 ≤ 2,5 ≤ 2,5 ≤ 2,5 ≤ 2,5 ≤ 2,0 ≤ 2,0 ≤ 2,0 2,0 - 5,0 ≤ 2,0

Chemische Zusammensetzung in % P6) S6) Cr Mo ≤ ≤ 0,030 0,025 12,0 - 15,0 0,030 0,025 11,5 - 14,5 ≤ 1,0 0,030 0,025 12,0 - 15,0 ≤ 1,0 0,030 0,025 16,0 - 19,0 0,030 0,025 15,5 - 18,5 0,5 - 1,5 0,030 0,025 18,5 - 21,0 0,030 0,025 18,5 - 21,0 0,030 0,025 18,5 - 21,0 0,030 0,025 18,5 - 21,0 2,5 - 3,0 0,030 0,025 18,5 - 21,0 2,5 - 3,0 0,030 0,025 18,5 - 21,0 2,5 - 3,0 0,030 0,025 17,0 - 19,0 2,5 - 3,5 0,035 0,025 17,0 - 20,0 4,0 - 5,0 0,030 0,025 19,0 - 22,0 4,0 - 6,0 0,035 0,025 19,0 - 22,0 2,5 - 3,5 0,035 0,025 17,0 - 20,0 -

Ni

Sonstige

0,5 - 2,0 3,0 - 5,0 ≤ 1,0 9,0 - 11,0 9,0 - 11,0 8,5 - 10,5 10,0 - 13,0 10,0 - 13,0 10,0 - 13,0 13,0 - 16,0 16,0 - 19,0 24,0 - 27,0 15,0 - 18,0 7,0 - 10,0

Ti 0,3 - 0,7 Nb9) Nb9) N Cu 1,0 - 2,0 N -

0,030 0,030 0,030 0,030 0,035 0,035 0,030 0,030 0,030 0,030

8,0 - 12,0 11,0 - 15,0 11,0 - 15,0 11,0 - 15,0 8,0 - 12,0 ≤ 2,0 4,0 - 6,0 10,0 - 13,0 19,0 - 22,0 33,0 - 38,0

Nb9) -

0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025 0,025

18,0 - 21,0 22,0 - 25,0 22,0 - 25,0 22,0 - 25,0 27,0 - 31,0 28,5 - 31,5 24,5 - 27,5 20,5 - 23,5 24,0 - 27,0 17,0 - 20,0

2,0 - 4,0 2,0 - 3,0 -

5) Für das Schutzgasschweißen sind Anteile an Si von >0,5% üblich. Für das Unterpulverschweißen sind Anteile an Si 1,30 bis 1,75

0,025

0,025

0,15

0,15

0,15

S4

0,07 bis 0,15

0,15

> 1,75 bis 2,25

0,025

0,025

0,15

0,15

0,15

S1Si

0,07 bis 0,15

0,15 bis 0,40

0,35 bis 0,60

0,025

0,025

0,15

0,15

0,15

S2Si

0,07 bis 0,15

0,15 bis 0,40

0,80 bis 1,30

0,025

0,025

0,15

0,15

0,15

S2Si2

0,07 bis 0,15

0,40 bis 0,60

0,80 bis 1,30

0,025

0,025

0,15

0,15

0,15

S3Si

0,07 bis 0,15

0,15 bis 0,40

> 1,30 bis 1,85

0,025

0,025

0,15

0,15

0,15

S4Si

0,07 bis 0,15

0,15 bis 0,40

> 1,85 bis 2,25

0,025

0,025

0,15

0,15

0,15

S1Mo

0,05 bis 0,15

0,05 bis 0,25

0,35 bis 0,60

0,025

0,025

0,45 bis 0,65

0,15

0,15

S2Mo

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

0,80 bis 1,30

0,025

0,025

0,45 bis 0,65

0,15

0,15

S3Mo

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

> 1,30 bis 1,75

0,025

0,025

0,45 bis 0,65

0,15

0,15

S4Mo

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

> 1,75 bis 2,25

0,025

0,025

0,45 bis 0,65

0,15

0,15

S2Ni1

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

0,80 bis 1,30

0,020

0,020

0,15

0,80 bis 1,20

0,15

S2Ni1,5

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

0,80 bis 1,30

0,020

0,020

0,15

> 1,20 bis 1,80

0,15

S2Ni2

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

0,80 bis 1,30

0,020

0,020

0,15

> 1,80 bis 2,40

0,15

S2Ni3

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

0,80 bis 1,30

0,020

0,020

0,15

> 2,80 bis 3,70

0,15

S2NiMo

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

0,80 bis 1,30

0,020

0,020

0,45 bis 0,65

0,80 bis 1,20

0,20

S3Ni1,5

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

> 1,30 bis 1,70

0,020

0,020

0,15

> 1,20 bis 1,80

0,20

S3Ni1Mo

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

> 1,30 bis 1,80

0,020

0,020

0,45 bis 0,65

0,80 bis 1,20

0,20

S3Ni1,5Mo

0,07 bis 0,15

0,05 bis 0,25

1,20 bis 180

0,020

0,020

0,30 bis 0,50

1,20 bis 1,80

0,20

) Chemische Zusammensetzung des Fertigproduktes, Cu einschließlich Kupfer-Überzug ˆ 0,30 %, Al ˆ 0,030 %. 2 ) Einzelwerte in der Tabelle sind Höchstwerte. 3 ) Die Ergebnisse sind auf dieselbe Stelle zu runden wie die festgelegten Werte unter Anwendung von ISO 31-O, Anhang B, Regel A. 1

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Seite 9

5. Schweißpulver 5.1 Aufgaben des Schweißpulvers Das Schweißpulver dient zur: a. Erhöhung der Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke. dadurch: besseres Zünden stabilerer Lichtbogen b. Bildung der Schlackenschicht die: sich zu einer haltbaren Blase aufblähen lässt. den übergehenden Tropfen schützt. das geschmolzene Schweißgut schützt die Raupe formt. eine zu schnelle Abkühlung der Naht verhindert. die Größe der Tropfen beeinflusst. c. Bildung eines Schutzgasstroms (agglomerierte Pulver) aus: Karbonaten (z.B.: CaCO3) d. Desoxidation und zum Auflegieren (agglomerierte Pulver) durch: Zugaben von Mn, Si, Cr, Ni, Mo, usw. Bild 8: Aufgaben des Schweißpulvers

Schweißpulver sind in der DIN EN 760 genormt. 5.2 Einteilung von Schweißpulvern 5.2.1 Einteilung nach der Herstellungsart Es wird zwischen agglomerierten und erschmolzenen Schweißpulvern unterschieden. Gesinterte Schweißpulver besitzen in der Praxis nur eine untergeordnete Bedeutung. 5.2.2 Einteilung von Schweißpulvern nach ihrem mineralogischen Aufbau Mangansilikat Typ

Calziumsilikat Typ

Aluminatrutil Typ

Hauptbestandteile

Manganoxid MnO Quarz SiO2

Quarz Calciumoxid Magnesiumoxid

SiO2 CaO MgO

Bauxit Rutil

sonstige mögliche Bestandteile

Bauxit Flussspat

Bauxit Flussspat Manganoxid

Al2O3 CaF2 MnO

Quarz SiO2 Manganoxid MnO Zirkoniumoxid ZrO2

Summe der Hauptbestandteile (mind.)

50%

Al2O3 CaF2

60%

Al2O3 TiO2

aluminatbasischer Typ

fluoridbasischer Typ

Bauxit Al2O3 (min. 20%) Calciumoxid CaO Magnesiumoxid MgO

Calciumoxid Magnesiumoxid Manganoxid Flussspat

Manganoxid Quarz

Quarz SiO2 (max. 20%) Bauxit Al2O3

45%

45%

MnO SiO2

CaO MgO MnO CaF2

50%

Bild 9a: Einteilung nach dem mineralogischen Aufbau von Schweißpulvern

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MangansilikatTyp

CalziumsilikatTyp

AluminatrutilTyp

Seite 10

aluminatbasischer Typ

fluoridbasischer Typ

Eigenschaften +++

+++

++

++

+

Wechselstromschweißbarkeit

+

++

+++

++

o

Schlackenabgang

+

++

+++

++

+

Porensicherheit

+++

++

++

++

++

Nahtaussehen

+++

+++

+++

++

+

Mechanische Gütewerte

+

+

+

++

+++

Schnellschweißeigenschaften

++

++

+++

++

+

Strombelastbarkeit

o +

schlecht normal

++ +++

gut sehr gut

Bild 9b: Einteilung nach den Eigenschaften von Schweißpulvern

5.2.3 Einteilung nach dem Basizitätsgrad Abhängig von ihrem mineralogischen Aufbau beeinflussen die Schweißpulver die mechanischtechnologischen Eigenschaften des Schweißgutes entscheidend. Als charakteristische Größe wird der Basizitätsgrad nach Boniczewski benutzt. Er ist definiert als B=

CaO + MgO + BaO + CaF2 + Na2O + K 2O + 0 ,5 ¼ ( MnO + FeO ) SiO2 + 0 ,5 ¼ ( Al 2O3 + TiO2 + ZrO2 )

Entsprechend dem Basizitätsgrad werden die Pulver unterschieden: B1 B>3

" saure " " neutrale " " basische " " hochbasische "

Pulver Pulver Pulver Pulver

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1.11-1 u. 1.11-2 Seite 11

Exemplarisch ist im folgenden Bild 10 der Einfluss der Pulverzusammensetzung auf die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes dargestellt.

Bild 10: Einfluss der Pulverzusammensetzung auf die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes

6. Verfahrensvarianten des UP-Schweißen 6.1 UP-Doppeldrahtschweißen

Merkmale: - zwei Drahtelektroden - eine Stromquelle - eine Regelung Vorteile: - hohe Abschmelzleistung - gute Spaltüberbrückbarkeit - hohe Schweißgeschwindigkeit

Typische Schweißdaten: Drahtelektrodendurchmesser: 2,5 mm Stromstärke: 800 A Spannung: 32 V Schweißgeschwindigkeit: 70 - 120 cm/min

Elektrodenanordnung für gute Spaltüberbrückbarkeit

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1.11-1 u. 1.11-2 Seite 12

6.2 UP-Tandemschweißen

Merkmale: - zwei Drahtelektroden - zwei Stromquellen - zwei Regelungen Vorteile:

- hohe Abschmelzleistung - hohe Schweißgeschwindigkeit - günstige Nahtgeometrie - gute mechanische Gütewerte

Typische Schweißdaten: 1. Kopf Stromstärke: 650 A Spannung: 30 V ⊕ Drahtelektrodendurchmesser: 4 mm Schweißgeschwindigkeit: 95 cm/min

2. Kopf 550 A 32 V ≈ 4 mm 95 cm/min

Einfluss der Polung auf die Blaswirkung

6.3 UP-Bandschweißen Merkmale:

Vorteile:

Typische Schweißdaten: Bandelektrodenabmessung: Stromstärke: Spannung: Schweißgeschwindigkeit:

- bandförmige Elektrode - eine Stromquelle - eine Regelung Verbindungsschweißen - geringer Einbrand - gute Spaltüberbrückbarkeit Auftragsschweißen - hohe Plattierungsleistung - geringe Aufmischung - glatte Oberfläche

60*0,5 mm 600 - 650 A 28 - 30 V 9 - 12 cm/min

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AG AS D

D =

Seite 13

= Fläche des aufgeschmolzenen GW = Fläche des aufgeschmolzenen SG = Vermischungsgrad

AS ¼ 100 % AG + AS

Definition des Vermischungsgrades beim Bandplattieren

6.4 UP-Engspaltschweißen

Merkmale: - eine Drahtelektrode - eine Stromquelle - eine Regelung

Schweißnahttiefe s

[mm] 2

Nahtquerschnitt (in Klammern V-Naht)

[mm ]

Eingespartes Volumen

[%]

Vorteile:

- Reduzierung des Nahtvolumens bei großen Materialstärken - Verbesserung des Spannungszustandes

Nachteile:

- extrem hohe Ansprüche an die Prozesssicherheit - schlechte Nacharbeitsmöglichkeit

50

75

100

120

250

290

670

8,1 (9,4)

13,2 (17,5)

18,6 (27,4)

22,9 (36,6)

52,7 (123,6)

62,4 (159,9)

169,1 (729,4)

14

24

32

38

57

61

76,8

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6.5 UP-Quernahtschweißen

Merkmale: - eine Drahtelektrode - eine Stromquelle - eine Regelung Vorteile:

- Baustellenschweißung von Großbauteilen sind möglich

Schematischer Aufbau des Quernahtschweißens mit Pulverband

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1.11-1 u. 1.11-2 Seite 15

7. Fehler beim UP-Schweißen Das UP-Schweißen ist ein fehlerunanfälliges Schweißen. Dennoch auftretende Fehler können in "Innerer Fehler" und "Äußerer Fehler" entsprechend Bild 11 unterteilt werden.

Bild 11: Fehler beim UP-Schweißen

Fehler beim UP-Schweißen und Abhilfemaßnahmen 1. Kaltrisse durch Wasserstoff Der in das Schweißgut durch feuchte Pulver, verunreinigte Blechoberflächen etc. eingebrachte Wasserstoff dissoziiert im Lichtbogen in Wasserstoffatome. Diese diffundieren durch das Material und konzentrieren sich z.B. in Fehlstellen ( z.B. Mikrorisse in der WEZ ). Dort rekombinieren sie und erzeugen durch das gestiegene spezifische Volumen Risse. Die Diffusionsvorgänge und damit die Rissentstehung können sich über Tage und Wochen hinziehen. Abhilfemaßnahmen: • Schweißpulver ca. 2h bei 250-300°C zurücktrocknen • Vorwärmen, damit - Verringerung von Härtewerten - Verringerung der Eigenspannungen - Verbesserung der H2O Diffusion aus kritischen Zonen • Wärmenachbehandlung

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2. Lamellenrisse Bedingt durch langgestreckte Sulfideinschlüsse können Spannungen in Dickenrichtung von Blechen nur in beschränktem Maße aufgenommen werden. Zu große Spannungen führen zu Rissen. Durch das große Nahtvolumen sind UP-Schweißnähte besonders gefährdet. Abhilfemaßnahmen: • • • •

geänderte Konstruktion Änderung der Schweißfolge verbesserte Grundwerkstoffe (z-Güten) Grundwerkstoff puffern

3. Heißrisse Die Schweißnaht erstarrt in einem Temperaturintervall. Schwefel und Phosphor bilden mit anderen Stahlbegleitern (z.B. Mn, Ni) niedrigschmelzende Verbindungen. Diese niedrigschmelzenden Verbindungen laufen vor der Erstarrungsfront in Richtung Nahtmitte. Die durch die Abkühlung entstehenden Schrumpfspannungen reißen die noch flüssigen Bereiche auseinander. Abhilfemaßnahmen: • • • •

Stähle mit verringertem Schwefel- und Phosphorgehalt Breiten- Tiefenverhältnis der Naht B/T >1 (siehe Bild 13 C) Verringerung der Schweißgeschwindigkeit zur günstigeren Gefügeausbildung in Nahtmitte Einsatz von sauren Pulvern um den Sauerstoffgehalt im Schweißbad zu erhöhen

4. Poren 4.1 mechanische Poren Mechanische Poren entstehen durch Hohlräume oder Spalten. Durch die Erwärmung der Luft in den Hohlräumen dehnt sich das Gasvolumen aus und gelangt in das Schweißgut. Durch starke Blaswirkung können ebenfalls Poren entstehen. 4.2 metallurgische Poren Metallurgische Poren gehen immer vom Schweißgut aus. Sie entstehen durch Badreaktionen (z.B. CO) oder durch Abnahme der Löslichkeit eines Elements bei fallender Temperatur (H2, N2). Poren können auch durch die Blaswirkung des Lichtbogens entstehen, wenn das Schweißbad keine ausreichende Entgasung ermöglicht. Abhilfemaßnahmen: • • • •

Blaswirkung des Lichtbogens durch geänderte Masseanschlüsse in günstige Richtungen lenken Pulver trocknen Bleche säubern Chemische Zusammensetzung des Schweißbades optimieren

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5. Schlackeeinschlüsse Aus ungünstigen Draht-Pulverkombinationen, einer ungünstigen Nahtform, ungeeigneten Schweißparametern oder einer ungünstigen Schweißfolge können Schlackeeinschlüsse resultieren. Schlackeeinschlüsse liegen auch dann vor, wenn nur eine unvollständige Aufschmelzung durch den Lichtbogen erfolgte. Abhilfemaßnahmen: • Änderung der Schweißreihenfolge • Auswahl von Pulvern mit gutem Schlackeabgang • Änderung der Schweißparameter (siehe Bild 11) (z.B. Änderung der Spannung um "Ohren" zu vermeiden)

Bild 12: Vermeidung von Schlackeeinschlüssen durch geänderte Schweißfolge

6. Ungenügende Durchschweißung Bei Lage-Gegenlage kann die Einbrandtiefe zu gering sein, um den Steg aufzuschmelzen, bzw. eine ausreichende Überlappung der Schweißnähte zu erreichen. Abhilfemaßnahmen: • Erhöhung der Stromstärke • Bessere Ausrichtung der Bauteile

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8. Fehler an den Nahtoberflächen und im Nahtwurzelbereich Fehlerart

Abhilfemaßnahme

überwölbte Naht Nahthöhe zu gering

Schweißspannung erhöhen Schweißstrom erhöhen Schweißspannung reduzieren feineres Pulver größerer Drahtdurchmesser Vorlauf korrigieren *

Nahtoberfläche zu rau Decklagenunterwölbung (z.B. bei Rundnähten an Behältern) Endkrater Einbrandkerben (Stumpfnähte)

Einbrandkerben (Kehlnähte) Wurzeldurchhang / Wurzelrückfall

Anlauf- und Auslaufblech anderes Pulver auswählen (Leitfähigkeit der Schlacke) Schweißspannung optimieren Schweißspannung optimieren Position des Schweißdrahtes optimieren * Schweißparameter optimieren

* Abhilfemaßnahmen entsprechend Bild 13A und 13B

Nahtform, abhängig von der Lichtbogenspannung; a: richtig eingestellt b: zu hohe Lichtbogenspannung

c: zu niedrige Lichtbogenspannung

Schweißen von Rundnähten (zylindrische Werkstücke) a: richtige Elektrodeneinstellung b: und c: falsche Einstellung

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Erstarrung bei unterschiedlichen B/T-Verhältnissen Bild 12:

Fehler beim UP-Schweißen durch falsche Parameterauswahl und falsche Positionierung des Schweißkopfes

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1.11-3

Unterpulverschweißen III

Seite 1

1. Anwendungen des UP-Verbindungsschweißens 1.1 Schiffbau In Bild 1 sind beispielhaft die im Schiffbau üblicherweise herzustellenden Schweißnähte dargestellt.

2 6

3 7 4

5

8 trfo0147.cdr

1 Bild 1: UP-Schweißverbindungen im Schiffbau (Quelle : Lincoln Smitweld)

Zunächst handelt es sich um I-Stöße (2,4,5 und 6), wenn große Blechtafeln hergestellt werden müssen. Häufig wird in der Vormontage mit dem Tandemverfahren gearbeitet, vereinzelt wird mit dem Dreidrahtverfahren geschweißt, wenn entsprechende Blechstärken und Dimensionen der Bauteile vorliegen. Abhängig von der Fertigungsstraße wird sowohl beidseitig als auch einseitig auf Badsicherungen geschweißt. Bei der Endmontage wird heute aufgrund der Schweißposition üblicherweise mit dem MAG-Verfahren gearbeitet. Zur Leistungssteigerung werden hierbei Fülldrahtelektroden eingesetzt. Zur Verstärkung werden auf die Blechtafeln "Spanten" aufgesetzt, die mit Kehlnähten angeschlossen werden. Diese Schweißungen werden in der Vormontage durchgeführt, wobei das UP-Tandem oder Dreidrahtschweißen eingesetzt wird. 1.2 Behälterbau Im Bereich des Behälterbaus werden Rund- und Längsnähte mit dem UP-Verfahren hergestellt, wenn Materialstärken > 8mm vorliegen. Abhängig von dem eingesetzten Werkstoff werden die Schweißnahtvorbereitung und die Schweißzusatzwerkstoffe/Schweißpulver ausgewählt.

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Von Interesse in diesem Bereich ist die Verarbeitung von Behältern und Apparaten, die korrosionsbeständig sein müssen. Hier werden CrNi-Stähle nach DIN EN 10088 verarbeitet, die hinsichtlich des UPSchweißens einige Besonderheiten aufweisen: i

Die Wärmeeinbringung muss begrenzt werden. Es wird daher mit einer reduzierten Streckenenergie von ca. 15 kJ/cm gearbeitet. In der Praxis werden dann Drahtelektroden mit einem Durchmesser von 3 mm eingesetzt, die mit reduzierten Schweißparametern verarbeitet werden können (I~450A). Darüber hinaus werden mehrere Lagen geschweißt. Letztendlich muss bei der Verarbeitung eine Zwischenlagentemperatur von ca. 150°C eingehalten werden.

ii

Durch die gegenüber den ferritischen Werkstoffen geänderten Wärmeleitungs- und Wärmeausdehnungseigenschaften dieser Stähle kommt es zu starkem Verzug.

iii

Bei dem Einsatz von Schweißpulvern mit saurer Pulvercharakteristik kommt es zu einem erheblichen Chromabbrand, der durch eine angepasste Pulverauswahl, bzw. Pulver mit Chromstützen kompensiert werden muss.

Bild 2 zeigt beispielhaft die Nahtvorbereitung und den Lagenaufbau einer UP-Schweißnaht in einem CrNi-Behälter mit einer Wandstärke von ca. 13mm.



Die Nahtvorbereitung wurde als Y-Naht ausgeführt. Beachtenswert ist der gegenüber ferritischen Werkstoffen vergrößerte Luftspalt und der aufwendige Lagenaufbau.

 Bild 2: Schweißnahtvorbereitung und Lagenaufbau beim UP-Schweißen von CrNi-Stählen

Im Behälter und Anlagenbau ist die Verarbeitung von plattierten Blechen ein häufiger Anwendungsfall. Da das unlegierte Trägermaterial oft große Wandstärken aufweist wird das UP-Schweißen bevorzugt angewendet.

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Bild 3 zeigt die Schweißnahtvorbereitung für das UP-Schweißen eines plattierten Blechs.

Bild 3: Schweißnahtvorbereitung beim UP-Schweißen von plattierten Blechen

Im Bereich der Plattierung ist die korrekte Auswahl des Schweißzusatzwerkstoffes von großer Bedeutung. Um die Plattierung zu schließen kann ebenfalls das UP-Schweißen eingesetzt werden. Hier können die Verfahrensvarianten UP-Doppeldrahtschweißen und UP-Bandschweißen zum Tragen kommen, da bei diesen Verfahrensvarianten die Aufmischungsgrade gering sind. 1.3 Rohrschweißung Bei der Rohrherstellung mittels Unterpulverschweißen können die Nähte als Spiralnähte oder als Längsnähte ausgeführt werden.

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1.11-3 Seite 4

1.3.1 Spiralrohre Bild 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Spiralrohrfertigung

Bild 4: Prinzip der Spiralrohrherstellung

Spiralrohre haben den Vorzug, dass − sie "endlos", sogar auf der Baustelle gefertigt werden können. − die Schweißnaht nicht in der Hauptbeanspruchungsrichtung liegt − der Fertigungsprozess weitgehend automatisiert werden kann

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1.3.2 Längsnahtgeschweißte Rohre Längsnahtgeschweißte Rohre sind in den Bereichen der Off-Shore-Technik, Pipelinebau, etc. zu finden. Bild 5 zeigt eine typische Schweißnahtvorbereitung sowie den verfahrenstechnischen Ablauf

Bild 5: Schweißnahtvorbereitung "Längsnahtgeschweißte Rohre"

Längsnahtgeschweißte Rohre werden heute mit einer Länge bis zu 12m hergestellt. Häufig werden Feinkornbaustähle eingesetzt. Hier sind das korrekte Einhalten der Streckenenergie, die Auswahl geeigneter Schweißzusatzwerkstoffe und Schweißpulver zu beachten. Hinsichtlich der Schweißpulver muss der Rücktrocknung besondere Beachtung geschenkt werden. Bild 6 gibt einen Überblick der Besonderheiten bei der Verarbeitung von Feinkornbaustählen mit dem UP-Verfahren.

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Seite 6

C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

typische Werkstoffe

S2

0,12

≤ 0,15

1,0

-

-

-

P 255 N

S2 Mo

0,12

0,15

1,0

-

-

0,5

P 355 N

S2 NiMo 1

0,10

0,15

1,0

-

1,0

0,5

P 420 N

S2 NiCrMo 1

0,10

0,15

1,0

0,45

1,0

0,5

S 690 Q

S1 NiCrMo 2,5

0,08

0,15

0,5

0,70

2,5

0,6

S 690 Q

Bezeichnung

Richtanalysen von Drahtelektroden zum UP-Schweißen von FK-Baustählen nach DVS 0918 Pulvertyp gemäß DIN 32 522

Art der Herstellung gemäß DIN 32 522

Trocknungstemperatur (min 2h Haltedauer)

empfohlene maximale Rücktrocknungszeit

Zwischenlagerungstemperatur °C

MS CS

B

etwa 300°C

10 Stunden

150

MS CS

F

etwa 150°C

30 Tage

150

AR AB

B

etwa 300°C

10 Stunden

150

AR AB

F

etwa 150°C

30 Tage

150

FB

B

etwa 350°C

10 Stunden

150

FB

F

etwa 250°C

20 Stunden

150

Richtwerte für das Rücktrocknen von Schweißpulvern nach DVS 0914 Diffusibler Wasserstoffgehalt im Schweißgut cm³/100g HD-Wert gemäß DIN 8572 Teil 2

bevorzugte Anwendung

bevorzugter Pulvertyp

Allgemeine Baustähle Kesselbleche

MS CS AR AB

Feinkornbaustähle mit Mindeststreckgrenze < 390 N/mm²

CS AR AB FB

15

10

7

(CS) (AB) FB

390 N/mm² bis < 690 N/mm² 5

≥ 690 N/mm²

FB

Allgemeine Empfehlungen für maximale Wasserstoffgehalte im UP-Schweißgut nach DVS 0914 Bild 6: Besonderheiten bei der Verarbeitung von Feinkornbaustählen mittels UP-Schweißen

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Seite 7

2. Anwendungen des UP-Auftragsschweißens Eine wichtige UP-Verfahrenstechnik ist das UP-Bandplattieren. Technisch wird dabei auf einen unlegierten Werkstoff eine dem Beanspruchungsfall gerechte Plattierung aufgebracht. Diese Plattierung kann das Bauteil gegen − Korrosion − Verschleiß schützen.

Begrenzungen hinsichtlich der Bauteile sind dadurch gegeben, dass die Materialstärke des Grundwerkstoffs > 15mm sein sollte und das bei der Plattierung von Rohren der Rohraußendurchmesser 300mm nicht unterschreiten soll. Mit dem Bandplattieren können Auftragsschichten von ca. 3 – 5 mm/Lage erreicht werden. Die Aufmischung mit dem Grundwerkstoff beträgt ca. 15 - 20%. Dadurch ist man in der Lage die geforderte chemische Zusammensetzungen der Bauteiloberfläche häufig schon nach 1 oder 2 Lagen zu erreichen. Standardmäßig werden im Bereich des Korrosionsschutzes Bänder mit den Abmessungen 60 x 0,5mm eingesetzt. Im Bereich des Verschleißschutzes wird bei kleinen Durchmessern der zu plattierenden Bauteile mit Bändern 30 x 0,5 mm gearbeitet. Bei größeren Durchmessern werden Bänder 60 x 0,5 mm eingesetzt. Da die Auftragsschweißungen im Verschleißschutz hohe Härtewerte besitzen, werden auch Füllbänder oder Sinterbänder eingesetzt, um die entsprechenden Legierungszusammensetzungen zu erhalten. Anwendungsbeispiele: − Schutz gegen Korrosion * Plattieren der Rohrböden von Rohrbündelwärmetauschern * Plattieren von Stutzen etc. im Großbehälterbau − Schutz gegen Verschleiß * Plattieren von Stranggussrollen für die Stahlherstellung * Plattieren von Bauteilen, Rohren etc. im Bereich der Sand-, Kies- und Zementindustrie

In der folgenden Tabelle 1 ist eine Auswahl von Massivbandelektroden für Plattierungen dargestellt. Tabelle 1: Auswahl von Massivbandelektroden für Plattierungen zum Korrosions- und Verschleißschutz Bandelektrode

chem. Zusammensetzung in % Mn Cr Ni Mo

Si

X 30 Cr Mo W 6

0,3

0,5

1,5

6

0,2

1,5

1,6 W

Verschleißschutz

X 2 Cr 13

0,02

0,2

0,4

12

-

-

-

Verschleißschutz

X 6 Cr 17

0,05

0,4

0,4

17

-

-

-

Verschleißschutz

X 2 Cr Ni 2412

0,02

0,5

1,7

24

12,5

-

-

Korrosionsschutz

X 5 Cr Ni Nb 199

0,015

0,3

1,5

20

10

-

0,8 Nb

Korrosionsschutz

X 12 Cr Ni 2520

0,15

0,2

4,0

25,5

20,4

-

-

Korrosionsschutz

Ni Cr 21 Mo 9 Nb

0,02

0,25

0,1

21,5

Rest

8,5

3,0 Nb

Korrosionsschutz

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Sonstiges

Anwendung

C

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1.11-3 Seite 8

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1.12-1

Widerstandsschweißen I

Seite 1

1. Widerstandsschweißprozesse Anders als viele andere Schweißprozesse benötigen die meisten Widerstandsschweißprozesse eine Elektrodenkraft um die Verbindung herzustellen. Es wirkt also eine Presskraft auf das Werkstück ein. Deshalb wird diese Art von Schweißung oft als „Widerstandspressschweißverfahren“ bezeichnet. In der Literatur und im folgenden Text wird, auch wenn dies nicht ganz korrekt ist, häufig nur der Begriff „Widerstandsschweißen“ benutzt. Nicht zu verwechseln sind diese Verfahren mit den Widerstandsschmelzschweiß-Prozessen, die ohne eine Presskraft auskommen. Der hauptsächliche Einsatz der Widerstandspressschweißverfahren liegt im Bereich der Blechkonstruktionen von ca. 0,5 bis 3 mm Einzelblechdicke. Hier werden vorzugsweise Überlappnähte hergestellt. In Einzelfällen sind natürlich auch mit geeigneten Spezialmaschinen wesentlich dünnere aber auch dickere Bleche zu verschweißen. Die Stumpfschweißvarianten ermöglichen, je nach Leistungsfähigkeit der Maschine, die Verbindung von Schweißquerschnitten von bis zu ca. 100.000 mm².

Press-Schweißen

Sonstiges Schmelzschweißen

WiderstandsSchmelzschweißen

- Gasschweißen (G, Autogen) - Lichtbogenhandschweißen (E) - Metallschutzgass. (MIG/MAG) - Wolframinertgass. (WIG) - Unterpulversschweißen (UP) - Laserstrahlschweißen (LB) ...etc...

- Kammerschweißen - Elektroschlackeschweißen

WiderstandsPressschweißen

Sonstiges Pressschweißen

speziell für Rohrlängsnähte: - Rolltrafoschweißen (RT) - Schleifkontaktschweißen (RS) - Induktives Wid.press.s. (RI)

- Ultraschallschweißen - Diffusionsschweißen - Feuerschweißen - Gaspressschweißen - Lichtbogenpressschweißen - Gießpressschweißen - Kaltpressschweißen - Reibschweißen - MBL-Schweißen

Üblicherweise verwendete Verfahren: - Widerstandspunktschweißen (RP) - Widerstandsrollennahtschweißen (RR) - Widerstandsbuckelschweißen (RB) - Pressstumpfschweißen (RPS) - Abbrennstumpfschweißen (RA)

Schweißprozesse nach DIN 1910

1.1 Überblick über die vorwiegend genutzten Verfahren Die folgenden Darstellungen geben eine kurze Beschreibung der hauptsächlich genutzten Widerstandspressschweißverfahren mit Angaben zum Anwendungsbereich.

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1.12-1

Widerstandsschweißen I

Seite 2

1.1.1 Punktschweißen, Prozess 21 (RP)

Verfahrensmerkmale: - Werkstücke überlappt - stiftförmige Elektroden (Stromkonzentration) - linsenförmige Verbindung - i.A. eine Verbindung je Schweißung Anwendungsbereich: - bei Stahl: 0,5 ... 3,0 mm (Folien ... 30 mm) - bei Al: 0,5 ... 2,0 mm (0,1 ... 8 mm)

1.1.2 Rollennahtschweißen, Prozess 22 (RR)

Verfahrensmerkmale: - Werkstücke überlappt (aber auch stumpf möglich!) - rollenförmige, angetriebene Elektroden - linsenförmige Verbindungen - Dichtnähte oder Punktnähte Anwendungsbereich: - bei Stahl: 0,5 ... 2,0 mm (0,05 ... 3,5 mm) - bei Al: 0,5 ... 1,5 mm (0,1 ... 3 mm)

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1.1.3 Buckelschweißen, Prozess 23 (RB)

1.1.4 Pressstumpfschweißen, Prozess 25 (RPS)

Verfahrensmerkmale: - Stumpfstoß - Spannelektroden - Vorbereitung: glatte Werkstückenden - Stauchwulst Anwendungsbereich: - bei Stahl: Ø 0,5 ... 30 mm, max. 1000 mm2 - bei Al: nur kleine Drähte (Oxyde!)

1.1.5 Abbrennstumpfschweißen, Prozess 24 (RA)

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1.2 Prinzip der Widerstandsschweißung Um eine Schweißlinse zu erzeugen, muss die Temperatur in den miteinander zu verschweißenden Materialien ansteigen, i.A. bis zur Schmelztemperatur. Die erreichte Temperaturerhöhung folgt (ideal) der folgenden Formel:

DT = Q / (m * c) (DT = Temperaturdifferenz [K], Q = Wärmemenge [J], m = Masse des erwärmten Materials [kg], c = spez. Wärme [J/(kgK)] )

Beim Widerstandsschweißen wird die Wärme innerhalb des Materials erzeugt, indem der elektrische Schweißstrom durch die Widerstände im Material fließt. Die erzeugte Wärme ergibt sich nach dem Joul’schen Gesetz zu:

Q = I2 * R * t (Q = Wärme, I = Strom, R = Widerstand, t = Zeit)

1.3 Widerstandspunktschweißen Bei einer einfachen Widerstandspunktschweißung werden mindestens die folgenden Parameter benötigt: •

Vorhaltezeit

tV

[Per]

•

Schweißzeit

tS

[Per]

•

Nachhaltezeit

tN

[Per]

•

Schweißstrom

IS

[kA]

•

Elektrodenkraft

FE

[N]

Typischer Ablauf einer Widerstandspunktschweißung

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1.4 Aufbau einer Widerstandsschweißmaschine Je nach Anforderungen aus der Fertigung werden die unterschiedlichsten Bauformen von Schweißmaschinen eingesetzt. Dies können ortsfeste Einrichtungen, sogenannte Ständerpunktschweißmaschinen, aber auch bewegliche Einrichtungen, sogenannte Schweißzangen, sein. Neben den weit verbreiteten Standardeinrichtungen, die praktisch nach Katalog zu kaufen sind, gibt es für sehr spezielle Anwendungen auch die Möglichkeit Sondermaschinen zu bauen. Der prinzipielle Aufbau der Maschinen ist vergleichbar und soll am Beispiel einer stationären Punktschweißmaschine gezeigt werden.

Druckluftbetriebene Punktschweißmaschine (schematisch)

Auf die Werkstücke muss eine relativ hohe Kraft übertragen werden. Dies bedeutet, dass die Schweißmaschine, die diese Kraft erzeugen muss, entsprechend stabil ausgelegt sein muss um starke Aufbiegungen zu vermeiden. Die Kraft wird üblicherweise über ein Druckluftsystem (pneumatisch) erzeugt. In Ausnahmefällen kommen auch hydraulische oder rein mechanische (z.B. Fußhebel) Systeme zum Einsatz. Für die Erzeugung der hohen Stromstärken ist üblicherweise der Transformator in der Schweißmaschine integriert. Es wird meist Wechselstrom (50 Hz) verwendet. Beim Schweißstromfluss entstehen Wärmeverluste, die abgeführt werden müssen. Dies erfordert meist eine Wasserkühlung. Der Startbefehl für die Schweißung wird bei Standardmaschinen über einen Fußschalter bzw. Fingertaster (Zange) gegeben, bei Sondermaschinen bzw. in automatisierte Fertigungslinien eingebundenen Maschinen durch Schaltkontakt aus der übergeordneten Ablaufsteuerung.

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1.5 Widerstände im Schweißkreis Bei Betrachtung des Joul’schen Gesetzes scheint nur ein Widerstand für die Wärmebildung verantwortlich zu sein. In Wirklichkeit müssen jedoch mehrere Widerstände beachtet werden. Im näheren Bereich der Schweißung unterscheidet man zwei Gruppen von Widerständen, die Stoffwiderstände und die Kontaktwiderstände. •

Widerstände in oberer und unterer Elektrode (Stoff)

•

Widerstände in oberem und unterem Blech (Stoff)

•

Kontakt zwischen oberer und unterer Elektrode zum Blech (Übergang)

•

Kontakt zwischen den Blechen (Übergang)

Widerstände an der Schweißstelle

Weitere Widerstände sind z.B. in den Zuleitungen, Elektrodenarmen und an deren Kontaktstellen wirksam, sie sollen hier jedoch nicht betrachtet werden. 1.6 Einflüsse auf die Widerstände Die Übergangswiderstände sind durch die Elektrodenkraft und den Zustand der Materialoberflächen beeinflussbar. Die Stoffwiderstände sind, neben ihrer grundsätzlichen Abhängigkeit von Werkstoff, leitendem Querschnitt und Leiterlänge von der Temperatur abhängig. Dies macht sich im Verlauf der Schweißung deutlich bemerkbar. Die folgenden Darstellungen erläutern die Zusammenhänge.

Einfluss der Elektrodenkraft auf den Übergangswiderstand (schematisch)

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nicht zur Berührung kommende Fläche Berührungsfläche mit großem Widerstand Berührungsfläche elektrisch voll leitend

Änderung der Kontaktverhältnisse bedingt durch Elektrodenkraft und Wärme

Widerstands- und Temperaturänderung im Verlauf der Schweißung

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Zu beachten ist, dass die Widerstände sich im Verlauf der Schweißzeit verändern. Dominieren zu Beginn die Übergangswiderstände, so treten diese im späteren Verlauf gegenüber den Stoffwiderständen in den Hintergrund. Die Stoffwiderstände nehmen mit der Temperatur zu.

Dynamischer Widerstandsverlauf (unbeschichtetes Stahlblech)

1.7 Wärmebilanz

Wärmebilanz einer Punktschweißung

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1.8 Schweißparameter Es gibt eine große Anzahl verschiedener Empfehlungen die Schweißparameter für bestimmte Aufgaben einzustellen. Hierbei muss aber immer beachtet werden, dass die erforderlichen Parameter von einer Vielzahl von Einflussgrößen abhängen. Zu nennen sind hier z.B. Elektrodengeometrie, Werkstoff(e), Kühlung, Maschinenverhalten usw. Deshalb sollten die aufgelisteten Werte in der folgenden Tabelle nur als grober Anhalt für die Größenordnung der einzustellenden Parameter dienen. Material

Stahl, unlegiert

Stahl, feuerverzinkt

Stahl, CrNi

Aluminium (99%)

Messing

Elektrodenkraft [N]

2000 … t

2500 … t

4000 … t

2500 … t

1200 … t

Schweißzeit [Per]

8…t

13 … t

5…t

7…t

10 … t

Schweißstrom [kA]

9,5 … »t

12,5 … »t

6,5 … »t

30 … »t

15 … »t

Punktdurchmesser [mm]

5,5 … »t

5,5 … »t

5 … »t

7 … »t

7 … »t

Scherzugkraft [N]

5000 … t

6000 … t

6500 … t

1200 … t

3500 … t t = Materialdicke [mm]

Weitere Anhaltswerte für Schweißparameter sind den Datenblättern der Maschinenhersteller oder den DVS Merkblättern /1/ zu entnehmen.

1.9 Sicherheitshinweise Beim Widerstandspunktschweißen werden hohe Elektrodenkräfte verwendet. Deshalb müssen die Maschinen mit entsprechender Vorsicht betrieben werden und Quetschgefahren durch Schutzmaßnahmen vermindert werden. Hierfür sollte z.B. der Spalt zwischen den Elektroden im geöffneten Zustand so klein eingestellt werden wie für die Schweißung des Werkstückes erforderlich. Spritzer sollten zwar durch korrekte Einstellung der Parameter vermieden werden, treten aber doch von Zeit zu Zeit auf. Um Verletzungen an Augen, Händen oder Körper zu vermeiden sollten Klarsichtschutzbrillen, Handschuhe sowie geeignete Arbeitskleidung getragen werden. Die elektrische Energie auf der Sekundärseite ist nicht gefährlich, da die verwendete Spannung maximal bei 15 V liegt.

Literatur: [1] DVS Taschenbuch Bd. 68 III (DVS Merkblätter. Widerstandsschweißtechnik)

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1.12-2 Seite 1

1. Varianten der Punktschweißung 1.1 Direkte Punktschweißung „zweiseitige Schweißung“ Bei der üblichen Punktschweißung werden zwei Schweißelektroden auf den gegenüberliegenden Seiten der Werkstücke positioniert. In diesem Fall kann der Schweißstrom auf direktem Weg durch den zu verschweißenden Bereich fließen. Es wird i.A. eine Schweißlinse je Schweißvorgang erzeugt. In einem optimierten Prozess tritt nahezu kein Nebenschlusseffekt auf. Die meisten Standardmaschinen werden für diese Variante gebaut.

Direkte Punktschweißung von zwei oder mehr Blechen

Sollen mehrere Punkte geschweißt werden, so kann dies mit einer speziellen Variante der zweiseitigen Schweißung, auch mit nur einer Stromquelle, erreicht werden.

„Parallel“-Schweißen mehrerer Punkte gleichzeitig

1.2 Indirekte Schweißung „einseitiger Prozess“ In vielen Situationen ist es unmöglich, die Elektroden auf den gegenüberliegenden Seiten des Werkstückes zu positionieren. Ein Beispiel hierfür sind sehr große Zusammenbauten wie AutomobilBodengruppen, bei denen für die zweiseitige Schweißung sehr weit ausladende Maschinen benötigt werden. In solchen Fällen kann die spezielle Technik der „indirekten Schweißung“ eingesetzt werden.

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Varianten der einseitigen Schweißung

Beim indirekten Schweißen werden i.A. mindestens zwei Schweißpunkte je Schweißvorgang erzeugt. Durch Verwendung von Kontaktelektroden kann jedoch auch eine Einzelpunktschweißung realisiert werden.

Einseitige Schweißung von Einzelpunkten mit Kontaktelektroden

2. Häufige Fehler 2.1 Nebenschluss Ein häufig auftretendes Problem ist das Auftreten von Nebenschluss beim Widerstandsschweißen. Nebenschluss bedeutet, dass ein Teil des Stromes nicht durch die zu schweißende Linse sondern auf verschiedensten Wegen an ihr vorbeifließt. In einigen Fällen kann der Nebenschluss vernachlässigbar klein sein, in anderen Fällen jedoch die Festigkeit der Schweißung empfindlich beeinträchtigen.

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Ursachen für den Nebenschluss sind: •

Abstand zwischen den Schweißpunkten zu klein bezogen auf Material und Dicke

•

Intensive Berührung der zu verschweißenden Teile nahe der Schweißung

•

Kontakt der Werkstücke mit stromführenden Teilen (Elektroden/-halter/-arme)

•

Indirekte Schweißung, besonders bei Nichtbeachtung der Lage der Blechdicken

•

Kontakt der Werkstücke mit elektrisch leitenden Führungen oder Einlegehilfen

•

etc...

Nebenschluss bei der zweiseitigen Schweißung

Die Höhe des Nebenschlussstromanteils ist u.a. abhängig von Punktabstand, Blechdicke(n), Leitfähigkeit des Materials und Oberflächenbeschichtungen.

Nebenschluss bei der einseitigen Schweißung, ungleiche Blechdicken

Als Nachteil gegenüber der zweiseitigen Schweißung fließt der Strom nicht ausschließlich durch die zu schweißenden Punkte, ein Teil geht als Nebenschluss verloren. Deshalb ist bei der einseitigen Schweißung i.A. mit einer schlechteren Qualität zu rechnen.

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2.2 Induktive Verluste Im Sekundärkreis entstehen Verluste durch den ohm’schen sowie den induktiven Widerstand der Maschine. Dabei ist der induktive Widerstand abhängig von der Fensterfläche „A“ (Ausladung * Armabstand), Frequenz des Sekundärstroms sowie Masse und Geometrie magnetisierbarer Bauteile, Vorrichtungen oder Werkstücke im Sekundärkreis. Durch Vergrößerung der Induktivität wird der erzielbare Sekundärstrom gemindert.

Erhöhte Induktivität bedingt durch das Werkstück (magnetisierbare Massen)

2.3 Elektrodenverschleiß Hohe Elektrodenkraft, Strom und Wärme verformen die Elektrodenkontaktflächen mit zunehmender Anzahl von Schweißpunkten. Wenn der Schweißstrom während der Fertigung gleich gehalten wird, so sinkt damit die Stromdichte und die Schweißqualität verschlechtert sich.

Einfluss des Elektrodenverschleißes auf die Stromdichte

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3. Elektroden Elektroden für das Widerstandsschweißen sind kein Zusatzwerkstoff, wie dies z.B. beim Lichtbogenhandschweißen der Fall ist. Die Aufgabe der Elektroden ist es, die Elektrodenkraft und den Schweißstrom auf das zu schweißende Material zu übertragen. Nach dem Schweißstromfluss müssen sie (meist) Wärme aus dem Werkstück ableiten um die geschmolzene Linse abzukühlen.

3.1 Elektrodenaufbau Der Elektrodenaufbau kann wie folgt aussehen: •

massive Elektrode (einstückig)

•

Elektrodenhalter + Elektrodenkappe

•

Kappe mit Innenkonus

•

Kappe mit Außenkonus

•

Schraubelektrode (für höhere Elektrodenkräfte) Schraubelektrode Kappe mit Innenkonus

Elektrodendurchmesser Elektrodenschaft (konisch) massive Elektrode

Kühlwasserbohrung

Elektrodentypen, grundsätzliche Unterscheidung

In der Fertigung werden meist Elektroden mit Kappen nach ISO 5821 eingesetzt. Die Aufteilung in Elektrodenhalter und -kappe hat hauptsächlich den Sinn beim Austausch nur kleine, preiswerte Teile zu ersetzen.

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d1

1)

l2

α

Seite 6

Elektrodenkraft 2) Fmax kN

d2

d3

l1

+0,5 0

e

R1

R2

13

5

10

18

8

3

32

5

--

16

6

12

20

9,5

4

40

6

15°

4

20

8

15

22

11,5

5

50

8

22,5

6,3

h11

1.12-2

2,5

1) Entspricht dem Kegeldurchmesser an der Bezugsebene der Lehre 2) Nur zur Information

Elektrodenkappen nach ISO 5821

Für eine lange Lebensdauer der Elektroden, man bezeichnet dies als Standmenge, ist eine ausreichende Kühlung wesentlich. Der prinzipielle Aufbau sowie einige wichtige Abmessungen einer Elektrodenkühlung werden im folgenden Bild gezeigt. ElektrodenArbeitsfläche Wasserrückfluss Wasserzufluss

14..18

5..8

Elektrodenkühlung

3.2 Elektrodenwerkstoffe Widerstandsschweißelektroden werden üblicherweise aus Kupferlegierungen hergestellt. Entsprechend den Anforderungen muss aufgabenabhängig das geeignete Material ausgewählt werden. Die wichtigsten Kriterien hierzu werden in den folgenden Diagrammen vorgestellt. Letztendlich ist die Auswahl immer ein Kompromiss zwischen den Härteeigenschaften und der Leitfähigkeit.

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Warmhärte verschiedener Elektrodenwerkstoffe

Anlassbeständigkeit verschiedener Elektrodenwerkstoffe

Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Materialien

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4. Rollennahtschweißen 4.1 Verfahren Wenn mehrere Punkte in einer Linie hintereinander geschweißt oder eine dichte Naht hergestellt werden soll, kann das Rollennahtschweißen zum Einsatz kommen. Anstelle von stiftförmigen Elektroden werden speziell geformte Elektrodenrollen benutzt, um Kraft und Strom auf das Werkstück zu übertragen und an der Schweißstelle zu konzentrieren.

Prinzip der Rollennahtschweißung

4.2 Schweißmaschinentypen

Schweißmaschinentypen für unterschiedliche Aufgaben

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4.3 Nahtformen Abhängig davon ob Reihen von Punkten bzw. Nahtstücken oder Dichtnähte zu schweißen sind, sowie abhängig von Material und Blechdicke wird mit verschiedenen Stromprogrammen gearbeitet.

Stromprogramme und zugehörige Nahtformen

Die Abstände zwischen den geschweißten Teilstücken können durch Einstellung der Strom- bzw. Pausenzeit sowie durch Veränderung der Schweißgeschwindigkeit variiert werden.

4.4 Verfahrensvarianten

Nahtvarianten beim Rollennahtschweißen

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1.12-3 Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Widerstandsbuckelschweißen RB 2. Stumpfschweißen

1 1 7

1. Widerstandsbuckelschweißen RB 1.1 Prinzip Das Buckelschweißen ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die für die Schweißung notwendige Stromkonzentration nicht von den verwendeten Elektroden, sondern vom Bauteil selbst erzeugt wird.

Punktschweißung

Buckelschweißung (geprägt)

Buckelschweißung (massiv)

Ringkanten(sicken)schweißung

Typische Stromverlaufsbilder von Punkt- und Buckelschweißungen

Das gleichzeitige Verschweißen mehrerer Buckel verkürzt die Fertigungszeiten und ist deshalb oft wirtschaftlicher als das Punktschweißen. 1.2 Mögliche Buckelgeometrien In der Praxis werden sowohl genormte, als auch nicht genormte Buckel eingesetzt. Zu den genormten Buckeln gehören die „geprägten“ Rundbuckel nach ISO 8167 (EN 28167) sowie Längs- und Ringbuckel nach DIN 8519. Jedoch werden auch nicht genormte geprägte Buckel eingesetzt.

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*)

1.12-3 Seite 2

Siehe Anhang A für die Beziehung zwischen Blechdicke t und Buckeldurchmesser d1. Maße in mm 1)

d1 + 0,1 0

a

1,6 2 2,5 3,2 4 5 6,3 8 10 1) 2)

2)

d

0,4 0,5 0,63 0,8 1 1,25 1,6 2 2,5

2)

0,5 0,63 0,8 1 1,25 1,6 2 2,5 3,2

Der Durchmesser des Stempels d3 muss ≥ d1 sein; ein Beispiel für einen Stempel enthält Anhang B. siehe Abschnitt 3 für Grenzabmaße der Höhe a Maße in mm

Blechdicke t t ≤ 0,5

Buckeldurchmesser d1 Gruppe A 1,6

Gruppe B

Gruppe C

2

2,5

0,5 < t ≤ 0,63

2

2,5

3,2

0,63 < t ≤ 1

2,5

3,2

4

< t ≤ 1,6

3,2

4

5

1,6 < t ≤ 2,5

4

5

6,3

2,5 < t ≤ 3

5

6,3

8

1

ISO 8167 – P 3.2 kein zylindrischer Ansatz h = 0,8 mm Stempel-∅ d2 = 1,0 mm d1 = 3,2 mm v = 15 : 1

„Sonderbuckel“ zylindrischer Ansatz h = 1,8 mm Stempel-∅ d2 = 1,25 mm d1 = 3,2 mm V = 15 : 1

Norm-Buckel (ISO 8167) und nicht genormter Buckel

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Eine weitere Besonderheit des Buckelschweißens zeigt sich jedoch bei der Verwendung „natürlicher“ Buckel. Das wohl bekannteste Beispiel sind Bewehrungsmatten, die in Betondecken eingegossen werden. Hier handelt sich um eine typische Buckelschweißung mit „natürlichen“ Buckel (Kreuzdrahtschweißungen).

(3) Kreuzdrahtschweißung

(1) Ringschweißung über Lochkanten

Form des Drahtes dient als Buckel, z.B.: Fertigung von Baustahlmatten

(4) Dreistoffschweißung Drahtring ersetzt den Buckel, gleichen Werkstoff wählen, erforderlich, wenn kein Buckel angebracht werden kann

Beispiele von Buckelschweißungen mit „natürlichen“ Buckeln

1.3 Richtwerte und verschweißbare Werkstoffe Ähnlich wie beim Widerstandspunktschweißen lassen sich mit dem Buckelschweißen Eisen- und Nichteisenmetalle verschweißen − − − − −

Stahl Stahl, verzinkt Aluminium Messing Kupfer

Jedoch ist das Buckelschweißen „weicher“ Werkstoffe nur mit speziellen Schweißmaschinen sicher einsetzbar.

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1.12-3

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Blechdicke s

Seite 4

mm

Reihe 1 s mm

Reihe 2 s mm

F kN

0,5

ls kA

ts Per

0,4

4,0

3

> 0,5 ≤ 0,63

0,6

4,2

4

> 0,63 ≤ 1,0

0,8

4,5

4

> 1,0 ≤ 1,6

> 0,63 ≤ 1,0

1,25

6,3

5

> 1,6 ≤ 2,5

> 1,0 ≤ 1,6

2,0

8

7

> 1,6 ≤ 2,5

3,6

12

14

> 2,5 ≤ 3,2

6,5

16

20

Sind leistungsfähige Maschinen vorhanden, so sollte man bemüht sein, die Stromzeiten zu verkürzen und dafür einen stärkeren Strom zu wählen.

Richtwerte für das zweiseitige Buckelschweißen unbeschichteter Stahlbleche (DVS 2905) Einzelblech2) dicke t mm

Elektrodenkraft FEL

Schweißstrom ls

kN

kA

0,8

0,8

1,0

1,3

1,25

1,8

1,5

2,3

9,6

2,0

3,5

10,2

2,5

4,8

10,6

3,0

6,0

12,0

1) 2) 3) 4)

Schweißzeit ts

3)

4)

Buckelhöhe h

Per.

Buckeldurch4) messer d1 mm

5,5

4

3,2

0,8

1,3

8,0

5

4,0

1,0

2,5

8,7

6

4,0

1,0

3,6

9

4,0

1,0

5,5

12

5,0

1,25

9

13

5,0

1,25

15

15

6,3

1,6

18

mm

Scherzugkraft F kN

Die Parameter gelten für einen einzelnen Rundbuckel. Faktoren für zunehmende Buckelzahl: Stromzeit unveränderlich, Elektrodenkraft und Schweißstrom mit Zahl der Buckel erhöhen. Scherzugkraft steigt unterproportional zur Anzahl der Buckel. Zwei Bleche gleicher Dicke aus weichen Stählen zum Kaltumformen nach EN 10142, Zinkauflage 140 und 275 g/m, geölt. Angaben bezogen auf 50 Hz Wechselstrom. Buckelprägung nach DIN EN 28167, Rundbuckel Tabelle 1 bzw. Tabelle A.1, Gruppe B.

Richtwerte für das zweiseitige Buckelschweißen feuerverzinkter Stahlbleche

1)

(DVS 2910)

Einzelblechdicke 2) t mm

Zinkauflage µm

Elektrodenkraft FEL kN

0,8

2,5 ... 7,5

1,3

6

6

3,2

0,8

1,0

2,5 ... 7,5

1,8

7

8

3,2

0,8

1,25

2,5 ... 7,5

2,5

8

9

4,0

1,0

1) 2) 3) 4)

Schweißstrom ls kA

Schweißzeit 3) ts Per

Buckeldurchmesser 4) mm

Buckelhöhe 4) mm

1,5

2,5 ... 7,5

3,0

9

9

4,0

1,0

2,0

2,5 ... 7,5

4,0

10,5

11

5,0

1,25

2,5

2,5 ... 7,5

5,0

13

12

5,0

1,25

3,0

2,5 ... 7,5

6,0

14

13

6,3

1,6

Die Parameter gelten für einen einzelnen Rundbuckel. Faktoren für zunehmende Buckelzahl: Stromzeit unveränderlich, Elektrodenkraft und Schweißstrom mit Zahl der Buckel erhöhen. Scherzugkraft steigt unterproportional zur Anzahl der Buckel. Zwei Bleche gleicher Dicke aus unlegierten Weichstählen zum Kaltumformen nach EN 10130, zweiseitig elektrolytisch verzinkt, geölt. Angaben bezogen auf 50 Hz Wechselstrom. Buckelprägung nach DIN EN 28167, Rundbuckel Tabelle 1 bzw. Tabelle A.1, Gruppe B.

Richtwerte für das zweiseitige Buckelschweißen elektrolytisch verzinkter Stahlbleche

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1)

(DVS 2926)

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Widerstandsschweißen III

1.12-3 Seite 5

Die angegebenen Richtwerte beziehen sich auf die Verschweißung eines Buckels. Werden –wie üblich– mehrere Buckel gleichzeitig verschweißt, ist der Richtwert des Schweißstromes und der der Elektrodenkraft mit der zu verschweißenden Buckelanzahl zu multiplizieren. Die Schweißzeit ist für alle Buckelanzahlen konstant. 1.4 Schweißmaschinen Der prinzipielle Aufbau einer Buckelschweißmaschine entspricht dem einer Punktschweißmaschine. Jedoch ist aufgrund der oft erheblich höheren Elektrodenkräfte das Maschinengestell wesentlich steifer auszulegen (Aufbiegung). Die hohen notwendigen Schweißströme erfordern ebenfalls eine größere Dimensionierung des Sekundärkreises (z.B. Transformator). Ein weiterer Unterschied zwischen Buckel- und Punktschweißmaschinen sind die genuteten Spanntische. Sie dienen zur Aufnahme der Werkstückhalter und garantieren kurze Rüstzeiten beim Wechsel der Schweißaufgabe.

Buckelschweißmaschine

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1.12-3 Seite 6

Aufgrund von Aufbiegungseffekten kann es bei großflächigen Arbeitstischen zu einer ungleichen Kraftverteilung kommen. Zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung können Stromverdrängungseffekte (Wechselstrom) sowie „ohmsche“ Effekte (Gleichstrom) führen.

Kraftverteilung einer C-Rahmen-Buckelpresse bei starrem Werkzeug

Stromverteilung bei Wechselstrom. Die Stromstärke nimmt infolge Stromverdrängung nach außen hin zu.

Stromverteilung bei Gleichstrom. Die Stromverteilung nimmt infolge der längeren Wege und der damit größeren Widerstände nach außen hin ab.

Strom- und maschinenbedingte Effekte beim Buckelschweißen

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1.12-3 Seite 7

2. Stumpfschweißen 2.1 Prinzipien Beim Stumpfschweißen mittels Widerstandserwärmung unterscheidet man: − Widerstandspressstumpfschweißen − Widerstandsabbrennstumpfschweißen

Varianten des Stumpfschweißens

Die Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich der maximal verschweißbaren Querschnitte, des Nahtaussehens und der erreichbaren Schweißgüten.

2.1.1 Der Verfahrensablauf beim Pressstumpfschweißen Aschw = 1 – 600 mm² lässt sich wie folgt beschreiben: − − − − −

Zusammendrücken der Fügeteile Strom einschalten Schweißwärme abwarten Stauchen Strom abschalten

Voraussetzung bei diesem Schweißverfahren sind planparallele und saubere Stoßflächen. Nur so ist eine gleichmäßige Erwärmung über den ganzen Querschnitt möglich. Etwaig vorhandene Verunreinigungen auf den Stoßflächen können in der Fügeebene eingeschlossen werden, was einen qualitätsmindernden Einfluss auf die Schweißung hat. Vorhandene Verunreinigungen müssen „ausgestaucht“ werden. D.h. der hierbei entstehende Längenverlust (abhängig vom Querschnitt) ist konstruktiv zu berücksichtigen.

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1.12-3

Widerstandsschweißen III

Seite 8

2.1.2 Das Abbrennstumpfschweißen (Aschw = 50 – 120 000 mm²) zeigt einen deutlich komplexeren Verfahrensablauf. Man unterscheidet: a) Abbrennstumpfschweißen ohne Vorwärmung → Kaltabbrennstumpfschweißen (Großflächenquerschnitte) b) Abbrennstumpfschweißen mit Vorwärmung (Kompaktquerschnitte) Der zeitliche Ablauf lässt sich wie folgt beschreiben Strom einschalten Schlitten verschieben bis sich die Fügeteile berühren und Strom fließt Schlitten zurückziehen mehrfach wiederholen

Vorwärmen

Schlitten langsam unter stetigem Funkenwurf vorschieben Fügeteile brennen

Abbrennen

Schlitten schlagartig vorschieben Strom abschalten

Stauchen

Phasen des Abbrennstumpfschweißens

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Widerstandsschweißen III

1.12-3 Seite 9

2.2 Richtwerte und verschweißbare Werkstoffe Richtwerte für das Abbrennstumpfschweißen Einspannlänge (einseitig) Querschnitt [mm²]

Einseitige Einspannlänge 15 ... 35 18 ... 40 22 ... 45 28 ... 55 35 ... 70 50 ... 85 65 ... 100

300 500 1 000 2 000 5 000 10 000 20 000 dünner

dicker Querschnitt

Richtwerte: ≈ 0,8 ⋅ d d.h. Backenabstand ≈ 1,6 ⋅ d bei kohlenstoffarmen Stahl Die abweichenden Stoffwiderstände anderer Werkstoffe bedingen: schlecht leitende Werkstoffe: kürzere Einspannung gut leitende Werkstoffe: längere Einspannung Längenzugabe je Werkstückende Querschnitt mm²

Vorwärm- und Abbrennverlust mm

100 500 1 000 5 000 10 000 20 000

2,0 3,5 4,5 8,0 9,0 12,0

Stauchverlust mm

Gesamtverlust je Werkstückende mm

1,5 2,0 2,5 4,0 5,0 6,0

3,5 5,5 7,0 12,0 14,0 18,0

Notwendige Stauchkräfte unlegierte Stähle bis 0,2 % C unlegierte Stähle bis > 0,2 % C niedriglegierte Stähle höherlegierte Stähle Großoberflächenquerschnitte Leichtmetall sonstige Nichteisenmetalle

20 ... 60 N/mm² 40 ... 100 N/mm² 40 ... 100 N/mm² 60 ... 150 N/mm² bis zu 500 N/mm² 150 ... 200 N/mm² 5 ... 10 N/mm²

Sonstige Kennwerte Spezifischer Strom beim Vorwärmen Spezifischer Strom beim Abbrennen Sek. Leerlaufspannung Vorwärmgeschwindigkeit Abbrenngeschwindigkeit Stauchgeschwindigkeit Planbrenngeschwindigkeit Schweißzeit in s

2,5 ... 10 A/mm² 1,8 ... 7 A/mm² < 15 V ≈ 2 mm/s 0,5 ... 2 mm/s 25 ... 200 mm/s 0,1 ... 0,2 mm/s Querschnitt / 50

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E1, E2 :

freie Einspannlänge je Werkstückende

E1 + E2 :

Abstand der stromführenden Spannbacken

1.12-3 Seite 10

Vorwärm-Längenverlust je Werkstückende V1, V2 : (enthält gegebenenfalls den Planbrennverlust) A1, A2 :

Abbrenn-Längenverlust je Werkstückende

St1, St2 :

Stauch-Längenverlust je Werkstückende

L1 = V1 + A1 + St1 : Längenzugabe je Werkstückende L2 = V2 + A2 + St2 : L1 + L2 :

Gesamt-Längenverlust

Längenzugabe je Werkstückende

Gesamtlängenverlust (unleg. Stahl, -Querschnitt)

Freie Einspannlänge

Einspannlänge und Längenzugabe

Einstellregeln für Stahl 1,6 ⋅ d Werkstück 0,7 – 0,9 der gesamten Zugabe 20 s je 650 mm² oder 10 s je 2,54 mm Blechdicke 1/3 – 1/5 des Kurzschlussstromes 30 – 60 N/mm² bei C-Stahl, 60 – 240 N/mm“ bei legierten Stahl = 1,5 – 2,0 x Stauchkraft Spannkraft FSp Maschinenleistung = 4 – 8 kVA/cm² Querschnitt Abbrennstrom ≈ 3 A/mm² Querschnitt Backenabstand Abbrennzugabe Abbrennzeit Abbrennstrom Stauchdruck

≈ = = = =

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Widerstandsschweißen III

1.12-3 Seite 11

Werkstoffe: Stahl, Kupfer, Aluminium, Messing, Titan, Molybdän Die Abbrennstumpfnahtschweißung wird wesentlich von den Maschineneigenschaften bestimmt (Schweißstrom, Stauchkraft, Schlittengeschwindigkeit ...) 2.3 Schweißmaschinen Die wesentlichen Komponenten einer Stumpfschweißmaschine sind: − − − − −

Maschinengestell Spanntürme mit Spannbacken Schlitten Sekundarkreis mit Transformator Schweißsteuerung

Prinzipieller Aufbau einer Stumpfschweißmaschine

2.4 Anwendungsbeispiele Zahlreiche Anwendungsbeispiele abbrennstumpf- und pressstumpfgeschweißter Bauteile zeigt DVSMerkblatt 2901 Teil 3 Anwendungsbereiche sind: − − − − − −

Fahrzeugindustrie Draht-, Ketten- und Kabelindustrie Maschinenbau und Elektrotechnik Bauindustrie Hüttenindustrie, Bergbau und Bahnanlagen Chemischer Apparatebau

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1.12-3

Widerstandsschweißen III

Belüftungsrahmen

Seite 12

Bierfassflansch

Anwendungsbeispiele: RA und RPS-Schweißungen

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1.12-4

Widerstandsschweißen IV

Seite 1

1. Steuerung der Schweißparameter 1.1 Übliche Parameterbereiche In der Widerstandsschweißtechnik müssen verschiedene Parameter eingestellt werden. Einen Überblick über übliche Bereiche der wichtigsten Parameter gibt die folgende Tabelle.

Anwendungsbereich

RP

RR

RB

RPS, RA

Punktschweißung

Rollennahtschweißung

Buckelschweißung

Press- und Abbrennstumpfschweißung

St: 0,1 ... 12 mm Al: 0,2 ... 4 mm

St: 0,1 ... 3 mm

St: 0,5 ... 6 mm 1 ... 25 Buckel

St: 1 ... 40000 mm²

Kraft

FE

[N]

50 ... 150000

1000 ...7000

500 ... 300000

2000 ... 500000 (stauchen)

Strom

IS

[kA]

1 ... 100

5 ... 30

5 ... 200

1 ... 80

Schweißzeit

tS

[Per] [s]

1/2 ... 250 0,01 ... 5

1 ... Dauer 0,02 ... Dauer

1 ... 50 0,02 ... 1

2 ... 1000

Leerlaufspannung

U20

[V]

1,5 ... 15

5 ... 8

5 ... 9

5 ... 15

Nennleistung

SA

[kVA]

5 ... 400

20 ... 250

10 ... 800

20 ... 1600

Primärstrom

I1

[A]

4 ... 1000

4 ... 600

4 ... 3000

4 ... 2000

Schweißgeschwindigkeit

vS

[m/min]

---

0,9 ... 5

---

---

Stauchgeschwindigkeit

vSt

[mm/s]

---

---

---

25 ... 200

Anmerkung: Die obige Tabelle zeigt die üblichen Parameter in der "normalen" Fertigung. In Einzelfällen sind natürlich auch Werte unterhalb oder oberhalb der genannten Bereiche möglich.

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1.12-4

Widerstandsschweißen IV

Seite 2

1.2 Beispiele möglicher Schweißprogramme Einimpulsschweißung

tV

tS

tN

tP

IMP=3

Mehrimpulsschweißung

tS

Stromanstieg und Stromabfall

tAn

tAb

tS

Stromprogramm

tVW

tK

tRK

tNW

Kraft- und Stromprogramm

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1.12-4 Seite 3

1.3 Betriebsarten

Betriebsart

Schema

Symbol

Einzelpunkt:

Serienpunkt:

tO

Dauerstrom:

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1.12-4

Widerstandsschweißen IV

Seite 4

1.4 Elektrischer Aufbau von Widerstandsschweißmaschinen

1

=

Druckluftbetätigtes Elektrodenkrafterzeugungssystem

2

=

Oberarm

3

=

Maschinengestell

4

=

Schweißtransformator

5

=

Fußbetätigter Startschalter

6

=

Unterarmhalter

7

=

Stromplatte zur Unterarmhalterbefestigung

8

=

Sekundärspule des Schweißtransformator

9

=

Primärspule des Trafos

10

=

Stufenschalter

11

=

Druckluftanschluss

12

=

Maschinen-Klemmleiste

13

=

Steuerung

14

=

Unterarm

15

=

Elektrodenhalter

16

=

Elektroden

17

=

Stromfeder

18

=

Stromschiene

Schematischer Aufbau einer Widerstandspunktschweißmaschine

Schema des elektrischen Aufbaus einer Widerstandsschweißmaschine

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1.12-4 Seite 5

2. Schweißsteuerung 2.1 Bauarten des Steuerteils 2.1.1 Analogsteuerungen, asynchron und synchron Diese Steuerungen verfügen über Zeitkreise, die in analoger Technik (RC-Glieder) aufgebaut sind. Hier kann es durch Bauteiltoleranzen, Alterung und Umgebungsbedingungen zu Schwankungen der tatsächlich auftretenden Zeiten von bis zu ± 2 Perioden kommen. Asynchronsteuerungen schalten ohne genauen Bezug zur Netzfrequenz. Hierdurch kann es zu Einschaltstromspitzen kommen, die Thyristoren und Transformator beschädigen können. Synchronsteuerungen haben einen festen Bezug zur Netzfrequenz und schalten die Halbwellen zu genau festgelegten Zeitpunkten zu. Stromspitzen werden dadurch vermieden.

Ausgleichsvorgänge beim Einschalten

Stromverläufe ohne und mit Synchronisation

2.1.2 Digitalsteuerungen Die Zeitkreise von Digitalsteuerungen sind mit Hilfe von elektronischen Zählschaltungen realisiert, Zeitungenauigkeiten treten hierbei nicht auf. Digitalsteuerungen arbeiten grundsätzlich synchron.

Einzelprogramm-Steuerung

Multiprogramm-Steuerung

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1.12-4 Seite 6

2.2 Leistungsteil der Schweißsteuerung 2.2.1 Thyristor

2.2.2 Schaltung der positiven und negativen Halbwelle

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1.12-4 Seite 7

2.3 Möglichkeiten der Stromeinstellung 2.3.1 Stromeinstellung über Stufenschalter

2.3.2 Stromeinstellung durch Phasenanschnitt

U1

Zündwinkel

Thyristor leitend (gezündet)

Stromflusswinkel

I2

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1.12-4

Widerstandsschweißen IV

Seite 8

3. Maschinenbauarten (Stromarten)

Schweißstromform (zum Vergleich auch z.T. Primärstromform)

Schaltskizze

3.1 konventionelle Wechselstrommaschinen: Wechselstrom 50 Hz L1 L2 L3

I

3.2 Frequenzwandlermaschinen: Wechselstrom mit erniedrigter Frequenz, z.B. 162/3 Hz L1 L2 L3

I

3.3 konventionelle Gleichstrommaschine mit Sekundärgleichrichtung L1 L2 L3

I

3.4 Gleichstrommaschine mit Inverter ("Mittelfrequenz") L1 L2 L3

I

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1.12-4

Widerstandsschweißen IV

Seite 9

3.5 Kondensatorentladungsmaschine (CD) (Speichermaschine) L1 L2 L3

I2

4. Prüfung von Widerstandsschweißungen Zerstörende Prüfung von Widerstandsschweißverbindungen

Schweißverfahren

Zerstörende Prüfung

Punkt

Naht

Buckel

Stumpf

Abrollprüfung für dünne Bleche (Werkstattprüfung)

X

X

X

--

Meißelprüfung für dicke Bleche (Werkstattprüfung)

X

X

X

--

1)

Torsionsprüfung

X

X

nur bei 1 Buckel

--

3)

Kopfzugprüfung

X

X

X

--

2)

Scherzugprüfung a) reiner Scherzug b) Scherzug mit Kopfzugeinfluss

X

X

X

--

1)

1)

4)

Zugversuch

--

--

--

X

4)

Kerbschlag-Biegeversuch

--

--

--

X

4)

Faltversuch

--

--

--

X

4)

Messung der Durchbiegung

--

--

--

X

4)

Erichsen-Tiefungsversuch *

--

--

--

X

X Prüfung üblich -- Prüfung nicht üblich * für Bänder und Bleche

1) 2) 3) 4)

DVS-Merkblatt 2916 DIN/ISO 50124 DIN/ISO 50164 DVS 2922

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1.12-4

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Seite 10

Schweißverfahren Metallografische Prüfung

Punkt

Naht

Buckel

Stumpf

Makroschliffe innere Fehler in der Schweißzone

X

X

X

X

Mikroschliffe Gefügeuntersuchung

X

X

X

X

Härteprüfung

X

X

X

X

X = üblich;

(X) = bedingt einsetzbar

-- = nicht üblich

Schweißverfahren Nicht zerstörende Prüfung

Punkt

Naht

Buckel

Stumpf

Röntgenprüfung

(X)

--

(X)

X

Ultraschall-Prüfung

(X)

(X)

(X)

(X)

X

X

X

X

Fluxen (nur Oberflächenrisse) X = üblich;

(X) = bedingt einsetzbar

-- = nicht üblich

5. Überwachung und Regelung während der Schweißung Verhalten bei Veränderung von... Überwachungsgröße

Messwertaufnehmer

Schweißstrom

Messgürtel

Schweißspannung

Elektrodenklemmen

Widerstandsverlauf

Messgürtel + Elektrodenklemmen

Elektrodenbewegung, thermische Expansion

Wegmesssensor oder Beschleunigungsaufnehmer

++ Eignung stets vorhanden

Netzspannung

Elektrodenkraft

Elektrodenform

Werkstückoberfläche

Nebenschluss

Schweißspritzer

Linsendurchmesser

°

++ ++

°

°

+

°

°

°

+

°

+

+

+

°

+

++

°

+

+

°

+

+

++

°

+

+

°

+

+

+ Eignung im allgemeinen vorhanden

° Eignung teilweise vorhanden

Verfahrensüberwachungssysteme für die Widerstandspunktschweißung

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Widerstandsschweißen IV

1.12-4 Seite 11

Regelsysteme

Führungsgröße

Anwendung

Zeitregler

Spannung Elektrodenweg Widerstandsverlauf

Änderung von Netzspannung, Elektrodenkraft, Blechdicke, Nebenschluss Änderung von Netzspannung, Elektrodenkraft, Nebenschluss Änderung von Netzspannung, Blechdicke, Nebenschluss

Phasenanschnittregler

Strom Spannung Leistung

keine Untersuchungsergebnisse keine Untersuchungsergebnisse Änderung von Netzspannung, Elektrodenform, Oberflächenzustand, Elektrodenkraft, Nebenschluss Änderung von Netzspannung, Elektrodenform, Oberflächenzustand, Elektrodenkraft, Nebenschluss

Elektrodengeschwindigkeit kombinierte Regler

Widerstand (Vorwärmphase) Elektrodenweg

Störgrößen, z.B. Nebenschluss, Netzspannung, Blechdicke

Überwachung

Messung der thermischen Expansion, Messung des Strom-, Spannungsoder Leistungsintegrals

automatisches Nachstellen

Schrittregelungen für die nach der Messung folgende Schweißung

Prozessregelungen

hier wird bereits während der Schweißung, z.B. nach 1/2 Per. die Stromzeit oder Stromhöhe nachgestellt

nicht geeignet

Messung der Oberflächentemperatur

Literatur: Taschenbuch Band 68 III DVS Verlag

DVS Merkblätter Widerstandsschweißtechnik

DVS 2904

Steuerungen für Punkt-, Buckel- und Nahtschweißmaschinen

DVS 2908

Messen beim Punkt-, Buckel- und Nahtschweißen

DVS 2916 ISO 10447

Prüfen von Punktschweißungen

M. Krause:

Widerstandspressschweißen (DVS Band 25: Die schweißtechnische Praxis)

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1.12-4 Seite 12

Schweißprozesse und -ausrüstung

1.13-1

Sonderschweißverfahren I

Seite 1

PLASMASCHWEIßEN 1. Plasmaverfahren Die Plasmaschweiß- und Plasmaschneidverfahren sind relativ neu. 1955 wurde bei UCC ein Plasmabrenner für das Plasmaschneiden von Aluminium unter dem Namen „Heliarc-Cutting“ vertrieben. Ein Jahr später wurde dieser Brenner von der Firma Linde übernommen und „Presslichtbrenner“ genannt. Der Grund für die Entwicklung des Plasmaverfahrens war die verstärkte Anwendung von Chrom-NickelStählen und Al-Werkstoffen. Beide Werkstoffgruppen konnten mit dem autogenen Brennschneiden nicht geschnitten werden. Aufbauend für diese Plasmabrenner sind eine Reihe von Verfahren für das Verbinden, für das Auftragen und für das Trennen entwickelt worden. Die Plasmaverfahren sind nach DIN 1910 Blatt 4 als WP (Wolfram-Plasma), weiter WPS (Plasma-Strahl) und WPL (Plasma mit übertragenen Lichtbogen) bezeichnet. Plasmaverfahren Verbinden

Auftragen

Trennen

Mikro-Plasmaschweißen

Plasma-Pulver-Auftragsschweißen

Plasmaschneiden mit Ar, H2, N2 oder O2

Plasmaschweißen

Plasma-Heißdraht-Auftragsschweißen

Plasmaschneiden mit Luft

Plasmaschweißen mit Stichloch

Plasma-MIG-Auftragsschweißen

Plasmaschneiden unter Wasser

Plasma-ªPol-Schweißen

Plasmaspritzen

Plasmaschneiden mit Wasserinjektion

Plasmaschweißen mit Wechselstrom Plasma-MIG-Schweißen

Tabelle 1: Verfahrenskurzbeschreibung Verfahren

Anwendung

Stromstärke

Werkstoffe

Bemerkungen

Mikro-PlasmaVerbindungsschweißen

Verbinden von Folien, Blechen, Rohren, Drähten usw. von 0,1 – 1 mm

0,2 – 20 A Gleichstrom Elektrode Pol

CrNi-Stähle, Ni-Leg., beruhigte Baustähle Sonderwerkstoffe

Hand- und Maschinenschweißung, bei sehr dünnen Bauteilen, sehr präzise Spannvorrichtung notwendig, meistens ohne Zusatzwerkstoff

Plasma-Verbindungsschweißen

Verbinden von Bauteilen bis > 3mm

> 20 – 200 A Gleichstrom, Elektrode Pol

wie oben

Hand- und Maschinenschweißung mit und ohne Zusatzwerkstoff möglich

Plasmaschweißen mit Stichlocheffekt

Verbinden von Blechen, Rohren usw. von 3 – 9 mm Dicke

100 - > 300 A Gleichstrom oder Wechselstrom

wie oben

nur Maschinenschweißung, durch den Stichlocheffekt gute Wurzelausbildung, gute Nahtvorbereitung mit u. ohne Zusatzwerkstoff möglich

Plasmaschweißen von Al-Werkstoffen

Verbinden von Bauteilen von 0,5 - > 10 mm

20 – > 200 A Gleichstrom, Elektrode ªPol oder Wechselstrom

Aluminium und Al-Legierungen

Normal-Plasma und Stichlochtechnik möglich

Plasma-MIGSchweißen

Verbinden von Bauteilen von 3 - > 10 mm

> 300 A Gleichstrom

hauptsächlich Al und Al-Legierungen

nur Maschinenschweißung, sehr leistungsfähig

Plasma-HeißdrahtAuftragsschweißen

großflächige Auftragungen von korrosionsbeständigen und verschleißfesten Schichten

Plasma:

Plasma-PulverAuftragsschweißen

Auftragen von harten und verschleißfesten Schichten an kleinen Bauteilen

bis 300 A

hochlegierte Werkstoffe, Karbide, Stellite in Pulverform

maschinelles Verfahren, sehr geringe Aufmischung mit dem Grundwerkstoff

Plasmaspritzen

Auftragen von dünnen Schichten

bis 500 A

viele Metalllegierungen, Metalloxide, keramische Werkstoffe

sehr große Flächenleistung, bei guter Vorbereitung sehr gute Haftung der Spritzschichten

Plasmaschneiden

Trennen von elektrisch leitenden Werkstoffen bis 100 mm Dicke

100 - > 500 A

CrNi-Stähle, Aluminium, Al-Legierungen, Baustähle, Sonderwerkstoffe

meist maschinell geführter Brenner, hohe Schneidgeschwindigkeit, gute Schnittkanten

450 A CrNi-Stähle, Baustähle, Cu, Cu-Legierungen, Ni, Ni-Legierungen, Sonderwerkstoffe, Hartauftragungen

Heißdraht: 150 – 400 A

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hauptsächlich für große Bauteile, z.B. Reaktordruckgefäße

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Sonderschweißverfahren I

1.13-1 Seite 2

2. Plasmalichtbogen Der Plasmalichtbogen unterscheidet sich von einem frei brennenden Lichtbogen dadurch, dass dieser durch eine sehr gut wassergekühlte Kupferdüse eingeschnürt wird. Der Lichtbogen brennt im Allgemeinen zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück. Die Plasmadüse ist stromlos. Aus der Bohrung der Düse strömt ein inertes Gas (Argon), welches im Lichtbogen hoch erhitzt und elektrisch leitend (Plasmaeffekt) wird. Durch die Form der Plasmadüse und der Plasmagasmenge kann der Lichtbogen in weiten Grenzen der Schweißaufgabe optimal angepasst werden. Vergleich: WIG-Lichtbogen - Plasmalichtbogen Ein WIG-Lichtbogen brennt frei zwischen einer nicht abschmelzenden Wolfram-Elektrode und dem Werkstück. Je nachdem, welches Schutzgas für die Abschirmung des Schweißbades verwendet wird, ändert sich bei sonst gleichen Bedingungen die Einbrandform ganz erheblich (Bild 1). Der wichtigste Grund hierfür ist die Wärmeleitfähigkeit der Gase. In Bild 2 hat z.B. He gegenüber Ar im Temperaturbereich von 1.000 – 10.000 K eine 5 – 10-fach höhere Wärmeleitfähigkeit. Von der im Lichtbogen umgesetzten Energie wird bei einem gut wärmeleitenden Gas (Helium) mehr Wärme in die Umgebung abgegeben. Ein Strom kann in einem Gas nur dann übertragen werden, wenn dieses Gas ionisiert ist. In diesem Fall – ein thermisches Plasma – also leitfähig durch seine hohe Temperatur. Es bildet sich ein sehr heißer Lichtbogenkern aus. Die Temperatur fällt radial nach außen ab. Je nachdem, welches Gas verwendet wird, ist dieser Temperaturabfall unterschiedlich. Bei einem gut wärmeleitenden Gas geringer, bei einem schlecht wärmeleitenden Gas ein starker Temperaturabfall. Betrachtet man den Temperaturabfall beim WIG-Lichtbogen und vergleicht diesen mit der typischen Einbrandform, so zeigen diese den gleichen Verlauf. Beim Plasmalichtbogen wird absichtlich der Temperaturabfall vom Lichtbogenkern nach außen durch die wassergekühlte Kupferdüse stark erhöht. Bei einer Plasmadüsenbohrung von z.B. 3 mm ist die Temperatur im Lichtbogenzentrum von ~ 20.000 K auf einer Strecke von weniger als 1,5 mm radial nach außen auf etwa 1.300 K abgefallen. Wäre die Temperatur an der Düsenbohrung höher, so würde die Kupferdüse schmelzen.

Bild 1: Temperaturprofil bei WIG- und Plasmalichtbogen

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Sonderschweißverfahren I

1.13-1 Seite 3

Bild 2: Wärmeleitfähigkeit von Gasen bei hohen Temperaturen

3. Aufbau der Stromquellen für das Plasmaschweißen Die Stromquellen sind Konstantstromquellen (Gleichstrom oder Wechselstrom), d.h. eine Lichtbogenlängenänderung bewirkt eine starke Änderung der Lichtbogenspannung und keine bzw. geringe Änderung des Schweißstromes. Die Regelung des Schweißstromes erfolgt wie bei WIG-Stromquellen durch Streukern, Transduktor, Thyristoren oder Transistoren. Die Leerlaufspannung dieser Stromquellen ist meistens bis an die oberste zulässige Grenze (VDE) erhöht, um gute Zündeigenschaften zu haben. Je nach Verwendungszweck kann die Stromquelle mit Zusatzeinrichtungen, wie z.B. Stromanstieg, pulsierendem Schweißstrom, Stromabsenkung usw., ähnlich wie beim WIG-Schweißen ausgestattet sein.

4. Zünden des Lichtbogens 4.1 Elektrode

Pol

Englische Bezeichnungen: Straight Polarity or DCSP Für die meisten Anwendungen ist die Elektrode negativ (Kathode) gepolt. Das Werkstück ist positiv (Anode). Wie beim WIG-Schweißen! Das Zünden eines WIG-Lichtbogens geschieht entweder durch Berühren des Werkstücks mit der Elektrode oder besser berührungslos mit Hilfe von Hochspannungsimpulsen bzw. mit der sogenannten Lift-Arc-Technik. Da die Elektrode beim Plasmabrenner durch die Düse verdeckt ist, bedarf es eines Hilfslichtbogens, um den Hauptlichtbogen von Elektrode zum Werkstück sicher zu zünden (Bild 3). Der Hilfslichtbogen (Pilotlichtbogen) wird mit Hochspannungsimpulsen zwischen Elektrode und Düse gezündet (Stromstärke ca. 10 A). Dieser Hilfslichtbogen ionisiert das aus der Düse austretende Plasmagas. Nach Einschalten des Schweißstromkreises springt der Lichtbogen von der Elektrode auf das Werkstück über.

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4.2 Elektrode ªPol Englische Bezeichnung: Reverse Polarity, DCRP Für das Schweißen von Werkstoffen mit hochschmelzenden Oxiden (Al und Al-Legierungen) muss die Elektrode positiv gepolt sein. Ionen treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Blechoberfläche auf und zerstören die Oxidhaut. Nur dann ist ein Schweißen möglich. Das Zünden des Hauptlichtbogens geschieht direkt von der Elektrode zum Werkstück mit Hilfe von Hochspannungsimpulsen. Gegenüber dem Schweißen mit negativ gepolter Elektrode ist bei positiver Polung die Zündung etwas erschwert. Argon → gut; Helium → schlecht. Bei maschinell geführtem Brenner wird deshalb oft mit Argon gezündet und nach Brennen des Lichtbogens auf Helium umgeschaltet.

Bild 3: Zünden eines Plasmalichtbogens mit negativ gepolter Elektrode

5. Verbindungsschweißen mit dem Plasmaverfahren 5.1 Plasmabrenner Plasmabrenner sind als Hand- und Maschinenbrenner auf dem Markt erhältlich. Brenner mit negativ gepolter Elektrode sind seit Jahren im Einsatz und erreichen sehr gute Standzeiten. Brauchbare Brenner, die auch ein Schweißen mit positiv gepolter Elektrode zulassen (Elektrodenbelastung bis 8 mal höher), werden nur von wenigen Firmen hergestellt. Die Handschweißbrenner sind den WIG-Brennern ähnlich. Griffrohr mit abgewinkeltem Brennerkopf. Dieser ist bei Plasmabrennern größer im Durchmesser als bei WIG-Brennern. Die Wolframelektrode muss sehr genau zentriert sein, damit der radiale Abstand zwischen Düse und Elektrode absolut gleich ist. Der axiale Abstand zwischen Elektrode und Düse wird mit Einstelllehren bestimmt und sollten auf ±0,1 mm eingehalten werden. Wird beim WIG-Schweißen die Elektrode überlastet (zu viel Strom), so brennt diese ab. Der Schaden ist verhältnismäßig gering. Wird dagegen ein Plasmabrenner überlastet, so entsteht meistens ein höherer Schaden – Düse ausgeschmolzen, Elektrode defekt – evt. sogar Brennerkörper beschädigt. Deshalb sind die angegebenen Richtwerte über die max. Stromstärke exakt einzuhalten.

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Für jeden Brenner gibt es Elektroden und Düsen mit verschiedenen Bohrungen. Düse für ªgepolte Elektrode anders ausgeführt als bei negativ gepolte Elektrode. Generell:

Negativ gepolte Elektrode positive gepolte Elektrode -

Elektrode spitz Düse innen, kegelige Bohrung Elektrode halbrund Düse innen, halbrund ausgebohrt.

Das Nachschleifen der Wolframelektroden sollte exakt nach Muster (einer neuen Elektrode) auf einer Stichelschleifmaschine erfolgen. Nachschleifen von Hand ist problematisch, da schon eine geringe Exzentrizität des Plasmastrahls einseitig brennen lässt und die Düsenstandzeit stark herabgesetzt wird. Das Einstellen der Wolframelektrode mit Hilfe der Einstelllehre sollte mit großer Sorgfalt vorgenommen werden, da der Abstand Wolframelektrode – Düse die Zündeigenschaften und die Kühlung der Düse stark beeinflussen. Anmerkung:

Die für den jeweiligen Brennertyp und Düsengröße angegebene max. Stromstärke darf nicht überschritten werden. Ebenso darf die Mindestmenge an Plasmagas nicht überschritten werden.

5.2 Brennerabhängige Einstelldaten Die wichtigsten Einstelldaten beim Plasmaverbindungsschweißen sind: 1. Schweißstromstärke nach Schweißaufgabe 2. Plasmadüsenbohrungsdurchmesser 3. Plasmagas (immer Argon), Plasmamenge (Mindestmenge beachten) 4. Schutzgas: für Baustähle - 100 % Argon für CrNi-Stähle - 100 % Argon bzw. Ar-H2-Gemische mit z.B. 6,5 % H2. für Ti, Zr - hochreines Argon für Al, Al-Leg. - 100 % Ar, 100 % He bzw. Ar-He-Gemisch mit 30-70 % He. Die Schutzgasmenge ist vom Brennertyp abhängig. Bei Verwendung von He muss die Schutzgasmenge etwa 2 mal so groß sein wie bei Argon. Wird für Helium ein Argon-Durchflussmesser verwendet, so ist zu beachten, dass z.B. bei einer Einstellung von 10 l/min Argon etwa 30 l Helium durch den Durchflussmesser fließen. Die Verwendung von Helium als Schutzgas bei Al-Werkstoffen bringt eine größere Wärmemenge in die Schweißstelle, so dass ein schnelleres Schweißen möglich ist. Jedoch sind die Zündeigenschaften deutlich schlechter als bei Argon, die Reinigungswirkung ist geringer und die Lichtbogenstabilität bei kleinen Stromstärken herabgesetzt! Für Handschweißungen im unteren Strombereich wird auch aus Preisgründen hauptsächlich Argon als Schutzgas verwendet. 5.3 Abhängigkeiten Plasmastromstärke:

Blechdicke, Werkstoff (Wärmeleitfähigkeit) Form und Werkstoff der Schweißunterlage (geringste Stromstärke beim Schweißen ohne Spannvorrichtung – größere Stromstärke beim Schweißen auf Cu-Unterlagsschiene), Nahtform

Plasmadüsenbohrungsdurchmesser

Plasmastromstärke (Grenzwerte), Blechdicke , Nahtform

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Plasmagasmenge:

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Düsendurchmesser - Minimalmenge beachten! Stromstärke - mit zunehmender Stromstärke Stromstärke ist die Plasmagasmenge zu erhöhen! Nahtform - bei Kehlnähten z.B. höher als bei Stumpfnähten Technologie - bei Stichlochtechnik höhere Plasmagasmenge notwendig

5.4 Schweißen mit pulsierendem Strom Das Schweißen mit pulsierendem Strom ist beim Handschweißen problematisch, da der flackernde Lichtbogen die Augen des Schweißers sehr stark belastet. Bei maschineller Brennerführung kann ein pulsierender Schweißstrom die Wurzelschweißung erleichtern.

5.5 Vorteile des Plasmaverbindungsschweißens gegenüber WIG-Schweißen • • • • • •

Konzentrierter Lichtbogen, unempfindlich gegenüber Lichtbogenlängenänderungen Taschenlampeneffekt stabiler Lichtbogen, auch bei sehr geringen Stromstärken hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich geringe Wärmeeinbringung günstige Nahtform

5.5 Nachteile des Plasmaverfahrens • •

gute Schulung des Bedienungspersonals notwendig Geräte und Ersatzteile teuerer

Bild 4:

Temperaturverteilung bei WIG und Plasma

Bild 5: Querschnittsänderung des Lichtbogens bei einer Lichtbogenlängenänderung

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Bild 6: Schweißgeschwindigkeit bei WIG und Plasma

Bild 7: Leistungsdichte von Schweißverfahren

a) b) 1 2 3 4 5 6

Düse mit Zusatzbohrungen zur Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit Düse mit Zusatzbohrungen zur Einengung des Lichtbogens nach Austritt aus der Düse Elektrode Düse Plasmagas Schutzgas Werkstück Schweiß-Richtung

Bild 8: Plasmabrenner mit Bypass-Bohrungen

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Tabelle 2: Arbeitsbereiche Verbindungsschweißen Stromstärke A

Mikroplasmaschweißen

Plasma- und Plasmastichlochschweißen

Folien

0,05 ... 0,2 mm

--

1 ... 20

Dünnblech

0,2 ... 0,5 mm

--

5 ... 40

Dünnblech

0,5 ... 1

mm

--

40 ... 100

Dünnblech

1

mm

Plasmaschweißen

0,5 ... 1,5 mm

0,1 ... 10

... 2

100 ... 200

--

Plasmaschweißen

1,5 ... 3 mm

100 ... 350

--

Plasma-Stichlochschweißen

3

... 10 mm

Schneiddaten für das Plasmaverbindungsschweißen

5.7 Plasmaschweißen mit Stichlochtechnik Wird beim Plasmaschweißen mit Stromstärken > 100 A die Plasmagasmenge erhöht, so ist der austretende Plasmastrahl in der Lage, das aufgeschmolzene Schweißgut zur Seite zu schieben und durch das Blech durchzustechen. Wird nach dem Durchstechen der Brenner vorwärtsbewegt, so fließt das zur Seite gedrängte Schweißgut hinter dem Stichloch (Schlüsselloch, Keyhole, Schweißöse) wieder zusammen.

Bild 9: Ausbildung des Stichloches

stechende Brennerstellung, geringe Erwärmung der Schweißnaht

schleppende Brennerstellung, starke Erwärmung der Schweißnaht

Bild 10: Einfluss der Brennerstellung

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Vorteile der Stichlochtechnik • • • • •

Sichere Durchschweißung gleichmäßige Nahtwurzel I-Stöße bei CrNi-Stahl von 3 – 9 mm ohne bzw. geringe Mengen Zusatzdraht möglich I-Stöße bei Baustahl von 4 – 6 mm ohne bzw. geringe Mengen Zusatzdraht möglich I-Stöße bei Al-Leg. von 5 – 7 mm ohne bzw. geringe Mengen Zusatzdraht möglich

Anmerkung:

• • • •

Bei dicken Blechen kann die Nahtwurzel mit Plasma-Stichloch, Fülllagen mit einem anderen Verfahren geschweißt werden. Bei Al-Legierungen ist durch die stärkere Wurzelausbildung ein Zusatzdraht während der Stichlochschweißung oder das Schweißen einer weiteren Lage sinnvoll. geringe Wärmeeinbringung geringer Verzug sehr hohe Schweißgeschwindigkeit möglich hohe Nahtqualität

Nachteile der Stichlochtechnik • • • • •

gute Schulung der Schweißer notwendig (Einstellparameter kritisch) Geräte und Ersatzteile teuer nur vollmechanisiertes Schweißen möglich gute Nahtvorbereitung notwendig (Spalt: max. 1/10 der Blechdicke) bei unberuhigten Baustählen ohne Zusatzdraht besteht Porengefahr.

Bild 11: Vergleich der Nahtvorbereitung bei WIG und Plasma

Bild 12: Schweißprogramm beim Plasmaschweißen

5.8 Plasma-MIG-Schweißen Dieses Verfahren wird sowohl für das Verbinden wie auch für das Auftragen verwendet. Es können qualitativ hochwertige Schweißungen an Al-Werkstoffen ausgeführt werden. Der Vorteil liegt in der Möglichkeit durch den Plasmalichtbogen die Schweißstelle so hoch vorzuwärmen, dass durch den Zusatzwerkstoff (MIG) keine Anfangsbindefehler entstehen. Der hohe Preis und die schwierige Bedienung beschränken die Anwendung auf Sonderfälle.

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Bild 13: Plasma-MIG-Schweißen

6. Plasma-Auftragsschweißverfahren 6.1 Plasma-Pulverauftragsschweißen Sonderverfahren für metallische pulverförmige Werkstoffe, die nicht oder nur schwer als Draht herstellbar sind. Es wird eine sehr geringe Aufmischung mit dem Grundwerkstoff erreicht.

a: b: c: d: e: f: g: h:

Wolframelektrode Primärgas Gas und Trägerwerkstoff Gas und Karbide Tertiärgas Stromquelle für den nichtübertragenden Lichtbogen Stromquelle für den übertragendenden Lichtbogen einschnürende Düse

Bild 14: Plasma-Auftragsschweißbrenner für hohe Beanspruchung mit äußerer Pulverzuführung (Schema)

6.2 Plasma-Heißdraht-Auftragsschweißen Verfahren für großflächige Auftragsschweißungen. Durch die Zuführung von 2 Heißdrähten können sehr hohe Abschmelzleistungen erzielt werden.

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Bild 15: Plasma-Heißdraht-Auftragschweißen

6.3 Plasma-Spritzen Das Spritzen ist im strengen Sinne kein Schweißverfahren. Die Pulverteilchen werden nur an der Oberfläche angeschmolzen und „sintern“ am Werkstück fest. Der aus der Plasmadüse austretende Plasmastrahl ist stromlos. Die gesamte Energie (bis 40 kW) wird in der Pistole zwischen Elektrode und Düse umgesetzt. Das Spritzen wird heute meist von Robotern übernommen, da große Mengen an toxischen Stäuben entstehen und ein hoher Lärmpegel vorhanden ist. Tabelle 3: Werkstoffe für das Plasmaspritzen Oxide

Aluminiumoxid; Berylliumoxid; Magnesiumoxid; Siliziumdioxid; Thoriumoxid; Zirkondioxid

Karbide, Nitride

Borkarbid; Niobkarbid; Tantalkarbid; Titankarbid;Wolframkarbid; Zirkonkarbid; Siliziumkarbid; TiC-B4C

Boride

Molybdänborid; Titanborid; Titandiborid; Zirkonborid

Elemente

Beryllium; Cadmium; Chrom; Molybdän; Nickel; Silizium; Titan; Wolfram

Legierungen

Chromnickel

Cermets

Titandiborid und Zirkonborid mit Chrom und Nickel; Wolframkarbid mit Eisen, Chrom, Nickel, Aluminium, Silizium und Molybdän

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Bild 16: Plasmapulver-Spritzkopf

7. Plasmaschneiden Dieses Verfahren wurde anfangs hauptsächlich für das Trennen von CrNi-Stählen und Al-Werkstoffen eingesetzt. Durch kleine, preiswerte Anlagen (bis etwa 20 mm Blechdicke) ist diese Technologie stark verbreitet. Die Schneidgeschwindigkeit ist hoch, die Schnittgüte sehr gut. Probleme können durch toxische Gase, Metalloxide und durch Lärm entstehen. Die Schutzmaßnahmen übersteigen die Kosten der Anlage oft vielfach. Die neueren Techniken des Unterwasserschneidens verringern diese Probleme.

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Stromquelle Wolframelektrode Einschnürungsdüse Zündgerät Pilotbogen-Widerstand Werkstück Plasmabogen Schneidgas Wasserkühlung

Bild 17: Plasma-Schneidbrenner

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Tabelle 4: Schneidwerte für CrNi-Stahl und Aluminium Werkstoff

hochlegierter Stahl

Dicke

Stromstärke

Fugenweite

optimale Vorschubgeschwindigkeit

mm

A

mm

etwa mm/min

2 5 5 10 20 20 40 60 100

50 50 100 100 100 250 250 250 500

2,0 2,0 3,0 3,0 3,0 4,5 4,5 4,5 9,0

1600 1000 1800 800 400 800 300 150 100

5 12 12 12 12 15 15 15 30

5 5 10 20 40 85

50 100 100 100 250 250

2,0 3,0 3,0 3,0 4,5 4,5

1500 2500 1200 600 500 150

12 12 12 12 15 15

Aluminium

Gasverbrauch Nl/min Ar

H2 -8 8 8 8 12 12 12 15 8 8 8 8 12 12

N2 10 ---------------

Tabelle 5: Fehlerquellen beim Plasmaschneiden Ursache bei Baustahl

nichtrostendem Stahl

Aluminium

1.

Schnittoberkante abgerundet

zu hohe Geschwindigkeit, zu großer Abstand

zu hohe Geschwindigkeit, zu großer Abstand

selten vorkommend

2.

Bärte an der Werkstückoberkante

zu großer Abstand, leicht zu entfernen

zu großer Abstand, leicht zu entfernen, Wasserstoffkonzentration falsch

zu großer Abstand, leicht zu entfernen

3.

Seitenrauhigkeit an der Schnittoberkante

selten

falsche Wasserstoffkonzentration, ungenügender WasserstoffAbstand und Geschwindigkeit üben durchfluss Einfluss aus

4.

Flankenkante konisch (positiv)

Geschwindigkeit zu hoch, Abstand zu groß

Geschwindigkeit zu hoch, Abstand zu groß, zu wenig Wasserstoff

Geschwindigkeit zu hoch, ungenügender Wasserstoffdurchfluss

5.

Flankenkante konisch (negativ)

selten

selten

zu viel Wasserstoff

6.

Unebenheit in Nähe der Schnittunterkante

selten, manchmal bei zu schnellem Start

nur an der Grenze der optimalen Werte

selten

7.

wie oben, an der Schnittoberkante

zu viel Wasserstoff

zu viel Wasserstoff

Geschwindigkeit zu langsam, zuwenig Wasserstoff

8.

Flanken konkav

selten

zu viel Wasserstoff

zu viel Wasserstoff, zu kleine Geschwindigkeit

9.

Flanken konvex

zu hohe Geschwindigkeit

zu hohe Geschwindigkeit, zu wenig Wasserstoff

selten

10. Schnittunterkante abgerundet

zu hohe Geschwindigkeit

selten

selten

11. Bärte an der Werkstückunterkante

zu viel Wasserstoff. zu hohe Geschwindigkeit

zu viel Wasserstoff, zu kleine Geschwindigkeit

zu hohe Geschwindigkeit

12. Seitenrauhigkeit an der Schnittunterkante

zu kurzer Abstand

selten

zu wenig Wasserstoff

Bemerkung: Die Oberkantenseite reicht bis zu 1/3 der Werkstückdicke, die Unterkantenseite bedeutet die restlichen 2/3.

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a) Optimalgeschwindigkeit geringer Riefennachlauf parallel Schnittfuge kein Bart

1.13-1 Seite 14

b) Maximalgeschwindigkeit hoher Riefennachlauf V-förmige Schnittfuge Bart an der Schnittunterkante

Bild 18: Einfluss der Schneidgeschwindigkeit

a) Konventionelle Technik breite Schnittfuge großer Fugenwinkel runde Schnittoberkanten

b) Präzisionstechnik schmale Schnittfuge parallele Schnittfuge scharfe Schnittkanten

Bild 19: Verbesserung der Schnittqualität durch Feinstahlbrenner

Bild 20: Größe der Wärmeeinflusszone beim Plasma-Schneiden von CrNi-Stahl

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Inhaltsverzeichnis Grundlagen Anwendungen Fehler und Probleme beim Elektronenstrahlschweißen Allgemeine Anmerkungen Literatur Einführung CO2-Laser Festkörperlaser Diodenlaser Laserschneiden Laserschweißen Oberflächenbehandlung Wirtschaftlichkeit

1 1 2 8 8 8 9 15 17 19 22 24 27 29

Elektronenstrahlmaterialbearbeitung 1. Grundlagen Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Elektronenstrahlanlage für die Materialbearbeitung.

Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer Elektronenstrahlanlage

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Zur Erzeugung des Elektronenstrahls wird eine Wolframkathode stark erhitzt um eine Emission von Elektronen aus der Kathodenoberfläche zu ermöglichen. Zwischen Kathode und Anode wird eine Hochspannung angelegt ( 60 - 150 kV ), die die aus der Kathode austretenden Elektronen stark beschleunigt. Die austretenden Elektronen bewegen sich auf das Werkstück zu, wobei sie mittels Fokussierspulen gebündelt werden. Durch diese Bündelung auf einen Strahldurchmesser von 0,1 - 0,2 mm werden Energiedichten > 106 W/cm² erreicht. Die hochbeschleunigten Elektronen treffen auf das Werkstück auf und setzen ihre kinetische Energie in Wärmeenergie um. Dadurch wird das Werkstück entsprechend der eingesetzten Energie (es fließen Ströme im Milliampere-Bereich) erwärmt, partiell geschmolzen oder verdampft. Während der Energieumwandlung entsteht Röntgenstrahlung, die durch eine Blei-Auskleidung der Vakuumkammer absorbiert wird. Um einerseits eine Oxidation der Kathode zu vermeiden, andererseits ein Auffächern des Elektronenstrahls (durch Kollision mit Gaspartikeln) zu verhindern, findet der gesamte Prozess im Vakuum statt. Die Drücke betragen üblicherweise 10-5 - 10-6 mbar im Strahlerzeuger und 10-4 - 10-5 mbar in der Arbeitskammer. Zur Erzeugung dieser Unterdrücke sind Pumpstände (Kolbenpumpen, Diffusionspumpen, Turbopumpen) erforderlich, die einen erheblichen Anteil an dem Umfang der Gesamtanlage besitzen.

2. Anwendungen 2.1 Elektronenstrahlmaterialbearbeitung Tabelle 1: Anwendungsgebiete der EB-Materialbearbeitung Anwendungsgebiet

Technische Randbedingungen

Werkstoffe

Bohren

Bohrtiefen: bis 20mm Bohrungsdurchmesser: 0,04 - 2 mm

z.B. Turbinenwerkstoffe Sonderwerkstoffe

Umschmelzen mit & ohne Zusatz: Erwärmung des Werkstoffs wenig über die Schmelztemperatur. Durch rasche Abkühlung wird ein feines Gefüge erreicht. Seigerungen werden abgebaut. Mittels Zusatzwerkstoff können Verschleißfeste Schichten erreicht werden.

z.B. Gusseisen Vergütungsstähle

Umwandlungshärten: Erwärmung über Austenitisierungstemperatur. Durch rasche Abkühlung wird hohe Härte erreicht.

Härtbare Werkstoffe

minimale Blechdicke: erreichbare Schweißtiefen: Nahtbreite / Nahttiefe: Schweißgeschwindigkeiten:

z.B. Niedriglegierte Stähle Aluminium Feinkornbaustähle Warmfeste Werkstoffe. Sonderwerkstoffe (z.B., CU,W,Ti)

Oberflächenbehandlung

Schweißen

ca. 0,01 mm >100 mm bis 1:40 ca. 20 mm/s

Sonstiges: Verschweißen von endbearbeiteten Teilen.

2.1.1 EB-Bohren Das EB-Bohren arbeitet mit einer Energiedichte von 107-108 W/cm² im Pulsbetrieb. Hierdurch wird schlagartig viel Material verdampft und gleichzeitig der Wärmeleitungsanteil in das Werkstück minimiert. Die Strahlaustrittsseite wird mit einem Hilfsmaterial versehen, dass die Restenergie des Elektronenstrahls absorbiert und dabei durch die Materialverdampfung explosionsartig alles geschmolzene Material aus der Bohrung entfernt.

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Es können Bohrungen bis in eine Tiefe von 20 mm (Ø ca.1 mm) erzeugt werden. Die kleinsten Bohrungsdurchmesser liegen bei ca. 0,04 mm (Tiefe: 0,5 mm). Für die technische Realisierung des EB-Bohrens ist eine sehr gute Fokussierung des Elektronenstrahls notwendig, die darüber hinaus reproduzierbar sein muss. Eine hohe Bohrfrequenz erfordert weiterhin eine CNC gesteuerte Bewegungseinrichtung für die Werkstücke. Anwendungen des EB-Bohrens sind im Bereich des Flugzeugbau (Gasturbinenteile, Brennkammerteile) und der allgemeinen Verfahrenstechnik ( z.B. Siebe ) zu finden.

2.1.2 Oberflächenbehandlung mittels Elektronenstrahl Bei der Oberflächenbehandlung mit dem Elektronenstrahl wird der Grundwerkstoff entweder aufgeschmolzen oder aber über Austenitisierungstemperatur erwärmt. Durch die lokal begrenzte Energieeinbringung kommt es zu großen Temperaturgradienten. Die daraus resultierende schnelle Abkühlung führt bei härtbaren Werkstoffen zu Oberflächenschichten mit hohen Härten, die oft weniger als 1mm dick sind. Anwendungen sind bei kleinen Bauteilen zu finden, die partiell einen hohen Verschleiß ausgesetzt sind (Lagerbuchsen...).

2.1.3 EB-Schweißen Aufgrund der Energiedichte von > 106 W/cm² wird Material an der Werkstückoberfläche verflüssigt und schon nach kurzer Zeit verdampft. Es bildet sich eine Dampfkapillare und der Elektronenstrahl dringt entlang dieser Dampfkapillare kontinuierlich tiefer in das Werkstück ein. Wird das Werkstück bewegt verschiebt sich die Dampfkapillare, in unmittelbarem Anschluss an die Kapillare läuft das aufgeschmolzene Material aufgrund der Oberflächenspannung zusammen - es entsteht eine Schweißnaht. Der prinzipielle Ablauf ist schematisch in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Prinzipieller Ablauf des EB-Schweißens

Das Verhältnis Nahtbreite zu Nahttiefe kann bis zu 1/40 betragen. Hieraus folgt, dass es beim EBSchweißen nur zu minimalem Verzug kommt. Das EB-Schweißen wird daher auch als Endbearbeitungsverfahren eingesetzt. Nachteil ist allerdings, dass es zu großen Temperaturgradienten kommt, die hohe Härten nach sich ziehen können.

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Abhängig vom Werkstück und der Leistung der EB-Anlage können Schweißtiefen bis 300 mm erreicht werden. Das Verfahren ist bei fast allen metallischen Werkstoffen anwendbar und es wird üblicherweise ohne Schweißzusatzwerkstoff gearbeitet. Bild 3 zeigt eine Auswahl der konstruktiven Gestaltung von EB-Schweißnähten.

Bild 3: Beispiele zu Schweißausführungen beim EB-Schweißen

In Tabelle 2 sind Anforderungen an die Schweißnahtvorbereitung zu finden. Tabelle 2: Anforderungen an die Schweißvorbereitung beim EB-Schweißen Kriterium

Anforderung

Spalte

Technischer Nullspalt

Oberflächengüte

Rauigkeit Ra < 3,2 µm Spanende Bearbeitung

Oberflächenschichten

Fett- und ölfrei Phosphatierschichten, Nitrierschichten etc. müssen entfernt werden.

Sonstiges

Werkstücke müssen unmagnetisch sein.

Wesentlich ist die Nahtvorbereitung ohne Luftspalt mit spanend bearbeiteten Nahtflanken. Die Oberflächen sollten gesäubert werden, da die während des Schweißprozesse verdampfenden Oberflächenbestandteile aufgrund der ungünstigen Ausgasungsbedingungen zur Porenbildung führen.

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2.2 Anwendungsbeispiele des Elektronenstrahlschweißens 2.2.1 Schweißen von Aluminium

Querschliff durch eine EB-Schweißnaht in AlCuMg5-Blech

Querschliff durch eine EB-Schweißnaht in AlMg2-Blech

Bild 4: EB-Schweißnähte an Aluminium einschließlich Härtewerte HV 0.3 (Quelle : Messer Griesheim)

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2.2.2 Schweißen von warmfesten Werkstoffen Im Bereich des Kraftwerkbaus können beispielsweise Rohrleitungen aus warmfesten Stählen mit EB-Schweißen verbunden werden. Bild 5 zeigt exemplarisch eine Schweißverbindung aus dem Werkstoff 20MnMoNi55.

25 mm EB-Schweißung mit Heißriss

Gefüge in der Schmelzzone mit Seigerungsschnüren und beginnender Rissbildung in der Schweißnahtmitte

Bild 5: EB-Schweißverbindung des warmfesten Werkstoff 20MnMoNi55

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2.2.3 Schweißen von Sonderwerkstoffen In Bild 6 ist das Gefüge einer EB-Schweißverbindung aus Kupfer CrNi-Stahl zu sehen. Das Schweißgut setzt sich aus einer Mischung von Kupfer/CrNi-Stahl (CrNi-Stahl im Bild weiß) zusammen. Die Schweißung ist fehlerfrei.

Bild 6

Bild 7 zeigt exemplarisch EB-Schweißungen an einigen Sonderwerkstoffen.

Parameter

Härtewerte HV1

Blechdicke d=1mm Strahlstrom I=7,5mA Beschleunigungsspannung UB=120kV Vorschub V=1,5mm/s

Grundwerkstoff 89,17 HV

Parameter

Härtewerte HV1

Blechdicke d=2mm Strahlstrom I=11,0mA Beschleunigungsspannung UB=150kV Vorschub V=1,5mm/s

Grundwerkstoff 93,30 HV

Parameter

Härtewerte HV1

Blechdicke d=1mm Strahlstrom I=3,0mA Beschleunigungsspannung UB=120kV Vorschub V=3,1mm/s

Grundwerkstoff 165,83 HV

Übergangsbereich 94,17 HV Schmelzbad 103,33 HV

Niob

Übergangsbereich 85,80 HV Schmelzbad 85,80 HV

Tantal

Übergangsbereich 182,50 HV Schmelzbad 197,50 HV

Titan Bild 7: EB-Schweißen von Sonderwerkstoffen (Quelle: SLV Duisburg 1993)

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3. Fehler und Probleme beim Elektronenstrahlschweißen Tabelle 3 zeigt typische Fehler des EB-Schweißens sowie Abhilfemöglichkeiten Tabelle 3: Fehler beim Elektronenstrahlschweißen Fehlerart

Ursache

Vorbeugungsmöglichkeit

Poren

schlechte Ausgasungsbedingungen Verunreinigungen der Oberfläche

Optimierung der Schweißparameter, Reinigen der Werkstücke

Risse

Ungünstige Erstarrung durch zu hohe Abkühlgeschwindigkeiten

Vorwärmen Bauteil unter Druckspannung setzen

Hohe Härtewerte

hohe Abkühlgeschwindigkeit

Vorwärmen Geänderte Werkstoffauswahl

4. Allgemeine Anmerkungen Den Vorteilen des EB-Schweißens (geringer Verzug, gute Verarbeitungsmöglichkeit von Sonderwerkstoffen, Herstellung von Mischverbindungen...) stehen Nachteile gegenüber, die sich aus dem Prinzipiellen Verfahrensablauf ergeben. Als erstes ist die Notwendigkeit zu nennen, im Vakuum zu arbeiten. Hieraus ergeben sich folgende Probleme: •

Aufwendige Anlagentechnik (Vakuumpumpstände)

•

Schlechte Zugänglichkeit der Schweißstelle (z.B. beim Vorwärmen der Bauteile, oder bei der Benutzung von Schweißzusatz)

•

Für große Bauteile werden große Vakuumkammern benötigt (Hohe Investitionskosten, hohe Fertigungskosten durch schlechte Taktzeiten in der Fertigung).

Darüber hinaus ist es notwendig, stets das Bauteil zu bewegen, da der Strahl fest steht. Dies wirkt sich mit zunehmender Bauteilgröße negativ aus. Letztendlich ist die entstehende Röntgenstrahlung zu nennen, die abgeschirmt werden muss, damit das Bedienpersonal keiner Gefährdung ausgesetzt wird. Alle Faktoren zusammen lassen die EB-Materialbearbeitung zu einem Verfahren werden, das nur schwerlich in die allgemeine Produktion einzusetzen ist. Die Anwendungen ergeben sich im allgemeinen aus der Notwendigkeit Sonderwerkstoffe zu verarbeiten, einen genau festgelegten Wärmeeintrag in das Bauteil zu erzielen oder das Schweißen als letzten Bearbeitungsschritt durchzuführen.

5. Literatur Eichhorn, F. Schulz, H.

Schweißtechnische Fertigungsverfahren, Band 1 Düsseldorf 1993 Elektronenstrahlschweißen, Düsseldorf 1989

DVS

Jahrbuch Schweißtechnik, Düsseldorf 1990

Messer Griesheim

Trennen + Fügen Heft 15, Frankfurt 1985

Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V.

Werkstoff-Modifikation und Technologie-Entwicklung für das ElektronenstrahlDickblechschweißen von ferritischen Stählen im Behälter- und Apparatebau, Düsseldorf 1992

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Lasermaterialbearbeitung 6. Einführung Seit der naturwissenschaftlichen Entdeckung und Realisierung des ersten Lasers 1960 durch Maiman hat sich der Laser zu einem flexiblen Arbeitsmittel in vielen Bereichen der Industrie und Wissenschaft entwickelt. Die industrielle Anwendung von Lasern auf den Gebieten des Schweißens und Schneidens wird seit Anfang der 70er Jahre erfolgreich genutzt. Seitdem hat sich der Laser immer neue Anwendungen erschlossen. 6.1 Grundlagen Das Kunstwort LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) beinhaltet den physikalischen Effekt der „Verstärkung von Licht durch erzwungene Aussendung (Emission) von Strahlung“. Die Emission basiert auf einer Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, wobei die erzwungene Strahlung durch die Materie emittiert (ausgesandt) wird. Der Durchbruch der Lasertechnologie in der Fügetechnik ist darauf zurückzuführen, dass sich das Laserlicht in einem Punkt fokussieren lässt und dadurch eine außerordentlich hohe Energiedichte von > 106 W ⋅ cm-2 erzeugt werden kann. Dies ist möglich, weil es monochromatisch, kohärent und parallel ist. Im Gegensatz zu einem Laser emittiert eine Glühlampe ein Lichtspektrum, das heißt mehrere Wellenlängen, in beliebiger Raumrichtung. Daraus resultiert, dass das Licht einer Glühlampe „nicht in einem Punkt“ fokussiert werden kann. Die Emission vom Licht einer Glühlampe und eines Lasers zeigt schematisch Bild 8.

große Divergenz nicht kohärent nicht phasengleich polychromatisch ( verschiedene Wellenlängen)

monochromatisch

geringe Divergenz (nahezu parallel)

Laser zeitlich kohärent

Glühlampe

Bild 8: Vergleich Glühlampe - Laser

6.2 Strahlerzeugung Bei einem Laser handelt es sich also um eine Anlage zur Erzeugung und Verstärkung vom monochromatischen und kohärenten Licht mit geringer Strahldivergenz. Ein Laser, Bild 9, besteht aus: − dem laseraktiven Medium, − der Anregungsquelle, − dem optischen Resonator

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Anregungsenergie Hochreflektierender Spiegel

Teildurchlässiger Spiegel

Lichtverstärker aktives Lasermaterial Optischer Resonator

Ausgekoppelte Strahlung

Bild 9: Prinzip des Lasers

Das laseraktive Medium, bestehend aus Atomen, Ionen, Molekülen oder Kristallen, stellt ein quantenphysikalisches System dar, das im thermodynamischen Gleichgewicht unterschiedliche Energieniveaus aufweist. Durch Energieaufnahme wird die Besetzungsdichte der einzelnen Energieniveaus verändert und eine Besetzungsinversion hervorgerufen. Die Energieabgabe erfolgt durch Emission. Bei der spontanen Emission wird beim Übergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand ein Lichtquant (Photon) frei, das sich in beliebiger Raumrichtung ausbreiten kann. Dagegen wird bei der induzierten Emission das entstehende Photon in gleicher Richtung wie das anregende Photon und mit gleicher Frequenz emittiert. Im optischen, rückgekoppelten Resonator bewirkt die Anordnung paralleler Spiegel und die induzierte Emission, dass die gerichtete Lichtwelle mehrmals reflektiert wird und so eine Verstärkung des Lichtes stattfindet, siehe Bild 10. Die Auskopplung des entstehenden Laserstrahls erfolgt durch einen teildurchlässigen Spiegel. Zur Aufrechterhaltung der Besetzungsinversion muss kontinuierlich Energie zugeführt werden (optisches Pumpen, Stoßprozesse).

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Bild 10: Anregung des aktiven Laser Mediums

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Innerhalb des Resonators kommt es zur Ausbildung einer stehenden Welle in Richtung der Resonatorachse. Die transversale Intensitätsverteilung kann infolge der Beugung an den Spiegeln bestimmte Formen annehmen. Sie werden als transversale elektromagnetische Moden (TEMmn) bezeichnet. Der Index m gibt die Anzahl der Knoten in x-Richtung und der Index n die Anzahl der Knoten in y-Richtung an. Der Grundmode zirkular symmetrischen Intensitätsverteilung einer transversalen Schwingung hat die Form einer zweidimensionalen Gaußverteilung und gilt als TEMoo-Mode. In Bild 11 sind weitere mögliche Modenstrukturen abgebildet.

Bild 11: Intensitätsverteilung Laserstrahl (zirkular polarisierte Modenstruktur)

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6.3 Lasertypen Es lassen sich zahlreiche Atome, Moleküle und Ionen zur Emission von Laserlicht anregen. In der Materialbearbeitung kommen Eximerlaser (z.B. ArF, KrF, XeCl), Festkörperlaser (z.B. Rubin, Nd-YAG, NdGlas), Halbleiterlaser bzw. Diodenlaser (GaAs, GaAlAs) und Gaslaser (CO2) zum Einsatz. Die Lasertypen unterscheiden sich in ihrer Wellenlänge und der Intensität der Laserstrahlung.

103

1

-3

10

-6

10

Ar

Nd:YAG

CO2

HeNe

Excimer

Halbleiter

Bild 12: Leistung, Wellenlänge und Anwendungsbereiche unterschiedlicher Lasertypen

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6.4 Wirkung des Laserstrahls Beim Auftreffen des Laserstrahls auf die Oberfläche wird entsprechend dem Reflexionsgrad ein Teil der Lichtenergie reflektiert, siehe Bild 13. Der verbleibende Teil dringt in den Werkstoff ein und wird dort mehr oder weniger gestreut oder absorbiert. Der Absorptionsgrad gibt den Bruchteil der eingekoppelten Strahlleistung an. Dieser Anteil wandelt sich in andere Energieformen, vorwiegend Wärme, um und führt zum Aufschmelzen des Werkstoffs. Der Absorptionsgrad ist eine materialspezifische Größe und hängt von der Temperatur, von der Wellenlänge und Intensität des Laserstrahls ab. Laser

Optik

Werkstoff

F/2

l; E(r,t) Strahlerzeugung

f(l); F Strahlformung

A(l,T,E); K(T); h(T) Wechselwirkung Strahlung / Werkstoff

Bild 13: Wechselwirkung Laserstrahl/Materie

Den Absorptionsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigt Bild 14. Metalle zeichnen sich durch einen hohen Absorptionsgrad im ultravioletten (UV-) und sichtbaren Spektrum und einen niedrigen Absorptionsgrad im Infrarot-(IR-) Spektrum aus. Eisen und Stahl besitzen im IR-Spektrum gegenüber anderen Metallen eine vergleichsweise hohe Absorption. Daraus resultiert, dass diese Werkstoffe sich sehr gut mit dem Festkörper- als auch mit dem CO2-Laser schweißen lassen. Diodenlaser Nd:YAG

KrF

0,30

Ag

Stahl

Absorption A

0,25

0,20

CO2

Cu

Au Fe

0,15

Al

0,10

Mo

0,05

0,1

0,2

0,3

0,5

0,8 1

2

3

6

8

10

20

Wellenlänge [µm] Bild 14: Absorptionsgrad als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Metalle

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7. CO2-Laser Der prinzipielle Aufbau des Lasers in Bild 9 gilt auch für den CO2-Laser. Der zwischen den beiden Spiegeln angeordnete Resonator ist beim CO2-Laser mit einem Gasgemisch, bestehend aus CO2 : N2 : He = 1 : 2 : 10, gefüllt. Durch Anlegen einer Spannung wird zwischen zwei Elektroden eine NiederdruckGasentladung gezündet. Das Kohlendioxid wird dabei nicht direkt gepumpt, da es keinen sehr großen Wirkungsquerschnitt auf einen Elektronenstoß hat. Der Stickstoff wird durch Elektronenstöße angeregt und überträgt seine Schwingungsenergie auf das Kohlendioxid. Helium vermag aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit das Gasgemisch zu kühlen und trägt somit zur Stabilisierung des Prozesses bei. Zur Aufrechterhaltung der Strahlungsemission muss das Gasgemisch regeneriert werden. Das wird durch Umwälzung mit Gaspumpen und Kühlung durch Wärmetauscher erreicht. CO2-Laser können entsprechend ihrer Bauart in − quergeströmt, − längsgeströmt und − diffusionsgekühlt eingeteilt werden. Beim quergeströmten Laser, siehe Bild 15, wird das Gasgemisch quer zur Resonator-achse umgewälzt. Eine langsame Gasströmung reicht bei dem großvolumigen Entladungsraum zur Kühlung aus. Vorwiegend werden hochfrequenzangeregte Systeme verwendet. Der Vorteil der quergeströmten Systeme liegt in der kostengünstigen und kompakten Bauweise, wobei Strahlleistung und Strahlqualität für die meisten Schweißanwendungen ausreichen. Wärmetauscher

EchtzeitLeistungsmonitor

Tangentialgebläse Rüchspiegel Auskoppelspiegel Faltspiegel Fenster Dielektrische beschichtete Elektrode Gasflussrichtung

Laserstrahl

Bild 15: Mit Hochfrequenz angeregter, quergeströmter CO2-Laser

Die heute konzipierten CO2-Laser sind meist schnelle, längsgeströmte Gleichstrom-(DC-) oder hochfrequezangeregte (HF-) Systeme. Sie zeichnen sich durch eine gute Strahlqualität aus. Der Entladungsraum befindet sich in einem Rohr, wobei Rootsgebläse oder Radialverdichter für einen schnellen Gasfluss und damit für eine optische Kühlung sorgen. Schnell längsgeströmte Laser, Bild 16, werden von wenigen hundert W bis derzeit zu 40 kW gebaut. Neue Entwicklungen bei den CO2-Lasern führten zu den diffusionsgekühlten Slab-Lasern. Bei diesen Lasern findet zwischen großflächigen Kupferelektroden die Hochfrequenzentladung statt, siehe Bild 17. Durch den geringen Abstand der Elektroden ist eine intensive Kühlung durch Wärmeleitung gewährleistet. Im Gegensatz zu Strömungslasern muss nur in bestimmten Intervallen neues Lasergas zugeführt werden. Die wesentlichen Vorteile dieser Bauart sind die außerordentlich gute Strahlqualität, die kompakte Bauart und die niedrigen Betriebskosten.

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Bild 16: Längsgeströmte HF-angeregte CO2-Laserstrahlquelle

Kühlwasser Hochfrequenz Kühlwasser hintere Resonatorspiegel

vorderer Resonatorspiegel Laserstrahlformung

Lasergasentladung HF - Elektroden

Laserstrahl

Bild 17: Diffusionsgekühlter CO2-Slab-Laser

Die CO2-Laser emittieren ein Licht mit einer Wellenlänge von 10,6 µm und besitzen einen Wirkungsgrad von ca. 10 %. CO2-Laser werden vorwiegend zum Schneiden benutzt, wobei das Schweißen mit CO2Lasern an Bedeutung gewinnt. Eine weitere Applikation liegt auf dem Gebiet der Oberflächenbehandlung, bestehend aus Oberflächenhärten, Umschmelzen und Legieren. Für die Lasermaterialbearbeitung sind komplette Bearbeitungssysteme notwendig, die neben dem Laseraggregat noch eine Vielzahl anderer Komponenten beinhalten.

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Lasergase (CO2,N2,He)

Systemgas (z.B.N2)

\ ]

F

% [

Druckluft

trfo0134.cdr

Bild 18: Laserbearbeitungssystem

Die Größe der Laseranlage und die notwendigen Bearbeitungskomponenten werden vom jeweiligem Anwendungsfall bestimmt. Die Gesamtkosten für ein Bearbeitungssystem setzen sich aus den Kosten für den Laser (ca.35 – 40 %) und den Kosten der übrigen Maschinenelemente (ca.60 – 65 %) einschließlich Gasversorgung, Strahlführung etc. zusammen.

8. Festkörperlaser Bei einem Festkörperlaser besteht das aktive Medium (Wirtsmaterial) aus einem Einkristall, zum Beispiel Rubin, Glas oder Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), in dessen Kristallgitter Fremdatome wie Chrom oder Neodym eingelagert sind. Diese Fremdatome sind die eigentlichen laseraktiven Atome. Das laseraktive Medium liegt meistens in Form eines Stabes vor und ist zwischen den Resonatorspiegeln angeordnet, Bild 19. Festkörperlaser werden durch „optisches Pumpen“ angeregt. Dazu verwendet man Blitzlampe für gepulste Laser und Bogenlampen für kontinuierlich strahlende Laser. Zur besseren Ausnutzung der Anregungslampen werden doppelt-elliptische Reflektoren eingesetzt. Laserstab (Nd:YAG)

hinterer Resonatorspiegel

optische Anregung (Blitzlampen, Bogenlampen, Laserdioden)

vorderer Resonatorspiegel (teildurchlässig)

Bild 19: Prinzipieller Aufbau einer Festkörperstrahlquelle

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Die zum Schweißen von Metallen vorwiegend eingesetzten Festkörperlaser sind in Tabelle 4 aufgeführt. Tabelle 4: Festkörperlaser zum Schweißen von Metallen Bezeichnung Rubin-Laser

Wirtsmaterial Rubin

laseraktive Stoffe

Wellenlänge

3+

Chrom-Ionen (Cr )

0,694 µm

3+

1,06 µm

3+

1,064 µm

Nd:Glas-Laser

Glas

Neodym-Ionen (Nd )

Nd:YAG-Laser

YAG

Neodym-Ionen (Nd )

Festkörperlaser sind heute mit Strahlleistungen ab etwa 10 W bis 5 kW industrieller Standard. Bei den kontinuierlich strahlenden (cw = continuous wave) bzw. Dauerstrichlasern können höhere Prozessgeschwindigkeiten als mit gepulsten Systemen gleicher Leistung erreicht werden. Mit gepulsten Festkörperlasersystemen lassen sich aber Pulsspitzenleistungen bis zu 20 kW erreichen. Daraus resultiert eine größere Einschweißtiefe als im cw-Betrieb. Im Pulsbetrieb ist das Schweißen von Stählen als auch von Aluminium und Kupfer sowie einer Vielzahl weiterer Metalle möglich. Festkörperlaser, ausgerüstet mit einem Nd:YAG-Rundstab und Anregungslampen, haben einen relativ niedrigen Wirkungsgrad von etwa 3 %. Eine Steigerung des Wirkungsgrades auf etwa 10 % wird durch Verwendung von Dioden-Arrays anstatt der Anregungslampen erreicht, siehe Bild 20.

Bild 20: Prinzip eines diodengepumpten Festkörperlasers (Rofin Sinar)

Festkörperlaser emittieren in Licht mit einer Wellenlänge von 1,064 µm. Die häufigsten Anwendungen des Festkörperlasers sind das Markieren, das Schweißen, das Schneiden und das Bohren. Der Festkörperlaser bietet die Möglichkeit, den Laserstrahl in eine Glasfaser einzukoppeln und eine Bearbeitung unabhängig von der Strahlquelle durchzuführen. Der Laserstrahl kann mittels Strahlteiler in mehrere Fasern eingebracht werden und eine parallel oder mittels Multiplexer eine serielle Bearbeitung erfolgen.

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Bild 21: Dreifache Strahlteilung mit Laser-Lichtkabel

1.13-2 Seite 19

Bild 22: Optischer Schalter für sechs Laser-Lichtkabel

9. Diodenlaser In einem Halbleiter Ladungsträger werden Lichtquanten emittiert, wenn Elektronen und Löcher rekombinieren. Bei entsprechender Dotierung des Halbleitermaterials (z.B. GaAs) kann die Wahrscheinlichkeit für einen strahlenden Übergang in der Kontaktfläche (pn-Übergang) gesteigert werden. Die aktive Zone wird durch die p- und n-dotierten Zonen, die einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen derart begrenzt, dass sich die erzeugte Strahlung wie in einem Wellenleiter befindet. Die Strahlung tritt nur in Längsrichtung aus der Kante des Kristalls aus Kantenemitter). Die Wellenlänge von Diodenlasern liegt je nach Dotierung des Halbleitermaterials zwischen 0,78 und 0,94 µm.

Bild 23: Strahlungserzeugung im pn-Übergang

Bild 24: Aufbau eines Kantenemitters (schematisch)

Um eine höhere Strahlleistung zu erhalten, werden ca. 25 Emitter zu einem Subarray zusammengefasst. Mehrere Arrays ergeben den sogenannten Diodenlaserbarren mit seiner spezifischen Strahlcharakteristik.

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Bild 25: Aufbau eines Diodenlaserarrays (Diodenlaserbarren)

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Bild 26: Strahlcharakteristik eines Diodenlaserbarrens

Aus einem Barren kann je nach Kühl- und Montagetechnik eine Leistung von 10 bis 40 W entnommen werden. Bei einem Wirkungsgrad von 35 bis 50 % entsteht noch soviel Verlustwärme, dass bezogen auf die geringe Grundfläche des Barrens, eine Leistungsdichte in der Größenordnung von kW/cm² durch entsprechende Mikrokühler abzuführen sind. Durch Mikrolinsen und Mikroprismen kann der Laserstrahl fokussiert werden. Um zu Hochleistungsdiodenlaser (HLDL) zu kommen, werden mehrere Barren zu einem „Stack“ zusammengesetzt. Die Fokussierung der Strahlung erfolgt mechanisch oder optisch.

Bild 27: Mikrolinse (schematisch)

Bild 28: Schema eines optischen Stacks (ILT)

Die Strahlungsqualität von HLDL erreicht derzeit nicht die Größenordnung von FKL oder von CO2Lasern. Letztlich ist darin der Grund zu sehen, warum derzeit eine Leistungsdichte (Intensität) von HLDL von 5X105 W(cm² erreicht wird.

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Bild 29: Strahlqualität und Laserleistung für verschiedene Lasertypen (ILT)

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Bild 30: Hochleistungs-Diodenlaser-System für den industriellen Einsatz RIFIN DL025 für 2,5 kW incl. Netzgerät (ohne Kühleinheit)

Die Anwendungsbereiche von Diodenlasern sind auf den Gebieten Löten (elektronische Bauelemente), Härten, Legieren, Schweißen von Kunststoffen und Schweißen (Wärmeleitungsschweißen) von Metallen zu sehen.

Bild 31: Verschweißen eines elektronischen Schlüssels (ILT) (ca. 20-60 W, 3-10 m/min)

Bild 32: Panzern eines Ventils mit Hochleistungs-Diodenlaser (IWS)

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10. Laserschneiden Das Laserschneiden im Bereich der metallischen Werkstoffe und der Kunststoffe zählt heute zum Stand der Technik (Tabelle 5). Schneidaufgaben werden in den Betrieben aber auch von zahlreichen Lohnfertigern durchgeführt. Tabelle 5: Technologiephasen "Laserschneiden" 1999 Verfahren/ Werkstoff 1. Metall a) Stahl

b) NE-Metall 2. Keramik a) Elektronik b) Techn. Keramik c) Konsumkeramik 3. Glas

Spezifikation

Technisch möglich

Laborreife

Technologiephase VorserienSerienreife reife

Stand der Technik

Schwarzbl. bis 3mm Schwarzbl. 3-12mm Schwarzbl. 12-25mm Edelst. bis 2mm Edelst. 2-8mm Edelst. 8-25mm über 5mm

Normalglas Quarzglas 4. Holz 5. Papier, Pappe 6. Naturfasern 7. Leder 8. Gummi 9. Kunststoff TRFO0135.DOC

Im metallischem Bereich werden unlegierte Stähle bis ca.12 mm und hochlegierte Stähle bis ca.8 mm ohne Probleme geschnitten. Beim Laserschneiden wird grundsätzlich zwischen 1. Laserbrennschneiden 2. Laserschmelzschneiden 3. Lasersublimierschneiden

(Schneidgas: O 2) (Schneidgas: N2, Ar) (Schneidgas: N2,Ar)

unterschieden.

Bild 33: Schematische Darstellung des Laserstrahlschneidens. Durch einen koaxialen Gasstrahl wird verdampftes bzw. schmelzflüssiges Material aus der Schnittfuge ausgetrieben

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Bild 34 zeigt exemplarisch einen Vergleich von Materialstärken und Schnittfugenbreite zwischen Laserschneiden, autogenem Brennschneiden und Plasmaschneiden. Blechdicke [mm]

Brenn-/Schmelzschneiden Laser

Brennschneiden Autogen

Schmelzschneiden Plasma

1 2 3

5

8

10

Bild 34: Vergleich der Schnittfugenbreite zwischen unterschiedlichen Schneidmethoden

Bild 35: Schneidverfahren bei unterschiedlichen Blechdicken

Die Vorteile des Laserschneidens liegen in den schmalen Schnittfugen mit hohen Schnittqualitäten, die mit hohen Geschwindigkeiten, ohne Nacharbeit und Wärmeverzug, auch bei komplizierten Konturen ausgeführt werden können.

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11. Laserschweißen Das Schweißen mit dem Laserstrahl wird derzeit schon in vielen Anwendungsfällen mit Einzweckanlagen praktiziert, der breite Durchbruch ist in der Industrie jedoch noch nicht zu verzeichnen. Tabelle 6: Technologiephasen "Laserschweißen" 1999 Verfahren/ Werkstoff

Technologiephase

Spezifikation

1. Mikro-, Feinschweißung (Elektronik, Feinwerktechnik) a) Edelstahl b) NE-Metalle 2. Makro-, Nahtschweißungen a) Unlegierter Stahl

Technisch möglich

Laborreife

Vorserienreife

Serienreife

Stand der Technik

bis 1 mm bis 10 mm über 10 mm bis 1 mm bis 10 mm über 10 mm

b) Edelstahl

c) NE-Metalle Aluminium sonst. NE-Metalle d) Keramik e) Glas f) Kunststoffe

bis 1 mm

Abhängig von der Energiedichte wird grundsätzlich zwischen dem Wärmeleitungsschweißen und dem Tiefschweißen unterschieden (Bild 36), wobei die Vorteile des Laserschweißens im Wesentlichem im Tiefschweißen zu finden sind.

Stahl St 52 v = 10 mm/s

4

Laserstrahl

Laserstrahl Abströmender Metalldampf

3 kW

2 kW

Bereich der Plasmaabschirmung

6

Bearbeitungsbereich

8

kritische Intensität Ic

Einschweißtiefe [mm]

10

Laserinduziertes Plasma Dampf-(Plasma)-Kanal

Schmelzzone flüssig

Schmelzzone flüssig Schmelzzone fest

Schmelzzone fest

1 kW 2

vf

0 105

106

107

108 2

Leistungsdichte E [W/cm ]

Wärmeleitungsschweißen

vf

Tiefschweißen

Bild 36: Prinzip des Laserschweißens

Das Tiefschweißen zeichnet sich durch die Bildung eines Dampfkanals aus. Der Laserstrahl kann dadurch tief in den Werkstoff eindringen. Laserschweißnähte besitzen eine Breite von ca. 1 mm, auch wenn die Schweißtiefe 5 - 8 mm beträgt. Dadurch kommt es nur zu einem minimalen Verzug. Exemplarisch sind die erreichbaren Schweißgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Laserleistung in Bild 37 dargestellt.

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10

5

Laserleistung [kW]

9

4

10

Schweißtiefe [mm]

8 7 6

3 2

5

1 0

2,5 1,5 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Geschwindigkeit [m/min] 5 kW: Schutzgas: Argon, stechend 2,5 kW: Schutzgas: Argon,schleppend 1,5 kW: Schutzgas: Argon, koaxial Bild 37: Schweißgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Laserleistung

Üblicherweise wird ohne Schweißzusatzwerkstoff gearbeitet. Die erreichbaren Schweißgeschwindigkeiten liegen deutlich über denen von konventionellen Schweißverfahren. Eine obere Grenze aufgrund physikalischer Effekte ist bei ca. 15m/min gegeben. Beim Laserstrahlschweißen kommt der Kantenvorbereitung besondere Bedeutung zu. So ist die Spaltbreite und der Kantenversatz in engen Toleranzen zu halten.

Blechdicke d

Spaltbreite b

Versatz e

0,5 ... 3 mm

0,1 d

0,15 d

3 ... 10 mm

0,05 d

0,1 d

Bild 38: Anhaltswerte für zulässige Fügeteiltoleranzen

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Die Auswirkungen der Spaltbreite bei Laserstrahlschweißungen im Ι-Stoß ohne Schweißzusatzwerkstoff sind in Bild 39 dargestellt.

Spalt: 0,1 mm

Spalt: Leistung: Materialdicke: Werkstoff:

0,3 mm PL = 10 kW s = 8 mm S355J0

Spalt: 0,5 mm

Bild 39: Laserstrahlschweißungen mit unterschiedlicher Spaltbreite

Mittels Scanneroptiken lassen sich größere Spaltbreiten überbrücken.

Stumpfnähte mit Kantenversatz (ca. 0,2 mm) und Spalt (ca. 0,5 mm)

Werkstoff: Blechdicke: Laserleistung: Scanbreite: Scanfrequenz: Vorschub:

1.4301 3,0 mm 5,5 kW 1,0 mm 200 Hz 4,5 m/min

Bild 40: Laserstrahlschweißung mit Spalt und Kantenversatz (oben) um mit Scanneroptik (unten). Quelle: ILV

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12. Oberflächenbehandlung Zur Zeit ist die Oberflächenbehandlung mit dem Laser noch nicht großindustriell umgesetzt. Grundsätzlich unterscheidet man: 1. 2. 3. 4.

Umschmelzen Umwandlungshärten Auftragen Legieren

Einzelheiten mit Kennwerten der verschiedenen Methoden sind in Bild 41 dargestellt.

8 PVFKPHO]HQ

8 PZDQGOXQJV +lUWHQ

$XIWUDJHQ

/ HJLHUHQ

/ HLV WXQJV GLFKWH

/ HL V WXQJV GLFKWH

/ HLV WXQJV GLFKWH

/ HLV WXQJV GLFKWH









0LR: FPò

: FPò

0LR: FPò

0LR: FPò

( LQZLUN] HLW  6 HN

( LQZLUN] HLW  6 HN 

( LQZLUN ] HLW  6 HN 

( LQZLUN] HLW  6 HN

6 FKLFKWGLFNH

6 FKLFKWGLFNH

6 FKLFKWGLFN H

6 FKLFKWGLFNH

 PP

 PP

PP

PP

8 PV FKPHO ] U DWH

+ lU WHIOlFKH

$ XIWU DJV U DWH

/ HJLHU XQJV U DWH

FDJK

FDFPòPLQ

JK

JK

 N : 

 N : 

 N : 

 N : 

Bild 41: Oberflächenbehandlung mit Lasern (Quelle: ILV 1999

12.1 Umschmelzen Schmelzen von dünnen Randzonen und dann schnelles Abkühlen. Dadurch kann bei einigen Werkstoffen eine erhebliche Gefügeverfeinerung geschaffen werden. Beispiele aus dem Bereich des Verschleißschutzes sind Stellite und Fe40Ni20B20-Schichten.

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Vorteile: • Gefüge kann eingestellt werden Anwendungen: • Aufbringen von verschleißfesten Dünnschichten Bild 42: Gefüge einer ledeburitisch umgeschmolzenen Randzone aus Gusseisen

12.2 Umwandlungshärten Erhitzung von sehr dünnen Randzonen auf Temperaturen oberhalb Austenitisierungstemperatur, jedoch ohne Schmelzen des Werkstoffs. Durch die bauteilbedingte schnelle Abkühlung wird Martensit mit den entsprechenden Härten gebildet. Vorteile: • kein Verzug • komplizierte Bauteile können lokal gehärtet werden

Anwendungen: • Zahnradoberflächen • Laufflächen von Lagern • Kolbenlaufflächen

12.3 Auftragen Das Grundmaterial wird aufgeschmolzen und gleichzeitig Zusatzwerkstoff, i.A. in Pulverform zugegeben. Es werden dünne Schichten auf dem Grundwerkstoff erzeugt. Anwendung i.A. bei verschleißbehafteten Bauteilen. Vorteile: • kleine, komplizierte • Bauteile können verzugsfrei beschichtet werden Anwendungen : • Beschichten von Turbinenschaufeln • Beschichten von Auslassventilen • Beschichten von Baumstammsägen

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1.13-2 Seite 29

12.4 Laserlegieren Das Grundmaterial wird aufgeschmolzen und eine Randschicht mittels eines zugeführten Schweißzusatzwerkstoffs metallurgisch beeinflusst.

13. Wirtschaftlichkeit In Tabelle 7 und Tabelle 8 sind beispielhaft Investitionskosten für Laser und für Laserbearbeitungssysteme dargestellt. Tabelle 7: Investitionskosten für Laser (Listenpreise) Lasertyp / Laserleistung

von

bis

Durchschnitt

CO2 500 W

50.000

70.000

60.000

1000 W

80.000

120.000

100.000

1500 W

110.000

140.000

125.000

2000 W

130.000

165.000

147.500

3500 W

165.000

195.000

180.000

6000 W

260.000

310.000

285.000

10000 W

500.000

600.000

550.000

30.000

40.000

35.000

Nd:YAG (gepulst) 100 W 500 W

80.000

100.000

90.000

1000 W

145.000

175.000

160.000

1000 W

110.000

130.000

120.000

2000 W

170.000

210.000

190.000

4000 W

290.000

320.000

305.000

Nd:YAG (cw)

Dioden 1000 W

65.000

80.000

72.500

2000 W

120.000

140.000

130.000

4000 W

220.000

240.000

230.000

Tabelle 8: Investitionskostenbeispiele für Lasersysteme System

Lasertyp /Laserleistung

Investitionskosten

Handarbeitsplatz

Nd:YAG (P), 80 W

Kleines 2D-Schneidsystem

Nd:YAG (P) / 500 W

190.000

Standard 2D-Schneidsystem

CO2 / 2000 W

290.000

Universalsystem mit 2 Arbeitsstationen

CO2 / 3500 W

475.000

Doppelstation-Schweißsystem

CO2 / 6000 W

650.000

Rohrschweißsystem einschl. Rollformer

CO2 / 10000 W

2.400.000

Härtestation mit manueller Bestückung

Diode / 2000 W

260.000

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45.000

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1.13-2 Seite 30

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Reibschweißen

Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Reibschweißen 2. Literatur / Reibschweißen 3. Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen (MBP-Schweißen) 4. Literatur / MBP-Schweißen 5. Lichtbogenbolzenschweißen an Metallen 6. Literatur / Lichtbogenbolzenschweißen

1 1 10 11 16 17 28

1. Reibschweißen 1.1 Verfahrensprinzip Das Reibschweißen gehört zu den (Warm-)Pressschweißverfahren. Die Wärmeeinbringung erfolgt rein mechanisch durch Reibungswärme - unter drehender (oder translatorischer) Relativbewegung und gleichzeitiger Krafteinwirkung an den Fügeflächen. Das Rotations-Reibschweißen ist die bei metallischen Werkstoffen am meisten angewandte Verfahrensvariante. Bremse

Von zwei fest eingespannten Werkstücken wird eines in Drehung versetzt. Die Werkstücke werden durch eine axiale Zustellbewegung an der Schweißstelle miteinander in Kontakt gebracht.

Spindel Werkstücke

n

Schlitten

Durch die Kraft F1 (Reibkraft) und die Rotation entsteht Reibung, die beide Werkstückenden erwärmt. Ein Teil des plastisch gewordenen Werkstoffes wird nach außen verdrängt. Es tritt eine geringe Verkürzung der Bauteile ein.

F1

n

Durch den Reibwiderstand bzw. durch eine zusätzliche Bremse wird das drehende Werkstück angehalten; gleichzeitig werden die Teile mit erhöhter Kraft F2 (Stauchkraft) zusammengepresst. Die beiden Werkstücke sind verschweißt.

F2

n=0

Bild 1: Verfahrensablauf beim Rotationsreibschweißen

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Reibschweißen

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1.2 Prozessablaufvarianten des Rotations-Reibschweißens (nach DVS-MB 2909)

1 2 3a 3b 4a 4b 5

-

Antrieb Schwungmasse, variabel Spannwerkzeug, rotierend Spannwerkzeug, nicht rotierend Werkstück, rotierend Werkstück, nicht rotierend Arbeitszylinder

Bild 2: Reibschweißen mit Schwungradantrieb

1 2 3a 3b 4a 4b 5

-

Antrieb Bremse Spannwerkzeug, rotierend Spannwerkzeug, nicht rotierend Werkstück, rotierend Werkstück, nicht rotierend Arbeitszylinder

Bild 3: Reibschweißen mit kontinuierlichem Antrieb

1 2 3a 3b 4a 4b 5

-

zeitlicher Verlauf der Prozessgrößen

Antrieb Bremse Spannwerkzeug, rotierend Spannwerkzeug, nicht rotierend Werkstück, rotierend Werkstück, nicht rotierend Arbeitszylinder

Bild 4: Kombiniertes Reibschweißen (Aufbau wie Bild 3)

zeitlicher Verlauf der Prozessgrößen

1 2

- Stauchen auf rotierendes Werkstück - Stauchen auf abgebremstes Werkstück

zeitlicher Verlauf der Prozessgrößen

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Reibschweißen

Seite 3

1.3 Ausführungsarten des Reibschweißens

a) Bild 5:

b) a) b) c) d)

c)

d)

Reibschweißen mit Rotation eines Fügeteiles und Translation des anderen, Reibschweißen mit Rotation und Translation eines Fügeteiles bei Stillstand des anderen, Rotation und Translation zweier Fügeteile gegen ein feststehendes Zwischenstück, Rotation des mittleren Bauteils mit linearer Bewegung der beiden äußeren Bauteile.

1.4 Schweißbare Querschnitte Bevorzugt werden rotationssymmetrische Voll- und Hohlquerschnitte verbunden. An der Fügestelle ist es nicht erforderlich, gleiche Querschnitte zu wählen, d.h. es kann z.B. auch ein Rundteil an ein Rechteckteil geschweißt werden. Das drehwinkelgenaue Abbremsen (Option) ermöglicht auch das passgenaue Verschweißen nichtrotationssymmetrischer Teile.

Bild 6: Schweißbare Querschnitte

Bild 8:

Bild 7: Typische Verbindungsgeometrien mit unterschiedlich großen Querschnitten

Ø 16 mm / Ø 25 mm

Ø 16 mm / Ø 16 mm

pR/St = 80/160 N/mm², t = 3,7 s n = 2000 1/min, ∆l = 7 mm

pR/St = 40/80 N/mm², t = 4,2 s n = 2000 1/min, ∆l = 7 mm

Querschliffe reibgeschweißter Wellenverbindungen, S235, artgleich

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1.5 Parameter beim Rotations-Reibschweißen • • • • • • •

Drehzahl (bzw. Umfangsgeschwindigkeit) Reibdruck pR bzw. axiale Reibkraft FR Reibzeit Reibverkürzung (Reibweg) Stauchdruck pSt bzw. axiale Stauchkraft FSt Stauchzeit Gesamtverkürzung (Reib- + Stauchweg)

Bei den verschiedenen Prozessablaufvarianten ergeben sich zusätzliche Schweißparameter, wie z.B. Schwungmasse, (reduzierte) Anreibkraft, Bremszeitpunkt, Stauchzeitpunkt, usw. Für die Umrechnung zwischen Drücken p und axialer Anpresskraft F gilt:

pM AM = F = pB AB

Maschine: pM: Hydraulikdruck (bar), AM: wirksame Kolbenfläche (mm²) Bauteil: pB : axialer Anpressdruck (N/mm²), AB: Reibfläche (mm²)

Tabelle 1: Richtwerte für das Reibschweißen mit Schwungradantrieb (nach DVS-Merkblatt 2909) Schweißdaten für artgleiche Werkstoffe bei Rohrquerschnitten mit Wanddicken s = 6 - 19 mm und Schweißzeiten von 0,5 - 10 s flächenbezogene Werkstoff unlegierte Stähle

Schweißenergie J/mm²

Reib-/Stauchdruck N/mm²

Umfangsgeschwindigkeit m/s

50 ... 180

100 ... 200

2,5 ... 15,0

hochlegierte Stähle

70 ... 220

150 ... 300

2,5 ... 15,0

hochwarmfeste Legierungen

100 ... 300

200 ... 700

1,5 ... 7,5

25 ... 300

40 ... 100

1,0 ... 15,0

NE-Metalle Cu

150 ... 350

50 ... 70

3,0 ... 5,0

NE-Metalle Al

100 ... 180

10 ... 70

2,0 ... 3,5

NE-Metalle

Tabelle 2: Richtwerte für das Reibschweißen mit kontinuierlichem bzw. kombiniertem Antrieb (nach DVS-MB 2909) Schweißdaten für artgleiche Werkstoffe bei gleichgroßen Vollquerschnitten ∅20 mm: Werkstoff un- und niedriglegierte Stähle C60 42CrMo4 hochlegierte Stähle X5CrNi18-8 S6-5-3 hochwarmfeste Legierungen Nimonic 80 Inconel 713 C Leicht- und Schwermetalle E-Cu TiAl6V4 Al 99,5 EN AW-AlSiMg(A) Pb

flächenbezogene Reibdruck Stauchdruck N/mm² N/mm²

Reibzeit s

Stauchzeit s

Umfangsgeschwindigkeit m/s

20 ... 80 50 ... 80 50 ... 80

80 ... 200 150 ... 250 150 ... 250

1 ... 100 3 ... 6 3 ... 6

2 ... 10 2 ... 3 2 ... 3

0,5 ... 5,0 1,5 ... 3,0 1,5 ... 3,0

40 ... 100 60 ... 80 60 ... 100

120 ... 400 250 ... 300 190 ... 250

3 ... 120 6 ... 10 10 ... 15

2 ... 10 2 ... 3 2 ... 3

0,5 ... 5,0 1,5 ... 3,0 1,5 ... 3,0

60 ... 180 60 ... 100 60 ... 100

180 ... 600 180 ... 400 400 ... 500

5 ... 150 5 ... 10 5 ... 10

2 ... 15 2 ... 3 2 ... 3

0,5 ... 5,0 2,0 ... 3,0 1,5 ... 3,0

10 ... 80 < 10 20 ... 30 10 ... 30 30 ... 80 50 ... 70

20 ... 150 20 ... 60 60 ... 80 30 ... 80 50 ... 150 70 ... 100

1 ... 1 ... 2 ... 0,1 ... 0,1 ... 2 ...

2 ... 2 ... 2 ... 2 ... 2 ... 2 ...

0,5 ... 4,0 > 4,0 1,0 ... 4,0 2,0 ... 4,0 0,5 ... 2,0 1,5 ... 2,0

8 6 8 4 6 4

5 5 5 5 5 3

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1.6 Reibschweißmaschinen Welche Reibschweißmaschine einzusetzen ist, lässt sich abschätzen aus der Größe des zu verschweißenden Querschnittes (mm²) und Anhaltswerten für den werkstoffbezogenen Stauchdruck (N/mm²), z.B. aus Tab. 1 und 2. Daraus errechnet sich das notwendige Anpresskraftniveau. Richtwerte gelten meist für gleichgroße Querschnitte und einen bestimmten Durchmesserbereich. Tabelle 3: Maschinenauswahl (Unterscheidung nach der maximalen Anpresskraft) Anpresskraft max.

Einteilung (nach max. Last)

kN

t

3 11 5 20 40 120 300 450 800 1.600 2.500 2.700 4.000 6.800 20.000

0,3 1,1 0,5 2 4 12 30 45 80 160 250 270 400 680 2.000

Schweißfläche ca. (werkstoff- und geometrieabhängig!) mm²

Hersteller / Land z. B.

kleine Bolzen und Muttern

Harms & Wende / D

4...50 9...165 17...330 70...1.000 170...2.500 314...3.750 420...6.600 1.260...15.500 1.960...31.400

KUKA / D

k. A.

MTI / USA

H&W RSM200, 1,1 t (SLV München)

KUKA RS4E, 4,0 t (SLV München)

KUKA RS30, 30 t

M T I , 2.000 t

Bild 9: Reibschweißmaschinen - Beispiele

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1.7 Verschweißbare Werkstoffe Das Reibschweißen bietet sich an, kostengünstige Standardwerkstoffe oder einfach herstellbare Rohlinge zu verwenden, z.B. Stangen, Rohre, Guss- oder Schmiedeteile. Aufgrund niedriger Fügetemperaturen (T < Ts) können auch poröse Sinterwerkstoffe gefügt werden. Darüber hinaus können auch artfremde Verbindungen hergestellt werden, z.B. Werkstoffkombinationen Stahl/Aluminium, Aluminium/Kupfer, Titan/Stahl, Werkstoffe Aluminium/Keramik, u.a.m.. Das Reibschweißen bietet eine gute Schweißeignung für "schwierige" Werkstoffe und Werkstoffkombinationen. Die Reibschweißeignung wird beeinflusst vom Legierungstyp, physikalischen Eigenschaften (z.B. Reibpaarung, Temperaturausdehnungskoeffizienten), z.T. auch von der Größe und Geometrie des Verbindungsquerschnittes. Tab. 4: Reibschweißeignung von metallischen Werkstoffen und Werkstoffkombinationen (nach DIN EN ISO 15620)

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leg. Stahl / AlSiMg-Legierung

(AlMgSi0,5 F22)

i.d.R. werden St/Al-Verbindungen ohne Wärmenachbehandlung reibgeschweißt. Dabei bildet sich ein schmaler Bereich mit geringer Entfestigung, da weiches Material in den Wulst verdrängt und kalter Werkstoff nachgeführt wird. Eine Wärmenachbehandlung mit Abschreckung kommt nur an kleinen Querschnitten in Betracht - wegen "thermischer Dämpfung" durch den Stahl und unterschiedlichen Wärmedehnungen beider Werkstoffe. Bild 10: Zugproben reibgeschweißter Stahl/Aluminium-Verbindungen (Prüf-∅ 14 mm)

1.8 Vor- und Nachteile des Verfahrens Vorteile:

• • • • • • • • • • •

Nachteile: • • • • • •

Geringer Materialverbrauch (→ Alternative für spanende Fertigungsprozesse durch Kombination von Standard-Rohlingen, z.B. Stangen, Rohre, Platten, etc.). Kurze Schweißzeit. Keine belastenden Emissionen (Strahlung, Spritzer, Rauch usw.). Keine Schmelze (T 460 N/mm Gruppe 3: Vergütete Stähle und ausscheidungsgehärtete Stähle, jedoch ohne nichtrostende Stähle, mit einer gewährlei2 steten Mindeststreckgrenze ReH > 360 N/mm Gruppe 4: Vanadium-legierte Cr-Mo-(Ni)-Stähle mit Mo ”XQG9” c Gruppe 5: Vanadiumfreie Cr-Mo-Stähle mit C ” Gruppe 8: Austenitische Stähle Gruppe 10: Austenitisch-ferritische nichtrostende (Duplex)-Stähle Gruppe 21: Reinaluminium mit max. 1,5 % Verunreinigungen oder Legierungsgehalt Gruppe 22: Nichtaushärtbare Al-Legierungen Index b: ein höherer Wert ist zulässig, vorausgesetzt Cr + Mo + Ni + Cu + V ” Index c: „Vanadiumfrei“ heißt, dass Vanadium nicht absichtlich zulegiert wurde

Anmerkung: Werkstoffgruppen in diesem Merkblatt unterscheiden sich von denen in DIN EN ISO 14555:1998 © 2003 Gesellschaft für Schweißtechnik International mbH Nachdruck und unbefugte Weitergabe sind unzulässig und werden gesetzlich verfolgt

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Lichtbogenbolzenschweißen

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Beim Einsatz von Bolzen aus nichtrostenden Stählen im bauaufsichtlichen Bereich für Verbindungsmittel mit vorwiegend ruhender Beanspruchung sind die Bedingungen des jeweils gültigen Zulassungsbescheides des Deutschen Instituts für Bautechnik, z.B. Z-30.3-6 zu beachten. 5.5.2 Werkstoffe beim Spitzenzündungsverfahren Mit dem Bolzenschweißen mit Spitzenzündung lassen sich Bolzen aus unlegierten und legierten Stählen, aber auch aus Aluminium und Messing schweißen. Die Schweißeignung verschiedener BolzenGrundwerkstoff-Kombinationen ist in Tabelle 3 angegeben. Bei dem sehr kurzzeitigen Schweißvorgang wird das Blech nur bis zu einer Tiefe von 0,2 mm aufgeschmolzen. Damit lassen sich auch Werkstoffe verschweißen, deren flüssige Phasen bei starker Anschmelzung und Vermischung spröde Legierungen entstehen lassen. Die Schmelzzonen am Bolzen und Blech haben bei der kurzen Schweißzeit keine ausreichende Gelegenheit, sich miteinander zu vermischen. Der Nachweis der Belastungsfähigkeit der Verbindungen ist durch geeignete mechanische Prüfungen sicherzustellen. Tabelle 3:

Schweißeignung von gängigen Bolzen-Grundwerkstoff-Kombinationen beim Lichtbogenbolzenschweißen mit Spitzenzündung /5/ Grundwerkstoff

Bolzenwerkstoff

CR ISO/TR 15608 Gruppen 1 bis 5, 11.1

CR ISO/TR 15608 Gruppen 1 bis 5, 11.1 verzinkte und metallbeschichtete Stahlbleche, max. Beschichtungsdicke 25 µm

CR ISO/TR 15608 Gruppe 8

Reinkupfer und bleifreie Kupfer- CR ISO/TR 15608 legierungen, Gruppen 21 und 22 z.B. CuZn37 (CW 508L)

S235

a

b

a

b

-

1.4301/X5CrNi18-10 1.4303/X5CrNi18-12

a

b

a

b

-

CuZn37 (CW 508L)

b

b

b

a

-

EN AW-Al99,5 (1050A)

-

-

-

-

b

EN AW-AlMg3 (5754)

-

-

-

-

a

Erläuterung der Buchstaben für die Schweißeignung: -: nicht schweißgeeignet a: gut geeignet b: geeignet mit Einschränkungen Erläuterung der Gruppen-Nummern: 2 Gruppe 1: Stähle mit einer gewährleisteten Mindeststreckgrenze von ReH ”1PP und mit folgenden Analysewerten b b b b in % : C ”6L”0Q”0R” , S ”3”&X” , Ni ” , Cr ”IU*XVV , b Nb ”9” , Ti ” Gruppe 2: Thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle und Stahlguss mit einer gewährleisteten Mindeststreckgrenze 2 ReH > 360 N/mm Gruppe 3: Vergütete Stähle und ausscheidungsgehärtete Stähle, jedoch ohne nichtrostende Stähle, mit einer gewährlei2 steten Mindeststreckgrenze ReH > 360 N/mm Gruppe 4: Vanadium-legierte Cr-Mo-(Ni)-Stähle mit Mo ”XQG9” c Gruppe 5: Vanadiumfreie Cr-Mo-Stähle mit C ” Gruppe 8: Austenitische Stähle d Gruppe 11.1: Stähle der Gruppe 1 , aber 0,25 % < C ” Gruppe 21: Reinaluminium mit max. 1,5 % Verunreinigungen oder Legierungsgehalt Gruppe 22: Nichtaushärtbare Al-Legierungen Index b: ein höherer Wert ist zulässig, vorausgesetzt Cr + Mo + Ni + Cu + V ” Index c: „Vanadiumfrei“ heißt, dass Vanadium nicht absichtlich zulegiert wurde Index d: ein höherer Wert ist zulässig, vorausgesetzt Cr + Mo + Ni + Cu + V ”

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5.6 Qualitätssicherung beim Lichtbogenbolzenschweißen Die Qualität einer Bolzenschweißung entsteht bei der Fertigung. Sie kann durch zerstörungsfreie Prüfungen nur teilweise beurteilt werden, ohne Gewähr dafür, dass alle Unregelmäßigkeiten erkannt werden. Mechanische Prüfungen mit begrenzter Last zur Sicherung der Güte von Bolzenschweißungen reduzieren die Wirtschaftlichkeit deutlich. In der Praxis bieten sich daher Stichprobenuntersuchungen mit einfachen zerstörenden Prüfverfahren an /10/. Gesetzlich geregelter Bereich (Stahlbau) Zulassungen zum Bolzenschweißen an Stahlbauten im bauaufsichtlichen Bereich können Anwenderbetriebe erhalten, die über einen „Großen (oder Kleinen) Eignungsnachweis“ gemäß DIN 18800 verfügen.. Dazu wird eine Verfahrensprüfung Bolzenschweißen gemäß DIN EN ISO 14555 durchgeführt, bei der nur die Situation der Schweißausführung vor Fertigungsbeginn untersucht wird. Änderungen der Arbeitsbedingungen während einer Fertigung müssen von den Arbeitskräften erkannt werden, um notwendige Änderungen vornehmen zu können. Arbeitsprüfungen vor Beginn einer Schicht oder einer neuen Fertigung sind daher unerlässlich. Der Prüfumfang der Verfahrensprüfung zum Lichtbogenbolzenschweißen ist in Bild 11 aufgeführt. Art der Prüfung

Prozesse Kraftübertragung d ”PP

Wärmeübertragung d > 12 mm

Sichtprüfung Biegeprüfung 60° Bild 8b) oder Bild 8c)

Hubzündungs-Bolzenschweißen mit Keramikring oder Schutzgas und Kurzzeit-Bolzenschweißen mit Hubzündung

10 Bolzen (siehe Bild 8a), Biegeprüfung mit Drehmomentenschlüssel 10 Bolzen (siehe Bild 4a) und 4b))

1)

1)

Zugprüfung (siehe Bild 5, Bild 6 oder Bild 7)

Zugprüfung (siehe Bild 5, Bild 6 oder Bild 7) oder Durchstrahlungsprüfung 5 Bolzen

Makroschliff Kondensatorentladungs-Bolzenschweißen mit Spitzenzündung und Kondensatorentladungs-Bolzenschweißen mit Hubzündung 1)

Zugprüfung 30°

-

2 Bolzen (90° versetzt durch Bolzenmitte) Sichtprüfung

Biegeprüfung

alle Durchmesser (d) alle Bolzen

alle Bolzen

10 Bolzen (siehe Bild 5, Bild 6 oder Bild 7) 20 Bolzen (siehe Bild 8a), Bild 8b) oder Bild 8c))

Bei Schweißungen zwischen Bolzenwerkstoff der Gruppe 9 nach EN 288-3 und Grundwerkstoff der Gruppen 1 oder 2 nach EN 288-3 ist eine Zugprüfung an mindestens 10 Bolzen erforderlich

Bild 11: Prüfumfang der Verfahrensprüfungen zum Bolzenschweißen gemäß DIN EN ISO 14555 /1/.

Für die Schweißaufgabe wird eine Schweißanweisung (WPS) erarbeitet und von einer Prüfstelle anerkannt. Die Schweißanweisung kann einen bestimmten Werkstückdickenbereich und Bolzendurchmesserbereich umfassen. Die Geltungsdauer der anerkannten Schweißanweisung ist unbegrenzt, solange keine für die Qualität entscheidenden Änderungen vorgenommen werden und ein Fertigungsbuch geführt wird /1/. Bei der Anwendung der Prüfkriterien ist zu berücksichtigen, welche Halteaufgaben der aufgeschweißte Bolzen oder Stift zu übernehmen hat. Zu unterscheiden sind einfache oder untergeordnete Haltefunktionen, tragende Haltefunktionen mit statischer oder dynamischer Belastung und thermisch beanspruchte Stifte. Danach entscheidet sich die Zuordnung der Qualitätsanforderungen gemäß EN 729 zu a) umfassenden Anforderungen (EN 729-2), b) Standardanforderungen (EN 729-3) und c) elementaren Anforderungen (EN 729-4). Die Prüfkriterien (z.B. zulässige Fehlerflächen) nehmen von a) nach c) ab.

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6. Literatur / Lichtbogenbolzenschweißen /1/

DIN EN ISO 14555: Schweißen, Lichtbogenbolzenschweißen von metallischen Werkstoffen. 1998-12.

/2/

DIN EN ISO 13918: Schweißen, Bolzen und Keramikringe zum Lichtbogenbolzenschweißen. 1998-12.

/3/

DVS-Merkblatt 0901: Bolzenschweißprozesse für Metalle – Übersicht. 1998-12.

/4/

DVS-Merkblatt 0902: Lichtbogenbolzenschweißen mit Hubzündung. 2000-12.

/5/

DVS-Merkblatt 0903: Kondensatorentladungs-Bolzenschweißen mit Spitzenzündung. 2000-12.

/6/

DVS-Merkblatt 0904: Hinweise für die Praxis – Lichtbogenbolzenschweißen. 2000-12.

/7/

Forschungsbericht Projekt 79 der SLV München: Untersuchung zur Verringerung der Fehleranfälligkeit beim Bolzenschweißen mit Hubzündung.Studiengesellschaft für Anwendungstechnik von Eisen und Stahl e.V., Düsseldorf (1983).

/8/

Welz, W., A. W. E. Nentwig und A. Jenicek: Bolzenschweißen mit Hubzündung an Aluminiumwerkstoffen. Aluminium 67 (1991), H. 2, S. 153-159 und SLV-Mitteilung Nr. 90 (1991).

/9/

Trillmich R., W. Welz: Bolzenschweißen – Grundlagen und Anwendungen. Fachbuchreihe Schweißtechnik Bd. 133, DVS-Verlag Düsseldorf (1997).

/10/ Trillmich, R.: Qualitätssicherungskonzepte und Regelwerke beim Lichtbogenbolzenschweißen. Manuskript zum Vortrag anlässlich des Seminars „Qualitätssicherung beim Bolzenschweißen“ der SLV München GmbH, 12.06.1997, (1997) Seite 1-14. /11/ Hahn, O., K. G. Schmitt: Untersuchung von Einflussgrößen beim Bolzenschweißen mit Spitzenzündung. Schweißen + Schneiden, Band 34 (1982) Heft 11, Seite 521-524.

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1.13-4

Sonderschweißverfahren IV

Seite 1

ELEKTROSCHLACKENSCHWEISSEN (RES) Prinzip des RES-Verfahrens

Bild: Schematische Darstellung einer RES-Schweißung

Fugenvorbereitung

Bild: Fugenvorbereitung

Typische Zusammensetzung von Schweißpulvern: Typ

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

CaF2

Na3AlF6

A

15

20

15

15

35

--

B

5

--

55

--

--

40

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1.13-4

Sonderschweißverfahren IV

Seite 2

Verfahrensvarianten

RES-Schweißen mit nicht abschmelzender Drahtzuführung Spaltbreite: Position: Blechdicke: Werkstoffe:

30 – 35 mm senkrecht ≥ 30 mm unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle

RES-Schweißen mit abschmelzender Drahtzuführung (Kanalschweißen) Position: Blechdicke: Werkstoffe:

senkrecht ≥ 15 mm unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Stähle

Zusatzwerkstoffe und Hilfsstoffe Drahtelektroden: 2,5 – 4 mm ∅ Bandelektroden: 60 x 0,5 mm Plattenelektroden: 80 x 60 bis 1ß x 120 mm abschmelzende Drahtzuführung: Schweißpulver:

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10 – 15 mm ∅ muss Schlacke mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bilden

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1.13-4 Seite 3

Schweißparameter Einfluss der Stromstärke

Die Einbrandtiefe nimmt mit steigender Stromstärke zunächst zu, mit der dadurch erhöhten Steigegeschwindigkeit des Bads aber wieder ab.

Einfluss der Spannung

Die Einbrandbreite wird mit zunehmender Spannung größer

Einfluss des Pulvers (bei gleichen Schweißparametern)

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1.13-4

Sonderschweißverfahren IV

Seite 4

Die elektrische Leitfähigkeit des Pulvers beeinflusst das Schweißergebnis (Die Schlacke von Pulver B hat eine bessere Leitfähigkeit als die des Pulvers A). Blechdicke (mm) Elektrodenzahl feststehende Elektrode

pendelnde Elektrode

1

30 - 60

60 - 150

2

50 - 100

100 - 300

3

100 - 150

150 - 450

Einige typische Schweißdaten:

mm

feststehend

pendelnd

mm

A

V

Schweißgeschwindigkeit m/h

30

1

--

2,5

550

41

1,9

14,0

50

1

--

3,0

600

40

1,2

15,0

50

2

--

2,5

je 480

38

1,6

21,7

150

--

2

3,0

je 550

45

0,6

35,2

Blechdicke

Anzahl der Drahtelektroden

Draht-∅

Stromstärke

Spannung

Abschmelzleistung kg/h

Schweißparameter und deren Einfluss

Sonderverfahren RES-Schweißen von Rundnähten

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1.13-4 Seite 5

RES-Schweißen von Aluminium Schweißbarer Grundwerkstoff: Reinaluminium (Bei Al-Legierungen werden die Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Grundwerkstoffe im Schweißgut z.Z. nicht erreicht) Badsicherung: Graphitplatten (Badsicherung aus Kupfer entziehen zuviel Wärme – Bindefehler möglich) Schweißdaten zum Schweißen von Aluminium: NaF 18,5 % LiF 30,0 % NaCl 45,0 % 6,5 % SiO2 typische Schweißdaten: (Al 99,5 – 50 mm) Drahtelektrode: 5 mm ∅ Stromstärke: 1000 – 1100 A Schweißspannung: 35 – 42 V

RES-Bandplattieren

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Sonderschweißverfahren IV

Seite 6

ALUMINOTHERMISCHES SCHWEISSEN Prinzip des Verfahrens (nach Ruge)

Bild: Verfahrensprinzip des Thermitschweißen

Aluminothermische Reaktion: Fe2O3 + 2 Al ↓ ↓ Thermitgemisch

→ →

Al2O3 + 2 Fe + 760 kJ/mol ↓ ↓ ↓ Schlacke + Eisen + Wärme

Die Möglichkeit der Herstellung der Metallschmelze in einem Ofen wird in Gießereien nur noch selten genutzt.

Durchführung des Schweißens (Zwischengussverfahren → Schienenschweißung) − − − − − −

Spalt zwischen Schienenenden 12 bis 16 mm, Schweißstelle mit einer feuerfesten, aus Klebesand bestehenden Form umgeben, Vorwärmen der Schienenenden auf ca. 1000 °C, Zünden des Thermitgemisches, Abstich, Form entfernen, Steiger und Einguss beseitigen. Dauer einer Schweißung ca. 40 min.

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1.13-4 Seite 7

Einsatzverfahren Als Einsatz dient ein aus artgleichem Stahl bestehendes Zwischenstück. Das Verfahren verläuft wie oben beschrieben. Anwendung: Schweißen von Rillenschienen

Besondere Methoden − Schnellverfahren mit Wulst (SmW): Benutzung vorgefertigter Gießformen, Spezialbrenner zur Vorwärmung, Universalspannvorrichtung; Schweißdauer: ca. 15 min. − Schnellverfahren ohne Wulst (SoW): größerer Schweißspalt, geringe Wulstüberstände, Vorwärmzeit länger; Schweißdauer: ca. 15 min. − Schnellschweißen ohne Vorwärmen (SoV): größere Hohlräume, etwa doppelte Menge an Thermitstahl erforderlich; 2 Etappen: die Hälfte des flüssigen Stahles dient zur Vorwärmung, die zweite dem eigentlichen Schweißprozess.

Anwendung Hauptsächlich für Schienenschweißungen, auch größere Querschnitte einsetzbar, bei Reparaturschweißungen. Werkstoffe: Stahl, Stahlguss, seltener Kupfer Die gewünschte Güte des Thermit-Stahles lässt sich durch Zugabe von z.B. Kohlenstoff, Mangan, Silizium u.a. steuern.

Schrifttum Ahlert, W.:

Neuzeitliches Thermitschweißen Schweißen und Schneiden, Jahrgang 18 (1966), Heft 9

Merkblatt Nr. 241:

Thermitschweißen von Schienen Beratungsstelle für Stahlverwendung, Düsseldorf

Ruge, J.

Handbuch der Schweißtechnik Band II Springer Verlag, 1980

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1.13-4

Sonderschweißverfahren IV

Seite 8

HOCHFREQUENZSCHWEISSEN Schleifkontaktschweißen Prinzipieller Aufbau beim Hochfrequenzschweißen von Rohren (nach Hörmann)

− übliche Frequenz:

450 kHz

− Erwärmungstiefe:

wenige hundertstel Millimeter, tatsächliche Tiefe infolge Wärmeleitung größer

− Arbeitsspannung:

100 V

− Schweißstrom:

1000 bis 2000 A

− Auslegung der Schweißköpfe für Schweißleistungen von 25, 60, 140 bzw. 280 kW − kleine Wanddicken können besonders wirtschaftlich geschweißt werden − Rohrabmessungen: Durchmesser: Wanddicken:

10 – 1000 mm wenige hundertstel bis ca. 13 mm

− Werkstoff:

unlegierter Stahl, auch mit höherem C-Gehalt, Aluminium, Kupfer, Nickel und deren Legierungen

− Anwendung:

Rohrfertigung, andere Verbindungsformen (siehe nächstes Bild)

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1.13-4 Seite 9

120 Hochfrequenz: 450 kHz

Schweißgeschwindigkeit

m/min

80

60 280 kW 40 140 kW 60 kW 20 25 kW 0 0

2

4

6

8

10

12

mm

16

Wanddicke Bild:

Schweißgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Maschinenleistung und Wanddicke beim Hochfrequenzschweißen von Stahlrohren (nach Hörmann)

Bild: Verfahrensprinzip und mögliche Verbindungsformen beim Schleifkontaktschweißen (nach Hörmann)

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1.13-4 Seite 10

Induktionsschweißen

Bild: Verfahrensprinzip des Induktionsschweißens von Rohren (nach Hörmann): a) Spuleninduktor (Mittel- bis Hochfrequenz bis 450 kHz) b) Linieninduktor (Mittelfrequenz bis 10 kHz)

Wegen der geringen Erwärmungstiefe wird das Induktionsschweißen für dünnwandige Teile bevorzugt. Verringerung von Verlusten durch Einführung von magnetisierbaren Werkstoffen in das Rohrinnere.

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Seite 11

− wirtschaftlich schweißbar sind Wanddicken, die nicht kleiner als die Wirktiefe sind, − Rohrabmessungen: Durchmesser: 6 bis 450 mm Wanddicke: wenige hundertstel bis 13 mm; beim Linieninduktor bis 2,5 mm − Werkstoffe wie beim Schleifkontaktschweißen − Schweißgeschwindigkeit: sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten können erzielt werden (siehe nächstes Bild)

160 Korrekturfaktor

100

m/min

% 50 0 0

Schweißgeschwindigkeit

120

50 100 mm 200 Rohrdurchmesser

100 Hochfrequenz: 200 bis 450 kHz 80

60 600 kW 40

450 kW 300 kW

20 150 kW

100 kW

60 kW

200 kW

0 0

2

4

6

8

10

12 14

16 mm

20

Wanddicke

Vorteile des Induktionsschweißens − kein Verschleiß des Energieträgers, da berührungslos, − verlaufendes Entzundern des Rohres ist nicht erforderlich, schmale schmelzflüssige Zone, geringe Wärmebeeinflussung des Grundwerkstoffes − kleine Gratbildung − hohe Schweißgeschwindigkeit

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1.13-4

Sonderschweißverfahren IV

Seite 12

Schrifttum Hörmann, E.:

Hochfrequenz-Widerstandsschweißen mit Kontaktelektroden, Schweißen und Schneiden, Jahrgang 12, 1960

Hörmann, E.:

Hochfrequenz-Widerstandsschweißen von Rohren, Fachbuchreihe Schweißtechnik Band 40, DVS-Verlag, Düsseldorf 1965

Geisel, H. und L.. Springob:

Induktives Erwärmen zum Längsnahtschweißen von Rohren mit anschließendem Heizinduktor, Schweißen und Schneiden, Jahrgang 19, 1967

Eichhorn, F.:

Schweißtechnische Fertigungsverfahren, Band 1, Schweiß- und Schneidtechnologien, VDI-Verlag Düsseldorf, 1983

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Sonderschweißverfahren V

0. 1. 2. 3. 4.

Seite 1

Inhaltsverzeichnis Kaltpressschweißen Explosionsschweißen Ultraschallschweißen Diffusionsschweißen

1 1 3 4 7

1. Kaltpressschweißen Das Kaltpressschweißen ist das Verbinden gleichartiger oder ungleichartiger Werkstoffe im festen Zustand unter zu plastischer Verformung und erheblicher Oberflächenvergrößerung führendem Druck bei Raumtemperatur. Verfahrensprinzip:

Bild 1: Kaltpressstumpfschweißen (nach Ruge)

Bild 2: Kaltpresspunktschweißen (nach Ruge)

Parameter: − der hohe Verformungsgrad wird beim Stumpfschweißen durch Oberflächenvergrößerung, beim Punktschweißen durch Querschnittsreduzierung ausgedrückt. − Vorraussetzung: mechanische Bearbeitung der Stoßflächen und gründliche Reinigung vor dem Schweißprozess. − Zerstörung der Oxidschichten in der Schweißebene durch Oberflächenvergrößerung und Fließvorgänge. − Erforderliche Oberflächenvergrößerung: Al - 160 %, Cu - 180 Ag - 60 %. − Bindemechanismus: Atomare Anziehungskräfte (Adhäsion) und Platzwechsel mobiler, oberflächennaher Atome (Diffusion)

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Schweißanlagen: − Handzangen, für das Schweißen kleinerer Querschnitte, z.B. 3 bis 40 mm² Al, 3 bis 20 mm² Cu. − Schweißmaschinen, für das Schweißen größerer Querschnitte, z.B. 20 bis 400 mm² Al, 20 bis 150 mm² Cu. Ein- oder mehrmaliges nachträgliches Stauchen ist üblich. Das Kaltpressschweißen kann auch in Verbindung mit Umformvorgängen (Ziehen, Walzen, Fließpressen) angewandt werden:

Bild 3: Kaltpressschweißen im Ziehvorgang (nach Ruge)

Bild 4: Kaltpresswalzplattieren

Bild 5: Verfahrensvarianten des Fließpressens (nach Ruge)

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Sonderschweißverfahren V

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Verschweißbare Werkstoffe Aluminium und Kupfer sind die gebräuchlichsten Werkstoffe. Weiterhin werden Zinn, Blei, Silber u.a. geschweißt. Harte Werkstoffe lassen sich miteinander durch Zwischenlagen aus weichem Werkstoff verbinden, z.B. St-Al-St, St-Cu-St.

Anwendung des Verfahrens Für das Verbinden von Teilen in der Elektrotechnik, wie Herstellung von Bimetallkontakten, Schweißen von Leitern und in der Kondensatorfertigung. Es wird auch zum Verbinden von Teilen im Bereich der Feinwerktechnik und in der Verpackungsindustrie eingesetzt.

Schrifttum: − Ruge, J.: Handbuch der Schweißtechnik, Bd. II, Springer Verlag, 1980. − Eichhorn, F.: Schweißtechnische Fertigungsverfahren, Bd. 1, Schweiß- und Schneidtechnologie, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1983.

2. Explosionsschweißen Das Explosionsschweißen wird auch Schock- oder Sprengschweißen genannt. Hierbei wird die Wirkung der Druckwelle bei der Detonation von Sprengstoffen (z.B. Nitropenta, Hexogen, Nitroglycerin) zur Verschweißung überlappter Werkstücke ausgenutzt. Dieses Verfahren wird hauptsächlich zur Plattierung, also zur Beschichtung eines Trägerwerkstoffes, z.B. mit einer korrosionsbeständigen Schicht verwendet. Die zu verbindenden Teile werden parallel oder bei kleineren Abmessungen unter einem bestimmten Anstellwinkel mit Hilfe von Abstandshaltern übereinander angeordnet.

1. 2. 3. 4. 5.

mit Sprengstoff belegte Platte (Auflage) zu plattierende Platte (Unterlage) Amboss Pufferschicht Sprengstoff

Bild 6: Prinzip des Sprengplattierens

Die zu verbindenden Werkstückoberflächen müssen metallisch blank sein. Art und Menge des angewandten Sprengstoffes sind abhängig von der Dicke der Auflage und den Eigenschaften der zu verbindenden Metalle. Die Sprengstofflage wird von einer Linie oder einem Punkt aus zur Detonation gebracht. Unter der wandernden Detonationsfront wird das Auflageblech nach unten beschleunigt. Dabei knickt das Auflageblech ab (siehe Bild).

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Sonderschweißverfahren V

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Zwischen den beiden Fügeteilen bildet sich durch eine Druckbeanspruchung des Werkstoffes, weit über die Fließgrenze hinaus, ein flüssiger Metallstrahl aus, der durch den Druck aus dem Spalt geschleudert wird. Im sogenannten Kollisionspunkt verschweißen die Metalle miteinander. Die Verbindungsebene beider Werkstücke bildet sich dabei wellenförmig aus. Das Verfahren ist besonders bei den Metallkombinationen von Interesse, die keine Löslichkeit untereinander haben, deren Unterschiede in den Schmelztemperaturen und Formänderungsfestigkeiten zu groß sind und die spröde, intermetallische Verbindungen bilden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Plattierung von Sondermetallen wie Titan, Tantal und Molybdän auf Stähle und Verbindungen wie z. B. Aluminium mit austenitischem Stahl, Kupfer mit Aluminium und Aluminium mit Inconel. Praktische Anwendungsbeispiele sind das Plattieren von Blechen, das Innenplattieren von Kesselschüssen und Kesselböden und die Herstellung von Rohrverbindungen im Apparatebau.

Bild 7: Prinzip des Rohreinschweißens

Schrifttum: − Richter, U.: Sprengplattieren - rationelles Sonderverfahren für das großflächige Verbinden von Metallen, DVS-Berichte Band 25 (1972) − N.N.: Die Verbindung aus dem Vakuum, Sonderheft GVM, Bocholt, 1990 − Boes, P. J., u.a.: Zum Sprengschweißen von Metallen, Bänder, − Bleche, Rohre, Düsseldorf 6 (1965)

3. Ultraschallschweißen Ultraschallschweißen ist das Verbinden von Werkstoffen durch mechanische Schwingungsenergie bei plastischer Deformation der Oberflächen und Zerstörung der Oberflächenbeläge unter Druck.

Bild 8: Ultraschall (US)-Erzeugung mit einem magnetostriktiven Schwinger

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1.13-5

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Seite 5

Durch periodisch schwellende Magnetisierung des Spulenkerns werden mit gleicher Periode wechselnde Längenänderungen hervorgerufen. Ultraschallpunktschweißen oder US-Strichschweißen: 1 2 3 4 5 6 7 8

Schwinger (feste Frequenz) Kupplungsstück Befestigung der Anordnung im Schwingungsknoten Sonotrode (Rüssel, dient zur Erhöhung der Schwingungsamplitude Werkstück Amboss Anpresskraft Schwingungsrichtung

Bild 9: Schematische Darstellung des US-Schweißens

Schweißvorgang: Oberes Werkstück schwingt parallel zur Berührungsfläche mit unterem Werkstück; Anpresskraft verursacht Reibung zwischen den Werkstücken. Die dynamischen und statischen Kräfte bewirken die Zerstörung der Verunreinigungsschichten an der Oberfläche; saubere Metallschichten treten in Kontakt und verschweißen miteinander. Lokale plastische Verformung und Temperaturerhöhungen erleichtern den Schweißvorgang.

Ultraschallrollnahtschweißen Die Sonotrode ist an ihrem Ende scheibenförmig ausgebildet, die Schwingeranordnung ist im Knoten K1 drehbar gelagert, die Anpresskraft wirkt auf den Schwingungsknoten K 2. Schweißgeschwindigkeit 0,4 ... 10 m/min

Ultraschallringschweißen Die rohrförmige Sonotrode wird durch tangential wirkende Schallgeber zu Torsionsschwingungen angeregt.

Ultraschall-Kunststoffschweißen Im Gegensatz zum US-Metallschweißen sind die Schwingungen senkrecht zur Schweißfläche gerichtet. Die Verbindung entsteht im plastischen Zustand. Bei geeigneter Nahtvorbereitung können Werkstücke auch im Stumpf- oder Eckstoß miteinander verschweißt werden.

Bild 10: Verfahrensvarianten

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1.13-5

Sonderschweißverfahren V

Seite 6

Parameter: Schweißbarer Dickenbereich des sonotrodenseitigen Werkstückes (ambossseitiges Werkstück beliebig dick) in mm: Al-Legierung

Stahl

US-Punktschweißen

0 ... 3

0 ... 0,5

US-Nahtschweißen

0 ... 0,5

0 ... 0,1

Frequenz (für jede Maschine fest): Amplitude: Anpresskraft: Schweißzeit: Oberflächenvorbereitung: maximale Temperatur in der Schweißzone: Verformung:

20...65 kHz 1...50 µm 1... 6000 N Einstelldaten 0,005...1 s nicht erforderlich < 60 % der Schmelztemperatur des Metalls < 5 % der Werkstückdicke

Verschweißbare Werkstoffe

Zirkon+Legierung Wolfram+Legierung Titan+Legierung Zinn Tantal+Legierung Silber+Legierung Silizium Platin+Legierung Palladium+Legierung Nickel+Legierung Molybdän+Legierung Magnesium+Legierung Eisen Gold Germanium Kupfer, Cu-Zn-Legierung Beryllium+Legierung Aluminium+Legierung

In Abb. 11 sind Werkstoffe und Werkstoffkombinationen wiedergegeben, die bisher erfolgreich mit dem US-Verfahren geschweißt wurden. Verbindungen von Aluminium mit Glas, Mischverbindungen zwischen Metall und Kunststoff sowie Metall und Keramik sind möglich.

Aluminium+Legierung Beryllium+Legierung Kupfer, Cu-Zn-Legierung Germanium Gold Eisen Magnesium-Legierung Molybdän+Legierung Nickel+Legierung Palladium+Legierung Platin+Legierung Silizium Silber+Legierung Tantal+Legierung Zinn Titan+Legierung Wolfram+Legierung Zirkon+Legierung

Bild 11: Werkstoffe und Werkstoffkombinationen, die US-geschweißt wurden (nach Ruge)

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Sonderschweißverfahren V

1.13-5 Seite 7

Anwendung Das Ultraschallschweißen wird zum Verbinden dünner Folien, Bleche und Drähte in der Elektrotechnik, Elektronik und Feinwerktechnik eingesetzt. Beispiele: Verbinden (Bonden) von dünnen Aluminiumdrähten mit Chips, Anschweißen von Kontakten, Dichtschweißen von Gehäusen. Schrifttum: − Ruge, J.: Handbuch der Schweißtechnik, Band II, Springer-Verlag, 1980 − Merkblatt DVS 2802: Ultraschallschweißverfahren in der Mikroelektronik, DVS-Verlag, Düsseldorf, 1970

4. Diffusionsschweißen Das Diffusionsschweißen ist ein Verfahren zum Verbinden gleichartiger und ungleichartiger Werkstoffe im festen Zustand ohne Zusatzwerkstoffe. Die Schweißverbindung erfolgt durch Diffusion, d.h. durch Materialtransport im atomaren Bereich.

Bild 12: Schematische Darstellung einer Diffusionsschweißanlage mit direkter Widerstandsheizung

Anlage zum Vakuum-Diffusionsschweißen besteht aus:

1. Vakuumsystem Die zu verbindenden Teile befinden sich in einem Rezipienten der an ein Vakuumsystem angeschlossen ist. Durch das Vakuum wird eine hohe Reinheit der Schweißflächen erzielt, denn Oxidbildung muss vermieden werden. 2. Heizung Wahl der Heizung (induktive Heizung, direkte und indirekte Widerstandsheizung) richtet sich nach dem Schweißquerschnitt.

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Sonderschweißverfahren V

1.13-5 Seite 8

3. Druckvorrichtung Die zu verschweißenden Teile werden während des Diffusionsvorganges zusammengepresst. Der Druck muss so groß gewählt werden, dass ein guter Kontakt der Schweißflächen gewährleistet ist, jedoch so klein, dass keine plastische Verformung auftritt. Schweißdaten: Werkstückabmessungen: Schweißflächenvorbereitung: Vakuum: Schweißtemperatur: Schweißzeit: Schweißdruck: Zwischenschichten:

in weiten Grenzen beliebig, jedoch begrenzt durch Bauart der Vakuumkammer feingeschliffen, evtl. geläppt und poliert, entfettet 10-3 - 10-5 mbar das 0,6 - 0,7-fache des Schmelzpunktes 10 min bis mehrere Stunden 5 - 100 N/mm2 zur Beschleunigung des Schweißvorganges, zur Vermeidung von intermetallischen Phasen

Vorteile des Verfahrens: Hohe Qualität der Schweißverbindung: keine Änderung der phys.-mech. Eigenschaften. Bearbeitung nach dem Schweißen entfällt. Das Verfahren kann automatisiert werden, keine plastische Verformung. Nachteile des Verfahrens: Großer apparativer Aufwand, lange Schweißzeiten, teure Werkstückoberflächenvorbereitung.

Verschweißbare Werkstoffe

Mit Zwischenschicht

Aluminium Aluminium-Legierung Beryllium Beryllium-Legierung Kupfer Kupfer-Legierung Kobalt Kobalt-Legierung Eisen Eisen-Legierung Molybdän Molybdän-Legierung Nickel Nickel-Legierung Niob Niob-Legierung Tantal Tantal-Legierung Titan Titan-Legierung Wolfram Wolfram-Legierung Zirkon Zirkon-Legierung Keramik

Ohne Zwischenschicht

Aluminium Aluminium-Legierung Beryllium Beryllium-Legierung Kupfer Kupfer-Legierung Kobalt Kobalt-Legierung Eisen Eisen-Legierung Molybdän Molybdän-Legierung Nickel Nickel-Legierung Niob Niob-Legierung Tantal Tantal-Legierung Titan Titan-Legierung Wolfram Wolfram-Legierung Zirkon Zirkon-Legierung Keramik

Bild 13: Erfolgreich diffusionsgeschweißte Werkstoffkombinationen (nach Ruge)

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1.13-5 Seite 9

Wenn beim Diffusionsschweißen der zu verbindenden Metalle ein Eutektikum auftritt unterhalb der Schweißtemperatur, dann bezeichnet man es als Diffusionslöten. Anwendung Das Verfahren wird in Sonderfällen angewendet, wenn andere Verbindungsverfahren nicht oder nur bedingt eingesetzt werden können. Es wird in kostenintensiven Industriebereichen wie Luft- und Raumfahrt, im Reaktorbau und in der Elektroindustrie eingesetzt. Schrifttum: − Owczarski, U. A. u.a.: Application of Diffusion Welding in the USA, Welding Journal, February 1981 − Lison, R.: Diffusionsschweißen und seine Anwendungsbeispiele aus der Kerntechnik, Schweißen und Schneiden, Jg. 23 (1971) − Ruge, J.: Handbuch der Schweißtechnik, Band II, Springer Verlag, 1980

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1.13-5 Seite 10

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Thermisches Schneiden, Nahtvorbereitungsverfahren I/II

1.14-1 u. 1.14-2 Seite 1

0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Inhaltsverzeichnis Thermisches Schneiden Autogenes Brennschneiden Plasmaschneiden Laserstrahlschneiden Wasserstrahlschneiden Schnittflächengüte und Maßtoleranzen Einsatzbereiche und Wirtschaftlichkeitsvergleich der thermischen Schneidverfahren 8. Literatur

1 1 2 16 26 31 32 38 41

1. Thermisches Schneiden 1.1 Einteilung der thermischen Schneidverfahren Eine Einteilung der thermischen Schneidverfahren kann nach verschiedenen Gesichtspunkten erfolgen. Nach den vorherrschenden physikalischen Vorgängen ist eine Gliederung in Brenn-, Schmelz- und Sublimierschneiden möglich. Der Werkstoff wird • • •

beim Brennschneiden überwiegend verbrannt und die Verbrennungsprodukte durch einen Sauerstoffstrahl hoher kinetischer Energie ausgetrieben, beim Schmelzschneiden vorwiegend geschmolzen und durch einen Gasstrahl hoher Geschwindigkeit ausgeblasen und beim Sublimierschneiden hauptsächlich verdampft und durch Expansion und/oder einen Gasstrahl ausgeblasen.

Die Einteilung der Schneidverfahren nach der Art des von außen auf das Werkstück einwirkenden Energieträgers entsprechend DIN 2310 Teil 6 zeigt Bild 1. Thermisches Abtragen

durch Gas

durch Gasentladung

durch Strahl

Autogenes Brennschneiden

LichtbogenSauerstoffschneiden

Laserstahlschneiden

MetallpulverBrennschneiden

LichtbogenDruckluftfugen

MetallpulverSchmelzschneiden

Plasmaschneiden

Bild 1: Einteilung der Schneidverfahren entsprechend DIN 2310 Teil 6

Brennfugen

Brennbohren

Flammstrahlen

Nach dem Mechanisierungsgrad unterscheidet man in Handschneiden (manuelles Schneiden), teilmechanisches, vollmechanisches und automatisches Schneiden.

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Thermisches Schneiden, Nahtvorbereitungsverfahren I/II

1.14-1 u. 1.14-2 Seite 2

2. Autogenes Brennschneiden Anwendungsbereich Mit dem autogenen Brennschneiden lassen sich un- und niedriglegierte Stähle im Werkstückdickenbereich zwischen 3 und 300 mm mit Standardschneidbrennern und bis 3000 mm mit Sonderbrennern trennen.

Bild 2: Vorgänge beim autogenen Brennschneiden

Bild 3: Ältester Wasserstoff-Sauerstoff-Schneidbrenner von Wiss, 1903 (1 Schneidbrenner, 2 Schweißbrenner)

Verfahrensprinzip: 1. Das Werkstück wird durch die Heizflamme örtlich auf Entzündungstemperatur erwärmt. Diese liegt bei Stahl in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt zwischen 1150 °C und 1250 °C. 2. Durch Zuschalten des Schneidsauerstoffs wird die Verbrennung des Werkstoffes eingeleitet. Die über die Heizflamme zugeführte Wärme ermöglicht im Zusammenwirken mit der bei der exothermen (wärmeerzeugenden) Reaktion des Eisens mit dem Sauerstoff freiwerdenden Wärme eine fortlaufende Verbrennung. 3. Die kinetische Energie des Schneidsauerstoffstrahles treibt das verbrannte Material - die Schneidschlacke - aus. Diese besteht zu 80 % aus Oxiden und zu 20 % aus Schmelze. 4. Die gleichmäßige Bewegung des Schneidbrenners über dem Werkstück erzeugt die Schnittfuge. 2.1 Voraussetzungen für das autogene Brennschneiden Damit der wärmeerzeugende (exotherme) Prozess anlaufen kann, muss der zu schneidende Werkstoff folgende Voraussetzungen erfüllen: 1. Er muss im Sauerstoffstrom verbrennbar sein. Diese Forderung wird von allen Metallen erfüllt, die eine ausreichend große chemische Affinität zu Sauerstoff besitzen, am besten vom reinen Eisen. 2. Seine Entzündungstemperatur muss unterhalb der Schmelztemperatur liegen. Die Entzündungstemperatur von Baustählen liegt bei etwa 1200 °C, der Schmelzpunkt knapp unter 1500 °C. Solche Werkstoffe können also verbrennen, ehe sie flüssig werden. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt steigt die Verbrennungstemperatur, gleichzeitig sinkt die Schmelztemperatur. Bei Stählen ab etwa 1,6 % Kohlenstoffgehalt ist diese Voraussetzung nicht mehr gegeben – der Werkstoff schmilzt, ehe er verbrennt. Deshalb sind zum Beispiel Werkzeugstähle und Gusseisen nicht brennschneidbar.

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3. Die Schmelztemperatur der Oxide muss niedriger sein als jene des Werkstoffes. Einige Metalle und Legierungselemente bilden hochschmelzende Oxide. Typisch hierfür ist Aluminium. Sein Schmelzpunkt liegt bei 660 °C, der des Oxids bei etwa 2050 °C. Der Sauerstoffstrahl kann das Metall gar nicht erreichen, weil es von einer festen Oxidschicht bedeckt ist. Aluminiumwerkstoffe sind daher nicht autogen schneidbar. Ähnlich verhält es sich mit Chrom, das ebenfalls hochschmelzende Oxide bildet. Da Nickel nur eine geringe Affinität zu Sauerstoff hat, leistet es keinen großen Beitrag zur Verbrennungswärme. Dies ist der Grund, warum nichtrostende CrNi-Stähle nicht autogen geschnitten werden können. Auch andere Legierungselemente des Stahles wie Silizium, Mangan, Wolfram, Molybdän und Kupfer erschweren in höheren Gehalten das Brennschneiden. 4. Die entstehenden Oxide müssen dünnflüssig sein. Bildet sich beim Verbrennen eine Schlacke, die sehr zähflüssig ist und deshalb schlecht aus der Fuge ausgetrieben werden kann, dann ist das Brennschneiden naturgemäß erschwert. Diese Eigenschaft wird auch durch Chrom und Silizium beeinflusst. 5. Die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes darf nicht zu groß sein. Wird nämlich mehr Wärme abgeführt, als durch den Verbrennungsprozess entsteht, dann kommt der Schneidvorgang zum Erliegen – vor allem in der Tiefe des Werkstoffes, wo die Heizflamme nicht hinreicht. Diese Bedingung ist zum Beispiel beim Kupfer gegeben. Die vorgenannten Bedingungen werden von un- und niedriglegierten Stählen erfüllt. Zur Beurteilung der Brennschneideignung von Stahl ist zunächst dessen Kohlenstoffgehalt entscheidend.

Bild 4: Detail aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Die Brennschneideignung von Stahl beeinflussen neben dem Kohlenstoff die Anzahl und Menge der Legierungsbestandteile. Die Brennschneideignung sinkt mit steigendem Legierungsgehalt. Der Einfluss einzelner Legierungselemente ist in Tabelle 1 dargestellt.

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Tabelle 1: Einfluss von Legierungselementen auf die Brennschneideignung von Stahl Stahl

oberer Grenzgehalt

Bemerkungen

C-legiert

bis 1,6 % C

bei % C > 0,45 kommt es ohne Wärmebehandlung zu Aufhärtung und Rissbildung

Mn-legiert

bis 13 % Mn

bei % C ≤ 1,3

Si-legiert

bis 2,9 % Si

bei % C ≤ 0,2 bis 4 % Si schneidbar

Cr-legiert

bis 1,5 % Cr

bei % C ≤ 0,2

W-legiert

bis 10,0 % W

bei 0,5 % Cr, 0,2 % Ni, 0,8 % C

Ni-legiert

bis 7,0 % Ni

bei 0,3 ≤ % C ≤ 0,5 bis 34 % Ni schneidbar

Mo-legiert

bis 0,8 % Mo

bei höheren W-, Cr- und C-Gehalten nicht schneidgeeignet

Zur groben Beurteilung der Brennschneideignung, zur Bestimmung der notwendigen Vorwärmtemperatur und zur Abschätzung der Aufhärtung dient das Kohlenstoffäquivalent CÄq für Stähle. Ein gebräuchliches ist das von Voldrich und Harder: CÄq= C + Mn/6 + Ni/15 + Cr/5 + Mo/4 + V/4 Bis zu einem Kohlenstoffäquivalent von etwa 0,4 sind die Stähle ohne besondere Vorbehandlung autogen brennschneidgeeignet. Liegt der Wert darüber, muss der Stahl vorgewärmt werden. Ab einem Kohlenstoffäquivalent von 1,0 ist das autogene Brennschneiden nicht mehr einsetzbar (Tabelle 2). Tabelle 2: Brennschneideignung verschiedener Stähle

0,20

B500

0,23

P265GH

0,29

16Mo3

0,37

GC25E

0,35

S355

0,41

E360

0,57

P235G1

0,61

17MnMoV6-4

0,59

17MnCrMo3-3

0,63

22NiMoCr3-7

0,62

20MnMoNi5-5

0,63

20MnCrSiMoZr4-3

0,60

13CrMo4-5

0,51

10CrMo9-10

0,88

X2Ni9

0,79

X45NiCrMo4

1,06

X2NiCoMo18-9-5

2,20

X20Cr13

2,80

X8CrNiNb19-9

4,30

X10CrNiTi18-9

4,58

X10CrNiMoTi18-10

5,20

X15CrNiSi10-12

5,40

X3CrNiMoNb25-7

5,51

brennschneidgeeignet

S235

Kohlenstoffäquivalent

nicht brennschneidgeeignet

Stahlsorte

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1.14-1 u. 1.14-2 Seite 5

Die Höhe der Vorwärmtemperatur hängt auch von der Blechdicke und der geforderten Schnittqualität ab (Tabelle 3). Tabelle 3: Richtwerte für Vorwärmtemperaturen zum autogenen Brennschneiden Vorwärmtemperaturen Kohlenstoffäquivalent [%]

bis ca. 50 mm Blechdicke / bei Trennschnitten [°C]

ab ca. 50 mm Blechdicke / bei Formschnitten [°C]

bis 0,3

-

-

0,3 – 0,4

-

max. 100

0,4 – 0,5

max. 100

100 – 200

0,5 – 0,6

100 – 200

200 – 350

über 0,6

200 – 350

350 – 500

2.2 Brenngase Beim Brennschneiden werden als Brenngase Kohlenwasserstoffverbindungen verwendet. Deren Verbrennung läuft in zwei Stufen ab. Innerhalb der Primärflamme findet eine unvollkommene Verbrennung durch den zugeführten Heizsauerstoff statt. Durch Aufnahme von Sauerstoff aus der Luft wird das Brenngas in der Sekundärflamme vollständig verbrannt. Beim Brennschneiden ist vor allem die Heizwirkung der Primärflamme von Bedeutung. Acetylen hat die höchste Flammentemperatur und Zündgeschwindigkeit von allen Brenngasen. Dadurch ergibt sich eine günstige Wärmeübertragung auf das Werkstück und als Folge geringe Anwärmzeiten beim Anschneiden und Lochstechen und hohe Schneidgeschwindigkeiten, vor allem beim Fasenschneiden.

Bild 5: Flammentemperatur, Zündgeschwindigkeit und Primärflammenleistung verschiedener Brenngase in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis Brenngas-Sauerstoff

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Hauptbestandteile

Vol-%

Acetylen

Ethen

Propan

Propylen

> 80% CH4 Methan

> 99,5% C2H2 Acetylen

99,5 % C2H4 Ethylen/ Ethen

95 % C3H8 Propan

> 99,8 % C3H6 Propylen/ Propan

Rest: C4H10 Butan

Rest: Ethan, Ethen

Rest: C2H6 Ethan Eigenschaften Art

Erläuterung

Dichte

(bei 0°C, 1013 bar)

relative Dichte

(Luft=1)

Dimension kg/m³

0,71 0,55

1,17

1,26

2

1,92

0,906

0,975

1,52

1,49

leichter als Luft unterer Heizwert

(Energiegehalt)

(1 MJ = 0,278 kWh)

Zündung in Luft

Z-Grenzen Z-Temperatur Z-Geschwindigkeit max. Flammentemp.

Zündung in Sauerstoff (O2)

MJ/m³

35,88

56,64

59,1

93,7

87,73

MJ/kg

50

48,23

47,14

46,7

45,7

kWh/kg

13,9

13,41

13,11

12,98

12,71

Vol.-%

4 ... 16

2,4 ... 80

2,7 ... 34

1,8 ... 9,5

2 ... 10,5

°C

580

305

427

480

460

m/s

0,4

1,5

0,74

0,51

0,65

°C Vol.-%

1957

2590

2357

1980

2054

4 ... 60

2,7 ... 93

2,9 ... 80

2,3 ... 45

2,1 ... 53

555

296

385

470

430

m/s

3,8

7,2

5,1

3,3

4

max. Flammentemp.

°C

2780

3160

2940

2840

2920

m³ Luft pro m³ Brenngas

8,4 ... 9

9 ... 10

11 ... 13

21 ...22

15 ... 20

m³ O2 pro m³ Brenngas

1,6 ... 1,8

1,1 ... 1,3

1,9 ... 1,9

3, 8 ... 4,5

3 ... 3,8

m³ Brenngas pro m³ O2

0,55 ... 0,63

0,77 ... 0,91

0,54 ... 0,58

0, 22 ... 0,26

0,26 ... 0,33

4,05

9,9

7,2

4,5

6,0

stabil

instabil

stabil

stabil

stabil

spez. Flammenleistung mit O2

(rechn. Wert)

Stabilität

(Zerfallsneigung)

kW/cm³

Seite 6

°C

Z-Geschwindigkeit

Z-Temperatur

1.14-1 u. 1.14-2

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"normales" Mischungsverhältnis

Z-Grenzen

schwerer als Luft

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Methan

Tabelle 4: Technische Eigenschaften wichtiger Brenngase

Brenngas

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2.3 Brennschneidgeräte Schneidbrenner Das eigentliche Werkzeug zum Brennschneiden ist die Schneiddüse. Diese wird durch einen zugehörigen Schneidbrenner aufgenommen und mit Brenngas, Heiz- und Schneidsauerstoff versorgt. Entsprechend dem Mischsystem wird in Brenner mit Saugwirkung (Kennzeichnung „I“) und ohne Saugwirkung (Kennzeichnung „II“) unterschieden. Bei Brennern mit Saugwirkung (Injektorbrenner) wird das Brenngas durch den Heizsauerstoff über einen Injektor angesaugt und das Gemisch der zugehörigen Düse zugeleitet. Bei Brennern ohne Saugwirkung (Druckbrenner) strömen Brenngas und Heizsauerstoff getrennt zur zugehörigen Schneiddüse. Die Mischung der beiden Gase erfolgt bei Innenmischung in der (gasemischenden) Schneiddüse. Da Schneidbrenner in der Bauausführung nicht genormt sind, gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen. Zum manuellen Schneiden werden neben kombinierten Schweiß- und Schneidgeräten spezielle Handschneidbrenner (Bild 6) verwendet. Dem Handschneidbrenner wird der Sauerstoff meist in einem Schlauch zugeführt und erst im Brenner in Heiz- und Schneidsauerstoff aufgeteilt (sog. Zweischlauchbrenner).

Bild 6: Handschneidbrenner

Einem Maschinenschneidbrenner (Bild 7) werden Brenngas sowie Heiz- und Schneidsauerstoff in der Regel getrennt über drei Schläuche zugeleitet (sog. Dreischlauchbrenner). Eine Beeinflussung der Heizflamme beim Zuschalten des Schneidsauerstoffs wird hierdurch vermieden.

Bild 7: Maschinenschneidbrenner

Brennschneiddüsen Brennschneiddüsen werden nach unterschiedlichen Merkmalen eingeteilt. So können u. a. die Brenngasart, die Bauform der Düse und die Geometrie der Heizflammenkanäle als Ordnungsmerkmal dienen. In der Praxis werden folgende Düsenbauformen verwendet: Ringdüse (zweiteilig) Sie hat einen ringförmigen Austritt der Flammengase und somit eine geschlossene Flamme. Dadurch wird die Wärme gleichmäßig um den Schneidstrahl verteilt in das Werkstück eingebracht. Dies bringt

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1.14-1 u. 1.14-2 Seite 8

Vorteile beim Konturenschnitt. Eine nicht zentrierte, d. h. beschädigte Schneiddüse verringert jedoch stark die Schneidleistung und erhöht die Rückzündempfindlichkeit des Brenners. Schlitzdüse (zweiteilig) Die ebenfalls zweiteiligen Schlitzdüsen zeichnen sich gegenüber der Ringdüse durch höhere Schneidleistung und gutes Säuberungsvermögen aus. Die Gase werden sehr gut gemischt. Durch die konische Passung von Heiz- und Schneiddüse ist eine genaue Anordnung der Heizflamme zum Schneidsauerstoff gewährleistet. Sie wird häufig bei Maschinenschneidbrennern verwendet. Blockdüse (einteilig) Blockdüsen bestehen aus einem Stück, so dass eine genaue Anordnung zum Schneidsauerstoffstrahl gewährleistet ist. Der Nachteil ist, dass bei Beschädigung die ganze Düse ersetzt werden muss.

Ringdüse

Schlitzdüse

Blockdüse

Bild 8: Typische Formen von Brennschneiddüsen

Entsprechend der Mischungsart sind Schneiddüsen auf den zugehörigen Brenner abgestimmt. Man unterscheidet zwischen Schneiddüsen für Injektorbrenner und (gasemischenden) Düsen für Druckbrenner. Schneiddüsen für Injektorbrenner dürfen nur mit dem zugehörigen Brenner für die angegebene Brenngasart eingesetzt werden.

für Brenngas Acetylen

für langsam verbrennende Gase

Schneiddüsen für Injektorbrenner

für Brenngas Acetylen

für langsam verbrennene Gase

Gasemischende Schneiddüsen für Druckbrenner

Bild 9: Schneidüsen für Injektor- und Druckbrenner

Gasemischende Düsen gibt es in einteiliger (für Acetylen) und mehrteiliger Form (für langsam verbrennende Gase z. B. Propan). Gasemischende Düsen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Gase getrennt der Düse zugeführt werden. Die Mischung erfolgt in der Düse. Schneiddüsen für unterschiedliche Brenngasarten können daher mit einem Schneidbrenner betrieben werden. Ein Vorteil dieser Düsen ist die weitgehende Rückzündsicherheit auch bei hoher thermischer Belastung (z. B. beim Einsatz in Mehrbrenneraggregaten).

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1.14-1 u. 1.14-2 Seite 9

Die Stirnflächen der Schneiddüse und der Heizdüse schließen beim Einsatz von Acetylen als Brenngas bündig ab. Beim Einsatz von langsam verbrennenden Gasen wie Propan und Methan ist zur Stabilisierung der Flamme die Schneiddüsenstirnfläche in der Regel nach innen zurückgesetzt. 2.4 Praxis des Brennschneidens Inbetriebnahme des Schneidbrenners Nach der Auswahl einer zur jeweiligen Blechdicke gehörenden Schneiddüse sind aus der Schneidtabelle die Werte für die Gasdrücke zu entnehmen und bei geöffneten Brennerventilen einzustellen. Beim Einstellen der Drücke sind Verluste bis zum Schneidbrenner einzurechnen. Wenn möglich, sollten die Gasdrücke direkt am Brenner gemessen werden. Heizflammeneinstellung • • • • •

Heizsauerstoffventil ganz, Brenngasventil nur wenig öffnen Gemisch zünden zuerst mit dem Brenngasventil Brenngasüberschuss einstellen (Bild 10, links) Brenngasventil drosseln, bis sich der Flammenkegel scharf abgrenzt (Bild 10, Mitte) Schneidsauerstoffventil öffnen und prüfen, ob der Schneidsauerstoffstrahl gerade und konzentrisch aus der Schneiddüse austritt, sich nicht aufweitet, ausfranst oder flattert (Bild 10, rechts)

Bild 10: Einstellen der Heizflamme

Bild 11: Abläufe beim manuellen Lochstechen

Durch die Auslegung der Schneiddüsen ist es möglich, die Einstellung der Heizflamme den praktischen Erfordernissen anzupassen. Bei verrosteten, verzunderten oder geprimerten Oberflächen oder beim Fasenschneiden sind stärkere Heizflammen einzustellen. Schneidsauerstoffdruck Die für die Werkstückdicke richtig eingestellte Schneidsauerstoffmenge ergibt sich aus der Wahl der zugehörigen Schneiddüse und dem angegebenen Schneidsauerstoffdruck. Zu niedriger Schneidsauerstoffdruck führt zu konvergierenden oder hohlen, unten enger werdenden Schnittfugen, zu großem Rillennachlauf und fest anhaftendem Schlackebart. Divergierende oder hohle, unten breiter werdende Schnittfugen und abgerundete Schnittunterkanten sind die Folgen von zu hohem Schneidsauerstoffdruck.

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Schneidbeginn Es gibt zwei Möglichkeiten, mit dem Brennschnitt zu beginnen: Den Anschnitt an der Werkstückkante und den Anschnitt von der Werkstückoberfläche aus. Beim Anschnitt an der Werkstückkante wird diese mit der Heizflamme auf Entzündungstemperatur gebracht, dann der Schneidsauerstoff zugeschaltet und der Brennervorschub eingeleitet und der Schneidbrenner mit konstantem Abstand und gleichmäßiger Vorschubgeschwindigkeit über das Werkstück geführt. Zum Schneiden von Innenkonturen muss der Schnitt von der Werkstückoberfläche aus, durch das sogenannte Lochstechen, begonnen werden (Bild 11). Hierbei wird zuerst das Werkstück im Einwirkbereich des Schneidsauerstoffstrahls auf Entzündungstemperatur vorgewärmt. Dann ist das Schneidsauerstoffventil langsam zu öffnen und der Brennerkopf leicht anzuheben. Bei geringer Vorschubgeschwindigkeit ist der Brenner wieder auf den nominellen Abstand einzustellen. Mit geringem Schneidsauerstoffdruck wird für einige Sekunden eine flache Fuge geschnitten. Danach wird der Schneidsauerstoffdruck auf den für die Werkstückdicke vorgegebenen Wert erhöht und der Schneidstrahl durchsticht das Werkstück. Schneidgeschwindigkeit Die in den Brennschneidtabellen angegebenen Schneidgeschwindigkeiten sind Richtwerte zur Erzielung einer Schnittflächenqualität der Güte I nach DIN EN ISO 9013. Sie ist in Abhängigkeit von den Legierungsbestandteilen des Werkstoffes herabzusetzen und wenn die Werkstücke rostige, verzunderte oder geprimerte Oberflächen aufweisen. Beim Schneiden von Konturen mit kleinen Radien sind die Vorschubwerte um 10 % zu verringern. Bei Schrägschnitten ist die effektive Werkstückdicke anzusetzen und aufgrund der schlechteren Wärmeübertragung die Schneidgeschwindigkeit herabzusetzen, bei 30 ° Fasenwinkel um ca. 25 % und bei 45 ° Fasenwinkel um ca. 45 %. Tabelle 5: Auszug aus einer Brennschneidtabelle für Standard-Brennschneiddüsen, Brenngas Acetylen Werkstückdicke

Schneid -düse

mm

10 15 20 25

10…25 10…25 10…25 10…25

Acetylendruck

Heizsauerstoffdruck

Schneidsauerstoffdruck

Schnittfugenbreite

Schneidgeschwindigkeit

bar

bar

bar

mm

mm/min

0,5 0,5 0,5 0,5

2,5 2,5 2,5 2,5

4,0 4,3 4,5 5,0

1,8 1,8 1,8 1,8

620 520 450 410

Acetylenverbrauch

Heizsauerstoffverbrauch

Schneidsauerstoffverbrauch

m³/h

m³/h

m³/h

0,35 0,35 0,35 0,35

0,46 0,46 0,46 0,46

2,3 2,5 2,6 2,8

Die Schneidgeschwindigkeit ist auch vom Düsentyp abhängig. Im Bild 12 sind die Schneidgeschwindigkeiten von Standard- und Hochleistungsschneiddüsen dargestellt. Besondere Schneidkanalformen ermöglichen es, dass der Schneidsauerstoffstrahl mit 1,5facher Schallgeschwindigkeit aus der Düse ausströmen kann, ohne dass er sich nach dem Austritt aus der Düse schnell aufweitet.

Bild 12: Schneidgeschwindigkeiten verschiedener Schneiddüsenformen

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2.5 Fehlerursachen beim Brennschneiden Tabelle 6 gibt einen Überblick über Brennschneidfehler und ihre Ursachen.

2

3

1

2

1

2121

Schnittfugenerweiterung an der Werkstückoberseite

1

2122

Schnittfugenerweiterung an der Werkstückunterseite

1

221

Übermäßiger Rillennachlauf

1

222

Rillenvorlauf

223

Örtliche Rillenablenkung

224

Übermäßige Rillentiefe

1

1

225

Ungleichmäßige Rillentiefe

1

1

231

Einzelkolkung

232

Kolkungsanhäufungen

2321

Kolkungsanhäufungen im unteren Schnittflächenbereich

24

Schnittflächenenden nicht durchgeschnitten

2

1

2

1 2 3 3

3

2

2

2

1

1

2 2

3 1

2

1

2

2

2

2

2

3

3

2

3 3 1

1

1

3 2

1

2

1

2

2

2

2

3

3 3

2

Anschneiden

2

2

25

In Schneidrichtung wellige Schnittfläche

1

Gruppe 3

Schlacken

31

Schlackenbart

1

32

Schlackenkruste

1

Gruppe 4:

Risse

4021

Risse in der Schnittfläche

1

Gruppe 5:

Sonstige Unregel-

51

Anschnittabweichung

2

mäßigkeiten

52

Anstechabweichung

2

53

Zu breite Schnittfuge

3

541

Unterbrochener Schnitt in Schnittdickenrichtung

1

1

1

542

Unterbrochener Schnitt in Schnittlängsrichtung

1

2

1

1

Probleme beim

1

2

3

1

1

2

2

1 3

3

2 3

2

3 1

3

1

2

1

2

2

2

1

1

3

1

3

1

Zeit für Schneid-O2-Druckanstieg zu lang / zu kurz

Kantenhohlschnitt oberhalb der Schnittunterkante

Welliges Schnittflächenprofil

37

2112

Hohles Schnittflächenprofil

Start für Vorschub zu früh / zu spät

2

an Schnittflächen

215

Brenner steht nicht über der Werkstückkante

1

214

Werkstoff kalt verfestigt

Kohlenstoffgehalt zu hoch 29

2

Schnittwinkelabweichung

36

Gehalt an Legierungselementen zu hoch 28

2

Schnittwinkelabweichung einer Schnittfläche

Abkühlung des Werkstückes zu schnell

Blech mit Dopplungen 27

3

2131

35

Blech mit vereinzelten Einschlüssen 26

Kantenhohlschnitt unterhalb der Schnittoberkante

213

34

Blech mit Seigerungen und Schlackeeinschlüssen 25

Angeschnittene Schnittoberkante

2111

3

Werkstückvorwärmung zu gering

Blechoberfläche verschmutzt / verzundert / verrostet 24

14

2

1

3

Unregelmäßigkeiten

1

1

1 1

1

1

Warmrissanfälliger Stahl

3

33

2

Schlackenfluss durch Blechauflage behindert

2

32

Werkstoff zu Brennschneiden nicht geeignet 23

1

31

Schneidkanalbohrung zu groß 22

1

3

2 2

1

Werkstoff-Fragen

Schneidsauerstoffmenge kurz unterbrochen 21

Blech

einzelnen) Schneidsauerstoffstrahl gestört - abgelenkt 20

Schneiddüse

(Unregelmäßigkeiten im

Schneidsauerstoffkanal verschmutzt - beschädigt

2

Schneidsauerstoff: Druck zu niedrig – Menge zu klein

Schneidsauerstoff: Druck zu hoch – Menge zu groß

1

19

Heizflamme abgeknallt

3 1

18

einzelnen)

(Unregelmäßigkeiten im

17

Düse für die zu schneidende Blechdicke zu klein 9

16

Düse für die zu schneidende Blechdicke zu groß 8

Heizflamme mit Brenngasüberschuss

Düsenabstand vom Blech: zu groß 7

Heizflamme gestört

Düsenabstand vom Blech: zu klein 6

15

Brennervorschub ungleichmäßig 5

Heizdüse

gemeinsam)

Brennervorschub zu langsam 4

(Unregelmäßigkeiten

Heiz- und Schneiddüse Brennervorschub zu schnell 3

Brenner Brenner nicht winkelrecht quer zur Schnittrichtung

14

Kantenüberhang

3

Heizflamme zu schwach

13

2

13

Schmelzperlenkette an der Schnittunterkante

2

3

Heizflamme zu stark

122

2

3

Flamme mit zu großem Heizsauerstoffüberschuss

Schmelzperlenkette an der Schnittoberkante

2

Düse verschmutzt – beschädigt - abgenutzt

121

1 2

12

Kantenanschmelzung an der Schnittunterkante

11

Kantenanschmelzung an der Schnittoberkante

112

10

111

an Schnittkanten

30

Gruppe 2:

Unregelmäßigkeiten

Brenner nicht winkelrecht in Schnittrichtung

Unregelmäßigkeiten beim Brennschneiden Gruppe 1:

2

Erklärung: 1 Ursachen erster Ordnung 2 Ursachen zweiter Ordnung 3 Ursachen dritter Ordnung

1

Ursachen der Unregelmäßigkeiten beim Brennschneiden

Tabelle 6: Unregelmäßigkeiten und ihre Ursachen beim Brennschneiden (Auszug aus DVS-Merkblatt 2102)

3 3

2 1

2

2 3

2

2

1

1

3

2 1

1

1

3

1

3

2 2

3

2

2

2 3

1

1

1

2

3 1

3 1

2

2

1

Vorgehensweise bei der Suche nach der Ursache für Brennschneidfehler aus der Sicht des Praktikers: • • • •

Überprüfung der Brennschneideignung des Werkstoffes Zustand der Düse kontrollieren Parameter - Schneidsauerstoffdruck, Vorschubgeschwindigkeit, Düsenabstand, Flammeneinstellung - prüfen Prüfen der Oberflächenqualität des Werkstückes

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2.6 Brennschneidmaschinen Eine einfache Möglichkeit zum maschinellen Brennschneiden ist der Einsatz von Handbrennschneidmaschinen (Bild 13). Über einen Elektromotor kann die Vorschubgeschwindigkeit stufenlos geregelt werden. Die Führung der Maschine erfolgt manuell nach Anriss auf dem Werkstück oder entlang von Führungsschienen. Durch eine Reihe von Hilfsvorrichtungen können Fugenvorbereitungen, Anschärfschnitte, Kreisausschnitte und Streifen hergestellt werden. Diese Maschinen können wegen ihres geringen Gewichts zum Bauteil transportiert und somit auch auf Baustellen eingesetzt werden.

Bild 13: Handbrennschneidmaschine

Bild 14: Gelenkarmbrennschneidmaschine

Die Gelenkarmbrennschneidmaschine ist die einfachste Form der stationären Maschinen (Bild 14). Bedingt durch ihre Bauart sind nur Senkrechtschnitte an kleinen Werkstücken möglich. Der Schneidbrenner kann von Hand, durch eine Magnetrolle entlang einer Schablone oder durch eine fotoelektrische Steuerung geführt werden. Bei den stationären Maschinen werden meist fotoelektrisch oder numerisch gesteuerte Kreuzwagenbrennschneidmaschinen in Ausleger- oder Portalbauweise (Bild 15, Bild 17) eingesetzt.

Bild 15: Kreuzwagenbrennschneidmaschine in Auslegerbauweise

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Bild 16: Fotoelektrische Steuerung

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Bei der fotoelektrischen Steuerung wird eine gezeichnete Linie oder Kante mit einem Lichtstrahl abgetastet (Bild 16). Die reflektierte Lichtmenge wird über einen Fotowiderstand in Spannungsimpulse gewandelt. Diese werden verstärkt und treiben die Vorschubmotoren für Längs- und Querwagen an. Für die Zeichnungsvorlagen sind verzugsarme Materialien einzusetzen, um Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse gering zu halten. Auch ungenaues Spannen der Vorlagen auf dem Zeichnungstisch führt zu Maßabweichungen an den Brennteilen.

Bild 17: Kreuzwagenbrennschneidmaschine in Portalbauweise

Bild 18: Rohrbrennschneidmaschine mit CNCSteuerung

Beim Einsatz von computernumerischen Steuerungen werden die Schneidprogramme meist über Netzwerkverbindungen vom Programmierplatz in der Arbeitsvorbereitung zur Maschinensteuerung übertragen oder zunächst auf Datenträger (Diskette, Speicherkarte) gespeichert und an der Maschine eingelesen. Auch die Handeingabe von Programmen ist möglich. Die Verwendung vordefinierter Makros zur Herstellung geometrisch einfacher Formteile und eine grafische Bedienerunterstützung kann den hierbei notwendigen Zeitaufwand verringern. Zur Herstellung von Anpassungs- und Durchdringungsschnitten an Rohren werden Rohrbrennschneidmaschinen eingesetzt, die meist mit computernumerischen Steuerungen betrieben werden (Bild 18). Je nach Ausstattungsgrad der Maschine und Funktionalität der Steuerung sind unterschiedlich komplexe Schnittkonturen ohne und mit Schweißfugenvorbereitung herstellbar. Industrieroboter in vertikaler Gelenkarmbauweise werden zunehmend zum Schneiden von komplizierten Konturen an räumlichen Bauteilen, wie Rohren und Profilen und zur Herstellung von Schweißfasen genutzt (Bild 19). Sonder- und Hilfseinrichtungen Die Eckenverzögerung reduziert die Schneidgeschwindigkeit beim Umfahren einer Ecke so weit, dass der Rillennachlauf Null ist. Dadurch wird ein Unterscheiden der Kanten im unteren Bereich durch den Nachlauf des Schneidsauerstoffstrahls vermieden. Aufgabe verschiedener Ausführungen von Brennerhöhenverstellungen ist es, den Düsenabstand zur Werkstückoberfläche konstant zu halten. Sehr genau arbeitet die mechanische Abtastung, die beim geraden Mehrfasenschnitt und beim Besäumen eingesetzt wird. Bei der kapazitiven Brennerhöhenverstellung wird die Kapazitätsänderung zwischen einem, meist als Ring ausgeführten, konzentrisch um die Spitze des Schneidbrenners angeordneten Sensor und dem Werkstück erfasst. Abweichungen zum eingestellten Sollwert werden mit einer Genauigkeit von ± 1,0 bis zu ± 0,5 mm eingehalten. Mit Hilfe einer Lochstechautomatik können Anschnittöffnungen zum Schneiden von Innenkonturen automatisch in ein Werkstück eingebracht werden. Aber auch der Mehrbrennerbetrieb erfordert einen

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Schneidbeginn in der Blechtafel, da das genaue Anstellen mehrerer Brenner an der Werkstückkante besonders bei Folgeschnitten Schwierigkeiten bereitet. Zudem erhöht sich die Maßhaltigkeit der Bauteile, da der geschlossene Schrottrahmen einen Wärmeverzug weitgehend verhindert. Lochstechen ist möglich bis zu einer Blechdicke von 130 mm. Pneumatisch arbeitende Körnerwerkzeuge stellen Markierungen für nachfolgende Arbeitsgänge (z. B. Biegelinien, Bohrungsmittelpunkte) her. Auch mit Pulvermarkiereinrichtungen können Linien auf Blechen angezeichnet und Beschriftungen zur Kennzeichnung vorgenommen werden. Zur Verringerung des Wärmeverzuges beim Schneiden dünner Bleche können um die Schneiddüse angeordnete Luft- und Wasserbrausen eingesetzt werden.

Bild 19: Robotergestütztes Fasen von Blechen

Bild 20: Endlos drehbares Dreibrenneraggregat zur Herstellung von V-, Y-, X- und K-Fugen

Zündeinrichtungen gestatten ein zentral gesteuertes Zünden aller Schneidbrenner, die oft mit integrierter Innenzündung ausgestattet sind. Zündüberwachungen verhindern das unkontrollierte Austreten unverbrannten Gases. Mit Hilfe von Flammenüberwachungen kann ein Flammenabriss erkannt werden. Zur Vorbereitung von Schweißkanten werden Kreuzwagenbrennschneidmaschinen mit Mehrbrenneraggregaten (Bild 20) ausgerüstet. Mit den verfügbaren Varianten an Dreibrenneraggregaten können geradflächige Schweißfugen hergestellt werden. Mit schwenkbaren an rechtwinkligen Bauteilen und mit endlos drehenden auch bei Kurvenschnitten.

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2.7 Thermisches Abtragen durch Gas – Sonderverfahren Metallpulver-Brennschneiden Für Werkstoffe, wie CrNi-Stähle, Gusseisen und Nichteisenmetalle, die nicht mit dem autogenen Brennschneiden geschnitten werden können, kann das Metallpulver-Brennschneiden eingesetzt werden.

Bild 21: Düsenformen zum Metallpulver-Brennschneiden Tabelle 7: Schneidgeschwindigkeiten beim Metallpulver-Brennschneiden Blechdicke [mm]

Schneidgeschwindigkeiten [m/min]

6

0,50

10

0,42

20

0,32

50

0,22

100

0,18

Bild 22: MetallpulverBrennschneidausrüstung

Dabei wird dem Schneidspalt mit speziellen Pulverschneidbrennern oder Schneidbrennern mit separater Pulverzuführung feinkörniges Eisenpulver mit Hilfe trockener Druckluft zugeführt (Bild 22). Durch die Verbrennung des Eisenpulvers im Schneidsauerstoffstrahl wird die Temperatur an der Schneidstelle gesteigert. Durch diese Temperaturerhöhung und die Vermischung mit verbranntem Eisenpulver wird die Viskosität der Schneidschlacken so verringert, dass sie ausgeblasen werden können. Die erzielbare Schnittqualität ist deutlich schlechter als beim autogenen Brennschneiden. Es ergeben sich raue Schnittkanten. Außerdem erfordern die veränderten metallurgischen Eigenschaften des Grundwerkstoffes im Schnittkantenbereich eine mechanische Nachbearbeitung. Metallpulver-Brennschneiden ist mit einer starken Rauch- und Staubentwicklung verbunden, die bei Anwendungen in geschlossenen Räumen eine Absaugung erfordert. Brennbohren Das Brennbohren mit Sauerstoff-Kernlanzen nach DIN 32510 Teil1 ist ein thermisches Lochstechen (Bild 23). Ein mit Stahldrähten gefülltes Stahlrohr verbrennt im Sauerstoffstrom unter extremer Wärmeentwicklung, die das Material aufschmilzt. Das geschmolzene Material wird durch den Sauerstoffstrom ausgeblasen. Das Verfahren dient neben dem Einbringen von Löchern in mineralische Werkstoffe, wie Stein und Beton, auch zur Herstellung von Anschnittlöchern für das autogene Brennschneiden in dicke Stahlplatten, wenn das mechanisierte Lochstechen nicht mehr einsetzbar ist.

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Bild 23: Brennbohren mit Sauerstoff-Kernlanze

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Bild 24: Brennfugen

Brennfugen Das Brennfugen, auch Fugenhobeln genannt, ist ein Verfahren zum Werkstoffabtrag von Oberflächen (Bild 24). Der Brennstrahl trifft unter einem extrem spitzen Winkel (10 – 20 °) auf die Werkstückoberfläche. Das Verfahren ist dem Hand-Brennschneiden weitgehend identisch, jedoch werden nur ca. 20 % des Werkstoffes verbrannt und etwa 80 % ausgeblasen. Anwendungsbereiche des Brennfugens sind: • • • •

Beseitigung von Schweißnahtfehlern rückseitiges Aushobeln von Wurzelnähten Vorbereitung von Tulpen- und Kelchstößen Herstellung von Nuten und Rillen

3. Plasmaschneiden Anwendungsbereich Das Plasmaschneiden, ursprünglich nur zum thermischen Schneiden nicht brennschneidgeeigneter Werkstoffe, wie hochlegiertem Stahl, Aluminium und Kupfer eingesetzt, wird zunehmend auch zum Schneiden dünnwandiger Werkstücke aus un- und niedriglegiertem Stahl genutzt. Zum Schneiden metallischer, d. h. elektrisch leitfähiger Materialien, wird das Werkstück in den Stromkreis einbezogen und die Variante des übertragenen Lichtbogens genutzt. Die schneidbaren Werkstückdicken umfassen werkstoffabhängig einen Bereich von ca. 0,5 bis 160 mm.

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Bild 25: Vorgänge beim Plasmaschneiden

Verfahrensprinzip: 1. Das Plasmagas, bei manchen Brennersystemen das Pilotgas, wird zugeschaltet und strömt durch den Brenner und die Plasmaschneiddüse. 2. Mittels Hochfrequenz wird ein Hilfslichtbogen zwischen der Elektrode (Kathode) und der Plasmaschneiddüse gezündet. 3. Der Pilotlichtbogen bewirkt eine teilweise Ionisierung des Plasmagases. Dadurch kommt es bei entsprechend geringem Abstand des Plasmabrenners zum Werkstück zum Überspringen des Hauptlichtbogens. Dieser brennt von der Elektrode (Kathode) durch die Plasmaschneiddüse hindurch zum Werkstück (Anode). 4. Der Plasmaschneidstrahl hoher Temperatur (10.000 bis 50.000 K) erwärmt das Werkstück und schmilzt und verdampft das Material in der Schnittfuge. 5. Das schmelzflüssige Material wird durch die hohe kinetische Energie des Plasmagases aus der Schnittfuge getrieben.

3.1 Verfahrensvarianten Durch zahlreiche Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten sind mittlerweile eine ganze Reihe von Verfahrensvarianten industriell verfügbar. Eine Unterscheidung ergibt sich im wesentlichen nach der Bauart des eingesetzten Plasmaschneidbrenners, nach den verwendeten Plasmagasen und Kathodenwerkstoffen und ob der Schneidvorgang außerhalb, auf oder im Wasser abläuft. Plasmaschneiden Beim konventionellen Plasmaschneiden (auch „Trockenplasmaschneiden“ genannt) unterscheidet man nach dem verwendeten Plasmagas (inert oder oxidierend) zwei Varianten. Argon-Wasserstoff-Stickstoff-Plasmatechnik Bei dieser Variante verwendet man spitze, zylindrische Wolframelektroden, die teilweise zur besseren Kühlung in Kupferstäbe eingesetzt werden. Es können nur solche Gase verwendet werden, die nicht mit der Wolfram-Kathode reagieren. Je nach Anwendungsfall kommen als Plasmagas Stickstoff oder Gemische aus Stickstoff/Wasserstoff, Argon/Wasserstoff und Argon/Wasserstoff/Stickstoff zum Einsatz.

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Druckluft-Sauerstoff-Plasmatechnik Als Kathodenwerkstoffe werden hier Zirkonium oder Hafnium verwendet. Diese Elemente bilden unter dem Einfluss von Sauerstoff hochschmelzende, elektrisch leitende Oxidfilme, die die Elektrode vor der kontinuierlichen Reaktion mit dem Sauerstoff schützen und so eine akzeptable Standzeit ermöglichen. Plasmaschneiden mit Sekundärgas Durch Zuführen eines Sekundärgases, das als Gasmantel um den Plasmalichtbogen strömt, kann dieser weiter eingeschnürt werden (Bild 26). Infolge dessen erhöhen sich die Temperatur und Energiestromdichte. Als Sekundärgas können auch oxidierende Gase, wie z. B. Luft eingesetzt werden. Durch die elektrisch isolierte Schutzkappe wird die Schneiddüse geschützt, wodurch die Ausbildung von Kurzschlüssen zwischen Düse und Werkstück sowie Düsenbeschädigungen durch Schlackespritzer beim Lochstechen verhindert werden. Zusätzlich wird durch das Sekundärgas die Kühlung der Schneiddüse verbessert. Die verwendeten Brennertypen können bei entsprechender Konstruktion und Gasführung auch für das Schneiden unter Wasser eingesetzt werden.

Bild 26: Plasmaschneiden mit Sekundärgas

Bild 27: Wasser-Injektions-Plasmaschneiden

Eine Variante des Plasmaschneidens mit Sekundärgasstrom ist das Feinstrahl-Plasmaschneiden. Durch die Verwendung spezieller Brennerkonstruktionen mit besonders wirksamer Sekundärgasführung und Sauerstoff als Plasmagas werden gegenüber dem konventionellen Plasmaschneiden 3-fach höhere Energiedichten erreicht. Beim Schneiden von un- und niedriglegierten Stählen im Blechdickenbereich von 0,5 bis 10 mm mit Sauerstoff als Sekundärgas sind dem Laserstrahlbrennschneiden vergleichbare Schnittgüten erzielbar. Das Schneiden mit Sauerstoff hat zudem für die schweißtechnische Weiterverarbeitung den Vorteil stickstofffreier Schnittkanten. Plasmaschneiden mit Wasserinjektion Beim Wasser-Injektions-Plasmaschneiden (WIPC) wird die Einschnürung des Lichtbogens durch Zuführen von Wasser zwischen Kupfer- und Keramikschneiddüse verstärkt (Bild 27). Infolge dessen steigen Energiestromdichte und Temperatur des Plasmastrahls weiter an. Etwa 10 % des zugeführten Wassers werden verdampft, dissoziiert und ionisiert. Durch Rekombination wird ein Teil der aufgenommenen Energie an das Werkstück zurückgegeben. Das restliche, als konischer, den Plasmastrahl umgebender Wassermantel aus der Keramikdüse heraustretende Wasser kühlt das Werkstück und reduziert die Oxidation an den Schnittflächen. Durch die Werkstückkühlung und die hohen Schneidgeschwindigkeiten wird verzugsarmes Schneiden ermöglicht. In geringem Umfang reduziert die Wasserhülle auch die Lärm-, Strahlungs- und Schadstoffemissionen des Plasmastrahles. Bei den verwendeten Brennersystemen werden Plasmagas und Injektionswasser zur Stabilisierung des Lichtbogens meist tangential zugeführt. Die hierdurch erzeugte Rotation des Plasmalichtbogens führt zu unterschiedlicher Winkelabweichung der beiden Schnittflanken. Dieses Verfahren wird hauptsächlich im Wasser betrieben.

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Verfahren zur Reduzierung der Umweltbelastung beim Schneiden Plasmaschneiden mit Wasservorhang Beim Plasmaschneiden mit Wasservorhang (Bild 28) wird der Wasserinjektions-Plasmaschneidbrenner von einer Wasserglocke umhüllt. Das Werkstück liegt meist auf einem Wasserbett. Ziel dieser Verfahrensvariante ist es, die beim Plasmaschneiden vorhandene Umweltbelastung durch Lärm, UV-Strahlung, Stäube und Schneidrauche zu reduzieren.

Bild 28: Plasmaschneiden mit Wasserinjektion und Wasserglocke

Bild 29: Wasser-Injektions-Plasmaschneiden unter Wasser

Plasmaschneiden im Wassertisch Eine noch stärkere Verringerung der Umweltbelastung wird erreicht, wenn Schneidbrenner und Werkstück in das Wasser eintauchen (Bild 29). Feste Schadstoffe werden im Wasser zurückgehalten. Der Lärmpegel wird, je nach Wasserstand, auf zulässige Werte gesenkt. Auch die Intensität der sichtbaren und der UV-Strahlung wird bei dieser Variante vermindert. Da Wasser nur begrenzt in der Lage ist, Gase aufzunehmen, ist eine Absaugung in Brennernähe notwendig. Weitere Vorteile dieser Variante liegen im geringen Wärmeverzug der Bauteile, der Ausbildung einer schmalen Wärmeeinflusszone und nahezu oxidfreier Schnittflächen.

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3.2 Plasmagase Die Qualität und Wirtschaftlichkeit eines Plasmaschnittes hängen in starkem Maße vom verwendeten Plasmagas bzw. -gemisch ab. Bestimmende Kriterien zur Auswahl eines Plasmagases sind dessen Atom- bzw. Molekulargewicht, die Wärmeleitfähigkeit sowie die Dissoziations- und Ionisationsenergie. Tabelle 8: Übersicht Plasmagase Wasserstoff

Argon

Stickstoff

Sauerstoff

Eigenschaften

- hohe Wärmeleitfähigkeit

- hohes Atomge- - hinsichtlich Wär- wirkt oxidierend wicht, daher ho- meleitfähigkeit und auf die Schmelze he Energie zum Molekulargewicht - gute Wärmeüber- vermindert VisAustreiben der mittlere Stellung tragung kosität der Schmelze zwischen Ar und Schmelze, daH 2 - geringes Moleku- - niedrige durch besseres largewicht - erhöht als Zusatz IonisationsAustreiben zum Argon die - reines H2 aufgrund energie ermöglicht gutes Zünd- Wärmeleitfähigkeit - geringere der geringen und Schnittqualität Kantenabrunverhalten Impulsdichte undung, geringe geeignet Flankenwinkel - geringe Wärme- - wird als Reingas oder Gemisch leitfähigkeit, ge- dient als Zusatz geringe Bartbilverwendet ringer Energiezum Argon zur dung gehalt Steigerung der - Porenbildung beim SchnittgeschwinSchweißen durch - wird als Reingas - reines Argon digkeit bei guter oder in N2O2Stickstoffanreichewird daher und Gemischen verSchnittqualität rung an den wegen des howendet Schnittkanten hen Preises selmöglich ten angewendet

ArH2-Plasmaschneiden

Verfahren/ Anwendungsbereiche

hochlegierte Stähle, Aluminiumlegierungen, Buntmetalle, Titan, Molybdän

ArH2N2-Plasmaschneiden CrNi-Stähle

- billigstes Plasmagas - verändert Oberflächenspannung und Viskosität der Schmelze

- ähnliche Vorteile wie Druckluft, jedoch geringere Stickoxidbildung wegen fehlendem Sauerstoff

- sehr hohe Schneidgeschwindigkeit bei guter Qualität und geringer Bartbildung - Porenbildung beim Schweißen durch Stickstoffanreicherung an den Schnittkanten möglich

WIPC-Plasmaschneiden mit Sauerstoff

Druckluft Plasmaschneiden

hochleg. Stähle, Al, Ti, Cu

Baustahl

Baustahl CrNi-Stahl

Schutzgasplasmaschneiden mit Schutzgas - O2, Luft: Baustahl, - CO2: hochleg. Stähle, - ArH2: Aluminiumlegierungen

Mehrkomponentengase HeNeN2H2

- feintropfiger, sprühregenartiger Materialaustritt

WIPC-Plasmaschneiden mit Stickstoff

ArN2-Plasmaschneiden CrNi-Stähle

Druckluft

MehrkomponentengasPlasmaschneiden

SauerstoffPlasmaschneiden

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3.3 Plasmaschneidausrüstung Stromquellen Als Stromquellen werden meist Gleichrichtertypen eingesetzt. Mit Schneidströmen bis 1.000 A lassen sich werkstoffabhängig Materialstärken bis ca. 160 mm trennen. Die Arbeitsspannungen betragen hierbei bis zu 200 V, die Leerlaufspannungen bis 400 V. Plasmastromquellen geringer Leistung und reduzierter Einschaltdauer zum manuellen Schneiden werden heute meist als Inverter ausgeführt. Die damit verbundene Gewichtsreduzierung ist vorteilhaft beim ortsunabhängigen Einsatz. Plasmaschneidbrenner Der Plasmaschneidbrenner bestimmt wesentlich die Leistungsfähigkeit einer Anlage und die erzielbare Schnittqualität. Er hat die Aufgabe, einen kontinuierlichen und geometrisch konstanten Plasmastrahl zu erzeugen und auf das Werkstück zu übertragen. Ebenso zahlreich wie die möglichen Verfahrensvarianten sind die Varianten verfügbarer Schneidbrenner Sie können nach: • • • • •

dem Einsatzzweck (manuelles oder maschinelles Schneiden), der Kühlart (Gaskühlung, direkte oder indirekte Wasserkühlung), dem Plasmagas (inert, oxidierend), dem Kathodenwerkstoff (Wolfram, Hafnium, Zirkonium) und der Kathodenform (Flächenelektrode, Spitzenelektrode)

eingeteilt werden. Ein Schneidbrenner zum konventionellen Plasmaschneiden besteht im wesentlichen aus dem Brennerkopf mit dem Kühlsystem und der Gaszuführung sowie der Elektrode (Kathode) und Düse. Über ein Schlauchpaket ist der Schneidbrenner mit der Stromquelle verbunden. Düse und Elektrode sind Verschleißteile, deren Standzeit vor allem durch Dauer und Höhe der thermischen Belastung, das verwendete Plasmagas (inert oder oxidierend) und die Anzahl der Zündungen bestimmt werden. Für das manuelle Schneiden werden meist gasgekühlte Schneidbrenner kleiner Leistung und geringer Einschaltdauer (Bild 30 a) verwendet. An Plasmaschneidanlagen mittlerer und großer Leistung, die vorrangig zum maschinellen Schneiden genutzt werden, kommen aufgrund der hohen thermischen Belastung der Brennerverschleißteile, insbesondere der Schneiddüse, Brenner mit indirekter oder direkter Wasserkühlung zum Einsatz (Bild 30 b, c).

a) Gaskühlung

b) indirekte Wasserkühlung

c) direkte Wasserkühlung

Bild 30: Kühlvarianten konventioneller Plasmaschneidbrenner

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Je nach verwendetem Plasmagas werden verschiedene Kathodenwerkstoffe verwendet. Bei Anwendung nicht oxidierender Gase (Argon, Wasserstoff, Stickstoff) kommt Wolfram als Kathodenwerkstoff zum Einsatz. Zur Erhöhung der Standzeit werden Wolframspitzen vielfach in wassergekühlte Kupferstäbe eingesetzt. Bei Verwendung oxidierender Plasmagase oder –gemische werden anstelle von Wolfram Hafnium oder Zirkonium als Kathodenwerkstoffe genutzt. Unter dem Einfluss von Sauerstoff und Stickstoff bilden diese Elemente hochschmelzende Oxide und Nitride, die die Kathode vor einer kontinuierlichen Reaktion mit Sauerstoff und Stickstoff schützen. Schneidgeschwindigkeit Die Schneidgeschwindigkeit beim Plasmaschneiden ist von mehreren Faktoren abhängig: dem Werkstoff, der Werkstückdicke, der verfügbaren Lichtbogenleistung, dem verwendeten Schneidgas, der Gasmenge, der Scheiddüsengeometrie und der Plasmaschneidvariante (Bild 31). Die Hersteller von Plasmaschneidanlagen geben vielfach maximale Schneidgeschwindigkeiten für unterschiedliche Schnittqualitäten (Trennschnitt, Qualitätsschnitt) an. In der industriellen Praxis wird meist mit reduzierten Schneidleistungen und -geschwindigkeiten gearbeitet, um die Schnittqualität zu verbessern und die Standzeiten von Kathode und Düse zu erhöhen.

Bild 31: Schneidgeschwindigkeiten verschiedener Plasmaschneidanlagen

3.4 Führungssysteme zum Plasmaschneiden Einfache Hilfseinrichtungen, wie Abstandhalter, Führungswagen, Lineal und Zirkel zur Unterstützung des manuellen Schneidens sind denen beim Autogenbrennschneiden vergleichbar. Im Dünnblechbereich ist das Schneiden mit Aufsetzdüsen möglich. Beim mechanisierten Schneiden werden wie beim autogenen Brennschneiden unterschiedliche Führungssysteme von Handschneidmaschinen über Kreuzwagenschneidmaschinen bis zu Gelenkarmrobotern angewendet. Oft werden Kreuzwagenbrennschneidmaschinen mit einer zusätzlichen Plasmaschneidausrüstung betrieben, um auch hochlegierte Stähle und Buntmetalle generell, und un- und niedriglegierte Stähle im Blechdickenbereich bis 15 mm wirtschaftlicher schneiden zu können. Bei der Auswahl der Führungsmaschinen ist hierbei die höhere Schneidgeschwindigkeit beim Plasmaschneiden zu beachten.

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Hilfs- und Sondereinrichtungen Zum Konstanthalten des Abstandes zwischen Brenner und Werkstück lässt sich beim Plasmaschneiden neben den vom Brennschneiden her bekannten Prinzipien zusätzlich die lichtbogenspannungsabhängige Höhensteuerung einsetzen. Da die Plasmalichtbogenspannung von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird (u. a. Schneidstrom, Schneidgeschwindigkeit, Gasmenge), müssen diese beim Schneiden weitestgehend konstant gehalten werden, damit sich nur die Abstandsänderung auf die Bogenspannung auswirkt. Wo dies nicht möglich ist, wie z. B. beim Schneiden von Ecken mit verminderter Schneidgeschwindigkeit, ist die Abstandsregelung zeitweilig abzuschalten.

Bild 32: Trockenplasmaschneiden mit kapazitivem Abstandssensor

Bild 33: Unterwasserplasmaschneiden

Beim Unterwasserplasmaschneiden ist eine Hilfseinrichtung zur Erstpositionierung des Schneidbrenners erforderlich. Häufig werden mechanisch arbeitende Systeme genutzt, um den Schneidbrenner auf Zündabstand zum Blech zu fahren. Die nach dem Zündvorgang gemessene Lichtbogenspannung wird dann für den weiteren Verlauf als Sollwert zur lichtbogenspannungsabhängigen Höhenregelung genutzt. Der Einsatz von Brennerwechselsystemen ermöglicht einen schnellen Verschleißteilwechsel und Brennertausch. Zur Vorbereitung von Schweißkanten stehen Fasenschneidaggregate zur Verfügung, mit denen üblicherweise V-Fugen hergestellt werden. Durch einen zweiten Arbeitsgang ist es auch möglich, Y-Fugen zu erzeugen. Mehrbrenneraggregate, wie sie beim autogenen Brennschneiden verwendet werden, haben beim Plasmaschneiden bisher keine industrielle Verbreitung gefunden.

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3.5 Fehlerursachen beim Plasmaschneiden Tabelle 9 gibt einen Überblick über Fehler beim Plasmaschneiden und ihre Ursachen.

Gruppe 2:

Gruppe 3

14

Angeschnittene Schnittoberkante

Unregelmäßigkeiten

2111

Kantenhohlschnitt unterhalb der Schnittoberkante

an Schnittflächen

2112

Kantenhohlschnitt oberhalb der Schnittunterkante

2121

Schnittfugenerweiterung an der Werkstückoberseite

2122

Schnittfugenerweiterung an der Werkstückunterseite

Schlacken

2

Unregelmäßigkeiten im Werkstoff

Inhomogenität im Werkstoff

Aufhärtung der Wärmeeinflusszone

Kohlenstoffgehalt zu hoch

Warmrissanfälliger Stahl

Werkstückvorwärmung zu gering

Abkühlung des Werkstückes zu schnell

Blechoberfläche verschmutzt / verrostet / verzinkt

Einfluß der Legierungselemente

Blech mit Seigerungen und Schlackeeinschlüssen

Blech mit vereinzelten Einschlüssen

Blech mit Dopplungen/Walzfehler

Blechauflage instabil

Schlackenabfluss durch Blechauflage behindert

Stromstärke zu groß

Stromstärke zu niedrig

Masseverbindung schlecht

Kurzzeitiger Leistungsabfall

Schwankung des Schneidstromes

Periodisch schlechter Stromübergang

Magnetische Beeinflussung des Lichtbogens

Rotierender Plasmalichtbogen

Isolierschicht auf der Blechoberfläche (Farbe) Brenner steht nicht über der Werkstückkante

Führungsmaschine: unzureichende Laufruhe

Maschinenfehler/Steuerungsfehler

Schneidprogramm optimieren

WIP-Schneiden - Lage Wirbelring/falscher Typ/Schnittrichtung

WIP-Schneiden - Verhältnis Schneidstrom zu Brennervorschub

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37 38

39

40

41

42

43

1

3 1

3

1 3

3

2

2

1

2

1

1 1

1

2

3

3 2

1

1

2 1

1

2

2

1 3

3

Schnittwinkelabweichung

1

3 3

1

1

3 1

1

214

Hohles Schnittflächenprofil

3

215

Welliges Schnittflächenprofil

1

3

221

Übermäßiger Rillennachlauf

1

2

222

Rillenvorlauf

223

Örtliche Rillenablenkung

224

Übermäßige Rillentiefe

1

225

Ungleichmäßige Rillentiefe

2 2

Einzelkolkung

24

Schnittflächenenden nicht durchgeschnitten

25

In Schneidrichtung wellige Schnittfläche

31

Schlackenbart

32

Schlackenkruste

3

3

3

1

Schnittwinkelabweichung einer Schnittfläche

Kolkungsanhäufungen

WIP-Brenner

Werkstoff zu Plasmaschneiden bedingt geeignet 14

1

2131

232

Führungsmaschine

Plasmagasdruck zu niedrig – zu hoch 13

1

1

213

231

Schneidstrom

Plasmagasgemisch nicht im richtigen Verhältnis

Blechauflage

Werkstoff-Fragen

Plasmagaszuführung gestört

Plasmagas Elektrode nicht konzentrisch zur Düse

Elektrode bzw. Düse abgenutzt - beschädigt

12

Düse für die zu schneidende Blechdicke zu klein

3

11

Düse für die zu schneidende Blechdicke zu groß

9

2

10

Düsenabstand vom Blech: zu groß - zu klein – nicht konstant

8

Brenner

(Düse und Elektrode)

Brennervorschub ungleichmäßig

Kantenüberhang

7

13

Brennervorschub zu langsam

Schmelzperlenkette an der Schnittunterkante

1

6

Schmelzperlenkette an der Schnittoberkante

122

1

5

121

4

Kantenanschmelzung an der Schnittunterkante

Brennervorschub zu schnell

Kantenanschmelzung an der Schnittoberkante

112

3

111

Brenner nicht winkelrecht quer zur Schnittrichtung

Unregelmäßigkeiten an Schnittkanten

Brenner nicht winkelrecht in Schnittrichtung

Unregelmäßigkeiten beim Plasmaschneiden Gruppe 1:

2

Erklärung: 1 Ursachen erster Ordnung 2 Ursachen zweiter Ordnung 3 Ursachen dritter Ordnung

1

Ursachen der Unregelmäßigkeiten beim Plasmaschneiden

Tabelle 9: Unregelmäßigkeiten und deren Ursachen beim Plasmaschneiden metallischer Werkstoffe (Auszug aus DVS-Merkblatt 2103)

2 2

2

2 1 1 1 1

2

1

3

1

1

2 3

1 1

2

1

3 1

1

1

2 3

3

3

2

2

2

2

1

1

3

3

2 1

3

3

3

2

1

1

1

2 2

2

2

2

Gruppe 4:

Risse

4021

Risse in der Schnittfläche

3

Gruppe 5:

Sonstige Unregel-

51

Anschnittabweichung

2

3

mäßigkeiten

52

Anstechabweichung

1

2

53

Zu breite Schnittfuge

541

Unterbrochener Schnitt in Schnittdickenrichtung

542

Unterbrochener Schnitt in Schnittlängsrichtung

1

3

2

2

1 1

1

1

1

1

1

2

2

1

1

1

2

1

2 1

3 1

1

3

3

2 1

2

2

3 1

2

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1 1

1

1

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3.6 Thermisches Abtragen durch Gasentladung - Sonderverfahren Lichtbogen-Sauerstoffschneiden Bei diesem Verfahren, das auch unter dem Namen „Oxyarc-Schneiden“ bekannt ist, wird mittels einer hohlen, umhüllten Elektrode ein Lichtbogen zum Werkstück gezogen, durch dessen abgegebene Wärme der Werkstoff teilweise aufgeschmolzen wird. Der durch die Hohlelektrode zugeführte Sauerstoff verbrennt das auf Zündtemperatur erhitzte Material und bläst es aus der Schnittfuge (Bild 34). Dieses Verfahren findet hauptsächlich Anwendung beim Verschrotten von Bauteilen aus un-, niedrigund hochlegiertem Stahl sowie verschiedenen Nichteisenmetallen.

Bild 34: Lichtbogen-Sauerstoffschneiden

Bild 35: Lichtbogen-Druckluftfugen

Lichtbogen-Druckluftfugen Dieses Verfahren ist auch unter dem Begriff „Arcair“ bekannt. Zwischen einer kupferummantelten KohleGraphitelektrode und dem Werkstück wird ein Lichtbogen gezogen (Bild 35). Dieser schmilzt den Werkstoff. Durch einen Druckluftstrahl (3 ... 10 bar) wird das schmelzflüssige Material aus der Fuge geblasen. Vorteilhaft gegenüber dem autogenen Brennfugen ist die höhere Arbeitsgeschwindigkeit und die Möglichkeit, auch Werkstoffe bearbeiten zu können, die nicht brennschneidgeeignet sind. Nachteilig sind die raue Oberfläche, die schlechte Erkennbarkeit der auszuarbeitenden Fehler sowie die hohe Geräuschund Rauchentwicklung. Zu beachten ist, dass eine Aufkohlung der Werkstückkante möglich ist. Es kann auch zum Trennen (Verschrotten) von Bauteilen verwendet werden.

Plasmafugen Durch das Austauschen einiger Brennerbauteile ist es vielfach möglich, einen Plasma-Handschneidbrenner zum Fugenhobeln (Bild 36) umzurüsten. Gegenüber dem Lichtbogen-Druckluftfugen ist dieses Verfahren gekennzeichnet durch eine deutlich geringere Lärm- und Rauchentwicklung. Die Gefahr einer Aufkohlung der Werkstückkanten besteht hier nicht.

Bild 36: Fugen mit dem Plasmalichtbogen

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4. Laserstrahlschneiden Anwendungsbereich Das Laserstrahlschneiden ist zum Trennen unterschiedlicher Werkstoffe geeignet. So können neben Stählen und Nichteisenmetallen u. a. auch Kunststoffe, Keramiken, Holz und Glas bearbeitet werden. Mit den heute industriell verfügbaren Laserstrahlquellen können Werkstückdicken über 30 mm bei unlegierten Stählen und über 25 mm bei hochlegierten Stählen geschnitten werden. Verfahrensspezifische Merkmale sind die sehr hohe Schnittgüte, die geringe Schnittfugenbreite und die geringe Wärmeeinbringung, die das Laserstrahlschneiden zu einem Präzisionsschneidverfahren machen, mit dem ähnliche Maßtoleranzen eingehalten werden können wie mit mechanischen Bearbeitungsverfahren.

Bild 37: Vorgänge beim Laserstrahlbrennschneiden

Vorgänge beim Laserstrahlbrennschneiden 1. Beim Laserstrahlbrennschneiden wird das zu schneidende Werkstück an der Oberfläche durch einen fokussierten Laserstrahl auf Zündtemperatur erwärmt. 2. Der Schneidsauerstoff verbrennt (oxidiert) den Werkstoff in der Schnittfuge. 3. Durch die kinetische Energie des Schneidsauerstoffstrahls wird die dünnflüssige Schlacke ausgetrieben. 4. Die Schnittfuge entsteht durch die Bewegung des Laserschneidkopfes über dem Werkstück und/oder durch die Bewegung des Werkstückes. 4.1 Verfahrensvarianten Entsprechend DIN 2310 Teil 6 unterscheidet man nach der vorherrschenden Art der Umwandlung des Werkstoffes die Varianten • • •

Laserstrahlbrennschneiden Laserstrahlschmelzschneiden Laserstrahlsublimierschneiden

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Laserstrahlbrennschneiden Beim Laserstrahlbrennschneiden wird das zu schneidende Werkstück an der Oberfläche durch einen fokussierten Laserstrahl auf Zündtemperatur erwärmt. Der Schneidsauerstoff verbrennt (oxidiert) den Werkstoff in der Schnittfuge. Durch die kinetische Energie des Schneidsauerstoffstrahls wird die dünnflüssige Schlacke ausgetrieben. Die exotherme Reaktion des Sauerstoffs mit dem Werkstoff erzeugt ca. 40 % der notwendigen Energie für den Schneidprozess. Hierdurch sind auch bei relativ geringen Laserleistungen hohe Schneidgeschwindigkeiten erzielbar. Das Schneiden unlegierter und niedriglegierter Stähle ist die häufigste Anwendung des Laserstrahlbrennschneidens. Es können aber auch hochlegierte Stähle geschnitten werden, da im Vergleich zum autogenen Brennschneiden durch die höhere Temperatur eine dünnflüssigere Schlacke entsteht. Laserstrahlschmelzschneiden Beim Laserstrahlschmelzschneiden wird der zu schneidende Werkstoff durch einen fokussierten Laserstrahl hoher Intensität über der gesamten Werkstückdicke aufgeschmolzen und durch einen Gasstrahl hoher kinetischer Energie aus der Schnittfuge ausgetrieben. Als Schneidgase werden Stickstoff, Argon, Helium oder Druckluft verwendet. Im Gegensatz zum Laserstrahlbrennschneiden, bei dem das Schneidgas durch exotherme Reaktion den Schneidprozess unterstützt, muss hier die gesamte Energie zum Aufschmelzen des Werkstoffes in der Schnittfuge durch den Laserstrahl aufgebracht werden. Dadurch beträgt die maximale Schneidgeschwindigkeit bei brennschneidgeeigneten Werkstoffen und gleichem Schneidgasdruck weniger als 50 % der des Laserstrahlbrennschneidens. Laserstrahlsublimierschneiden Beim Laserstrahlsublimierschneiden wird der zu schneidende Werkstoff durch einen fokussierten Laserstrahl hoher Intensität über der gesamten Werkstückdicke spontan verdampft. Das verdampfte Material wird durch Expansion und einen Gasstrahl hoher kinetischer Energie aus der Schnittfuge ausgeblasen. Als Schneidgase werden Stickstoff, Argon oder Helium verwendet. Wie beim Laserstrahlschmelzschneiden muss auch hier die gesamte Energie zum überwiegenden Verdampfen des Werkstoffes in der Schnittfuge durch den Laserstrahl aufgebracht werden.

4.2 Laserstrahlquellen Zur Bereitstellung der für den Laserschneidprozess notwendigen Energie stehen sowohl CO2-Gaslaser als auch Nd:YAG-Festkörperlaser zur Verfügung. Zum Laserstrahlschneiden werden aufgrund der besonders hohen Leistungen bei guter Strahlqualität bevorzugt CO2-Gaslaser eingesetzt. Bei diesem wird durch Anregung von CO2-Molekülen infrarotes Laserlicht der Wellenlänge 10,6 µm in einem Resonator erzeugt und ausgekoppelt. Über ein Strahlführungssystem wird der Laserstrahl zum Schneidkopf geführt und dort über Linsen- bzw. Spiegeloptiken im Bereich der Werkstückoberfläche bzw. der Schnittfuge fokussiert. Durch Absorption der Laserstrahlung wird das Werkstück im Bereich der Schnittfuge auf die für den Schneidprozess notwendige Temperatur erwärmt. Zunehmend werden auch Nd:YAG-Festkörperlaser zum Schneiden metallischer Werkstoffe im Dünnblechbereich verwendet, da Laserquellen zur Verfügung stehen, die Dauerleistungen im kW-Bereich bei akzeptablen Wirkungsgraden bereitstellen. Vorteilhaft ist die bessere Absorption der Laserstrahlung der Wellenlänge 1,06 µm durch metallische Werkstoffe und die Möglichkeit einer einfachen Strahlführung über Lichtleitkabel, vor allem bei 3D-Anwendungen.

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4.3 Schneidgase Für einen korrekten Ablauf der einzelnen Verfahrensvarianten des Laserstrahlschneidens ist die Verwendung eines geeigneten Schneidgases notwendig. Das Schneidgas treibt Schlacken, Schmelzen oder Metalldämpfe aus der Schnittfuge aus, unterstützt bei bestimmten Werkstoffen den Schneidvorgang durch exotherme Reaktion mit diesem, kühlt die Schnittkanten, schützt die Fokussieroptik vor Rauchen und Schneidpartikeln und den Werkstoff vor unerwünschten Reaktionen mit der Umgebungsluft. Sauerstoff Sauerstoff wird beim Laserstrahlbrennschneiden eingesetzt. Durch die exotherme Reaktion des Sauerstoffs mit dem Werkstoff wird dem Schneidprozess zusätzliche Energie zur Energie des Laserstrahls zugeführt. Die Reinheit des Schneidsauerstoffs beeinflusst in starkem Maße die Schnittqualität. Zudem kann mit steigender Sauerstoffreinheit die Schneidgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Schnittdicke und Strahlqualität um 10 – 30 % erhöht werden. Stickstoff Stickstoff wird zum Schneiden von hochlegierten Stählen verwendet. Eine hohe Reinheit ist notwendig, um Anlauffarben an der Schnittunterkante zu vermeiden. Zum Austreiben der Schmelze wird mit Stickstoffdrücken von 8 bis 25 bar gearbeitet (Hochdruckschneiden), um grat- und bartfreie Schnitte zu erzielen. Durch die Verwendung von Stickstoff bleiben die Schnittkanten oxidfrei und können ohne Nacharbeit weiterverwendet werden. Argon Argon wird bevorzugt zum Schneiden von Titan und Titanlegierungen eingesetzt. 4.4 Werkstoffe Un- und niedriglegierter Stahl Zum Laserschneiden von un- und niedriglegiertem Stahl ist das Laserstrahlbrennschneiden mit CO2Laser die am häufigsten angewandte Methode. Mit einer Laserleistung von 2 kW können Bleche bis zu 12 mm geschnitten werden. Zum Schneiden von Blechen zwischen 12 – 20 mm sind eine konstante Laserleistung von 2,5 bis 3,0 kW und eine sehr gute Strahlqualität notwendig. Ein geringer und stabiler Schneidsauerstoffdruck (ca. 1,0 bis 0,5 bar) ist erforderlich, um Kolkungen an der Schnittfläche zu vermeiden. Zu beachten ist, dass sich eine dünne Oxidschicht auf der Schnittfläche bildet, die bei manchen Verwendungen stören kann. Durch den Einsatz des Hochdruck-Stickstoffschneidens können mit wesentlich geringeren Schneidgeschwindigkeiten oxidfreie Schnittflächen hergestellt werden. Beschichteter Stahl Beschichtete Blechoberflächen (Primer, Anstriche) können bei Verwendung von Sauerstoff als Schneidgas zu Grat- oder Schlackebildung führen, wenn die beschichtete Seite der Schneiddüse zugewandt ist. Bei zinkbeschichteten Blechen ist diese Beeinträchtigung generell nicht zu vermeiden. Durch den Einsatz des Hochdruck-Stickstoffschneidens ist an gestrichenen Blechen eine hohe, an zinkbeschichteten Blechen eine zufriedenstellende Schnittqualität erzielbar.

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Hochlegierter Stahl In der industriellen Praxis werden Sauerstoff oder Stickstoff zum Schneiden hochlegierter Stähle verwendet. Beim Sauerstoffschneiden ist der Einfluss des Schneidsauerstoffs auf die erreichbare Schneidgeschwindigkeit geringer als bei Baustählen. Im Gegensatz zum Schneiden unlegierter Stähle wird mit Drücken um 5 bar, auch bei dickeren Blechen, gearbeitet. Der Nachteil des Schneidens mit Sauerstoff besteht darin, dass die Schnittkanten Grate aufweisen und die Schnittflächen stark verfärbt (oxidiert) sind. Eine Nachbearbeitung der Schnittkanten ist daher meist unumgänglich. Saubere und oxidfreie Schnittflächen sind beim Schneiden mit inerten Gasen, wie Stickstoff oder Argon zu erzielen. In der Praxis wird meist Stickstoff verwendet, wobei mit Gasdrücken von 8 bis 25 bar gearbeitet wird. Die Reinheit des Stickstoffs auf die Schneidgeschwindigkeit ist gering, jedoch werden durch Verunreinigungen mit Sauerstoff Verfärbungen der Schnittkanten verursacht, die die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes beeinträchtigt. Aluminium und Aluminiumlegierungen Das CO2-Laserschneiden von Aluminium und Aluminiumlegierungen wird durch große Wärmeleitfähigkeit und das hohe Reflexionsvermögen für den CO2-Laserstrahl erschwert. Hohe Laserleistung und sehr gute Strahlqualität verbessern die Schneidbarkeit. Beim Laserstrahlbrennschneiden ergeben sich eine raue Schnittfläche sowie starke Bartbildung. Das Hochdruck-Schneiden mit Stickstoff bei Schneidgasdrücken von 5 – 15 bar liefert grat- und bartfreie Schnitte. Die Schneidgeschwindigkeit an Aluminiumwerkstoffen nimmt überproportional mit der Werkstückdicke ab. Kupfer- und Kupferlegierungen Kupfer hat ein sehr hohes Reflexionsvermögen für CO2-Laserstrahlen. Auch die sehr hohe Schmelztemperatur und die hohe thermische Leitfähigkeit beeinflussen die Schneidbarkeit von Kupfer und seinen Legierungen negativ. Meist wird Sauerstoff als Schneidgas eingesetzt. Trotz hoher Laserleistung ist das Schneiden auf geringe Blechdicken eingeschränkt. Titan Sauerstoff und Stickstoff sind zum Schneiden von Titan ungeeignet, da es durch die Bildung von spröden Oxiden bzw. Nitriden zu feinen Anrissen auf der Schnittfläche kommt. Daher wird bevorzugt das Hochdruckschneiden mit hochreinem Argon eingesetzt. Bei hohen Laserstrahlleistungen ist die Verwendung eines Argon-Helium-Gemisches zur Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit günstig. Nichtmetallische Werkstoffe Auch nichtmetallische Werkstoffe, wie Holz, Glas, Keramik, Gummi und Kunststoffe können mit dem Laserstrahlschneiden getrennt werden. Bei diesen Materialien ist das Absorptionsverhalten für Laserlicht der Wellenlänge 10,6 µm besonders gut. Als Schneidgas wird hauptsächlich Druckluft eingesetzt. Wenn leicht entzündliche Materialien, wie Textilien zu schneiden sind, wird auch Stickstoff verwendet. Da beim Schneiden von einigen Werkstoffen, z. B. synthetischen Textilien giftige Dämpfe oder Stäube entstehen, müssen die verwendeten Schneidanlagen über leistungsstarke Absaug- und Filtereinrichtungen verfügen.

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4.5 Schneidgeschwindigkeit Die mögliche Schneidgeschwindigkeit ist beim Laserstrahlschneiden neben der Laserleistung, der Intensitätsverteilung (Leistungsdichteverteilung), der Linsenbrennweite und der Fokuslage auch vom verwendeten Schneidgas und – vorrangig beim Laserstrahlbrennschneiden – von dessen Reinheit abhängig. Bei überhitzungsempfindlichen Konturen ist eine Reduzierung der Schneidgeschwindigkeit synchron zur Laserleistung notwendig. Da sich hierbei aber auch die Intensität der Laserstrahlen ändert, wird meist im Pulsbetrieb gearbeitet. Bei dieser Betriebsart bleibt die Intensität bestehen und es ändert sich nur die mittlere Laserstrahlleistung. Durch Pulsen der Laserleistung lässt sich auch die Breite der Wärmeeinflusszone verringern und es kann in der Schnittkontur angestochen werden.

Bild 38: Schneidgeschwindigkeiten beim Laserstrahlbrennschneiden an Baustahl und Laserstrahlschmelzschneiden an hochlegiertem Stahl und Al-Mg3

4.6 Führungssysteme zum Laserstrahlschneiden Zum Laserstrahlschneiden stehen Handhabungssysteme zum 2- und 3-dimensionalen Schneiden zur Verfügung. Die häufigste Anwendung ist das Schneiden von Blechen. Hier kommen verschiedene Bauarten von Maschinen zum Einsatz, die sich dadurch unterscheiden, welche der Komponenten Laserstrahlquelle, Laserstrahl und Werkstück bewegt werden. Beim Schneiden kleinformatiger Bleche hat sich die Variante der „fliegenden Optik“ in 2 Achsen (stationärer Laser, stationäres Werkstück, geführter Laserstrahl) bewährt. Zum Schneiden großer, langer Bleche wird die Laserstrahlquelle in Längsrichtung mitgefahren und der Laserstrahl nur in Querrichtung bewegt. Zum Schneiden von V- und Y-Fugen stehen Laserdrehköpfe zur Verfügung. Zum CO2-Laserstrahlschneiden räumlicher Konturen werden 5-Achsen-Portalsysteme oder Gelenkarmroboter mit integrierter Strahlführung verwendet. Aufgrund der einfacheren Strahlführung über Lichtleitfasern wird in diesem Bereich zunehmend der Nd:YAG-Festkörperlaser eingesetzt.

Bild 39: Großblech-Laserstrahlschneidanlage

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5. Wasserstrahlschneiden Beim Wasserstrahlschneiden als nichtthermisches Schneidverfahren nutzt man die erosive Wirkung des Wassers zum Trennen von Werkstücken. Dieses Verfahren wurde bereits Anfang der 70er Jahre für industrielle Schneidanwendungen genutzt. Durch die Zugabe abrasiver Zusätze gelang etwa 10 Jahre später auch der Durchbruch beim Schneiden metallischer Werkstoffe. Verfahrensprinzip: Beim Wasserstrahlschneiden wird durch eine Hochdruckpumpe gefiltertes Wasser auf einen Druck von bis zu 4000 bar komprimiert. Über ein Rohrleitungssystem wird das Wasser zum Schneidkopf geführt und in diesem über eine Schneiddüse auf das zu trennende Werkstück gelenkt. Die Austrittsgeschwindigkeit des Wasserstrahls beträgt ca. 900 m/s und erzeugt durch seine hohe kinetische Energie die Schnittfuge. Mit diesem Verfahren werden u. a. Kunst- und Schaumstoffe, Gummi und Holz getrennt. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens kann dadurch erheblich gesteigert werden, dass dem Wasserstrahl Abrasivmittel (z. B. Granatsand) zugeführt werden. Diese werden einem Vorratsbehälter entnommen und in der Mischkammer dem hochbeschleunigten, aus Tropfen bestehenden Wasserstrahl zugesetzt. Das aus Luft, Wasser und Abrasivmittel bestehende Gemisch wird durch eine Hartmetalldüse fokussiert und bewirkt am Werkstück einen Mikrozerspanungsprozess. Der Wasserstrahl selbst trägt hierbei nur minimal zum Materialabtrag bei. Als Vorteile des Wasserstrahlschneidens sind u. a. zu nennen: • • • • •

nahezu alle Materialien sind schneidbar (un- und hochlegierte Stähle, Nichteisenmetalle, Kunststoffe, Schaumstoffe, Glas, Gummi, Naturstein, Werkstoffverbunde u. a.) geringe Schnittfugenbreite rechtwinklige Schnittkanten keine thermische Beeinflussung der Schnittkanten, keine Wärmeeinflusszone, keine Oxidschicht an den Schnittkanten geringe Umweltbelastung

Tabelle 10: Richtwerte beim Wasserstrahlschneiden (links ohne, rechts mit Abrasivmittel) Werkstoff

Gummi

Kunststoffe (PU)

Kunststoffe (PTFE, PVC) Sperrholz

Schaumstoff

Werkstückdicke

Schneidgeschwindigkeit

[mm] 2 10 20 2 5 10 2 5 10 2 5 10 10 100

[mm/min] 25.000 10.000 2.000 20.000 6.000 2.000 6.000 2.000 800 25.000 4.000 500 25.000 5.000

Werkstoff

Hochleg. Stahl

Titan

Aluminium

Marmor

Glas

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Werkstückdicke [mm] 10 40 100 10 40 100 10 40 100 10 40 120 10 40 120

Schneidgeschwindigkeit [mm/min] 230 50 15 270 55 20 700 140 35 800 150 40 600 120 33

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6. Schnittflächengüte und Maßtoleranzen Zur Beurteilung der Qualität geschnittener Werkstücke wird die Formabweichung der Schnittfläche und die Maßabweichung in Längen- und Breitenrichtung ermittelt. Die Qualität der Schnittfläche ist vom gewählten Schneidverfahren abhängig. Mit den thermischen Schneidverfahren Autogenbrennschneiden und Laserstrahlschneiden können Werkstücke hergestellt werden, deren Schnittflanken nahezu parallel sind. Dagegen muss beim Plasmaschneiden mit blechdickenabhängigen Winkelabweichungen von 2 –3 ° (Ausnahme: Feinstrahl-Plasmaschneiden) gerechnet werden. Es gelten folgende Normen: • • •

DIN EN ISO 9013 für das Autogenbrennschneiden, DIN 2310 Teil 4 für das Plasmaschneiden und DIN 2310 Teil 5 für das Laserstrahlschneiden.

Hinweis: Die Norm DIN EN ISO 9013 wird zur Zeit überarbeitet. Sie wird auch für das Plasma- und Laserstrahlschneiden gelten und eine verfahrensunabhängige Beschreibung der Schnittqualität der thermischen Schneidverfahren ermöglichen.

6.1 Güte der Schnittflächen Für die Beurteilung der Güte einer Schnittfläche werden folgende Kenngrößen verwendet: • •

die Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz u und die gemittelte Rautiefe Ry5

Bild 40: Rechtwinkligkeitstoleranz

Bild 41: Neigungstoleranz

Bild 42: Gemittelte Rautiefe

Die Rechtwinkligkeits- oder die Neigungstoleranz u ist der Abstand zweier paralleler Geraden, zwischen denen das Schnittflächenprofil unter dem theoretisch richtigen Winkel liegen muss. In der Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz sind die Geradheits- als auch die Ebenheitsabweichungen enthalten. Zur Ermittlung der Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz wird beim Autogenbrennschneiden und beim Laserstrahlschneiden jeweils ein werkstückdickenabhängiger Bereich  D YRQ GHU REHUHQ XQG XQWHUHQ Schnittflächenkante abgezogen. Die gemittelte Rautiefe Ry5 ist das arithmetische Mittel aus den Einzelrautiefen fünf aufeinanderfolgender Einzelmessstrecken. Die Rautiefe wird bei 2/3 der Blechdicke von der Werkstückoberkante gemessen oder - an laserstrahlgeschnittenen Werkstücken, die dünner als 2 mm sind - in der Schnittmitte.

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Zur visuellen Beurteilung können mit herangezogen werden • •

der Rillennachlauf n und die Anschmelzung r

Bild 43: Rille

Bild 44: Anschmelzung

Der Rillennachlauf n (Bild 43) ist der größte Abstand zweier Punkte einer Schnittrille in Schneidrichtung. Durch die Anschmelzung r (Bild 44) wird die Form der Schnittoberkante (scharfe Kante, Schmelzkante mit Überhang oder Schmelzperlenkette mit Überhang) charakterisiert . 6.2 Maßtoleranzen Als Nennmaß gilt das Zeichnungsmaß. Die in den Normen festgelegten Grenzabmaße gelten für Maße ohne Toleranzangabe in Zeichnungen oder technischen Unterlagen, wenn auf die o. g. geltenden Normen verwiesen wird. Die Grenzabmaße gelten nur für die in den Normen angegebenen Werkstückdicken. Bei autogen- oder plasmageschnittenen Teilen darf ein Seitenverhältnis (Länge : Breite) von 4 : 1 nicht überschritten werden und die Schnittlänge (Umfang) muss mindestens 350 mm betragen. Beim Autogenbrennschneiden und Laserstrahlschneiden schließen die Grenzabmaße den durch die Rechtwinkligkeits- und Neigungsabweichungen verursachten Anteil mit ein, beim Plasmaschneiden aufgrund der verfahrenstypischen Winkelabweichung - nicht.

Bild 45: Nennmaß am Beispiel eines Ringes beim Plasmaschneiden

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6.3 Güteeinteilung und Maßtoleranzen für autogene Brennschnittflächen (DIN EN ISO 9013) Die Norm gilt für Werkstoffe, die zum autogenen Brennschneiden geeignet sind, im Werkstückdickenbereich von 3 – 300 mm. Güte der Schnittflächen Die Qualität der Schnittfläche wird nach DIN EN ISO 9013 in Güte I und II eingeteilt. Für die Güte I gelten die in Bild 46 und Bild 47 aufgeführten Felder 1 und 2, für die Güte II die Felder 1 – 3. Beispiel: Bei einer Blechstärke von 10 mm darf bei Güte I die zulässige Abweichung in der Rechtwinkligkeit bzw. der Neigung bis zu 0,5 mm und für die gemittelte Rauhtiefe bis zu 82 µm betragen.

Bild 46: Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz u

Bild 47: Gemittelte Rautiefe Ry5

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Maßtoleranzen Die zulässigen Abweichungen vom Nennmaß eines Bauteils sind als Toleranzklassen A und B festgelegt (Tabelle 11). Für gleichzeitig geschnittene parallele Geradschnitte gelten die Toleranzklassen F, G und H (Tabelle 12). Tabelle 11: Grenzabmaße für Nennmaße (Maße in Millimeter) Grenzabmaße für Nennmaße Toleranzklasse

A

B

Werkstückdicke t

35 bis unter 315

315 bis unter 1000

1000 bis unter 2000

2000 bis unter 4000

3 < t ≤ 12

± 1,0

± 1,5

± 2,0

± 3,0

12 < t ≤ 50

± 0,5

± 1,0

± 1,5

± 2,0

50 < t ≤ 100

± 1,0

± 2,0

± 2,5

± 3,0

100 < t ≤ 150

± 2,0

± 2,5

± 3,0

± 4,0

150 < t ≤ 200

± 2,5

± 3,0

± 3,5

± 4,5

200 < t ≤ 250

-

± 3,0

± 3,5

± 4,5

250 < t ≤ 300

-

± 4,0

± 5,0

± 6,0

3 < t ≤ 12

± 2,0

± 3,5

± 4,5

± 5,0

12 < t ≤ 50

± 1,5

± 2,5

± 3,0

± 3,5

50 < t ≤ 100

± 2,5

± 3,5

± 4,0

± 4,5

100 < t ≤ 150

± 3,0

± 4,0

± 5,0

± 6,0

150 < t ≤ 200

± 3,0

± 4,5

± 6,0

± 7,0

200 < t ≤ 250

-

± 4,5

± 6,0

± 7,0

250 < t ≤ 300

-

± 5,0

± 7,0

± 8,0

Tabelle 12: Grenzabmaße für gleichzeitig geschnittene parallele Geradschnitte (Maße in Millimeter) Toleranzklasse

Werkstückdicke t

Grenzabmaße für Nennmaße bis 10000

F

10 < t ≤ 100

± 0,2

G

6 < t ≤ 100

± 0,5

H

6 < t ≤ 100

± 1,5

Bezeichnung Bezeichnungsbeispiel eines autogenen Brennschnittes der Güte I und der Toleranzklasse A: Brennschnitt ISO 9013-IA

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6.4 Güteeinteilung und Maßtoleranzen für plasmageschnittene Werkstücke (DIN 2310 Teil 4) Die Norm gilt für Werkstoffe, die zum Plasmaschneiden geeignet sind, im Werkstückdickenbereich von 1 – 100 mm. Güte der Schnittflächen Die Qualität der Schnittfläche wird nach DIN 2310 Teil 4 in Güte I und II eingeteilt. Für die Güte I gelten die in Bild 48 und Bild 49 aufgeführten Felder 1 und 2, für die Güte II die Felder 1 – 3. Beispiel: Bei einer Blechstärke von 10 mm darf bei Güte I die zulässige Abweichung in der Rechtwinkligkeit bzw. der Neigung bis zu 1,3 mm und für die gemittelte Rauhtiefe bis zu 90 µm betragen.

Bild 48: Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz u

Bild 49: Gemittelte Rautiefe Rz

Maßtoleranzen Die zulässigen Abweichungen vom Nennmaß eines Bauteils sind als Toleranzklassen C und D festgelegt (Tabelle 13). Tabelle 13: Grenzabmaße für Nennmaße (Maße in Millimeter) Grenzabmaße für Nennmaße Toleranzklasse

C D

Werkstückdicke

35 bis unter 315

315 bis unter 1000

1000 bis unter 2000

2000 bis unter 4000

3 bis 50

± 1,0

± 1,0

± 1,5

± 2,0

über 50 bis 100

± 1,5

± 2,0

± 2,5

± 3,0

3 bis 50

± 2,0

± 2,5

± 3,0

± 3,5

über 50 bis 100

± 2,5

± 3,5

± 4,0

± 4,5

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Thermisches Schneiden, Nahtvorbereitungsverfahren I/II

1.14-1 u. 1.14-2 Seite 37

6.5 Güteeinteilung und Maßtoleranzen für laserstrahlgeschnittene Werkstücke (DIN 2310 Teil 5) Die Norm gilt für metallische Werkstoffe, die zum Laserstrahlschneiden geeignet sind, bis zu einer Werkstückdicke von 10 mm. Güte der Schnittflächen Die Qualität der Schnittfläche wird nach DIN 2310 Teil 5 in Güte I und II eingeteilt. Für die Güte I gelten die in Bild 50 und Bild 51 aufgeführten Felder 1 und 2, für die Güte II die Felder 1 – 3. Beispiel: Bei einer Blechstärke von 10 mm darf bei Güte I die zulässige Abweichung in der Rechtwinkligkeit bzw. der Neigung bis zu 0,25 mm und für die gemittelte Rautiefe bis zu 60 µm betragen.

Bild 50: Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz u

Bild 51: Gemittelte Rautiefe Rz

Maßtoleranzen Die zulässigen Abweichungen vom Nennmaß eines Bauteils sind als Toleranzklassen K und L festgelegt (Tabelle 14). Tabelle 14: Grenzabmaße für Nennmaße (Maße in Millimeter) Grenzabmaße für Nennmaße Toleranzklasse

Werkstückdicke

über 3

über 10

bis 3

bis 10

bis 30

über 30 bis 120

über 120 bis 315

über 315 bis 1000

bis 1

± 0,03

± 0,04

± 0,05

± 0,06

± 0,08

± 0,1

über 1 bis 3

± 0,08

± 0,01

± 0,12

± 0,15

± 0,2

± 0,25

über 3 bis 6

± 0,16

± 0,2

± 0,25

± 0,3

± 0,35

± 0,45

über 6 bis 10

± 0,3

± 0,35

± 0,4

± 0,5

± 0,6

± 0,7

bis 1

± 0,1

± 0,15

± 0,2

± 0,3

± 0,4

± 0,5

über 1 bis 3

± 0,2

± 0,3

± 0,4

± 0,5

± 0,6

± 0,8

über 3 bis 6

± 0,4

± 0,5

± 0,6

± 0,8

± 1,0

± 1,2

über 6 bis 10

± 0,6

± 0,7

± 0,8

± 1,0

± 1,2

± 1,6

K

L

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7. Einsatzbereiche und Wirtschaftlichkeitsvergleich der thermischen Schneidverfahren Die thermischen Schneidverfahren autogenes Brennschneiden, Plasmaschneiden und Laserstrahlschneiden haben sich seit Jahren in bestimmten, vom zu schneidenden Werkstoff und der Werkstückdicke abhängigen, Anwendungsbereichen bewährt. Das Autogenbrennschneiden wird zum Trennen un- und niedriglegierter Stähle im Werkstückdickenbereich von 3 bis 300 mm mit Standardausrüstungen und bis 3000 mm mit Sonderausrüstungen eingesetzt. Durch Sonderschneidverfahren können auch nicht brennschneidgeeignete Werkstoffe getrennt werden. Mit dem Plasmaschneiden werden un- und niedriglegierte Stähle, hochlegierte Stähle, Aluminiumlegierungen, Kupfer- und Kupferlegierungen in einem Werkstückdickenbereich von 0,5 bis 160 mm getrennt. Das Laserstrahlschneiden erlaubt das Trennen von unterschiedlichen Materialien. So können neben Metallen, wie z. B. Baustählen, nichtrostenden Stählen, Aluminium und Kupfer, auch nichtmetallische Werkstoffe geschnitten werden; für unlegierte Bleche in einem Bereich von 0,1 bis 30 mm. Neben Bereichen, in denen nur einzelne Verfahren einsetzbar sind, gibt es solche, in denen sich die Anwendungsmöglichkeiten durch eine ständige Weiterentwicklung der modernen Schneidverfahren zunehmend überschneiden. Um das wirtschaftlichste mehrerer alternativer Schneidverfahren zu ermitteln, ist zunächst zu klären, ob das einzusetzende Schneidverfahren die gestellten Anforderungen bezüglich der Qualität der Schnittkanten und der Maßhaltigkeit der Teile erfüllt. Wenn nicht, müssen neben den Kosten der Schneidverfahren auch die anfallenden Kosten für eine notwendige Nacharbeit berücksichtigt werden oder das Schneidverfahren ist für den Einsatzzweck generell nicht brauchbar. In die Berechnung eines kostendeckenden Maschinenstundensatzes einer Schneidanlage müssen Investitionskosten (Abschreibungs- und Zinskosten), Instandhaltungskosten, Raumkosten, Betriebsmittelkosten sowie Lohn- und Lohnnebenkosten einbezogen werden. Der Maschinenstundensatz gibt die Summe aller Kosten einer Maschine bezogen auf die jährliche Nutzungszeit wieder (Tabelle 15). Demgegenüber steht die, mit dem Verfahren erzielbare Schneidleistung, angegeben als Schneidgeschwindigkeit. Durch das Verhältnis von Maschinenstundensatz zur Schneidgeschwindigkeit lassen sich die Kosten je Meter Schnitt berechnen (Tabelle 16). In Tabelle 15 und Tabelle 16 sind Beispielberechungen dargestellt. Will der Anwender „sein“ wirtschaftlichstes Schneidverfahren ermitteln, muss er anhand seines Fertigungssortiments eigene Berechnungen durchführen.

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Tabelle 15: Maschinenstundensatz beim Laserstrahlschneiden im Vergleich zu anderen Schneidverfahren (Beispiel, nach Angaben der Laser Produkt GmbH, Angaben in CNC-Brennschneidanlage 3 Brenner

CNC-Plasmaschneidanlage Plasma 250 A Plasmagas N2

CNC-Laserschneidanlage Laserleistung 2600 W Schneidgas O2

CNC-Wasserstrahlschneidanlage 75 kW Pumpe, 3800 bar 2 Abrasivköpfe

160.000,00

175.000,00

450.000,00

325.000,00

30.031,00

32.846,40

84.462,18

61.000,46

5.600,00

6.125,00

15.750,00

11.375,00

8.000,00

8.750,00

22.500,00

16.250,00

5.200,00

5.200,00

5.200,00

5.200,00

48.831,00

52.921,40

127.912,18

93.825,46

1.Kosten für betriebsbereite Anlage 2.jährliche kalkulatorische Abschreibung 3.jährliche Zinskosten 4.jährliche fixe Instandhaltungskosten 5.jährliche Raumkosten 6.fixe Maschinenkosten/Jahr 7.Betriebsstunden/ Jahr (Verfügbarkeit 80 %) 8.Fixkosten/Stunde 9.Betriebskosten/ Stunde - Energie - Hilfs- und Betriebsstoffe - Instandhaltung - Verschleißteile 10.Personalkosten/ Stunde (incl. Lohnnebenkosten) 11.Kostendeckender Maschinenstundensatz (exkl. Gemeinkosten)

1-schicht. 2-schicht. 3-schicht. 1-schicht. 2-schicht. 3-schicht. 1-schicht. 2-schicht. 3-schicht. 1-schicht. 2-schicht. 3-schicht. 1280 h/a 2560h/a 3840h/a 1280 h/a 2560h/a 3840h/a 1280 h/a 2560h/a 3840h/a 1280 h/a 2560h/a 3840h/a

38,10

70,85

19,10

12,70

41,30

20,70

13,80

99,90

50,00

33,30

73,30

36,70

1,00 2,50

3,75 2,50

3,75 2,50

5,00 17,50

3,75 0,50

4,10 2,00

10,00 2,50

7,50 5,00

25,00

25,00

25,00

25,00

51,85

45,45

78,65

58,05

51,15

143,65

93,75

77,05

133,30

96,70

24,40

84,40

Laserschmelzschneiden (Schneidgas N2) o. g. Werte + 25

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K

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Tabelle 16: Vergleich der spezifischen (auf die Bearbeitungsstrecke bezogene) Schneidkosten für verschiedene Verfahren und Werkstoffe (Beispiel, nach Angaben der Laser Produkt GmbH, Angaben in CNC-Brennschneidanlage

CNC-Plasmaschneidanlage

CNC-Laserschneidanlage

CNC-Wasserstrahlschneidanlage

123123123123Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht Schicht

kostendeckender Maschinenstundensatz

70,85

45,45

78,65

58,05

51,15

133,30

96,70 84,40

193,65 143,75 127,05 Schneidgas N2

Werkstoff: S235 Dicke: 12 mm Schneidgeschwindigkeit Kosten je Meter Schnitt

51,85

143,65 93,75 77,05 Schneidgas O2

0,66

3 Brenner

Plasma 250 A Plasmagas N2

Laserleistung 2500 W Schneidgas O2

75 kW-Pumpe, 3800 bar 2 Abrasivköpfe

600 mm/min x 3 Brenner

2000 mm/min

900 mm/min

80 mm/min x 2 Schneidköpfe

0,48

0,42

0,66

0,48

0,43

2,66

1,74

1,43

13,89

10,07

8,79

Werkstoff: 1.4301 Dicke: 8 mm

Plasma 250 A Plasmagas N2

Laserleistung 2500 W Schneidgas N2

75 kW-Pumpe, 3800 bar 2 Abrasivköpfe

Schneidgeschwindigkeit

2000 mm/min

500 mm/min

140 mm/min x 2 Schneidköpfe

Kosten je Meter Schnitt

0,66

0,48

0,43

5,62

3,96

3,40

8,93

5,76

5,02

Werkstoff: AlMg3 Dicke: 6 mm

Plasma 250 A Plasmagas N2

Laserleistung 2500 W Schneidgas N2

75 kW-Pumpe, 3800 bar 2 Abrasivköpfe

Schneidgeschwindigkeit

2500 mm/min

600 mm/min

500 mm/min x 2 Schneidköpfe

Kosten je Meter Schnitt

0,52

0,39

0,34

4,68

3,30

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2,83

2,22

1,61

1,41

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1.14-1 u. 1.14-2 Seite 41

8. Literatur /1/ Böhme, Prof. Dr.-Ing. D., Herrmann, F.-D.: Handbuch der Schweißverfahren. Teil II; DVS-Verlag Düsseldorf 1992. /2/ Mair, H.: Abgrenzung der thermischen Schneidverfahren Laserstrahlschneiden, Plasmaschneiden und autogenes Brennschneiden nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Schweißen und Schneiden 94, DVS-Berichte Band 162, DVS-Verlag Düsseldorf 1994, S. 48 – 61 /3/ Farwer, A.; Hildebrandt, B.; Mohr, R.: Erfahrungen beim Einsatz von Ethen in der Autogentechnik. Schweißen und Schneiden 94, DVS-Berichte Band 162, DVS-Verlag Düsseldorf 1994, S. 72 – 76 /4/ Danzer, W.: Neue Erkenntnisse zum Ablauf der Schneidprozesse Laser, Plasma und autogen, dargestellt anhand von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen. Internationale Schneidtechnische Tagung 97, DVS-Berichte Band 185, DVS-Verlag Düsseldorf 1997, S. 5 – 8 /5/ Irmer, W.; Mair, H.: Metallurgische Veränderungen des Schnittkantenmaterials und deren Auswirkung auf die Weiterverarbeitung der Schnittkanten. DVS-Berichte Band 209, DVS-Verlag Düsseldorf 2000, S. 301 – 306 /6/ Krink, V.; Simler, H.; Laurisch, F.; Staacks, D.: Plasmaschneiden im automatisierten Betrieb. Internationale Schneidtechnische Tagung 97, DVS-Berichte Band 185, DVS-Verlag Düsseldorf 1997, S. 51 – 54 /7/ Dickmann Prof. Dr., K.; Sowada, J.: Kostenanalyse am Beispiel des Laserstrahlschneidens, Schweißen & Schneiden (50) 1998, Heft 7, S. 422 – 423 /8/ Schmidt, H.-J.: Stand der Schweißkantenvorbereitung mittels thermischer Schneidverfahren. Internationale Schneidtechnische Tagung 97, DVS-Berichte Band 185, DVS-Verlag Düsseldorf 1997, S. 16 – 20 /9/ Brandt, C.; Louis, H.; Ohlsen, J.; Tebbing, G.: Schneiden mit Wasserabrasivstrahlen – Verfahren, Anwendungen, Entwicklungspotential. Internationale Schneidtechnische Tagung 97, DVS-Berichte Band 185, DVS-Verlag Düsseldorf 1997, S. 102 – 106

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Oberflächentechnik

1.15 Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Oberflächentechnik 2. Oberflächenbeschichtungsverfahren 3. Thermomechanische Oberflächenbeschichtungsverfahren – Thermisches Spritzen 4. Thermische Oberflächenbeschichtungsverfahren – Auftragschweißen 5. Literatur

1 1 1 2 19 22

1. Oberflächentechnik Die Steigerung von Produktivität und Leistung technischer Anlagen und Maschinen erhöht zwangsläufig auch die Beanspruchung wie z.B. den Verschleiß und die Korrosion bestimmter Bauteile und Segmente. Diese Umstände erfordern das Aufbringen von Schutzschichten auf die Oberflächen der Bauteile, um den hohen Belastungen standzuhalten. Zudem können mit Hilfe der Oberflächentechnik aus wirtschaftlichen Aspekten und zur Schonung von Rohstoffressourcen Teile aus „minderwertigen“ Grundwerkstoffen gefertigt und anschließend durch Oberflächenschutzschichten so veredelt und geschützt werden, dass sie den gewünschten Anforderungen entsprechen. Oberflächenschutzschichten dienen allgemein zum Verbessern der Werkstückeigenschaften zum Beispiel in Bezug auf Verschleiß, Korrosion, tribologisches Verhalten, Wärmeübergang bzw. –dämmung, elektrische Leitfähigkeit bzw. Isolation, Aussehen und/oder zum Wiederherstellen der Betriebsfähigkeit bei Neuanfertigung und Reparatur /1/.

2. Oberflächenbeschichtungsverfahren Oberflächenschutzschichten können mechanisch, thermisch, thermomechanisch, galvanotechnisch, chemisch und physikalisch-chemisch auf Werkstückoberflächen aufgebracht werden (Tabelle 1). Tabelle 1: Möglichkeiten zum Aufbringen von Oberflächenschutzschichten, Beschichtungsverfahren. Mechanisch

Plattieren, Walz- und Sprengplattieren Streichen

Thermisch

Auftragschweißen - Schweißplattieren - Schweißpanzern - Puffern Löten, Sintern, Aufschmelzen

Thermomechanisch

Flammspritzen, Plasmaspritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen Detonationsspritzen, Lichtbogenspritzen Drahtexplosionsspritzen, Laserspritzen PTA

Galvanotechnisch

Kathodische Abscheidung Anodische Oxidation

Chemisch

Stromlose Metallabscheidung Chemische Reaktionsschichtbildung

Physikalisch-chemisch (Gasphasenabscheidung)

PVD (physical vapour deposition) CVD (chemical vapour deposition) Plasmapolymerisation

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Oberflächentechnik

1.15 Seite 2

3. Thermomechanische Oberflächenbeschichtungsverfahren – Thermisches Spritzen Bei den aufgezählten Oberflächenbeschichtungsverfahren haben die thermomechanischen Verfahren - Thermische Spritzverfahren - in den vergangenen Jahren sowohl in der Neuteilfertigung als auch in der Reparatur eine immer größere Bedeutung gewonnen. Die Ursachen dafür sind im wesentlichen folgende Tatsachen /1/: • Beim Thermischen Spritzen besteht eine große Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten von Grundwerkstoffen mit Schichtwerkstoffen. • Durch die Flexibilität des Thermischen Spritzens bestehen ausgezeichnete Möglichkeiten für die Reparatur hochwertiger verschlissener Teile. Die geringen Reparaturkosten und die relativ kurzen Ausfallzeiten sind gravierende Vorteile gegenüber den anderen Reparaturverfahren. • Die zu beschichtenden Werkstücke werden nur geringfügig erwärmt, so dass unerwünschte Gefügeänderungen und Verzug weitgehend vermieden werden. Ausgenommen sind Verfahren mit zusätzlicher thermischer Behandlung. • Die Anwendung ist nicht von der Größe des Werkstücks oder Bauteils abhängig. • Auch kompliziert geformte Bauteile lassen sich bei Beachtung spritzgerechter Gestaltung beschichten. • Je nach Spritzzusatz und Verfahrensvariante lassen sich unterschiedliche Schichtdicken aufbringen, wobei derzeit als Untergrenze 30 µm anzusehen sind. • Gerätschaft, Spritzzusätze und die gesamte Technologie haben enorme Fortschritte gemacht. Thermische Spritzschichten zeigen infolge ihres Aufbaues, der sich durch den Spritzprozess ergibt, ein anderes Verhalten als ein entsprechender Kompaktwerkstoff. Verfahrensbedingte Nachteile können sein /1/: • Mikroporosität der Spritzschicht • Begrenzte Haftfestigkeit der Spritzschicht • Empfindlichkeit von bestimmten Spritzschichten gegen Kantenpressung, punkt- und linienförmige Belastung und Schläge • Einschränkungen bezüglich der geometrischen Abmessungen wie z.B. beim Innenbeschichten von Körpern mit geringem Innendurchmesser. 3.1 Verfahrensprinzip Das Thermische Spritzen umfasst Verfahren, bei denen Spritzzusätze inner- oder außerhalb der Spritzgeräte – je nach Art des Zusatzes – an- oder aufgeschmolzen auf vorbereitete Oberflächen geschleudert werden. Die Oberflächen werden dabei nicht aufgeschmolzen. Infolge der thermischen und kinetischen Energie der Spritzteilchen kommt es zu einer Verbindung der Spritzteilchen mit der Werkstückoberfläche und der Teilchen untereinander, wobei der Hauptmechanismus der Verbindung die physikalische Verklammerung ist. Es bildet sich eine neue Oberfläche, die aus nebeneinanderliegenden Streifen und übereinanderliegenden Lagen abgeflachter, lamellenförmiger Spritzteilchen besteht (Bild 1, Bild 2).

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1.15

Oberflächentechnik

Seite 3

Bild 1: Schema der Entstehung einer Spritzschicht Ansicht im Eckschnitt. 1, 2 - angeschnittenes Spritzteilchen mit bereits erstarrter Oberfläche 3 - teilweises Zerplatzen beim Aufprall 4 - zwischengelagerte Oxidschicht 5 - Teilchenverankerung 6 - teillegierte oder verschweißte Teilchen 7 - vor dem Aufprall bereits erstarrtes Teilchen 8 - Mikrohohlraum, entstanden durch zu schnelles Erstarren 9 - Mikropore, entstanden durch bereits im Teilchen eingeschlossene Gasblase 10 - durch Strahlen vorbehandelte, aufgeraute Grenzfläche 11 - Grundwerkstoff

Bild 2: Mikroschliff einer verschleißfesten Spritzschicht Schichtwerkstoff:

verschleißfeste Stahlschicht

Haftgrund:

NiCr

Grundwerkstoff:

Stahl

Spritzverfahren:

Laserspritzen

Gefügebeschreibung:

einwandfreie Spritzschicht mit geringer Porosität und guter Haftung

Vergrößerung:

ca. 140 : 1

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3.2 Vorbereiten der Bauteile zum Spritzen, Oberflächenvorbehandlung Die Voraussetzung für ein gutes Haften thermischer Spritzschichten ist eine fachgerechte Vorbehandlung der Oberfläche des zu beschichtenden Grundwerkstoffes. Dazu gehören: • Reinigen der Oberfläche von Zunder, Oxiden, Rost, Fetten, Ölen, Farbresten und Schmutz, damit die Oberfläche metallisch rein ist. Zum Reinigen können in der metallverarbeitenden Industrie zugelassene Lösungsmittel und Chemikalien aber auch Ultraschall und Wasserdampf eingesetzt werden. •

Aufrauen der Oberfläche durch Strahlen mit Korund und Hartgusskies in Ausnahmefällen auch - Schleifen - Drehen - elektrisches Aufrauen mit Nickelelektroden um eine große, reaktionsfreudige Oberfläche am Grundwerkstoff zu schaffen. -

• Aufbringen von Zwischenschichten zur Erhöhung der Haftzugfestigkeit bei verschiedenen Werkstoffkombinationen insbesondere bei sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schicht- und Grundwerkstoff. Als Zwischenschichten haben sich Nickel-Aluminium-, Nickel-Chrom- und Molybdän-Zwischenschichten bewährt. Das Aufrauen durch Strahlen mit Korund und Hartgusskies ist den anderen Methoden vorzuziehen, da durch die scharfkantigen Strahlteilchen eine stark zerfaserte, oxidfreie Oberfläche erzeugt wird. Zudem wirkt sich das Strahlen positiv auf die Dauerschwingfestigkeit des zu beschichtenden Bauteils aus. Weil die Reaktionsfreudigkeit der Oberfläche mit der Zeit abklingt, sollte der Grundwerkstoff möglichst bald nach der Vorbehandlung beschichtet werden. 3.3 Verfahren des Thermischen Spritzens Die Spritzverfahren werden eingeteilt nach: • • • •

Form des Spritzzusatzes (Draht-, Pulver-, Stab-, Schnur-, und Schmelzbadspritzen) Anwendungszweck (z.B. Korrosionsschutzschichten, Verschleißschutzschichten) Art der Fertigung (teilmechanisch, vollmechanisch und automatisches Spritzen) Art der Energieträger (Brenngas-Sauerstoff-Flamme, elektrische Energie, Plasma, Laserstrahl).

Alle Thermischen Spritzverfahren benötigen zur Erzeugung von Spritzschichten zwei Energiearten: • thermische Energie und • kinetische Energie. Die Höhe der thermischen Energie ist durch die Wahl des Spritzverfahrens, d.h. durch den Energieträger, vorgegeben. Die thermische Energie wird benötigt, um den Spritzzusatz an- oder aufzuschmelzen. Die kinetische Energie, die in Form der Teilchengeschwindigkeit gemessen wird ist mit ein Kriterium für die Dichte der Schicht, die Haftzugfestigkeit der Spritzschicht in sich und die Haftzugfestigkeit der Schicht zum Grundwerkstoff. Die kinetische Energie ist bei den einzelnen Verfahren des Thermischen Spritzens sehr unterschiedlich und vom Spritzmaterial und der Teilchengröße abhängig. Aufgrund der unterschiedlichen Energieniveaus der einzelnen Thermischen Spritzverfahren haben diese bevorzugte Einsatzgebiete in der Praxis und stehen damit untereinander nicht im Wettbewerb, sondern ergänzen sich über die ganze Anwendungsbreite (Bild 3).

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Oberflächentechnik

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Bild 3: Energieniveaus der Thermischen Spritzverfahren (Werkbild Linde AG).

•

Flammspritzen mit Draht

Beim Drahtflammspritzen wird der Spritzzusatzwerkstoff im Düsensystem der Spritzpistole mit einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme (thermische Energie) kontinuierlich aufgeschmolzen und mit entsprechender Geschwindigkeit (kinetische Energie) auf die vorgesehenen Werkstückbereiche aufgebracht (Bild 4). Bild 4: Flammspritzen mit Draht (Werkbild Linde AG). 1 Acetylen/Sauerstoff 2 Draht, Spritzzusatzwerkstoff 3 Brennerdüse 4 Acetylen-Sauerstoff-Flamme + Spritzteilchen 5 Werkstück

Gase: Acetylen Ethen Sauerstoff Wasserstoff Propan

Flammentemperatur: max. 3160 °C

Material: meist Metalle

Teilchengeschwindigkeit: bis 200 m/sek.

Auftragleistung: 6 – 8 kg/h

Spritzzusatz: Draht oder Stab

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Das Flammspritzen mit Draht ist ein sehr verbreitetes Verfahren mit einem sehr hohen Spritzschichtqualitätsstandard. In der Automobilbranche werden damit jährlich mehrere hundert Tonnen Molybdän auf Schaltgabeln, Synchron- oder Kolbenringe verspritzt. •

Flammspritzen mit Pulver

Ein Treibgas saugt das Pulver an (Injektorprinzip) und befördert es in die Düse. Die Pulverteilchen werden durch die bei der Verbrennung entstehende Ausdehnung des Acetylen-Sauerstoff-Gemisches beschleunigt (kinetische Energie) und durch die thermische Energie der Acetylen-Sauerstoff-Flamme aufund angeschmolzen (Bild 5). Die Pulver- und Treibgasmenge ist dosierbar. Durch elektrische Vibratoren lassen sich eventuelle Störungen in der Pulverzufuhr vermeiden. Der Wirkungsgrad derartiger Anlagen ist höher und die Spritzverluste sind geringer als beim Arbeiten mit üblichen Drahtpistolen. Es kann aber nicht wie beim Drahtspritzen in jeder Lage gespritzt werden. Der Schichtaufbau ist ähnlich wie beim Drahtspritzen. Bild 5: Flammspritzen mit Pulver (Werkbild Linde AG). 1 Acetylen/Sauerstoff 2 Pulverbehälter, Spritzzusatzwerkstoff 3 Brennerdüse 4 Fördergas + Pulver 5 Acetylen-Sauerstoff-Flamme + Spritzteilchen 6 Werkstück

Gase: Acetylen Ethen Sauerstoff Wasserstoff Propan

Flammentemperatur: max. 3160 °C

Material: alle

Teilchengeschwindigkeit: bis 50 m/sek.

Auftragleistung: 3 – 6 kg/h Metalle 1 – 2 kg/h Keramik

Spritzzusatz: Pulver

Beim Flammspritzen mit Pulver gibt es Zusatzwerkstoffe, sogenannte selbstfließende Pulver auf Nickeloder Kobaltbasis mit Anteilen von Bor, Chrom und Silizium, mit denen sich durch eine zusätzliche thermische Nachbehandlung, dem "Einschmelzen" gas- und flüssigkeitsdichte Spritzschichten erzeugen lassen. Beim Einschmelzen wird der gesamte beschichtete Bereich entsprechend dem Zusatzwerkstoff mit einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme auf Temperaturen von 1.020 bis 1.140 °C erwärmt. Es werden jährlich weltweit ca. 4000 Tonnen selbstfließende Pulver (entspricht 20 – 30 % der Spritzpulver) verarbeitet. Einsatzgebiete sind: Wellenschonbuchsen, Lagersitze, Ventilatoren, Rotoren von Extruderschnecken, etc. •

Kunststoff-Flammspritzen

Das Kunststoff-Flammspritzen unterscheidet sich zu den anderen Flammspritzverfahren dadurch, dass der Kunststoffzusatz nicht direkt mit der Acetylen-Sauerstoff-Flamme in Berührung kommt. In der Mitte der Flammspritzpistole ist eine Pulver-Förderdüse. Umschlossen wird diese durch zwei ringförmige Düsenaustritte, wobei der innere Ring für Luft oder ein inertes Gas und der äußere Ring für den thermischen Energieträger, der Acetylen-Sauerstoff-Flamme ist (Bild 6). Der Aufschmelzprozess des Kunststoffs erfolgt somit nicht direkt durch die Flamme, sondern durch die erhitzte Luft und Strahlungswärme.

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Bild 6: Kunststoff-Flammspritzen (Werkbild Linde AG). 1 Acetylen/Sauerstoff 2 Kunststoffgranulat, Spritzzusatzwerkstoff 3 Brennerdüse 4 Luftmantel 5 Acetylen-Sauerstoff-Flamme 6 aufgeschmolzener Kunststoff 7 Werkstück Gase: Acetylen Propan Sauerstoff

Flammentemperatur: max. 3160 °C indirekter Wärmeübergang

Material: Kunststoffe

Teilchengeschwindigkeit: bis 30 m/sek.

Auftragleistung: 2 – 4 kg/h

Spritzzusatz: Granulat

Durch die Mobilität des Kunststoff-Flammspritzens wird die Anwendung immer vielschichtiger. Einsatzgebiete sind z.B. Geländer jeder Art, Lüfterflügel, Rohrdurchführungen durch Mauern, Trinkwassertanks, Gartenmöbel, Schwimmbeckenmarkierungen etc. •

Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen

Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen erfolgt eine kontinuierliche Gasverbrennung mit hohen Drücken innerhalb einer Brennerkammer in deren zentralen Achse der pulverförmige Spritzzusatz zugeführt wird (Bild 7). Der in der Brennerkammer erzeugte hohe Druck und die Verwendung einer nachgeordneten Expansionsdüse ermöglichen eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit im Gasstrahl. Dadurch werden die Spritzteilchen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, die zu enorm dichten Spritzschichten mit ausgezeichneten Haftzugfestigkeiten und geringer Porosität führen. Bild 7: Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (Werkbild Linde AG). 1 Brenngas/Sauerstoff 2 Pulver + Fördergas 3 Brennerdüse mit oder ohne Wasserkühlung 4 Brenngas-Sauerstoff-Flamme + Spritzteilchen 5 Werkstück Gase: Propan Ethen Wasserstoff Propylen (Propen) Sauerstoff

Flammentemperatur: max. 3160 °C

Material: alle

Teilchengeschwindigkeit: bis 550 m/sek.

Auftragleistung: 4 – 8 kg/h Metalle 2 – 4 kg/h Keramik

Spritzzusatz: Pulver

Da beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen im allgemeinen mit Brenngasdrücken von 3 – 7 bar gespritzt wird, können nur Brenngase verwendet werden, die auch in diesem Druckbereich ohne sicherheitstechnische Bedenken eingesetzt werden können. Dies sind heute im deutschsprachigen Raum in erster Linie Propan, aber auch Ethen, Wasserstoff und Propylen (Propen). Für die Wahl des Brenngases sind neben den wirtschaftlichen Überlegungen auch die Einflüsse der Brenngase auf das zu verarbeitende Spritzmaterial zu beachten.

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1.15 Seite 8

Pionier des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen ist das "Jet Kote-Spritzen". In letzter Zeit sind neuere unterschiedliche Systeme auf dem Gebiet des HochgeschwindigkeitsFlammspritzens mit Pulver entwickelt worden, die sich in kürzester Zeit in der Praxis bestens bewährt haben. Diese unterscheiden sich im wesentlichen durch den Einsatz von Brenngas oder flüssigen Brennstoffen, sowie dem Ort an welchem das Pulver in die Flamme eingebracht wird. Eine besondere Neuentwicklung auf dem Gebiet des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens ist das Cold Gas oder Kaltgasspritzen (Bild 8).

Kaltgasspritzen Gas

Pulver

Werkstück

Bei dieser Neuentwicklung wird die kinetische Energie, d.h. die Teilchengeschwindigkeit erhöht und die thermische Energie verringert. Es ist somit möglich, fast oxidfreie Spritzschichten zu erzeugen. Der Spritzzusatzwerkstoff wird mittels einem auf ca. 600 °C erhitzten Gasstrahl mit entsprechendem Druck auf Teilchengeschwindigkeiten > 1000 m/s beschleunigt. Die Auftragleistung beträgt 3 bis 15 kg/h.

Bild 8: Cold Gas oder Kaltgasspritzen (Werkbild Linde AG).

Erste Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass mit diesem Verfahren erzeugte Schichten extreme Haftzugfestigkeiten aufweisen und außerordentlich dicht sind. Während bei den bisher bekannten Verfahren des Thermischen Spritzens das Pulver im Spritzprozess bis über seine Schmelztemperatur erwärmt wird, wird es bei dem neuen Verfahren nur auf wenige hundert Grad erwärmt, so dass die Oxidation des Spritzzusatzwerkstoffs und der Oxidgehalt der aufgespritzten Schicht erheblich geringer sind. Beschichtete Substrate zeigen keine Materialveränderungen durch die Wärmeeinwirkung. Die mit dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen erzeugten Schichten zeichnen sich allgemein durch folgende Eigenschaften besonders aus: • • •

sehr porenarm, dadurch besser geeignet für Korrosionsbeanspruchungen als bei den anderen Verfahren des Thermischen Spritzens die Karbide (z.B. WC-Co und Cr3C2) erfahren beim Durchlauf durch den Heißgasprozess des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens nur eine geringe Umwandlung in Mischkarbide die erzeugten Spritzschichtoberflächen sind enorm glatt und ersparen einen erheblichen Teil der Nachbehandlungskosten, wie z.B. Schleifen, die bei manchen Anwendungen bis zu 60 % der Gesamt kosten ausmachen können.

Mit dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen lassen sich nahezu alle Spritzzusatzwerkstoffe verarbeiten. Dies sind in erster Linie: • reine Metalle (z.B. Kupfer, Molybdän, Nickel usw.) • Metalllegierungen wie Chrom-Nickel-Stähle, Nickel- und Kobaltlegierungen (z.B. CoNiCrAlY; CoMoCr; NiCrMo;) • Karbide, umhüllt wie Chromkarbid/Nickelchrom und Wolframkarbid (z.B. WC-12Co; WC-17Co; WC-27NiCr; WC-14CoCr; WC/Ti-C-17-Ni; Cr3C2 -25NiCr) • selbstfließende Pulver auf Nickel- und Kobaltbasis, mit und ohne thermischer Nachbehandlung • Oxide (z.B. Cr3O2 ) • austenitische Stähle, Lagermetall-Legierungen. Einsatzgebiete für das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen sind Gleitflächen für Bügeleisen, Walzen für die Fotoindustrie, Teile für chemische und petrochemische Maschinen wie z.B. Pumpen, Schieber, Kugelventile etc.

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•

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Detonationsspritzen (amerikanische Bezeichnung: D-Gun-Spritzen)

Beim Detonationsspritzen wird zur Erzeugung der kinetischen Energie eine kontrollierte Detonation verwendet. Dazu wird pulverförmiger Spritzzusatz einer röhrenförmig verlängerten Reaktionskammer zugeführt (Bild 9). In der Brennkammer befindet sich ein genau dosiertes Acetylen-Sauerstoff-Gemisch, das elektrisch gezündet wird. Die bei der Detonation des Gasgemisches freiwerdende Energie schmilzt die Pulverteilchen (thermische Energie) an und beschleunigt sie auf sehr hohe Teilchengeschwindigkeiten (kinetische Energie). Beim Detonationsspritzen handelt es sich um ein intermittierendes Verfahren mit etwa 4 bis 8 Spritzvorgängen pro Sekunde. Nach jeder Detonation muss die Reaktionskammer gespült werden um die Verbrennungsrückstände zu beseitigen, dies erfolgt mit Stickstoff. Die Lärmentwicklung ist extrem hoch (ca. 150 dB), deshalb muss der Prozess in Schallschutzkammern durchgeführt werden. Mit dem Detonationsspritzen können nur Pulver verarbeitet werden, die in der Korngröße genau modifiziert sind (Korngröße 5 bis 60 µm). Bild 9: Detonationsspritzen (Werkbild Linde AG). 1 Acetylen 2 Sauerstoff 3 Stickstoff 4 Pulver, Spritzzusatzwerkstoff 5 Zündeinrichtung 6 Austrittsrohr mit Wasserkühlung 7 Werkstück Gase: Acetylen Sauerstoff

Flammentemperatur: > 3160 °C

Material: alle

Teilchengeschwindigkeit: ca. 600 m/sek.

Auftragleistung: 3 – 6 kg/h

Spritzzusatz: Pulver

Der sehr gute Qualitätsstandard der Spritzschichten rechtfertigt in vielen Fällen den höheren Aufwand für dieses Verfahren. Einsatzgebiete sind Pumpenplunger in Gasverdichtern oder Pumpen, Turbinenläufer in Dampfturbinen, Gasverdichter oder Expansionsturbinen, Nutzwalzen im Nassbereich oder Kalanderwalzen für die Papierindustrie etc. •

Lichtbogenspritzen

Beim Lichtbogenspritzen wird als Energiequelle für die thermische Energie die Elektrizität verwendet. Die elektrisch leitenden draht- oder röhrchenförmigen Spritzzusätze werden in einem Lichtbogen geschmolzen und durch ein Zerstäubergas, z.B. Druckluft (kinetische Energie), auf das vorbereitet Werkstück geschleudert (Bild 10). Der elektrische Lichtbogen wird zwischen den beiden Drahtenden durch das Anlegen einer Spannung (Anode und Kathode) und einer Kontaktzündung erzeugt. Charakteristisch für das Lichtbogenspritzen ist die ungleiche Spritztropfengröße. Sie kommt durch das unterschiedliche Abschmelzverhalten von Materialien an Anode und Kathode zustande. Die unterschiedliche kinetische Energie und Erstarrungstemperatur der Spritzteilchen sowie der hohe Abbrand von Legierungselementen (max. 2 - 3 %) sind beim Lichtbogenspritzen nicht immer von Nachteil für die Praxis. Der Einfluss des Sauerstoffs auf die im Schmelzbereich befindlichen Spritzteilchen wirkt sich jedoch bei diesem Verfahren nachteilig aus. Durch gewisse Zusatzmaßnahmen, wie z.B. Verwendung von Stickstoff als Treibgas kann dieser Einfluss minimiert werden.

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Seite 10

Bild 10: Lichtbogenspritzen (Werkbild Linde AG). 1 Zerstäubergas 2 Drahtzufuhrregulierung 3 Brennerkopf 4 elektr. leitender, drahtförmiger Spritzzusatz 5 Werkstück

Energie: elektr. Strom

Lichtbogentemperatur: ca. 4000 °C

Zerstäubergase: Druckluft Stickstoff, Argon

Material: nur elektr. leitende

Teilchengeschwindigkeit: ca. 150 m/sek.

Auftragleistung: 8 – 20 kg/h

Spritzzusatz: draht- oder röhrchenförmig

Die im Lichtbogenspritzen erzeugten Schichten sind hinsichtlich der Porosität etwas schlechter als bei den anderen Thermischen Spritzverfahren. Durch die hohen Auftragleistungen findet das Lichtbogenspritzen im Verschleißschutz und seit einiger Zeit durch die Entwicklung des geschlossenen Düsensystems auch im Korrosionsschutz Anwendung. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist das großflächige Beschichten von Behältern. •

Plasmaspritzen

Beim Plasmaspritzen wird der pulverförmige Spritzzusatz in- oder außerhalb der Spritzpistole durch einen Plasmastrahl geschmolzen und mit hoher kinetischer Energie auf die Werkstückoberfläche geschleudert (Bild 11). Das Plasma wird durch einen Lichtbogen erzeugt, der gebündelt in Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff oder in deren Gemischen brennt. Der Lichtbogen ist dabei nicht übertragend, d.h. er brennt innerhalb der Spritzpistole zwischen einer zentrisch angeordneten Wolframelektrode (Kathode) und der wassergekühlten Spritzdüse (Anode). Die Gase werden im Lichtbogen dissoziiert und ionisiert und strömen mit sehr hohen Geschwindigkeiten aus der Spritzdüse in Richtung Werkstück. Mit Hilfe eines Trägergases (meist mit dem Plasmagas identisch) wird der pulverförmige Spritzzusatz in den Plasmastrahl geleitet, wo er gleichzeitig aufgeschmolzen und beschleunigt wird. Bild 11: Plasmaspritzen (Werkbild Linde AG). 1 Plasmagas 2 Kühlwasser 3 Gleichstrom 4 pulverförmiger Spritzzusatz 5 Wolframelektrode (Kathode) 6 wassergekühlte Spritzdüse (Anode) 7 Werkstück Energie: elektr. Strom

Plasmatemperatur: bis 20.000 °C

Plasmagase: Argon, Helium, Stickstoff Wasserstoff und deren Gemische

Material: alle

Teilchengeschwindigkeit: bis 450 m/sek.

Auftragleistung: 4 – 8 kg/h

Spritzzusatz: Pulver

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Seite 11

Plasmaspritzsysteme werden in normaler Atmosphäre, im Schutzgasstrom unter Argon (inerte Atmosphäre) und im Vakuum angewendet. Durch einen speziell geformten Düsenaufsatz lässt sich auch ein Hochgeschwindigkeits-Plasma erzeugen. Einsatzgebiete des Plasmaspritzens sind u.a. Luft- und Raumfahrt (z.B. Turbinenschaufeln und Einlaufflächen), Implantate in der Medizintechnik und Wärmedämmschichten. •

Laserspritzen

Beim Laserspritzen wird ein pulverförmiger Spritzzusatz über eine geeignete Pulverdüse in den Laserstrahl eingebracht (Bild 12). Mittels Laserstrahlung werden sowohl das Pulver wie auch ein minimaler Teil der Grundwerkstoffoberfläche (Mikro-Bereich) aufgeschmolzen und der zugeführte Spritzzusatz metallurgisch mit dem Grundwerkstoff verbunden. Zum Schutz des Schmelzbades dient ein Schutzgas. Bild 12: Laserspritzen (Werkbild Linde AG). 1 Laserstrahl 2 Schutzgas 3 pulverförmiger Spritzzusatz 4 Werkstück

Schutzgase: Temperatur: Kohlendioxid > 10.000 °C Argon, Helium Stickstoff und deren Gemische

Material: alle

Teilchengeschwindigkeit: > 1 m/sek.

Auftragleistung: 1 – 2 kg/h

Spritzzusatz: Pulver

Mit dem Laserspritzen können durch die punktförmige Wirkung des Laserstrahls genau abgegrenzte Bereiche der Werkstückoberfläche beschichtet werden. Einsatzgebiet des Laserspritzens ist z.B. das partielle Beschichten von Stanz-, Biege- oder Schneidwerkzeugen. •

Drahtexplosionsspritzen

Dieses Verfahren ist eine Sonderentwicklung für eine ganz bestimmte Anwendung – z.B. dem Beschichten von Zylindern mit verschleißmindernden Schichten. Hierbei wird ein Draht durch Stromwärme zum Explodieren gebracht und trifft als überhitzte Schmelze oder dampfförmig auf die zu beschichtende Zylinderwand auf. Die erforderliche Energie wird dem Draht durch den Entladevorgang eines Kondensators zugeführt. Zur vollständigen Verdampfung muss die elektrische Energie in extrem kurzen Zeiten (1...10 µs) zugeführt werden. In Japan wird das Verfahren unter anderem zur Beschichtung von Zylindern für Motorradmotoren eingesetzt. Durch Weiterentwicklungen des Verfahrens, z.B. das Verlegen des Prozesses in eine Vakuumkammer, eröffnen sich neue Anwendungsgebiete.

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1.15 Seite 12

3.4 Spritzzusatzwerkstoffe Spritzzusatzwerkstoffe werden nach ihrer Form eingeteilt. Man unterscheidet dabei Massivdrähte, Stäbe, Schnüre, Fülldrähte, Röhrchen und Pulver. •

Massivdrähte werden vorwiegend beim Flamm- und Lichtbogenspritzen verarbeitet. Die wichtigsten Massivdraht-Werkstoffe sind sämtliche Stähle, Nichteisen-Metalle und deren Legierungen.

•

Stäbe werden mit besonderen Flammspritzpistolen verarbeitet. Die wichtigsten Stab-Werkstoffe sind sämtliche Oxide. Auch Schnüre aus Metall und Oxiden werden durch Flammspritzen verarbeitet.

•

Fülldrähte und Röhrchen aus Fe-Cr-C-Karbiden haben ihre Domäne beim Lichtbogenspritzen.

•

Die Pulver decken die ganze Palette der Werkstoffe ab. Sie werden mit allen Thermischen Spritzverfahren außer dem Lichtbogenspritzen verarbeitet. Die Vielzahl der Pulver kennt keine Grenzen und die Bedeutung der pulverförmigen Zusatzwerkstoffe für das Thermische Spritzen ist in den letzten Jahrzehnten stetig gewachsen. Pulver werden überwiegend durch mechanisches Zerkleinern fester Werkstoffe in Brechern und Mühlen oder durch Zerstäuben von Schmelzen hergestellt.

Grundsätzlich ist jedes Material, das sich in einen plastifizierten Zustand versetzen lässt verspritzbar. Tabelle 2 gibt einen groben Überblick über Spritzzusatzwerkstoffe und deren Einsatzbereiche. Tabelle 2: Überblick über Spritzzusatzwerkstoffe und deren Einsatzbereiche.

Schichten aus legierten Stählen

Verschleißschutz, z.B. Umlenkrollen für Seile, die in der hochbeanspruchten Zone mittels HochgeschwindigkeitsFlammspritzen beschichtet werden. Reparatur, z.B. Turbinenschaufeln oder Laufradmäntel von Kaplanturbinen mittels Flammspritzen mit einer 13,5% CrSchicht. Hochtemperatur-Verschleiß Ausschussrettung

Schichten aus (niedrig)legierten Stählen

Nicht korrosiver Verschleiß

Schichten aus Molybdän

Reibelemente (Kolbenringe, Synchronringe) Gleit- und Verschleißschutz, z.B. an Walzen in der Papierindustrie

Schichten aus Weißmetall

Kondensatoren-Lötstellen Lagermetall

Schichten aus Zink

Korrosionsschutz

Schichten aus Aluminium

Hitzekorrosion

Schichten aus Bronze

Lager

Schichten aus Zinn

Korrosionsschutz in der Nahrungsmittelindustrie

Schichten aus Blei

Chemische Korrosion

Schichten aus Monel

Seewasser-Korrosion

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Schichten aus Eisen, Nickel, Kobalt und rostfreiem Stahl

Bei niedriger Temperatur gegen Kavitation z.B. Turbinen und Dieselmotore Partikelerosion von Förderschnecken Reparatur und Ausschussrettung Bei höherer Temperatur bis 840 °C Motoren-, Gasturbinenund Triebwerkbau

Schichten aus Kohlenstoffstahl – je nach Härte

Widerstandsschichten gegen Reibung Kornabrieb und Partikelerosion Ausschussrettung

Schichten aus exothermen Werkstoffen

mikroporöse Schicht speichert Schmiermittel dadurch Notlaufeigenschaften und Verschleißfestigkeit sehr gut Zwischenschichten (Haftgrund)

Schichten aus selbstfließenden Legierungen

Rollgangsrollen der Stahlindustrie Stranggussrollen der Hüttenindustrie Richtrollen für Drähte aller Art Formen in der Glasindustrie Antriebswellen von Rollendoppelgelenken - Laufflächen beschichtet mit selbstfließender Cr-Ni-Legierung Gabelbolzen Absperrventile Beschichten der Gleitfläche von Bügeleisen

Schichten aus Nichteisenmetallen

Spaltausgleich in Turbinen Einlaufschichten in Turbinen Chemische Industrie Elektroindustrie

Hochverschleißfeste und korrosionsbeständige Schichten Chemische und Textilindustrie, Gießereibetriebe Druckindustrie zur Walzenbeschichtung Isolierende Eigenschaften in der Elektroindustrie Oxidkeramische Schichten (Chromoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid) Thermische Schutzschichten Simmeringsitze an Achsenflansche für LKW Instandsetzung von Wellenschonbuchsen Beschichten von Bratpfannen und Extrusionsdüsen Hartmetallschichten (Wolframkarbid, Chromkarbid)

Triebwerke, Extruder-Schnecken, Extruder-Gehäuse Pumpenplunger, Wellenschutzhülsen

Wolfram-, Tantal- und Molybdänschichten

Hochtemperaturbeständigkeit

Kunststoffe

Korrosionsschutz in der chemischen Industrie, z.B. Pumpengehäuse, Behälter

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3.5 Qualitätssicherung beim Thermischen Spritzen 3.5.1 Neue europäische Normen und Richtlinien zur Personalqualifizierung Wenn Spritzschichten erhöhten Anforderungen genügen müssen, wird vom Thermischen Spritzbetrieb eine entsprechende Qualitätssicherung verlangt. Dies ist z.B. in der Flugzeug- und Chemischen Industrie der Fall, wenn ein Schichtversagen äußerst hohe Kosten oder sogar eine Gefahr für die Öffentlichkeit und/oder der Umwelt darstellen würde. Aus diesem Grunde wurde in den Jahren 1999/2000 ein produktbezogenes Qualitätsmanagement, die DIN EN ISO 14922 – Qualitätsanforderungen an thermisch gespritzte Bauteile – international verabschiedet. Die Norm umfasst in den Teilen 2 – 4 drei Ebenen von Qualitätsanforderungen an Spritzarbeiten, nämlich umfassende, standard und elementare Anforderungen (Tabelle 3). Damit stehen dem Anwender drei Möglichkeiten zur Gestaltung seines QM-Systems zur Verfügung, das eigenständig oder auch in Verbindung mit der ISO 9000 angewendet werden kann. Tabelle 3: QM-Anforderungen nach DIN EN ISO 14922 /2/. QM-Anforderungen nach DIN EN ISO 14922 Vertragsprüfung Design-/Konstruktionsprüfung Untervergabe Thermischer Spritzer Spritzaufsicht Personal zur Qualitätsprüfung Fertigungseinrichtungen Instandhaltung der Einrichtungen Fertigungsplan Anerkennung des Spritzverfahrens a) Prozessfähigkeit b) Produktfähigkeit

umfassende Teil 2 • • • • • • • • •

Standard Teil 3 ♦ ♦ ♦ • • • • • ο

elementare Teil 4 ο ο ο ο ο ο ο • -

• • • • • • • • • • • • • • •

• ο • ο ο ο -

ο -

• • • • • • • •

• ο ο ο ο ο ο ο

Spritzanweisung Arbeitsprobe (fertigungsbegleitend) Arbeitsanweisung Dokumentation Losprüfung der Spritzwerkstoffe Lagerung, Handhabung der Spritzwerkstoffe Lagerung, Handhabung Substrate Prozessüberwachung vor und während des TS Qualitätsprüfungen nach dem TS Nichtübereinstimmung Messmittelüberwachung Kennzeichnung und Rückverfolgbarkeit Qualitätsberichte • ♦ ο -

Vollanforderungen weniger strenge Anforderungen als in Teil 2 Mindestanforderungen kein Nachweis erforderlich

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Die Qualitätssicherung im Betrieb beruht hauptsächlich auf drei Säulen /2/: • • •

den Betriebseinrichtungen, Betriebsmitteln und Materialien der Spritzaufsicht dem thermischen Spritzer.

Das Erreichen und Halten einer bestimmten Qualität der jeweiligen Produkte ist meist in hohem Maße mit der Qualifikation des Personals verknüpft. In Teil 2 und Teil 3 der Norm DIN EN ISO 14922 werden sowohl eine qualifizierte Spritzaufsicht gemäß DIN EN 13214 – Aufsicht zum Thermischen Spritzen – als auch Thermische Spritzer, die sich nach der DIN EN ISO 14918 – Zulassungsprüfung für Thermische Spritzer – qualifiziert haben, verlangt. Die EWF (European Federation for Welding, Joining and Cutting) hat aufgrund der Anforderungen ein Konzept zur Ausbildung und Prüfung von spritztechnischem Personal erarbeitet, das direkt mit DIN EN ISO 14922 und DIN EN ISO 14918 verknüpft ist. Das Qualifikationssystem ist europaweit und in Kürze auch weltweit anerkannt und geht von drei Ausbildungsebenen aus: • • •

Spritzfachmann (ETSS) European Thermal Spraying Specialist Spritzpraktiker (ETSP) European Thermal Spraying Practitioner Thermischer Spritzer (ETS) European Thermal Sprayer.

In Bild 13 ist das Ausbildungskonzept der EWF für spritztechnisches Personal dargestellt. Das Ausbildungssystem ist so aufgebaut, dass es einem Thermischen Spritzer möglich ist, sich bis auf die Ebene des Spritzfachmannes weiter zu qualifizieren. Voraussetzungen Qualifikation

Ausbildung Zeugnis

Ingenieur, EWE Techniker

Europ. Thermal Spraying Specialist ETSS

Europ. Thermal Spraying Practitioner ETSP

Facharbeiter (Metall)

Aufgaben Verantwortung ∼80% T

Management Produktion Vorbereitung Ausbildung

∼20% P

∼50% T

∼50% P

Verantwortung für Durchführung eigenverantw. Arbeiten unterweisen, überwachen

ETSP-F (P/D) ETSP-A ETSP-P ETSP-H ∼20% T

ohne Voraussetzungen

Europ. Thermal Sprayer ETSS

Arbeiten nach Vorgaben ∼80% P

ETS-F (P/D) ETS-A ETS-P ETSP-H

Ausbildungsinhalte T = Theorie P = Praxis

Bild 13: Ausbildungskonzept für spritztechnisches Personal /2/.

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3.5.2 Vorbeugende Qualitätssicherung und Qualitätssicherung am Bauteil Vorbeugende Qualitätssicherungsmaßnahmen sind: • Einganskontrolle der Zusatzwerkstoffe • Regelmäßige Wartung der Spritzgeräte und Anlagen • Mechanisierung und Automatisierung des Spritzprozesses

• Kontrolle der Arbeitsmittel • Sauberkeit beim Arbeitsprozess •

Die Beurteilung der Spritzschichtqualität ist immer im Zusammenhang mit der späteren Funktion und dem sich daraus ergebenden Anforderungsprofil zu sehen. Die Qualitätssicherung ist vorwiegend nur zerstörend möglich. Hier können über Referenzproben metallurgische Untersuchungen (Schliffbeurteilungen) und Haftzugfestigkeits-Prüfungen mit folgenden Qualitätsmerkmalen durchgeführt werden: • • • • •

Chemische Zusammensetzung Gefügeausbau und Phasenverteilung Unaufgeschmolzene Partikel und Reaktionsprodukte Schichtdicke Haftung zum Grundmaterial und innere Bindung der Spritzschicht, Haftzugfestigkeit nach DIN EN 582

• • • •

Mikrorisse und Trennungen Schichthärte Partikel- und Phasenhärte Porosität und Porengröße

Die zerstörungsfreie Prüfung von thermischen Spritzschichten ist in der Praxis zum heutigen Zeitpunkt nur in einem sehr eng begrenzten Rahmen möglich. 3.6 Normen, Richtlinien und Merkblätter des Thermischen Spritzens Tabelle 4: Wichtige deutsche und europäische Normen für das Thermische Spritzen. DIN 8565 Stand 3/77 Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Thermisches Spritzen von Zink DIN 8566-1 Stand 3/79 Zusätze für das Thermische Spritzen; Massivdrähte zum Flammspritzen DIN 8566-2 Stand 12/84 Zusätze für das Thermische Spritzen; Massivdrähte zum Lichtbogenspritzen; Techn. Lieferbedingungen DIN 8566-3 Stand 2/91 Zusätze für das Thermische Spritzen; Fülldrähte, Schnüre und Stäbe zum Flammspritzen DIN 8567 Stand 9/94 Vorbereitung von Oberflächen metallischer Werkstücke und Bauteile für das Thermische Spritzen DIN 32521 Stand 1/89 Abnahmebedingungen und Qualitätsprüfung für Anlagen zum Thermischen Spritzen DIN 32529 Stand 4/91 Pulver zum Thermischen Spritzen – Zusammensetzung, Technische Lieferbedingungen DIN 55928-4 Stand 5/91 Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtung und Überzüge; Vorbereitung und Prüfung der Oberflächen DIN 65144 Stand 4/86 Luft- und Raumfahrt, Thermisch gespritzte Bauteile, Technische Lieferbedingungen DIN EN 582 Stand 1/94 Thermisches Spritzen; Ermittlung der Haftzugfestigkeit DIN EN 657 Stand 6/94 Thermisches Spritzen; Begriffe, Einteilung DIN EN 22063 Stand 8/94 Metallische und andere anorganische Schichten; Thermisches Spritzen; Zink, Aluminium und ihre Legierungen

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Tabelle 5: internationale Normen für das Thermische Spritzen. Thermisches Spritzen – ISO/TC 107/WG 1 ISO 2063 1991 Metallische u.a. anorganische Schichten – Therm. Spritzen, Zink Aluminium und ihre Legierungen ISO/DIS 14231 1997 Thermisches Spritzen – Abnahmeprüfung für Anlagen zum thermischen Spritzen – ISO/DIS 14232 1997 Thermisches Spritzen – Pulver – Zusammensetzung – Technische Lieferbedingungen ISO 14916 1999 Therm. Spritzen – Ermittlung der Haftzugfestigkeit ISO 14917 1996 Thermisches Spritzen – Begriffe, Einteilung ISO 14918 1998 Thermisches Spritzen – Prüfung von Thermischen Spritzern ISO/DIS 14919 1997 Thermisches Spritzen – Drähte, Stäbe und Schnüre zum Flamm- und Lichtbogenspritzen ISO 14920

1998

ISO/DIS 14921

1998

ISO 14922-1

1999

ISO 14922-2

1999

ISO 14922-3

1999

ISO 14922-4

1999 1)

ISO/DIS 14923 ISO/DIS 1431

1997

ISO/DIS 1432

1997

Thermisches Spritzen – Spritzen und Einschmelzen von selbstfließenden Legierungen Therm. Spritzen – Verfahrensweise beim Anwenden therm. Spritzschichten für Bauteile im Maschinenbau Qualitätsanforderungen an therm. Gespritzte Bauteile – Teil 1: Richtlinien zur Auswahl und Anwendung Qualitätsanforderungen an therm. Gespritzte Bauteile – Teil 2: Umfassende Qualitätsanforderungen Qualitätsanforderungen an thermisch gespritzte Bauteile – Teil 3: Standart-Qualitätsanforderungen Qualitätsanforderungen an thermisch gespritzte Bauteile – Teil 4: Elementare Qualitätsanforderungen Thermisches Spritzen – Charakterisierung und Prüfung von Spritzschichten Thermisches Spritzen – Abnahmeprüfung für Anlagen zum thermischen Spritzen Thermisches Spritzen – Zusammensetzung – Technische Lieferbedingungen

DIN EN 22063

IDT

DIN EN 1395

IDT

DIN EN 1274

IDT

DIN EN 582 IDT DIN EN 657 IDT DIN EN ISO 14918 IDT DIN 8566-1 bis 3 E VGL DIN EN ISO 14919 IDT DIN EN ISO 14920 IDT E DIN EN ISO 14921 DIN EN ISO 14922-1 DIN EN ISO 14922-2 DIN EN ISO 14922-3 DIN EN ISO 14922-4

IDT

DIN EN 1395

IDT

DIN EN 1274

IDT

IDT IDT IDT IDT

Erläuterung der Fußnoten und Abkürzungen: ISO ISO/DIS ISO/CD 1)

= Internationale Norm = Internationaler Norm-Entwurf = Internationales Bearbeitungsdokument

in Vorbereitung

IDT

2)

ISO/R ISO/TR AD

zur Schluss-Abstimmung angenommen

= ISO-Empfehlung = ISO Technischer Bericht = Ergänzung )

* Art des Zusammenhanges

DIN ist mit internationaler Norm/Norm-Entwurf IDENTISCH: Inhalt vollständig und unverändert; Aufbau formgetreu

EQV

DIN ist mit Internationaler Norm/Norm-Entwurf ÄQUIVALENT: Inhalt gleichwertig; Abweichung nur im Aufbau oder unter Wahrung des Gegenseitigkeitsprinzip (was nach der Internationalen Norm/Norm-Entwurf zulässig ist, muss nach DIN zulässig sein und umgekehrt) NEQ

DIN ist mit Internationaler Norm/Norm-Entwurf NICHT ÄQUIVALENT: Inhalt verändert (z.B. Umfang kleiner oder größer, Anforderungen geringer oder höher); Gegenseitigkeitsprinzip nicht gewahrt

VGL

DIN ist mit Internationaler Norm/Norm-Entwurf vergleichbar

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Tabelle 6: DVS-Merkblätter oder DVS-Richtlinien des Thermischen Spritzens. DVS Merkblatt 2301 Stand 7/87 Thermische Spritzverfahren für metallische und nichtmetallische Werkstoffe DVS Merkblatt 2302 Stand 5/78 Korrosionsschutz von Stählen und Gusseisenwerkstoffen durch thermisch gespritzte Schichten aus Zink und Aluminium DVS Merkblatt 2303 Tl. 1 Stand 7/91 Zerstörungsfreies Prüfen von thermisch gespritzten Schichten; Schichtdickenmessung DVS Merkblatt 2304 Stand 11/88 Gütesicherung beim Thermischen Spritzen DVS Richtlinie 2305 Stand 11/75 Richtlinien für die spanende Bearbeitung von thermisch gespritzten Schichten DVS Merkblatt 2306 Bl. 1: Grundlehrgang für Flamm- und Lichtbogenspritzer, Stand 5/75 Bl. 2: Aufbaulehrgang für Flammspritzer, Stand 5/75 Bl. 3: Aufbaulehrgang für Lichtbogenspritzer, Stand 5/75 Bl. 4: Lehrgang für Pulverspritzer, Stand 5/75 Bl. 5: Lehrgang für Aufsichtspersonen für das Thermische Spritzen, Stand 5/75 Bbl. 1: Prüfung von Flamm- und Lichtbogenspritzern, Stand 5/75 Bbl. 2: Prüfung von Pulverspritzern, Stand 5/75 DVS Merkblatt 2307 Tl. 1: Arbeitsschutz beim Entfetten und Strahlen von Oberflächen zum Thermischen Spritzen, Stand 5/79 Tl. 2: Arbeitsschutz beim Flammspritzen, Stand 5/87 Tl. 3: Arbeitsschutz beim Lichtbogenspritzen, Stand 4/91 Tl. 4: Arbeitsschutz beim Plasmaspritzen, Stand 5/87 DVS Merkblatt 2308 Stand 11/78 Regeln zum spritzgerechten Gestalten von Bauteilen und Werkstücken DVS Merkblatt 2310 Tl. 1: Anleitung zur metallographischen Schliffherstellung und Beurteilung von thermisch gespritzten Schichten unter dem Lichtmikroskop, Stand 10/84 Tl. 2: Anleitung zur metallographischen Schliffherstellung und Beurteilung von thermisch gespritzten Schichten unter dem Lichtmikroskop; Beispiele von üblichen Spritzschichten, Stand 9/89 DVS Merkblatt 2311 Stand 5/89 Haftgrundvorbereitung von nichtmetallischen Werkstoffen für thermisch gespritzte Schichten DVS Merkblatt 2312 Stand 4/94 Richtlinien für das Thermische Spritzen von Kunststoffen

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4. Thermische Oberflächenbeschichtungsverfahren – Auftragschweißen Die Oberflächenbeschichtungsverfahren Thermisches Spritzen und Auftragschweißen haben aufgrund ihrer verfahrensspezifischen Eigenschaften in der industriellen Anwendung spezielle Einsatzgebiete, die jedoch nicht scharf gegeneinander abgegrenzt werden können. Während das Thermische Spritzen vorwiegend im Maschinenbau und der Energietechnik gegen Verschleiß und Korrosion eingesetzt wird, findet das Auftragschweißen unter anderem auch in stark verschleißenden Bereichen des Förderns, Zerkleinerns, Klassieren und Siebens Anwendung. In DIN 1910 wird das Auftragschweißen nach dem Verwendungszweck untergliedert in: Tabelle 7: Untergliederung des Auftragschweißens nach dem Verwendungszweck. Verwendungszweck

Erläuterung

•

Auftragschweißen von Panzerungen (Schweißpanzern)

Auftragschweißen mit gegenüber dem Grundwerkstoff vorzugsweise verschleißfesterem Auftragwerkstoff

•

Auftragschweißen von Plattierungen (Schweißplattieren)

Auftragschweißen mit gegenüber dem Grundwerkstoff vorzugsweise chemisch beständigerem Auftragwerkstoff

•

Auftragschweißen von Pufferschichten (Puffern)

Auftragschweißen mit einem Auftragwerkstoff solcher Eigenschaften, dass zwischen nicht artgleichen Werkstoffen eine beanspruchungsgerechte Bindung erzielt werden kann

4.1 Schweißprozesse zum Auftragschweißen Beim Auftragschweißen ist der Aufmischungsgrad von Zusatz- und Grundwerkstoff von großer Bedeutung (Bild 14). Während beim Verbindungsschweißen tiefe Einbrände erwünscht und von Vorteil sind, werden beim Auftragschweißen möglichst geringe Einbrandtiefen und Aufmischungsgrade angestrebt, damit die Auftragschicht nach Möglichkeit mit nur einer Lage nahezu aus reinem Zusatzwerkstoff mit den entsprechenden Eigenschaften besteht. Ein geringer Aufmischungsgrad bedeutet auch, dass weniger Lagen notwendig sind, um an der Oberfläche die Eigenschaften des reinen Zusatzwerkstoffes zu erhalten. In Tabelle 8 sind geeignete Schweißprozesse zum Auftragschweißen und deren Aufmischungsgrade und Auftragleistungen sowie Einsatzgebiete aufgelistet. Bild 14: Aufmischungsgrad einer Auftragschweißung, Beispiel. Schweißprozess: MAG-Tandemschweißen Zusatzwerkstoff:

Ni-Basis-Legierung

Grundwerkstoff:

S235

Auftragleistung:

12,7 kg/h

Flächenleistung:

0,5 – 1,0 m /h

2

Das MAG-Tandem-Auftragschweißen mit spezieller Auftragtechnik ist eine Neuentwicklung auf dem Gebiet des Auftragschweißens, mit dem sehr geringe Aufmischungsgrade erzielt werden können. Zur Zeit laufen intensive Forschungsvorhaben mit dieser Technik.

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Tabelle 8: Geeignete Schweißprozesse zum Auftragschweißen, deren Aufmischungsgrade und Auftragleistungen sowie Einsatzgebiete. Aufmischungsgrad u. Auftragleistung Einsatzgebiete

Schweißprozess

(Anhaltswerte)

Lichtbogenhandschweißen mit Basisch-umhüllter Stabelektrode Rutil-umhüllter Stabelektrode Spezieller Auftragtechnik (Huckepack)

>20 % >15 % / bis 4 kg/h >10 %

MIG/MAG-Schweißen MIG/MAG-Tandem mit spezieller Auftragtechnik

>20 % / bis 8 kg/h korrosions- und verschleißfeste Auftragschweißungen im Behälter-, >5 % / bis 15 kg/h Armaturen- und Werkzeugbau

Unterpulverschweißen mit Drahtelektrode Bandelektrode Elektroschlacke-Schweißen mit Bandelektrode WIG-Schweißen

Plasma-Pulver-Auftragschweißen Plasma-Heißdrahtschweißen

kleinere Plattierungsarbeiten im Behälter- und Armaturenbau, Aufpanzerungen an Baumaschinen u. Werkzeugen

großflächige Plattierungsarbeiten im >50 % Behälter-, Apparate- und Armaturenbau >15 % / bis 30 kg/h großflächige Plattierungsarbeiten im >10 % / bis 40 kg/h Behälter-, Apparate- und Armaturenbau kleinflächige Auftragschweißungen >10 % / bis 4 kg/h korrosions- und verschleißfest im Behälter- und Armaturenbau korrosions- und verschleißfeste Auf>5 % / bis 6 kg/h tragschweißungen in der Energietechnik, im Werkzeug- und Maschinenbau korrosionsfeste Auftragschweißungen >10 % / bis 14 kg/h im Off-shore-Bereich

Der Aufmischungsgrad ist stark abhängig von: • • • • •

Streckenenergie Auftragtechnik bzw. Brennerorientierung (z.B. Pendeln, Huckepack-Technik, Bild 15) Polung der Elektrode (bei UP- und MIG/MAG- Auftragschweißen) Schweißposition Lichtbogenart und Schutzgas (bei MIG/MAG-Auftragschweißen).

Bei der Auswahl des Schweißprozesses zum Auftragschweißen ist neben dem Aufmischungsgrad und der Auftragleistung auch die Flächenleistung ein wesentliches Kriterium. Die Flächenleistung gibt an, welche Fläche in einer Stunde unter Berücksichtigung der geforderten Schichteigenschaften mit dem Schweißprozess plattiert werden kann. Die Flächenleistung eines Schweißprozesses ist abhängig von der Auftragleistung, der Schichtdicke je Lage und von der Lagenanzahl, die notwendig ist, um einen entsprechend geringen Aufmischungsgrad an der Oberfläche der Auftragschicht zu erreichen.

Bild 15: Lichtbogenhandschweißen in „Huckepack-Technik“.

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4.2 Schweißzusätze zum Auftragschweißen Schweißzusätze zum Auftragschweißen sind in DIN 8555, Teil 1 hinsichtlich Einteilung, Beschreibung und Bezeichnung genormt. Die Einteilung erfolgt in 10 Legierungsgruppen „eisenreich“, in 4 Legierungsgruppen „eisenarm“ und in 3 Legierungsgruppen „nicht eisenhaltig“. In den Legierungsgruppen sind die jeweiligen Legierungsbestandteile sowie Anwendungsbeispiele genannt /3/. Tabelle 9 zeigt eine Auswahl verschleißarmer Zusatzwerkstoffe für Auftragungen aus der Flüssig(Tröpfchen-)Phase beim Auftragschweißen und Thermischen Spritzen. Tabelle 9: Auswahl verschleißarmer Zusatzwerkstoffe für das Auftragschweißen und Thermischen Spritzen /4/. Stoffgruppe

Fe-Basis

Ni-Basis Co-Basis

Oxidkeramik

Sonderwerkstoffe

Mischungen

*

Stoffsystem FeCrMoC FeCrTiC FeCrB FeCrMoVC FeCrMnC FeCrC FeCrNiMoC FeCrNbC FeCrMoNbWVC FeCrCB NiCrBSiFeC CoCrWC CoCrWCBSi CoMoCrSi Al2O3 Al2O3TiO2 Cr2O3 Cr2O3SiO2 MoMoO3 MoC Cr2C3NiCr WCCoCr WCNiCrBSi MoNiCrBSi

Gruppe nach DIN 8555

Gruppe nach DIN EN 1274 *

6 6 6 6 7 10 10 10 10 10 22 20

4.21 4.21 4.26

Verarbeitung durch Schweißen X X X X X X X X X X X X X

Verarbeitung durch Therm. Spritzen

X X X

4.4

X

4.4

X

4.3 4.3 4.21 4.21

X X X X X X

In DIN EN 1274 sind Pulver zum Thermischen Spritzen hinsichtlich der Zusammensetzung und Lieferbedingungen genormt.

4.3 Normen und Merkblätter für das Auftragschweißen Tabelle 10: Normen und Merkblätter für das Auftragschweißen. DIN 8555-1 Stand 11/83 Schweißzusätze zum Auftragschweißen DVS Merkblatt 0935 Stand 7/88 Elektroschlacke-Auftragschweißen mit Bandelektrode DVS Merkblatt 0940 Stand 3/91 Unterpulver-Auftragschweißen mit Bandelektrode DVS Merkblatt 3215 Stand 2/99 Laserstrahl-Auftragschweißen

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4.4 Anwendungsbeispiele

Schweißplattierung zur Standzeiterhöhung von Dampferzeuger-Heizflächen in Müllverbrennungsanlagen.

Panzerung eines Sandschleuderrades für Strahlanlagen.

Förderventilator in der Holzindustrie mit Verbundplatten verschleißgeschützt.

Radladerschaufel gegen Abrasion und Schlag geschützt.

Bild 16: Anwendungsbeispiele von Oberflächenbeschichtungen durch Auftragschweißen.

5. Literatur /1/

Merkblatt DVS 2301, Ausgabe Juli 1987

/2/

Böhme, D.: Qualitätssicherung beim Thermischen Spritzen – neue QM-Normen und neue Richtlinien für die Personalqualifizierung. Tagungsband zur Großen Schweißtechnischen Tagung, 27. – 29.09.2000 in Nürnberg

/3/

DIN 8555, Teil 1, Ausgabe November 1983

/4/

Reimann, H.: Thermische Spritzschichten zum Verschleiß- und Korrosionsschutz im Vergleich zu auftraggeschweißten Schichten. Tagungsband SLV Halle zur 3. Fachtagung Verschleißschutz von Bauteilen durch Auftragschweißen, 17. – 18. Mai 2000

Die Lehrgangsunterlagen zum Thermischen Spritzen wurden mit freundlicher Unterstützung von Herrn Peter Heinrich und Werner Krömmer, LINDE AG, Geschäftsbereich Linde Gas, erstellt. Die Ausführungen sind eine Zusammenfassung von Schrifttum der o.g. Herrn sowie von einer Reihe Experten des Thermischen Spritzens, die in Veröffentlichungen von Herrn Heinrich namentlich genannt werden.

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1.16-1 Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Gründe für das Mechanisieren 2. Hilfsmittel zum Mechanisieren 3. Mechanisierungsgrade nach DIN 1910 Teil 1 4. Badsicherungen 5. Kennzeichen der Mechanisierungsgrade 6. Baugruppen und Bauteile

1 1 1 3 3 4 5

1. Gründe für das Mechanisieren − − − − − −

Wirtschaftliche Gründe Mangel an ausgebildeten Handschweißern Qualitätsgründe Einsparen von teuren Zusatzwerkstoffen Humanisierung (HdAdS) und Arbeitssicherheit Anwendung neuer Technologien

2. Hilfsmittel zum Mechanisieren • • •

•

• •

Heft- und Haltevorrichtung Spannvorrichtungen in Kombination mit Schweißbadsicherungen Ausführungen der Schweißbewegung − Fahrwerke − Geräteträger − Portalmast bzw. Drehmast Positioniersysteme (DVS 0992 Teil 5) − Schweißdrehtische bzw. Drehkipptische − Wendevorrichtung − Rollböcke sonstige Hilfsmittel − Antihaftspray für Spritzer Schweißroboter

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a b c d e f

-

Traktorfahrwerk Balkenfahrwerk Schweißportal Schweißmast Drehtisch Behälterdrehvorrichtung

g - Schweißroboter

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3. Mechanisierungsgrade nach DIN 1910 Teil 1 Benennung und Kurzzeichen

Beispiele für das Schutzgasschweißen WIG

Bewegungs- und Arbeitsabläufe Brennerführung

Zusatzvorschub

Ablaufarten

von Hand

von Hand

von Hand

von Hand

mechanisch

von Hand

mechanisch mechanisch

von Hand

MSG

Handschweißen (manuell) m mWIG

teilmechanisches Schweißen t tWIG

tMSG

vollmechanisches Schweißen v vWIG

vMSG

automatisches Schweißen a

mechanisch mechanisch mechanisch

aWIG

aMSG

Beispiele zur Einteilung nach der Art der Fertigung (nach DIN 1910 Teil 1)

4. Badsicherungen Beim mechanisierten Schweißen werden die Einflussgrößen Schweißstrom, Schweißspannung und Schweißgeschwindigkeit auf feste Werte eingestellt. Die Verhältnisse am Werkstück ändern sich jedoch im Verlauf der Naht (z.B. Luftspalt oder Temperatur des Bleches). Wird deshalb an der einen Stelle bei den gegebenen Einflussgrößen die Wurzel gerade richtig durchgeschweißt, so kann an anderen Stellen der Einbrand zu klein werden, oder es kann ein so großes Schweißbad erzeugt werden, dass die Oberflächenspannung nicht ausreicht, um es am Werkstück festzuhalten, d.h. das Schweißbad "fällt durch". Soll die Wurzel längs der ganzen Naht sicher erfasst werden, so müssen die Einflussgrößen entsprechend gewählt und das Durchfallen mittels einer Badsicherung verhindert werden.

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5. Kennzeichen der Mechanisierungsgrade Mechanisierungsgrad manuell teilmechanisch vollmechanisch automatisch

Wärmequelle (Flamme, Lichtbogen) Abstand zum Werkstück wird

wird geführt

der Schweißgeschwindigkeit

Einstellen Werkstückwechsel

manuell eingestellt geregelt geregelt geregelt

manuell manuell mechanisiert mechanisiert

manuell manuell mechanisiert mechanisiert

manuell manuell manuell mechanisiert

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6. Baugruppen und Bauteile Nr. Baugruppe

Aufgabe

Bauteile

Hinweise

1.

Schweißstromquelle

Versorgung mit Schweißstrom

Schweißstromquelle mit Stelleinrichtung

max. Strom bei genormter Arbeitsspannung, Einschaltdauer, Stufung VDE 0540-43

2.

Zufuhrmechanismus für Zusatzwerkstoff

erzeugen des Schweißgutes, konstant halten der Lichtbogenlänge

Haspel für Drahtspule, Drahtantrieb, Regeleinrichtung

gleichmäßiger Vorschub, D I- bzw. D U-Regelung

3.

Schweißkopf

zusammenführen von Draht, Strom und Hilfsstoffen an der Schweißstelle

Drahtdüse, Stromdüse (evtl. mit einstellen und pendeln des Kühlung), Hilfsstoffdüse (Pulver Drahtes, Stromzufuhr dicht am oder Schutzgas), Führung, abschmelzenden Drahtende Richtmechanismus

4.

Werkstückaufnahme

spannen und positionieren Spann- Dreh- und Wendevordes Werkstückes richtung, Motor, Pneumatik, Hydraulik, Magnete, Massenanschluss

gleichmäßigen Schweißspalt einhalten, schweißen in günstiger Position anstreben

5.

Einrichtung zum Wechseln des Werkstückes

selbsttätiges Wechseln der Werkstücke im Schweißtakt

Wechselschlitten, Rundtisch, Greifer, Längsantrieb

nur bei großen Stückzahlen lohnend

6.

Hauptantrieb für Schweißgeschwindigkeit

Relativbewegung zwischen Schweißkopf und Werkstück

einstellbarer Motor, stufenloses Getriebe, Stelleinrichtung

Antrieb wirkt entweder auf den Schweißkopf, die Werkstückaufnahme oder beide

7.

Hilfseinrichtung

dosieren der Hilfsstoffe, Arbeitsschutz

Zu- und Abfuhr der Hilfsstoffe, Rückgewinnung der Hilfsstoffe, Strahlen- und Blendschutz, Unfallverhütungsvorschriften Absaugen von Schweißrauchen beachten und Schweißdämpfen

8.

Steuerschrank

schalten, steuern bzw. regeln aller Vorgänge, überwachen und messen

Schalt-, Mess- und Kontrollgeräte (auch registrierend), Steuerpult, Regelteil für Drahtvorschub gem. 2

Einschubbauweise, Folgesteuerung

Beispiele von mechanisierten Schweißanlagen Mechanisierungsgrad

von Hand

teilmechanisch

vollmechanisch

automatisch

Schweißgerät

Schweißgerät

Schweißmaschine

Schweißautomat

1

1; 2; (4); (6)

1; 2; 3; 4; 6; 7; 8

1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8

1 - 3,5

2–5

3 – 100

3 – 20

20 - 30 %

30 - 50 %

50 - 80 %

< 80 %

Auslegung der Stromquelle (ED)

55 % (35 %)

< 70 %

ˆ 100 %

100 %

Schweißposition

alle

alle, vorzugsweise PA, PB-Position

PA, PB, PC, PF

PA, PB, PC, PG, PF

meist keine

meist keine

mechanisch oder keine

mechanisch oder keine

beliebig

beliebig

eingespannt/gelagert

eingespannt/gelagert

gering

gering-genau

genau

besonders genau

Bezeichnung zugehörige Baugruppe

kennzeichnende Daten des Lichtbogenschweißens Abschmelzleistung kg/h (Stahl) Schweißzeiten in % der Grundzeit (über 8 h)

Werkstückbewegung während des Schweißens Werkstückaufnahme Genauigkeit der Werkstückvorbereitung

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Mechanisierte Verfahren Roboterschweißen II und III 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

1.16-2 u. 1.16-3 Seite 1

Inhaltsverzeichnis Einleitung Aufbau von Industrie- bzw. Schweißrobotern Schweißtechnische Ausrüstung eines Industrieroboters zum MSG-Schweißen Programmierung Steuerung von Bewegungsabläufen Koordinatensysteme zur Programmierung Programmierfunktionen Werkstückpositionierer Sicherheitstechnische Anforderungen Konstruktions- und Vorrichtungshinweise Sensorsysteme Literatur

1 1 2 8 11 13 15 17 19 22 23 26 31

1. Einleitung Bild 1 zeigt die Verteilung der Industrieroboter in Deutschland, gegliedert nach den Haupteinsatzgebieten. Die meisten Roboter werden in der Montage sowie beim Punkt- und beim Bahnschweißen eingesetzt. Hauptabnehmer von Industrierobotern ist mit ca. 25% immer noch die Automobilindustrie, obwohl sich der Einsatz in klein- und mittelständischen Unternehmen (z.B. Bahnschweißaufgaben) in letzter Zeit stark erhöht hat. Da viele Roboter zum Beschichten und ein Großteil zum Punktschweißen in der Automobilindustrie eingesetzt werden, ist deren Zuwachsstark von den einzelnen Modellzyklen sowie der Konjunkturlage abhängig und somit starken Schwankungen unterlegen. Die Anzahl der Neuinstallationen stieg jährlich seit 1994 mit ca. 5.100 Stück auf ca. 9.500 Stück im Jahr 1998 (Schätzung VDMA). Als Prognose für das Jahr 2000 ist mit ca. 100.000 installierten Systemen zu rechnen.

Einsatzgebiete der Industrieroboter in 1998 und die Entwicklung des Gesamtbestandes in Deutschland von 1985 bis 1999*

Quelle: VDMA / Robotik & Automation; *geschätzt

Werkzeughandhabung

2.026 Klebe-/Dichtmittelauftrag 2.721 Bearbeiten 2.815 Beschichten

10.779

‘99 ‘98 96.000

11.503

‘97 85.556

17.382

Bahnschweißen Montage Punktschweißen

75.625

‘93 ‘91 ‘89 ‘87 ‘85

8.800

14.900

Sonstige 2.079 ‘95 Werkstück1.892 Messen/Prüfen handhabung 56.175 2.482 Pressen/Schmieden

43.715

34.140

22.395

4.894 6.735 6.968

10.298 Forschung/Entwicklung 2.982

Kommissionieren/Plattieren Spannende Werkzeugmaschienen Druck/Spritzguß Sonstige Wekstückhandhabung

Bild 1: Anwendungsgebiete von Industrierobotern

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2. Aufbau von Industrie- bzw. Schweißrobotern 2.1 Definition eines Industrieroboters (nach DVS 0922) Industrieroboter zum Schweißen sind für schweißtechnische Zwecke universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehr als 3 Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei (d.h. ohne mechanischen Eingriff) programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Schweißwerkzeugen ausgerüstet und führen Schweißaufgaben aus. 2.2 Bewegungsmöglichkeiten eines Körpers im Raum

Unter Freiheitsgrad versteht man die maximal sechs voneinander unabhängigen Bewegungen, die ein Körper in einem Bezugskoordinatensystem ausführen kann. Dazu zählen die drei translatorischen (lineare) Freiheitsgrade x, y, z sowie die drei rotatorischen (drehende) Freiheitsgrade A, B, C. Die Anforderungen nach freier Bewegungsmöglichkeit eines Körpers im Raum werden in der Regel durch einen 6-AchsenKnickarm-Roboter erfüllt.

Bild 2: Freiheitsgrade eines Körpers im Raum

2.3 Kinematische Strukturen Die Mechanik eines Industrieroboters ist gemäß Definition durch mehr als drei frei programmierbare Achsen gekennzeichnet. Man unterscheidet Haupt- und Nebenachsen. Sie können translatorische und/oder rotatorische Bewegungen durchführen. Je nach Kombination und Abmessungen der Achsen ergeben sich unterschiedliche Arbeitsräume. Die meist rotatorischen Nebenachsen dienen zur Orientierung des Werkzeuges (z.B.: der Schweißzange beim Widerstandspunktschweißen) während die Hauptachsen im wesentlichen zur Ausbildung des Arbeitsraumes beitragen.

Bild 3: Sechsachsiger Industrieroboter mit Haupt- und Nebenachsen

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Die nachfolgenden Bilder zeigen mögliche Kombinationen von translatorischen und rotatorischen Achssystemen jeweils unterteilt nach deren Haupt- und Nebenachsen.

Bild 4: Unterschiedliche kinematische Strukturen für Industrieroboter (Quelle: IPA)

Bild 5: Industrieroboter in Knickarmbauweise (Quelle: IPA)

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2.4 Arbeitsbereiche 2.4.1 Gefahrenraum Der Gefahrenraum eines Schweißroboters ist der Raum, der von dem Roboter und dessen Teilen einschließlich der angeflanschten Schweißwerkzeuge aufgrund der ihm zugeordneten Bewegungsmöglichkeiten bestrichen werden kann. In Bild 6 ist die prinzipielle Darstellung des bei der Planung zu berücksichtigen Raumes aufgezeigt. Gefahrenraum nicht nutzbarer Raum

Arbeitsraum Hauptarbeitsraum

Nebenarbeitsraum

Bild 6: Darstellung der Raumaufteilung eines Schweißroboters

Nach VDI 2861, Blatt 2 wird der Arbeitsraum in den Hauptarbeitsraum (Bereich der Hauptachsen) und in den Nebenarbeitsraum (Bereich der Nebenachsen, Orientierungsraum) unterteilt. Der Nebenarbeitsraum ist in seinen Abmessungen von den verwendeten Werkzeugen (z.B. Schweißbrenner oder Punktschweißzange) und den ggf. zu handhabenden Werkstücken abhängig. Der Arbeitsraum ergibt zusammen mit dem nichtnutzbaren Raum, z.B. durch rückwärts auskragende Achsen, den festen Bewegungsraum. Aus sicherheitstechnischen Gründen schließt an den festen Bewegungsraum ein variabler Bewegungsraum (Gefahrenraum) an. Bei der Realisierung eines Schweißrobotersystems sind weitere bewegte Systemkomponenten, z.B. die Werkstückpositionierer mit zu berücksichtigen.

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Je nach kinematischem Aufbau des Roboters ist der nutzbare Arbeitsraum unterschiedlich geformt. Bei der Auslegung eines Robotersystems sind dabei z.B. vorhandene Deckenhöhen, Hindernisse oder Kabinenwände zu berücksichtigen. Hier ist der Arbeitsbereich ggf. durch mechanische und elektrisch abschaltende Endanschläge zu begrenzen.

2.4.2 Hauptarbeitsraum Der Hauptarbeitsraum eines Schweißroboters ist der Teil des Arbeitsraums, der mit der Gesamtheit aller Hauptachsbewegungen erreicht werden kann. In den folgenden Bildern sind beispielhaft unterschiedliche Robotertypen mit ihren Hauptarbeitsräumen dargestellt.

Bild 7: Hauptarbeitsraum, beispielhafte Darstellung: -Seitenansicht und Draufsicht-

Bild 8: Hauptarbeitsraum, weiteres Beispiel: -Seitenansicht und Draufsicht-

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2.4.3 Nebenarbeitsraum (Orientierungsraum) Als Nebenarbeitsraum wird der Teil des Arbeitsraumes bezeichnet, der von der Schweißbrennerspitze bzw. Schweißelektrode zusätzlich zum Hauptarbeitsraum mit der Gesamtheit aller Nebenachsbewegungen erreicht werden kann. Zur Veranschaulichung des Nebenarbeitsraumes können die Hauptachsen als stillstehend betrachtet werden.

Bild 9: Ersatzdarstellung des Nebenarbeitsraums

2.5 Achsen und Freiheitsgrade eines Schweißroboters Für das Lichtbogenschweißen und auch für das Widerstandspunktschweißen haben sich Roboterkinematiken in Knickarmbauweise mit 6 rotatorischen Achsen besonders gut bewährt und werden heute fast vorwiegend verwendet.

Bild 10: Schema eines 6-Achsen-Knickarmroboters

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Die Tragkraft am Handgelenk solcher Kinematiken liegt den Belastungen beim Lichtbogenschweißen entsprechend üblicherweise zwischen 5 und 15 kg. Für das mechanische Druckfügen, das Widerstandspunkt-Schweißen sowie für das Werkstückhandling sind aber, bedingt durch das höhere Werkzeug- bzw. Werkstückgewicht, Tragfähigkeiten am Handgelenk von bis zu 120 kg und mehr notwendig. Dabei spielt nicht nur das absolute Gewicht, sondern vor allem das resultierende Kippmoment eine wichtige Rolle (s.a. Kap. „Belastung von Drehkipptischen“). Die Wiederhol- und Bahngenauigkeiten richten sich ebenfalls nach dem eingesetzten Fügeverfahren und liegen im Bereich von ca. ±0,05 mm für das WIG- und Plasmaschweißen, von ca. ±0,1 mm bis ±0,2 mm für das Metall-Schutzgasschweißen und von ca. ±0,5 bis ±1,0 mm für das Widerstandspunktschweißen. In der Regel werden Roboter heute stehend angeordnet. Als Alternative bietet sich die hängende Anordnung an. Neben der verbesserten Ausnutzung des Arbeitsraumes bleibt bei dieser Anordnung der Boden für Positionierer und Werkstücktransporteinrichtungen frei. Eine weitere Vergrößerung des Arbeitsraumes lässt sich durch stehende oder hängende Roboteranordnung auf Linearfahrwerken erreichen. Diese können als zusätzliche Roboterachsen frei programmierbar oder über entsprechende Näherungsschalter absteckbar ausgeführt sein.

Bild 11: Anordnung von Schweißrobotern auf Linearfahrwerken

Bild 12: Weitere Anordnungsmöglichkeiten

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3. Schweißtechnische Ausrüstung eines Industrieroboters zum MSG-Schweißen 3.1 Übersicht Der Schweißroboter erfüllt seinen Zweck nicht als Einzelgerät, sondern lediglich als System. Hierzu gehören beim MSG-Schweißen die folgenden Komponenten (Bild 13)

Bild 13: Prinzipieller Aufbau eines Robotersystems zum MSG-Schweißen

Bild 14: Roboterzelle mit Werkstückpositionierer und Sicherheitseinrichtungen

Neben der Robotermechanik, der Robotersteuerung, der Schweißanlage und ggf. eine entsprechende Sensorik wird das System ergänzt durch Positionierer für das Werkstück und natürlich durch die notwendigen Sicherheitseinrichtungen (Bild 14). Jedes Gesamtsystem kann nur so gut arbeiten, wie seine Einzelkomponenten sich in gewissen Toleranzbreiten halten. Im Folgenden wird auf die Einzelkomponenten eingegangen. Das DVS-Merkblatt 0922, T3 gibt eine Übersicht über die schweißtechnische Ausrüstung eines Robotersystems.

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Schweißtechnische Ausrüstung

3

Schweißstromquelle

3. 1 Ansteuerung

4

Drahtvorschubsystem

5

Schweißbrenner und Zusatzausrüstung

4.1 Drahtabspulvorrichtung

5.1 Brenner

4.2 Drahtvorschubgerät

5.2 Schlauchpaket

6 Überwachung

5.3 Brennerhalterung 5.4 Abschaltsicherung 5.5 Brennerjustiereinrichtung 5.6 Brennerwechseleinrichtung 5.7 Brennerreinigungseinrichtung 5.8 Brennerkühleinrichtung

Bild 15: Schweißtechnische Ausrüstung eines Industrieroboters (nach DVS-Merkblatt 0922 Teil 3)

Die zum System zugehörige Stromquelle kann den Abruf von vorher gespeicherten Programmen über digitale Ein- bzw. Ausgänge der Robotersteuerung ermöglichen oder über analoge Leitspannungen von der Steuerung angesprochen werden. Die Drahtvorschubeinheit muss den gleichmäßigen Vorschub der Drahtelektrode gewährleisten. Das Schlauchpaket als flexible Verbindung zwischen Drahtelektrodenantrieb und Schweißbrenner soll einerseits aus technologischen Gründen so kurz wie möglich sein, muss aber andererseits die uneingeschränkte Bewegungsmöglichkeit des Roboters im gesamten Arbeitsraum erlauben. Der Schweißbrenner sollte klein und schlank sein, um eine gute Zugänglichkeit zu den zu schweißenden Nähten sicherzustellen und andererseits robust, um dem rauen Betrieb mit langer Einschaltdauer gewachsen zu sein. 3.2 Anforderungen an die Teilsysteme Nachfolgend sind die Anforderungen an die einzelnen Teilelemente eines Schweißrobotersystems noch einmal stichpunkthaft aufgeführt: 3.2.1 Anforderung an Stromquelle und Steuerung • • • •

Eignung der Stromquelle für die Robotersteuerung (Parameterübergabe) Auslegung der Stromquelle für 100% ED bei Schweißstrom Hohe Leerlaufspannung für ein sicheres Zünden Netzspannungskompensation

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• Einstellmöglichkeiten für: - Vor-

und Nachströmzeit des Schutzgases des Schweißzusatzdrahtes - Freibrennzeit des Drahtes (Rückbrand) - Endkraterfüllung - Pendeln - „Einschleichen“

•

Ggf. Impulstechnik für: - Dünnbleche - Zwangslagen - Aluminium - geringe

Spritzerbildung (Übergangslichtbogen vermeiden)

3.2.2 Anforderung an die Schutzgaszufuhr • •

Konstante Zusammensetzung und Durchfluss (Gasemischer bis zu 10% Toleranz) Spritzerbildung durch sinkenden CO2-Anteil verringern

3.2.3 Anforderung an den Schweißzusatzdraht • Möglichst Roboterqualität: - Oberfläche,

Verkupferung (Prüfung durch Verwindeprobe) (Rundheit) - Einschränkungen in der chemischen Analyse (z.B. Fließverhalten der Schmelze beeinflusst durch die Elemente Mn und Si) - Geometrie

• •

Geringer und konstanter Drall und Dressur des Drahtes (besonders bei Fassspulen) Große Drahtspulen: - Große

Masse (Anlaufschwierigkeiten) Unwucht (Pufferstrecke, Eigenantrieb)

- Mögliche

3.2.4 Anforderung an den Drahtvorschub, Schlauchpaket und Schweißbrenner • •

4-Rollen-Antrieb (Ausrichtung des Drahtes) Push-Pull-Technik besonders für:

-

Dünne Drähte Aluminium-Zusatzwerkstoffe

•

Auslegung des Schlauchpakets:

-

Wenige große Bögen Ausrichtung in Hauptschweißrichtung Zugentlastung (Galgen)

• • • • •

Regelmäßige Kontrolle und Austausch von z.B. Stromkontaktdüse und Drahtseele Wassergekühlter Brenner (möglichst weit vorne an der Gasdüse) Kraftmessdose (Kollisionsüberwachung) Brennerprüflehre Brennerwechselsystem (optional)

-

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4. Programmierung Grundsätzlich kann zwischen der On-line- (direkten) und der Off-line- (indirekten) Programmierung unterschieden werden. Daneben gibt es auch Mischarten. On-line:

Erstellung des Programms an der Robotersteuerung (Roboter steht für Produktionszwecke nicht zur Verfügung)

Off-line:

Erstellung des Programms an speziellen Programmierplätzen Direkte Programmierung

Mischverfahren

Indirekte Programmierung

On-line

On-line / Off-line

Off-line

Play-back

Teach-in

Sensor unterstützt

Alphanumerische Programmierung,

Abfahren einer Bahn u. Speichern

Anfahren von Punkten u. Speichern

Autom. generierte Stützpunkte

geteachte Punkte

• Direktes Verfahren • Verfahren der der Achsen über Achsen und EinHandgriffe gabe des Programmablaufs ü• Eingabe von ber Programmiertechnologischen gerät Informationen

• Vorgabe von Stützpunkten durch teach-in

• Festlegung von Raumpunkten (On-line)

• Zwischenbahn sensorunterstützt berechnet

• Programmerstellung an separater Station

Alphanumerische Programmierung

• Beschreibung des Handhabungsablaufs mit Hilfe einer Sprache

Graphische Programmierung

• Bahnpunkte aus CAD-Daten • Hinzufügung von Schweißdaten

Bild 16: Programmierverfahren zur Erstellung von Roboterprogrammen

4.1 Play-back-Programmierung (On-line) Anstelle des Schweißwerkzeuges wird hier in der Regel ein Führungsstift beim Programmieren eingesetzt. Diesen führt der Programmierer „von Hand“ an das Werkstück heran und mit entsprechender Orientierung (entspricht späterer Werkzeugorientierung) entlang der zu schweißenden Naht. Die Steuerung speichert in kleinen Zeitintervallen die jeweilige Stellung der Roboterachsen. Abschließend wird das gespeicherte Bewegungsprogramm durch notwendige Zusatzinformationen, wie z.B. Verfahrgeschwindigkeiten, Schweißen ein/aus, Schweißparameter etc. über ein entsprechendes Eingabegerät ergänzt. 4.2 Teach-in-Programmierung (On-line) Das teach-in-Verfahren findet derzeit z.B. beim Schutzgasschweißen mit Robotern die häufigste Anwendung. Hier erfolgt das Anfahren der Raumpunkte bezogen auf den TCP des Schweißwerkzeuges und unter Berücksichtigung der späteren Brennerorientierung. Das Verfahren der Roboterachsen geschieht motorisch durch Tastendruck oder mit Hilfe eines Joysticks am Programmierhandgerät (PHG). Neben dem Abspeichern von Raumpunkten können der Robotersteuerung am PHG zusätzliche Informationen mitgeteilt werden: -

Geschwindigkeit und Beschleunigung Festlegung der Steuerungsart (z.B.: PTP oder CP)

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Setzen und Abfragen von Ein- bzw. Ausgangssignalen Schweißen ein / aus Eingabe der Schweißparameter

Eine bei der Programmierung i.d. Regel vorhandene Bedienerführung lässt die Eingabe weiterer Zusatzinformationen zu: -

Aufbau einer Unterprogrammstruktur Variablendeklaration Programmabfragen und -sprünge Eingabe von Schweiß- und Sensordaten

Beim Abfahren des Programms im Automatikbetrieb werden die Instruktionen in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. Somit trifft der Programmierer bereits bei der Eingabe der Raumpunkte sämtliche Entscheidungen darüber, was der Roboter in den einzelnen Punkten ausführen soll. 4.3 Sensor-unterstützte-Programmierung (On-line) Der Bahnverlauf der Roboterbewegungen wird durch die Programmierung von Stützpunkten (z.B. teach in) grob vorgegeben. Die zwischenliegenden Bahnstrecken werden in einem speziellen Sensorlauf selbständig aufgenommen. Dazu bewegt sich der Roboter sensorgeführt entlang der Bahn. In vorgegebenen Zeit- oder Wegintervallen wird die Stellung aller Roboterachsen abgefragt und sequentiell von der Steuerung registriert. Das resultierende Bewegungsprogramm wird anschließend durch die Zusatzinformationen (z.B. Schweißparameter) ergänzt. 4.4 Misch-Programmierung (On-line / Off-line) Hier erfolgt i.d. Regel eine teach-in-Programmierung in Verbindung mir einer alphanumerischen Befehlseingabe. Der Programmablauf wird durch ein in einer steuerungsspezifischen Sprache erstelltes Programm festgelegt. Darin enthalten sind z.B. Angaben über: Reihenfolge der eingegebenen Raumpunkte Schweißdaten Ansteuerung von Peripheriegeräten 4.5 Alphanumerische Programmierung (Off-line) Bei dieser Programmierart werden die Raumpunkt-Koordinaten und die Brennerorientierungen an der Tastatur des Programmierplatzes eingegeben. Dabei muss zur Programmerstellung entweder jede Instruktion einzeln eingegeben werden oder über vorgefertigte Makros der Gesamtprogrammablauf zusammengestellt werden. 4.6 Grafische Programmierung (Off-line) Die Bahnpunkte werden aus den meist vorliegenden CAD-Daten der Bauteile übernommen und die Brennerorientierung sowie die Schweißdaten hinzugefügt. Alle Daten müssen unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse der Roboterzelle in das Roboterkoordinatensystem transformiert werden. Dies setzt voraus, dass die gesamte Roboterzelle einschließlich der Vorrichtung vorab in einem grafischen 3D-Modell modelliert worden ist. Die Eingabe der kollisionsfreien Bewegungsbahn unter Berücksichtigung der Brennerorientierung bereitet jedoch insbesondere bei komplexen Werkstückgeometrien immer noch Schwierigkeiten. Somit sind „Feinkorrekturen“ vor Ort mit dem Roboter im teach-inVerfahren nicht auszuschließen.

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5. Steuerung von Bewegungsabläufen Bei den Verfahrmöglichkeiten zwischen zwei Raumpunkten wird i.d. Regel zwischen zwei Steuerungsarten unterschieden: 5.1 Punkt-zu-Punkt-Steuerung (PTP)

Bild 17: PTP-Steuerung

Die PTP-Steuerung (point to point) ist i.A. für das Bahnschweißen nicht verwendbar, da die Bahn des TCP`s zwischen zwei Raumpunkten nicht definiert ist. Außerdem können nur achsbezogene Geschwindigkeiten vorgegeben werden, so dass es nicht möglich ist, die Schweißbrennerspitze mit konstanter Geschwindigkeit zu verfahren. Aus diesem Grund wird die PTPSteuerung i.d. Regel nur für das Widerstandspunktschweißen oder für Zustell- und Versetzbewegungen eingesetzt. Die sich durch die undefinierten Bahnen ergebenen Kollisionsmöglichkeiten des Schweißwerkzeuges müssen in einem Testlauf ausgeschlossen werden. Ggf. sind Hilfspunkte zur Kollisionsvermeidung zu programmieren. In einer verbesserten Version der PTP-Steuerung erreichen alle Achsen die vorgegebene Sollposition zur gleichen Zeit (Synchro-PTP). Indem die Bahnpunkte in kleinen Abständen unter Zeitzuordnung programmiert werden, ist die Synchro-PTP-Steuerung auch für Bahnschweißaufgaben einzusetzen. Die Einhaltung der programmierten Bahn wird um so genauer eingehalten, je mehr Raumpunkte je Streckeneinheit vorgegeben werden. 5.2 Bahnsteuerung (CP) Bahnsteuerungen (continuous path) haben den Vorteil, durch funktionalen Zusammenhang der Achsbewegungen das Schweißwerkzeug auf definierten Bahnen (Geraden, Kreise) zu führen. Dies wird durch steuerungsinterne Interpolation und Koordinatentransformation erreicht. Bahnsteuerungen werden i.d. Regel bei Robotern für das Schutzgasschweißen eingesetzt, da hier die Brennerspitze zwischen zwei gewählten Raumpunkten mit konstanter Geschwindigkeit und wählbarer Brennerorientierung bewegt werden kann. Der Programmieraufwand ist gering, da z.B. für eine Gerade nur der Anfangs- und Endpunkt programmiert werden muss. Somit kann sich der Programmierer im wesentlichen auf die Programmieraufgabe beschränken, ohne den kinematischen Aufbau des Roboters berücksichtigen zu müssen. Bei zusätzlichen externen Achsen können deren Bewegungsvorgänge bei der Bahnsteuerung des Roboters steuerungstechnisch berücksichtigt werden.

Bild 18: CP-Steuerung

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Die nachfolgenden Bilder zeigen noch einmal die unterschiedlichen Bewegungsabläufe der beiden Steuerungsarten. PTP Bestimmungspunkt

CP

”

Bestimmungspunkt

[1]

[1]

Start Position

Start Position

[2]

[2]

Bestimmungspunkt [3]

”

”

Bestimmungspunkt

”

[3]

Bild 19: Bewegungsabläufe im PTP- und CP-Betrieb (nach ESAB-Masing)

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5.3 Tool center point (TCP) Mit dem TCP ist ein Punkt auf dem Schweißwerkzeug gemeint, der dem Roboter über das Programmierhandgerät durch den Programmierer vorgegeben kann. Die TCP-Verarbeitung ermöglicht Bewegungen des Roboters um den TCP. Somit ist für die Einstellung der Werkzeugorientierung zum Werkstück möglich, ohne den TCP zu verlassen. Für das Schutzgasschweißen wird der TCP auf die Drahtelektrodenspitze gelegt. Bezogen auf das Roboter-Punktschweißen ist der TCP oberhalb der Unterelektrode zu wählen. So kann in Extremsituationen, z.B. nah an der Spannvorrichtung, die Zange die Punktschweißposition beibehalten. Der Roboter kann dann um diesen Punkt geführt werden, um ggf. zusätzliche Freiräume bzw. eine bessere Zangenposition zu erhalten. Dabei ist zu beachten, dass für jedes an den Handflansch des Roboters adaptierte Schweißwerkzeug ein neuer TCP bestimmt werden muss. Die Raumkoordinaten des Werkzeuges werden in der Steuerung als Variable abgelegt. Aus diesem Grund wird bei jedem Programm zu Beginn erst einmal das vorab deklarierte Werkzeug aufgerufen. Vor allem nach erfolgter Kollision des Schweißwerkzeuges mit z.B. der Vorrichtung ist das Werkzeug auf die Beibehaltung seiner Maßhaltigkeit zu überprüfen oder aber der TCP neu zu bestimmen. Die manuelle Vermessung des TCP`s kann relativ aufwendig sein. Deshalb bieten mittlerweile fast alle Hersteller eine automatische TCP-Vermessung an. Dies kann z.B. mit Hilfe von Lichtschranken in x-, y, z-Richtung erfolgen. Eine andere Möglichkeit ist, eine Messspitze aus vier unterschiedlichen Richtungen anzufahren und über die dazu erforderlichen Achsbewegungen die Lage des TCP`s am Werkzeug bestimmen zu lassen.

Bild 20: Automatische Vermessung des TCP`s (Schutzgasschweißen)

6. Koordinatensysteme zur Programmierung Die Lage eines Punktes im Raum ist eindeutig durch drei Größen bestimmt, die in Strecken und / oder Winkeln bezogen auf den Ursprung des Koordinatensystems ausgedrückt werden. Das nachfolgende Bild zeigt die Definition unterschiedlicher Koordinatensysteme.

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Kartesisches Koordinatensystem

Zylinderkoordinatensystem

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Polarkoordinatensystem

Bild 21: Unterschiedliche Koordinatensysteme

Neben der Bewegung einzelner Roboterachsen lassen sich auch Bewegungen in verschiedenen Koordinatensystemen programmieren.

roboterbezogen

handachsbezogen

werkzeugbezogen

werkstückbezogen

Bild 22: Programmier-Koordinatensysteme

6.1 Roboterbezogenes Koordinatensysteme (Ursprung: Roboterfuß) Der Ursprung liegt im Mittelpunkt der Standfläche des Roboterfußes und ist damit, unabhängig vom jeweiligen Aufstellungsort des Roboters, eindeutig bestimmt. Die Richtung der x-Achse des Koordinatensystems ist durch die Referenzstellung eindeutig festgelegt. 6.2 Handachsenbezogenes Koordinatensysteme (Ursprung: Mitte Handgelenk) Der Ursprung liegt im Schnittpunkt der Drehachsen des Handgelenks. Durch eine Positions- und Orientierungsänderung der Handachsen ändert auch das handachsenbezogene Koordinatensystem seine Achsrichtungen. Die Richtung der x-Achse ergibt sich aus der Stellung des Handachsenflansches.

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6.3 Werkzeugbezogenes Koordinatensysteme (Ursprung: Bezugspunkt im Schweißwerkzeug) Der Ursprung liegt im TCP des Schweißwerkzeuges (z.B. Drahtspitze). Die z-Richtung liegt beim Schutzgasschweißen normalerweise in Drahtaustrittrichtung aus dem Brenner und muss durch einen zweiten Hilfspunkt definiert werden. 6.4 Werkstückbezogenes Koordinatensysteme (Ursprung: Werkstück) Der Ursprung und die Lage des Koordinatensystems am Werkstück werden durch den Programmierer bestimmt.

7. Programmierfunktionen Für die Programmierung des Roboters stehen dem Programmierer i.d. eine Reihe von unterschiedlichen Hilfsmitteln zur Verfügung. Dabei wird unterschieden in Funktionen bei Werkstücklageänderungen, Funktionen zur Bahnsteuerung, Funktionen zur Prozesssteuerung und die Unterprogrammtechnik. 7.1 Funktionen bei Werkstücklageänderung

Programmverschiebung (Translation) Bei der Programmverschiebung wird das Bewegungsprogramm in den drei Grundkoordinaten parallel verschoben. Ein Programm oder Programmteil kann durch Definieren von zwei Bezugspunkten (P1, P1) an einer anderen Stelle im Arbeitsbereich ausgeführt werden.

Bild 23: Programmverschiebung („shiften“)

Programmdrehung (Rotation) Mit Hilfe dieser Funktion ist eine Drehung des Programms oder von Programmteilen in beliebigen Achsen unter Anpassung der Schweißwerkzeugorientierung möglich.

Bild 24: Programmdrehung

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Programmverschiebung und -drehung Die Programmverschiebung und -drehung besteht aus einer parallelen Verschiebung und einer Drehung. Ein Programm oder ein Programmteil kann durch Definieren von sechs Bezugspunkten (P1, P2, P3 bzw. P1, P2, P3) an einer anderen Stelle im Arbeitsbereich ausgeführt werden.

Bild 25: Programmverschiebung und -drehung

Programmspiegelung Bei der Programmspiegelung wird das Programm spiegelbildlich transformiert. Ein Programm oder ein Programmteil kann durch Definieren von sechs Bezugspunkten (P1, P2, P3 bzw. P1, P2, P3) spiegelbildlich ausgeführt werden. .

Bild 26: Programmspiegelung

7.2 Funktionen zur Bahnsteuerung

Linearbewegung Die Bewegung des TCP zwischen zwei programmierten Raumpunkten erfolgt geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit. Die Orientierung des Schweißwerkzeuges ist dabei frei wählbar und wird durch die Orientierung in Anfangs- und Endposition definiert.

Zirkularbewegung Die Bewegung des TCP erfolgt auf einer Kreisbahn. Voll- oder Teilkreise werden durch mindestens drei Kreispunkte definiert. Die Geschwindigkeit zwischen jeweils zwei Bahnpunkten ist konstant. Die Orientierung des Schweißwerkzeuges ist frei wählbar und wird durch die Orientierung in den drei Bahnpunkten festgelegt.

Pendelbewegung Die Bewegung des TCP erfolgt oszillierend einer programmierten Bahn überlagert. Die Pendelbewegung wird durch Eingabe von Pendelfigur, -amplitude und -frequenz oder -länge festgelegt.

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7.3 Funktionen zur Prozessführung Zur Prozessführung beim Schutzgasschweißen ist es notwendig, der Robotersteuerung folgende Parameter vorzugeben: • • • •

Schweißgeschwindigkeit Schweißparameter ggf. Pendelparameter ggf. Sensorparameter

Diese Parameter werden steuerungsintern verarbeitet oder zur Ansteuerung, z.B. der Schweißausrüstung, als analoge oder digitale Signale von der Robotersteuerung ausgegeben. Die vorgegebenen Parameter können während des Schweißens verändert werden.

Unterprogrammtechnik Soll ein Programmteil innerhalb eines Arbeitsablaufes mehrmals abgearbeitet werden, so wird dieser Programmteil als Unterprogramm definiert. In einem Unterprogramm können weitere Unterprogramme aufgerufen werden (Verschachtelung).

8. Werkstückpositionierer 8.1 Übersicht Zweck von Positionieren ist es, die Bauteile in die jeweils zum Schweißen optimale Position zu drehen. In ihren Bewegungsmöglichkeiten sind sie auf das jeweilige Werkstück ausgerichtet. Sie tragen Werkzeuge zum Fixieren und Spannen der Bauteile vor und während des Schweißprozesses. In der Regel werden in einem Robotersystem mindestens zwei Positionierer verwendet, um z.B. eine lange Schweißzeit und damit optimale Nutzung und hohe Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erreichen. Während an der einen Station geschweißt wird, kann die Vorrichtung an der anderen Station manuell oder automatisch neu eingerüstet werden.

Nachfolgend ein Überblick über mögliche Ausführungsvarianten:

Bild 27: Drehkipptisch

Bild 28: Drehkipptisch mit geneigter Kippachse

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Bild 29: Einachsiger Positionierer mit Schwenkachse

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Bild 30: Einachsiger Positionierer mit Linearachse

Einachsige Positionierer mit Schwenkachse oder Linearachse ( Bild 31 u. Bild 32) eignen sich ausschließlich zum Einbringen des aufgespannten Werkstückes in den Roboterarbeitsbereich und zum parallelen Aufspannen des Werkstückes außerhalb des Roboterbereiches.

Bild 31: Einachsiger Positionierer mit Drehachse

Bild 32: Orbital-Drehkipptisch mit Hubachse

Standard-Drehkipptische sind zweiachsige, rotatorische Positionierer mit einer Dreh- und einer Kippachse. Die Drehachse ist i.d. Regel n x 360°, die Kippachse 135° drehbar. Beim Kippen der Werkstücke erfolgt gleichzeitig eine Bewegung vorwärts und abwärts innerhalb des Roboterarbeitsbereiches. Die Tischachse liegt im Abstand x zur Kippachse.

Bild 33: Kippbewegung

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Weitere Beispiele zur Anordnung von Werkstückpositionierern

Bild 34

Bild 35

Bild 36

Bild 37

Ein- und mehrachsige Positionierer können in Einfach- oder Mehrfachanordnung an einer senkrechten Schwenkachse montiert werden. Alternativ zur Mehrfachanordnung mit senkrechter Schwenkachse können zwei oder mehr Positionierer translatorisch in den Roboterarbeitsraum gefahren werden. Die Ladestationen befinden sich dann abwechselnd links und rechts vom Roboter. 8.2 Steuerung und Programmierung Zusätzliche Achsen der Roboter und Achsen der Werkstückpositionierer können durch entsprechende Steuerungen und Antriebe getaktet, programmierbar oder CNC-gesteuert gefahren werden.

Getaktete Positionierachsen können pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch angetrieben werden. Die Haltepositionen sind mechanisch, z.B. durch Schaltnocken, fixiert. Eine ausreichende Positioniergenauigkeit der wenigen Positionen wird i.d. Regel durch spielarme Antriebe oder durch zusätzliche Festanschläge erreicht. Bei programmierbaren Achsen ist eine größere Anzahl von Haltepositionen gegenüber getakteten Achsen möglich. Die Haltepositionen können einmalig beliebig im Fahrbetrieb der Achse verteilt werden und sind dann fixiert. Die Wegerfassung erfolgt über Inkrementalgeber oder Resolver.

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Positionierachsen mit einer eigenen CNC-Steuerung kommunizieren über eine Rechnerschnittstelle oder über digitale Signale mit der Robotersteuerung. Die programmierbaren Positionen werden getrennt von den Roboterpositionen abgespeichert. Die externen Achsen können mit dem Roboter nicht gleichzeitig kontrolliert gefahren werden. Sie können jedoch unabhängig vom Roboter betrieben werden. Bei CNC-Robotersteuerungen werden zusätzliche Roboterachsen und Positioniererachsen in Form von externen Achsen gesteuert. Steuerung und Peripherie bilden hier eine Einheit, so dass hier ein Synchronlauf von Positioniervorrichtung und Roboter möglich ist. 8.3 Belastung von Drehkipptischen Ein in die senkrechte Position verfahrener Drehkipptisch kann nicht beliebig hoch mit einem Werkstück belastet werden. Die zulässigen Belastungen sind in Belastungsdiagrammen erfasst. Mit diesen Diagrammen wird kein Kipp- bzw. Drehmoment ermittelt, sondern eine maximale zulässige Belastung festgelegt, die Sicherheit gegen das Kippen gewährleistet.

Bild 38: Beispiel zur Berechnung der Sicherheit gegen Kippen

Im o.g. Beispiel darf der Abstand vom Schwerpunkt des Bauteils zur Tischoberkante (Maß a) bei einer Belastung von 2.750 kg maximal 580 mm betragen, um ein eventuelles Kippen des Tisches zu verhindern. Oder umgekehrt ausgedrückt: Bei einem Abstand von a = 580 mm darf das Bauteil ein maximales Gewicht von 2.750 kg haben, damit der Tisch noch garantiert kippsicher ist.

9. Sicherheitstechnische Anforderungen Der Roboterarbeitsplatz muss den allgemein anerkannten, gültigen Regeln der Arbeitssicherheit entsprechen, die auch für andere automatisierte Fertigungseinrichtungen anzuwenden sind. Darüber hinaus sei auf die VDI-Richtlinie 2853 „Sicherheitstechnische Anforderungen an Bau, Ausrüstung und Betrieb von Industrierobotern“ sowie auf die DIN EN 775 „Industrieroboter: Sicherheit“ verwiesen. Bei der Einrichtung einer Roboterzelle sind folgende Sicherheitsmaßnahmen zu berücksichtigen: •

Trennende Schutzeinrichtung, um den Gefahrenbereich des Roboters während des Automatikbetriebes abzuschirmen. Dies kann z.B. durch eine Umzäunung erfolgen, bei der die Zugänge der Zelle mit einer Türüberwachung durch einen Sicherheitsschalter abgesichert sind.

•

Bei Zuführ- und Entnahmeöffnungen sind gefahrbringende Bewegungen (z.B. durch Drehtische und Zuführwagen) abzusichern durch: Lichtvorhang oder Lichtschranke

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Schaltmatte bzw. Trittmatte Zweihandschaltung Bewegliche Schutzeinrichtung Sicherheitsmaßnahmen durch Begrenzung des Bewegungsraumes zur Vermeidung von Quetschund Scherstellen werden erreicht durch: Mechanisch verstellbare Anschläge Steuerungstechnische Maßnahmen -

•

•

Sicherheitsmaßnahmen im Automatik-Betrieb: „Automatik“-Betriebsarten-Wahlschalter Wirksame Schutzeinrichtung (Türüberwachung, Lichtvorhang, Schaltmatte) Personenfreier Arbeitsraum (keine Personen im abgetrennten Bereich) -

•

•

Sicherheitstechnische Maßnahmen im Einrichtbetrieb: Der Bediener sollte sich beim Einrichten möglichst außerhalb des abgesicherten Bereiches aufhalten. Da dies oft nicht möglich ist, muss bei Einrichtarbeiten in unmittelbarer Roboternähe sichergestellt sein, dass gefahrbringende Bewegungen nur mit reduzierter Geschwindigkeit ablaufen. Dies erfolgt mit dem Programmier-Handgerät in Tippschaltung und mit entsprechender NOTAUS-Einrichtung. Für den Testbetrieb mit Arbeitsgeschwindigkeit gelten folgende Voraussetzungen: Aufhebung der zwangsweise reduzierten Geschwindigkeit durch Schlüsselschalter Bediener außerhalb des Gefahrenbereiches Zustimmungsschalter und NOT-AUS müssen zusätzlich zur Tippschaltung vorhanden sein -

10. Konstruktions- und Vorrichtungshinweise Die Schweißfertigung mit Hilfe von Robotersystemen bringt bezogen auf die schweißgerechte Konstruktion oder den Vorrichtungsbau andere Anforderungen als das manuelle oder das teilmechanische Schweißen. Im Folgenden sind einige Grundsätze für die robotergerechte Gestaltung aufgeführt.

Einzelheit Z Festanschlag Spannzylinder

Kleinstmaß

Z

ungünstig

Toleranzfeld für theoretischen Wurzelpunkt

Kleinstmaß

Toleranz

Toleranz

günstig

Schweißgerechtes Positionieren unter Berücksichtigung der Teiletoleranzen Bild 39: Einfluss der Schweißvorrichtung auf die Bauteilgestaltung

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Nahtvorbereitung: ☞

Bevorzugte Nahtformen: – Kehlnaht, Stumpfnaht mit Badsicherung oder Steg, Überlappnaht, HY-Naht

☞

Brauchbare Nahtformen: – Bördelnaht

☞

Zu vermeidende Nahtformen: – Stumpfnaht ohne Badsicherung, Ecknaht ohne Überlappung, HV-Naht

HY-Naht

HV-Naht

ungünstig

|

günstig

Bild 40: Anwendung allgemeiner Konstruktionsgrundsätze (1)

Toleranz

veränderlicher Anschlag

(a)

(b) (B)

Toleranzbegrenzung durch veränderlichen Anschlag

ungünstig

|

günstig

Methoden der Badsicherung durch Unterlagen, manuelles Wurzelschweißen oder spaltfreie Steganordnung

Bild 41: Anwendung allgemeiner Konstruktionsgrundsätze (2)

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Methoden der Badsicherung durch konstruktive Anordnung am Bauteil (Kerbwirkung insbesondere bei dynamischer Beanspruchung beachten)

Bild 42: Anwendung allgemeiner Konstruktionsgrundsätze (3)

(A)

b

ungünstig

b

x

b

Gestaltung von Schweißanschlüssen

(B)

x

günstig

r

Randabstand bei Kehlnähten

Bild 43: Anwendung allgemeiner Konstruktionsgrundsätze (4)

ungünstig

günstig

Programmieraufwand

Ovale oder freie Kurven vermeiden

Rohranschlüsse aufmerksam durchgestalten

Nahtzugänglichkeit Standort Roboter

Bild 44: Anwendung allgemeiner Konstruktionsgrundsätze (5)

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(A) ungünstig

günstig Sicherheitsraum für das Pendeln

Zugänglichkeit aufgrund der Nahtlage [mm]

(C)

50

(B)

25

25

ungünstig

50

[mm]

günstig

Herstellung in einer Aufspannung Bild 45: Robotersysteme: Bauteilbedingte (links) und brennerbedingte (rechts) Zugänglichkeit

11. Sensorsysteme 11.1 Übersicht Sensoren können die Flexibilität von Roboterschweißsystemen erhöhen. Dabei machen zusammenbaubedingte Toleranzen oder Anforderungen der Offline-Programmierung (Abweichungen vom programmierten zum realen Bahnverlauf) einen Sensoreinsatz ggf. erforderlich. Von den bekannten geometrieund prozessorientierten Sensorsystemen haben Lichtbogensensoren in Verbindung mit taktilen Sensoren die breiteste industrielle Anwendung gefunden. Jedes physikalische Messprinzip, das Informationen über Lage oder Geometrie eines Werkstücks liefern kann, kommt als Ausgangsbasis für einen Sensor in Frage. Die besonderen Umgebungsbedingungen beim Lichtbogenschweißen sowie die Anforderungen die Werkstoff, Bauteilgeometrie und Robotersystem stellen, führen dabei jedoch u.U. zu erheblichen Einschränkungen. Sensoren für das Lichtbogenschweißen werden unterteilt in geometrie- und prozessorientierte Systeme (Bild 46). Die geometrieorientierten Sensoren gewinnen ihre Signale aus der Geometrie der Fuge selbst oder aus einer definiert dazu verlaufenden Kante oder Fläche. Sie werden danach unterschieden, ob sie berührend (taktil) oder nicht berührend messen. Prozessorientierte Sensoren werden unterteilt nach der Auswertung primärer (z.B. der Lichtbogen) oder sekundärer Prozessgrößen (z.B. Optisches Erfassen des Schmelzbades). Beim Lichtbogenschweißen mit Industrierobotern werden für verschiedene Aufgaben Sensoren mit unterschiedlichen Messprinzipien verwendet.

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Sensoren Sensoren für für das das vollmechanische vollmechanische Lichtbogenschweißen Lichtbogenschweißen geometrieorientiert geometrieorientiert berührend berührend -- mechanisch mechanisch -- elektrisch elektrisch

prozeßorientiert prozeßorientiert primäre primäre Prozeßgrößen Prozeßgrößen

sekundäre sekundäre Prozeßgrößen Prozeßgrößen

-- mechanisch mechanisch gependelter gependelter Schweißbrenner Schweißbrenner -- magnetische magnetische LichtbogenLichtbogenauslenkung auslenkung -- DoppeldrahtDoppeldrahtverfahren verfahren

-- optische optische Analyse Analyse des des SchmelzbadSchmelzbadbereiches bereiches -- Spektralanalyse Spektralanalyse der der SchmelzbadSchmelzbadabstrahlung abstrahlung

berührungslos berührungslos -- optisch optisch -- induktiv induktiv -- kapazitiv kapazitiv -- akustisch akustisch -- pneumatisch pneumatisch

Bild 46: Übersicht einsetzbarer Sensorprinzipien (nach DVS 0927-1)

11.2 Geometrieorientierte Sensoren

Berührende Sensoren Neben den weit verbreiteten mechanischen Sensoren, wie Taststifte oder Andrückrollen, die die Oberfläche abtasten, bietet vor allem der Gasdüsensensor eine einfache Möglichkeit die Lage des Bauteils zu vorab zu erfassen und daraus die Istposition der Schweißnaht zu berechnen. Dabei werden durch das Anfahren des Bauteils mit der Gasdüse Potentialunterschiede an der mit geringer Spannung beaufschlagten Düse in Geometriedaten umgerechnet und in der Steuerung weiterverarbeitet. Abtastrichtungen

Istposition

Toleranzbereich + S+

Programmierte

S

Position

S-

Bild 47: Taktiler Sensor über die Gasdüse

Berührungslose Sensoren Hier lassen sich die unterschiedlichsten physikalischen Messprinzipien für den Sensoreinsatz nutzen. Als Beispiele seien hier der induktive Sensor (Variation der Induktivität in unterschiedlichen Spulensystemen, Bild 48) oder der auch von der Schneidtechnik bekannte kapazitive Abstandssensor (Bild 49) genannt.

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Bild 48: Wirkprinzip des induktiven Sensors

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Bild 49: Wirkprinzip des kapazitiven Sensors

Die Entwicklung der letzten Jahre konzentrierte sich vorrangig auf die Entwicklung von optischen Messprinzipien und die Umsetzung in entsprechende Sensorsysteme. Mit relativ einfach aufgebauten LaserAbstandssensoren lassen sich Entfernungsmessungen zwischen Bauteil und Sensorkopf nach dem Triangulationsprinzip durchführen. Bei diesen sogenannten Laserscannern (Bild 50) wird der Strahl einer integrierten Laserlichtquelle über Spiegelsysteme gezielt über dem entsprechenden Messbereich ausgelenkt. In jedem Augenblick des Scanvorganges wird nur jeweils ein Punkt auf der Werkstückoberfläche beleuchtet und gleichzeitig durch den reflektierenden Laserlichtanteil auf einem opto-elektronischen Detektor abgebildet. Durch zeitliche Synchronisation von Sender und Empfänger erhält man so ein Oberflächenprofilsignal des Schweißnahtbereiches.

Bild 50: Prinzip des Laserscanners (Triangulationsprinzip)

Einschränkungen beim Einsatz eines Laserscannermeßsystems ergeben sich durch die Größe des vorlaufenden Meßsystems und durch den Abstand zum eigentlichen Schweißprozess. Damit lassen sich derartige Sensoren z.B. in räumlich eng begrenzten Spannvorrichtungen und bei kleinen Radien an der Schweißgeometrie oftmals nur schwer oder nur mit erhöhtem Aufwand einsetzen.

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11.3 Prozessorientierte Sensoren

Bahnverfolgung mit dem Lichtbogen als Sensor Nahtführungssysteme mit prozessorientierter Sensorik benutzen den Lichtbogen nicht nur als Energieträger, sondern gleichzeitig auch als Sensor. Die aus einer Änderung der Lichtbogenlänge abgeleiteten elektrischen Signale dienen zur Steuerung von Stellmotoren. Voraussetzung für den Einsatz eines Lichtbogensensors ist die - i.d. Regel mechanische - Pendelung des Schweißbrenners (Bild 51 u. Bild 52). Seltener ist dagegen die magnetische Ablenkung des Lichtbogens (Bild 53 u. Bild 54). -

mechanische Pendelung –

Bild 51:

-

Stromstärke auf beiden Seiten gleich - Drahtelektrode richtig positioniert -

Bild 52:

Stromstärke links höher als rechts - Drahtelektrode zu weit links -

Bild 54:

Anordnung der Magnete zur Ablenkung des Lichtbogens

magnetische Pendelung –

Bild 53:

Ablenkung des Lichtbogens in einem Magnetfeld

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1.16-2 u. 1.16-3 Seite 30

Lichtbogensensor - Grenzen des Verfahrens Bei der Anwendung eines Lichtbogensensors können folgende Punkte zum Auftreten von Fehlern bei der Messung führen:

– – – –

Lichtbogen zu breit (A) abschmelzende Nahtflanke (B) Nahtöffnungswinkel zu groß Pendelamplitude zu weit

(A)

Keine Korrektur möglich

Korrektur möglich

Keine Korrektur möglich

Korrektur möglich

(B)

Bild 55: Lichtbogensensor: Verfahrensgrenzen

Betrachtet man die Entwicklung der letzten Jahre auf dem Gebiet der Sensorik, so kann die Hypothese „der beste Sensor ist kein Sensor“ nicht immer aufrecht erhalten werden. Wichtig ist jedoch die Erkenntnis, dass jedes Sensorsystem seinen spezifischen Einsatzbereich hat und es einen universellen Sensor für alle Anwendungsgebiete der Schweißtechnik nicht gibt.

Kosten

Die Gesamtkosten in der Fertigung lassen sich nicht durch einen „überzogenen“ Sensoreinsatz senken. Vielmehr kommt es hier für jeden Anwendungsfall zu einem Kompromiss zwischen Einschränkungen in den Bauteiltoleranzen durch eine optimierte Vorfertigung sowie einer weiterentwickelten Schweißtechnik, die den wirtschaftlichen Sensoreinsatz nicht ausschließt (Bild 55).

Gesamtkosten Bereich optimaler Fertigung Schweißkosten

Vorbereitungskosten

Bauteiltoleranz Bild 56: Kostenfaktor „Bauteiltoleranz“

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12. Literatur DVS 0921:

Belastungsdiagramme für Dreh- und Drehkipptische

DVS 0922, Teil 1:

Industrierobotersysteme zum Schutzgasschweißen Begriffsbestimmungen und Definition der Kenngrößen

DVS 0922, Teil 2:

Industrierobotersysteme zum Schutzgasschweißen Steuerungs- und Programmierfunktionen

DVS 0922, Teil 3:

Industrierobotersysteme zum Schutzgasschweißen Schweißtechnische Ausrüstung für das MIG-/MAG-Schweißen

DVS 0922, Teil 5:

Industrierobotersysteme zum Schutzgasschweißen Positioniersysteme für Werkstücke und Industrieroboter

DVS 0929:

Konstruktionshinweise für das MIG/MAG-Schweißen mit Industrierobotern

DVS 0939:

Toleranzen beim vollmechanischen MSG-Schweißen und beim Schneiden mit Industrierobotern

DVS 2937:

Widerstandsschweißen mit Industrieroboter

VDI 2853:

Sicherheitstechnische Anforderungen an Bau, Ausrüstung und Betrieb von Industrierobotern

VDI 2860:

Handhabungsfunktionen, Handhabungseinrichtungen, Begriffe, Definitionen, Symbole

DIN EN 775:

Industrieroboter: Sicherheit

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0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Seite 1

Inhaltsverzeichnis Einleitung Lötsicherheit Einteilung der Lötverfahren Lötvorgang Flussmittel Konstruktive Besonderheiten beim Löten Mechanische Eigenschaften der Lötverbindung Arbeitssicherheit Wichtige Normen und Empfehlungen Anlagen

1 1 3 4 5 7 8 10 12 13 14

1. Einleitung Das Löten ist ein sehr altes thermisches Fügeverfahren. Funde mit Lötstellen an Schmuck- und Gebrauchsgegenständen in Ägypten werden in die Zeit 3.000 v. Chr. datiert. Nach DIN 8505 ist das Löten ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen und Beschichten von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Löten ist ein dem Schmelzschweißen ähnlicher Prozess, wobei jedoch prinzipielle Unterschiede bestehen. Beim Löten werden die zu verbindenden Bauteile nicht auf Schmelztemperatur erwärmt. Die Nahtausbildung erfolgt durch Ausfüllen eines Lötspaltes unter Ausnutzung der Kapillarwirkung bzw. durch Füllen einer Lötfuge. Gegenüber dem Schmelzschweißen gibt es eine Reihe von Vorzügen, deren geschickte Ausnutzung wirtschaftliche Vorteile bietet. Verschiedene Vorteile seien genannt: − − − − − − − −

mehrere Teile lassen sich gleichzeitig verbinden verschiedene Metalle, Metalle mit Keramiken, Glas, Halbleitern, Graphit lassen sich miteinander verbinden (z. B. Cr-Ni-Stahl/Messing) Fügestellen lassen sich ohne großen Aufwand wieder lösen (Wartungs- und Reparaturarbeiten im Apparatebau, in der Elektrotechnik) der Verzug ist gegenüber dem Schweißen oft viel geringer – insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen beim Weichlöten werden Werkstoffeigenschaften der Bauteile kaum beeinflusst wenn unzugängliche Verbindungsstellen vorliegen die Qualitätskontrolle vereinfacht sich sehr oft die Zuverlässigkeit der Lötverbindung ist hoch

Folgende Lötverfahren (Erwärmungsverfahren) sind am meisten verbreitet: Flamm-, Ofen-, Widerstands-, Induktions-, Metallbad-, Salzbad-, Lichtstrahllöten (Weitere Verfahrensvarianten werden in der DIN 8505 Teil 3 beschrieben.)

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Eine Liste der Verfahren und Ordnungsnummern für die zeichnerische Darstellung enthält DIN EN 24063 (s. S. 4). Neben dem Lot, welches als reines Metall oder als geeignete Legierung vorliegen kann, werden Flussmittel oder besondere Lötatmosphären für einen sicheren Lötprozess benötigt. Nachfolgend werden einige in der Lötpraxis häufig vorkommende Begriffe erläutert: 

Schmelzbereich des Lotes Der Schmelzbereich eines Lotes ist der Temperaturbereich vom Beginn des Schmelzens (Solidustemperatur) bis zur vollständigen Verflüssigung (Liquidustemperatur).



Arbeitstemperatur Die Arbeitstemperatur ist die niedrigste Oberflächentemperatur an der Lötstelle, bei der das Lot benetzt oder sich durch Grenzflächendiffusion eine flüssige Phase bildet. Beim Anwenden geeigneter Flussmittel ist sie eine vom Lot abhängige Konstante.



Löttemperatur Die Löttemperatur ist die beim Löten an der Lötstelle herrschende Temperatur. Sie liegt oberhalb der Arbeitstemperatur.



Wirktemperaturbereich Der Wirktemperaturbereich ist der durch die untere und durch die obere Wirktemperatur begrenzte Temperaturbereich (für Flussmittel bzw. Lötatmosphären).



Wirkzeit Die Wirkzeit ist die Zeitspanne, über die ein Flussmittel während des Lötens wirksam bleibt. Sie ist verfahrensabhängig.



Benetzen Das Benetzen ist in der Löttechnik das irreversible Ausbreiten eines geschmolzenen Lotes auf der Werkstoffoberfläche.



Fließweg Der Fließweg ist der Weg, den das geschmolzene Lot von der Lotansatzstelle ausgehend zurücklegt.



Kapillarer Fülldruck Kapillarer Fülldruck ist der Druck, der das geschmolzene Lot auch entgegen der Schwerkraft in den Lötspalt treibt.



Lötstoß Der Lötstoß kennzeichnet durch Art und Form den Bereich, in dem die Teile durch Löten verbunden werden sollen. Die Stoßart wird durch die konstruktive Anordnung der Teile zueinander bestimmt.



Lötspalt Der Lötspalt ist ein zwischen den zu lötenden Teilen befindlicher enger, weitgehend paralleler Spalt, der vorzugsweise durch kapillaren Fülldruck mit Lot gefüllt wird.



Lötfuge Die Lötfuge ist ein zwischen den zu lötenden Teilen befindlicher Spalt (Fuge), der vorwiegend mit Hilfe der Schwerkraft mit Lot gefüllt wird.



Lötdepot Ein Lötdepot ist ein nur für die Aufnahme des Lotes konstruktiv festgelegter Raum, aus dem das Lot beim Löten austritt.

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2. Lötsicherheit Das Löten als Verfahren zum Verbinden metallischer Werkstoffe ist in DIN 8505 definiert. In Anlehnung an die DIN 8528 Teil 1 „Schweißbarkeit“ wird in der DIN 8514 Teil 1 der Begriff „Lötbarkeit“ festgelegt. „Lötbarkeit ist die Eigenschaft eines Bauteiles durch Löten derart hergestellt werden zu können, dass es die gestellten Forderungen erfüllt.“ Die Lötbarkeit hängt im wesentlichen von drei Eigenschaften ab: − Löteignung (werkstoffspezifische Faktoren) − Lötmöglichkeit (fertigungsspezifische Faktoren) − Lötsicherheit (konstruktionsspezifische Faktoren) Jede der drei Eigenschaften beinhaltet eine Reihe von Einflussgrößen, welche stets im Zusammenhang betrachtet werden müssen. Die DIN 8514 Teil 1 bietet ein Beurteilungssystem – die Beurteilung obliegt dem Fachmann.

Schweißen, Hartlöten, Weichlöten und Fugenlöten von Metallen Liste der Verfahren und Ordnungsnummern für zeichnerische Darstellung

(ISO 4063: 1990) Deutsche Fassung EN 24063: 1992

DIN EN 24063

9

Hartlöten, Weichlöten und Fugenlöten

9

Brazing, soldering and braze welding

9

Brasage fort, brasage tendre et soudobrasage

91 911

Hartlöten Infrarothartlöten

91 911

Brazing Infrared brazing

91 911

Brasage fort Brasage fort par infrarouge

912

Flammhartlöten

912

Flame brazing; torch brazing /USA/

912

Brasage fort aux gaz

913

Ofenhartlöten

913

Furnace brazing

913

Brasage fort au four

914

Lotbadhartlöten

914

Dip brazing

914

Brasage fort au trempé

915

Salzbadhartlöten

915

Salt-bath brazing; molten chemical-bath dip brazing /USA/

915

Brasage fort au bain de sel

916

Induktionshartlöten

916

Induction brazing

916

Brasage fort par induction

917

Ultraschallhartlöten

917

Ultrasonic brazing

917

Brasage fort par ultrasons

918

Widerstandshartlöten

918

Resistance brazing

918

Brasage fort par résistance

919

Diffusionshartlöten

919

Diffusion brazing

919

Brasage fort par diffusion

923 924

Reibhartlöten Vakuumhartlöten

923 924

Friction brazing Vacuum brazing

923 924

Brasage fort par friction Brasage fort sous vide

93

Andere Hartlötverfahren

93

Other brazing processes

93

Autres procédés de brasage fort

94

Weichlöten

94

Soldering

94

Brasage tendre

941

Infrarotweichlöten

941

Infrared soldering

941

Brasage tendre par infrarouge

942 943

Flammweichlöten Ofenweichlöten

942 943

Flame soldering; torch soldering /USA/ Furnace soldering

942 943

Brasage tendre aux gaz Brasage tendre au four

944

Lotbadweichlöten

944

Dip soldering

944

Brasage tendre au trempé

945

Salzbadweichlöten

945

Salt-bath soldering

945

Brasage tendre au bain de sel

946

Induktionsweichlöten

946

Induction soldering

946

Brasage tendre par induction

947

Ultraschallweichlöten

947

Ultrasonic soldering

947

Brasage tendre par ultrasons

948 949

Widerstandsweichlöten Diffusionsweichlöten

948 949

Resistance soldering Diffusion soldering

948 949

Brasage tendre par résistance Brasage tendre par diffusion

951

Anschwemm- oder Schwallweichlöten

951

Wave soldering

951

Brasage tendre à la vague

952

Kolbenweichlöten

952

Soldering with soldering iron

952

Brasage tendre au fer

953 954

Reibweichlöten Vakuumweichlöten

953 954

Abrasion soldering Vacuum soldering

953 954

Brasage tendre avec abrasion Brasage tendre sous vide

956

Schlepplöten

956

Drag soldering

956

Brasage tendre à la traine

96

Andere Weichlötverfahren

96

Other soldering processes

96

Autres procédés de brasage tendre

97

Fugenlöten

97

Braze welding

97

Soudobrasage

971

Fugenlöten mit Flamme

971

Gas braze welding

971

Soudobrasage aux gaz

972

Fugenlöten mit Lichtbogen

972

Arc braze welding

972

Soudobrasage à l‘arc

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Hart- und Weichlöten I/II

1.17-1 u. 1.17-2 Seite 4

Einige wichtige Forderungen, welche einzeln oder gemeinsam von einem gelöteten Bauteil zu erfüllen sind: − − − − − − −

Temperaturbeständigkeit (Strahltriebwerke, Kühlanlagen, hohe und tiefe Temperaturen, Temperaturwechsel) physiologische Verträglichkeit (Hautkontakt, Lebensmittelbereich) elektrische Leitfähigkeit Korrosionsbeständigkeit (Seewasser, Brackwasser) Festigkeit (statische, dynamische Belastung) Dichtheit (Vakuum, innerer Druck) optische Faktoren (Farbgleichheit)

3. Einteilung der Lötverfahren Eine Einteilung der Lötverfahren lässt sich nach verschiedenen charakteristischen Verfahrensmerkmalen vornehmen. •

Höhe der Arbeitstemperatur

Nach der DIN 8505 Teil 2 wird eine Einteilung in 3 Temperaturbereiche vorgenommen: 1.

Weichlöten Weichlöten ist Löten mit Loten, deren Liquidustemperatur unterhalb 450 °C liegt. Hartlöten Hartlöten ist Löten mit Loten, deren Liquidustemperatur oberhalb 450 °C liegt. Hochtemperaturlöten Hochtemperaturlöten ist flussmittelfreies Löten unter Luftabschluss (Vakuum, Schutzgas) mit Loten, deren Liquidustemperatur oberhalb 900 °C liegt.

2. 3.

•

Art der Oxidentfernung mit Hilfe von Flussmitteln – Schutzgaslöten – Autoschutzgaslöten – Vakuumlöten – Reiblöten – Ultraschalllöten – Löten mit selbstfließenden Loten –

•

•

Methode der Lotzuführung – Löten mit angesetztem Lot – Löten mit eingelegtem Lot – Löten mit lotbeschichteten Teilen – Löten mit Reaktionslot – Tauchlöten Form der Lötstelle Fugenlöten – Spaltlöten – Auftraglöten –

•

Art des Fertigungsablaufes – Handlöten – Teil-/Vollmechanisiertes Löten – Automatisches Löten

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1.17-1 u. 1.17-2 Seite 5

Festigkeitsverhalten von Weich- und Hartloten Weichlötverbindungen unterliegen einer Kriechneigung bei mechanischer Beanspruchung. Untersuchungen haben ergeben, dass die Zeitstandscherfestigkeit von 2 N/mm² (Raumtemperatur) bei 100 °C auf 0,2 N/mm² abfallen kann. Dieser Umstand ist bei der Dimensionierung und der Lotwahl zur Verhütung von Schäden besonders zu beachten. Bei Hartlötverbindungen an NE-Metallen und allgemeinen Baustählen liegt die Festigkeit im Bereich der Grundwerkstoffe. Einfluss auf das Festigkeitsverhalten üben mehrere Faktoren: 1. 2. 3. 4. 5.

Zusammensetzung und Festigkeit von Lot und Grundwerkstoff Spaltbreite Löttemperatur und Lötzeit Größe und Oberflächenzustand der Lötflächen Flussmittel bzw. Schutzgase

Die Lothersteller geben in ihren Werkstoffkennblättern Zug- bzw. Scherfestigkeitswerte z. T. bezogen auf den verwendeten Grundwerkstoff an. In den vorher genannten Faktoren kommt jedoch die Komplexität einer Lötverbindung und die Schwierigkeit der Beurteilung zum Ausdruck, d. h. auf bauteilspezifische Untersuchungen kann häufig nicht verzichtet werden. Die Tief- bzw. Hochtemperaturbeständigkeit (Betriebstemperatur) der Lote wird in den Werkstoffkennblättern der Hersteller ebenfalls angegeben. Die Kennzeichnung der Hartlote erfolgt in DIN EN 1044. Darin weiter enthalten ist die Gegenüberstellung mit der DIN EN ISO 3677 sowie der ersetzten DIN 8513-1 ... 5. In der Anlage ist ein Bezeichnungsbeispiel für ein Aluminiumlot angegeben. Die Kennzeichnung der Weichlote ist in DIN EN 29453 genormt. Die Einteilung erfolgt in charakteristischen Legierungsgruppen.

4. Lötvorgang 4.1 Kapillarität, Benetzung Grenzt eine Flüssigkeit an irgendeinen anderen Stoff, so bestehen zwischen ihren Molekülen und denen des Stoffes anziehende Kräfte, deren Größe von der Art der beiden Stoffe abhängt. Das geschmolzene Lot verhält sich wie eine Flüssigkeit – wie eine benetzende Flüssigkeit. Diese Eigenschaft führt zum selbständigen Verschießen eines außerhalb des Lotspaltes angesetzten Lotes, sobald es auf Arbeitstemperatur erhitzt ist. Dabei tritt ein weiterer Vorgang, der Platzwechsel von Flussmittel und Lot, ein. Zwischen dem Grundwerkstoff und dem Lot entsteht eine räumlich sehr begrenzte Diffusionszone (Bild 1). In Bild 2 ist die kapillare Steighöhe h in Abhängigkeit von der Spaltbreite b dargestellt. 4.2 Schmelzverhalten der Lote Während reine Metalle einen festen Schmelzpunkt besitzen, sind Lote Legierungen aus meist mehreren Elementen. Es bildet sich ein Schmelzbereich. Je nach Art der Zusammensetzung bildet sich ein enger bzw. weiter Schmelzbereich (gegebenenfalls eutektischer Punkt). Lote mit einem großen Schmelzbereich eignen sich z. B. zum Überbrücken breiter Lötspalte (Fugenlöten ...). Lote mit engem Schmelzbereich fließen sehr gut in enge Lötspalte (lotsparend), überbrücken aber schlecht. Neben den mechanischen Eigenschaften einer Legierung lassen sich so technologische Eigenschaften beeinflussen. Z. B. Cd (Arbeitstemperatur senkend x) AG 304 // B-Ag40ZnCdCu-595/630 // (L-Ag 40 Cd), 610 ° C; dagegen x) AG 203 // B-Ag44CuZn-675/735 // (L-Ag 44), 730 ° C; Ag im é) S-Sn96Ag4 (L-Sn 5) (bewirkt Tieftemperaturbeständigkeit bis – 200 °C), é)S-Sn95Sb5 (L-SnSb5) (Antimon – legiertes Weichlot bis – 200 °C einsetzbar) x) Ag 502 // B-Ag49ZnCuMnNi-680/705// L-Ag 49 (Mangan und Nickel verbessern die Benetzbarkeit insbesondere bei Hartmetallen). x) Reihenfolge der Bezeichnung DIN EN 1044 // DIN EN ISO 3677 (vormals DIN 8513-1...5) é) Reihenfolge der Bezeichnung EN 29453 (vormals DIN 1707)

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In der Anlage (Tabelle 1) ist die Loteignung in Verbindung mit verschiedenen Flussmitteln aufgeführt. Der Einfluss des Silbergehaltes auf die Arbeitstemperatur ist in Bild 3 dargestellt.

DG = Diffusionszone im Grundwerkstoff vL = Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lotes DL = Diffusionszone beim Lot Bild 1: Diffusionszone beim Löten

Bild 2: Kapillare Steighöhe h in Abhängigkeit von der Spaltbreite b

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde die Lotbezeichnung nach DIN 8513 belassen.

Bild 3: Einfluss des Silbergehaltes auf die Arbeitstemperatur

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5. Flussmittel Flussmittel sind nichtmetallische Stoffe (z. B. Silikate, Karbonate, Borate, Chloride, Fluoride), die folgende Aufgaben und Eigenschaften haben: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Schmelzpunkt ca. 50 °C unter Lotschmelzpunkt Einstellen eines dichten, gleichmäßigen Überzuges, der auch bei Arbeitstemperatur erhalten bleibt Zähigkeit muss so groß sein, dass ein Haften auch auf senkrechten Flächen gesichert ist Oxide beseitigen und Verhinderung der Bildung während des Erwärmens Verbindungsstelle vor Luftzutritt schützen Arbeitstemperatur des Lotes muss im Wirkbereich des Flussmittels liegen.

Dem Wirkbereich (Bild 4 und Bild 5) eines Flussmittels sind temperatur- und zeitmäßig Grenzen gesetzt. Werden die Grenzen überschritten, ist das Flussmittel „verbraucht“ – es hat keinen Zweck, den Lötprozess fortzusetzen. Bei der Verwendung von Flussmitteln sind die Bedingungen der Beseitigung zu beachten, da es sonst häufig zu unerwünschten Korrosionserscheinungen kommt. Eine Besonderheit bilden die Kupfer-Phosphor-Hartlote. Beim Löten von Kupfer wird kein Flussmittel benötigt. Diese Lotgruppe ist selbstfließend und wirkt oxidlösend. Es ist jedoch zu beachten, dass sie nicht für Fe- und Ni-Werkstoffe geeignet sind. Die sich bildenden Eisen- bzw. Nickelphosphide sind extrem spröde und ergeben unbrauchbare Lötungen. Beim Schutzgas- und Vakuumlöten werden ebenfalls keine Flussmittel benötigt. Hier haben die gelöteten Teile eine metallisch saubere Oberfläche und bedürfen kaum einer Nachbehandlung.

Bild 4: Schematische Darstellung des Verhaltens von Flussmitteln beim Löten

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1.17-1 u. 1.17-2 Seite 8

Wirkbereiche der Hartlot-Flußmittel

Typ FH10

Typ FH21

550 °C

800 °C

750 °C

1100 °C

B-Ag 40 ZnCdCu-595/630 (L-Ag 40 Cd)

B-Cu 60 Zn(Si)-875/895 (L-CuZn40)

Arbeitstemperatur 610°C

Arbeitstemperatur 900°C

Bild 5: Wirkbereiche der Hartlot-Flussmittel

Die Bezeichnung der Flussmittel zum Hartlöten (FH) von Schwermetallen und Leichtmetallen (FL) erfolgt nach DIN EN 1045 (s. Anlage). Die Einteilung der Flussmittel zum Weichlöten erfolgt nach DIN EN 29454 Teil 1. Eine Gegenüberstellung zur vormaligen Kennzeichnung nach DIN 8511 Teil 2 ist der Anlage beigefügt.

6. Konstruktive Besonderheiten beim Löten Beim Verbindungslöten macht man sich in der Regel die Kapillarwirkung des Spaltes der Fügestelle zu nutzen (Spaltlöten). Die Spaltbreite ist bei der Konstruktion unter Berücksichtigung der in Betracht gezogenen Lötprozesse und Werkstoffe (unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten) zu gestalten und mit entsprechenden Fertigungstoleranzen zu versehen. D. h. eine Schweißkonstruktion ist selten zugleich eine gute Lötkonstruktion. Während beim Schweißen zum Zweck der Bauteilfixierung die Teile geheftet werden, ist das beim Löten unüblich. Es sind bevorzugt selbstfixierende und selbstzentrierende Fügestellen zu gestalten. In Bild 6 werden einige Fügestellen lötgerechter Konstruktionen dargestellt. Weiterhin ist beim Löten die korrosive Wirkung mancher Flussmittelrückstände und damit deren Beseitigungsmöglichkeit bei der Konstruktion zu berücksichtigen. Günstige Montagespaltbreiten zum Weichund Hartlöten betragen 0,05 mm bis 0,20 mm. Die Festigkeit der Lötverbindung steigt mit Abnahme der Spaltbreite. Eine weitere Verbindungsart stellt das Fugenlöten dar – hierbei wird eine v-förmige Nahtvorbereitung vorgesehen. Anwendung findet dieses Hartlötverfahren beim „Fugenlöten verzinkter Stahlrohre“. Die Handhabung entspricht dem Nachlinksschweißen – die Temperaturverhältnisse entsprechen dem Lötprozess. Die Brennergröße wird gegenüber dem Gasschweißen bei gleicher Rohrabmessung um ein bis zwei Nummern kleiner gewählt.

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Bild 6: Fügestellenausbildung beim Löten

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7. Mechanische Eigenschaften der Lötverbindung Die mechanischen Eigenschaften von Lötverbindungen lassen sich auf konstruktive und fertigungsbedingte Einflüsse zurückführen. Während des Lötprozesses laufen chemische und physikalische Vorgänge ab, z. B. Grenzflächenreaktionen, Diffusion, Kapillarwirkung. Diese Vorgänge laufen im Komplex ab – werden diesbezügliche Einflussfaktoren nicht beachtet, kann es zu Lötfehlern kommen. Eine Lötverbindung besteht aus vier Schichten: 

  

der hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung unveränderte Grundwerkstoff, dessen Gefüge jedoch durch den mit dem Lötvorgang verbundenen Wärmeeintrag rekristallisiert oder umkristallisiert sein kann; die durch das Eindringen des flüssigen Lots in den festen Grundwerkstoff gebildete Diffusionsschicht, die die Korngrenzendiffusion mit einschließt; die Diffusionsschicht, die sich im vorher geschmolzenen Lot gebildet hat; das Lot, das sich während des Lötvorgangs chemisch nicht verändert hat.

7.1 Fertigungsbedingte Einflüsse 7.1.1 Einfluss des Lötverfahrens Der Einfluss verschiedener Lötverfahren auf die mechanische Festigkeit wurde bisher nur in geringem Umfang untersucht. Es wurde jedoch festgestellt, dass bei mechanisierten Lötverfahren die Lötverbindungen eine gleichmäßigere Festigkeit aufweisen als bei manueller Lötung. Mit zunehmender Fertigkeit des Löters ist eine Zunahme der Festigkeit der Lötverbindung festzustellen

7.1.2 Einfluss der Löttemperatur Die Löttemperatur übt einen erheblichen Einfluss auf das Festigkeitsverhalten aus. Das tritt besonders in Verbindung mit der Spaltbreite in Erscheinung. Beträgt die Löttemperatur gerade die Arbeitstemperatur und liegt eine enge Spaltbreite vor, hat das eingebrachte Lot einen geringen Wärmeinhalt und erstarrt schnell. Die Folge ist eine ungenügende Diffusion zwischen Lot und Grundwerkstoff. 

 Bild 7: Einfluss der Löttemperatur auf die Festigkeit von Spaltlötverbindungen [1] a) Messinglot an S235 b) Neusilberlot an S355

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7.1.3 Einfluss der Lötzeit Zur Erzielung einer fachgerechten Lötverbindung muss eine bestimmte Lötzeit eingehalten werden. Zu kurze Lötzeiten können zu Fehlstellen und damit zu verminderten Festigkeitswerten führen. Andererseits führen überhöhte Lötzeiten zur Fortsetzung von Diffusionsvorgängen. Je nach Kristallart können Verfestigungen, eine Versprödung bzw. Lötbrüchigkeit eintreten. 7.2 Konstruktive Einflüsse 7.2.1 Einfluss der Nahtform Je nach konstruktiv ausgeführter Form der Lötstelle ist ein Einfluss auf die erreichte Festigkeit festzustellen. In Bild 8 [2] sind einige Verhältnisse dargestellt. Probenform s = 0,5 mm

Stumpfnaht

Festigkeit δ B kp mm-2 39,0

Schrägnaht α = 30 ° α = 45 ° α = 60 °

33,9 42,5 48,8

überlappte Naht l = 0,5 b l = 1,0 b l = 2,0 b

40,2 35,2 34,3

Schwalbenschwanznaht α = 60 ° α = 75 °

39,5 46,5

Ausführung

Bild 8: Zugfestigkeit von Lötverbindungen verschiedener Nahtformen

Bei schräg zur Beanspruchungsrichtung liegenden Lötnähten verschieben sich gleichzeitig Zug- und Scherbeanspruchung in Abhängigkeit des Winkels. Weitere Einflussfaktoren stellen die  Oberflächenbeschaffenheit (geschliffen, gezahnt u. ä.)  Spaltbreite dar. Bei einem sehr engen Lötspalt (etwa 0,02 mm) wird eine Festigkeitssteigerung erreicht, wenn die Grundwerkstoff-Festigkeit höher als die des Lotes ist. Ein ordnungsgemäß ablaufender Lötprozess wird vorausgesetzt.

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7.2.2 Einfluss der Betriebsbedingungen Bei statischer Langzeitbeanspruchung einer Hartlötverbindung bei Raumtemperatur ist kaum ein Festigkeitsabfall zu erwarten. Bei höheren Betriebstemperaturen findet ein Festigkeitsabfall der Lötverbindung statt (siehe Bild 9).

Bild 9: Zeitstandfestigkeit des Lotes AG 304 nach DIN EN 1044 (L-Ag40Cd nach DIN 8513) in Abhängigkeit der Temperatur [3]

Eine sachgerechte Lotauswahl darf also nicht unterschätzt werden. Sollte kein geeignetes Lot existieren, wird eine konstruktive Änderung und ein Schweißen notwendig sein.

8. Arbeitssicherheit Die zum Löten verwendeten Flussmittel sowie Lotwerkstoffe können aufgrund ihrer Zusammensetzung bzw. Werkstoffeigenschaften bei unsachgemäßer Verwendung zu einer Gefährdung des Löters führen. Bei den Flussmitteln ist unbedingt ein Augen-, Haut- und Schleimhautkontakt zu vermeiden. Die Grundregeln der Arbeitshygiene zum Schutz des Löters sind zu beachten, z. B. Unfallverhütungsvorschrift BGV D1 (bisher VBG 15) „Schweißen, Schneiden und verwandte Verfahren“. Der Flussmittelhersteller stellt dem Anwender seiner Produkte technische Datenblätter mit entsprechenden Verarbeitungshinweisen und Sicherheitsdatenblätter zur Verfügung.

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9. Wichtige Normen und Empfehlungen DIN EN 1044

„Lotzusätze, Hartlöten“, Juli 1999

DIN EN 24063

„Schweißen, Hartlöten, Weichlöten und Fugenlöten von Metallen“ Liste der Verfahren und Ordnungsnummern für zeichnerische Darstellung

DIN EN 29453

„Weichlote“ Chemische Zusammensetzung und Lieferformen

DIN EN 1045

„Flussmittel zum Hartlöten“ Einteilung und technische Lieferbedingungen

DIN EN 29454

„Flussmittel zum Weichlöten“ Einteilung und Anforderungen Teil 1: Einteilung, Kennzeichnung und Verpackung

DIN 2856

Kapillarlötfittings

DVGW-Regelwerk, Arbeitsblatt GW 2 „Verbinden von Kupferrohren für die Gas- und Wasserinstallation innerhalb von Grundstücken und Gebäuden“ DVGW-Arbeitsblatt G 600 „Technische Regeln Gas-Installation“ DVGW-Arbeitsblatt GW 7 „Flussmittel zum Löten von Kupferrohren für die Gas- und Wasserinstallation; Anforderungen und Prüfbestimmungen“ Zimmermann, K. F.: Hartlöten – Regeln für Konstruktion und Fertigung. Fachbuchreihe Schweißtechnik, Bd. 52, Deutscher Verlag für Schweißtechnik GmbH, Düsseldorf 1968 [1] Colbus, J.: Löten, Überblick und Anwendungsstand. Mitt. d. BEFA 14 (1963) 11, S. 1 – 11. [2] Klought, W.: Löten von Stählen mit höherer Festigkeit. Autogene Metallbearbeitung 36 (1943), S. 237 – 248 [3] Wagner, E.: Beitrag zum Zeitstandsverhalten einiger Silberlote. Schweißen und Schneiden 16 (1964) 3, S. 86 - 89

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10. Anlagen Anlage 1: Klasse FH - Flussmittel zum Hartlöten von Schwermetallen nach EN 1045 Typ

Wirktemperaturbereich

Hauptbestandteile

Korrosionsverhalten/ Nachbehandlung

FH 10

550 °C – 800 °C AT > 600 °C

Borverbindungen einfache und komplexe Fluoride

korrosiv/ waschen oder beizen

FH 11

550 °C – 800 °C AT > 600 °C

Borverbindungen einfache und komplexe Fluoride, Chloride

korrosiv/ waschen oder beizen

überwiegend für Cu-AlLegierungen

FH 12

550 °C – 850 °C AT > 600 °C

Borverbindungen elementares Bor einfache und komplexe Fluoride

korrosiv/ waschen oder beizen

rostfreie und hochlegierte Stähle

FH 20

700 °C – 1000 °C AT > 750 °C

Borverbindungen Fluoride

korrosiv/ waschen oder beizen

Vielzweckflussmittel

FH 21

750 °C – 1100 °C AT > 800 °C

Borverbindungen

allg. nicht korrosiv/ mechanisch oder beizen

Vielzweckflussmittel

FH 30

> 1000 °C

Borverbindungen Phosphate Silikate

allg. nicht korrosiv/ mechanisch od. beizen

Kupfer- und Nickellote

FH 40

600 °C – 1000 °C

borfrei Chloride, Fluoride

korrosiv/ waschen oder beizen

wo Anwesenheit von Bor nicht erlaubt ist

Einsatzgebiet

Anlage 2: Klasse FL - Flussmittel zum Hartlöten von Leichtmetallen nach EN 1045 Typ

Wirktemperaturbereich

Hauptbestandteile

Korrosionsverhalten/ Nachbehandlung

FL 10

> 550 °C

hygroskopische Chloride und Fluoride

korrosiv/ waschen oder beizen

FL 20

> 550 °C

nicht hygroskopische Fluoride

Rückstände allgem. nicht korrosiv, wenn sie verbleiben, vor Wasser oder Feuchtigkeit schützen

Bezeichnung:

z. B. Flussmittel EN 1045-FH 20

Lieferformen:

Pulver, Paste, Flüssigkeit Lot-Flussmittelmischungen (als Paste oder Pulver)

Verpackung und Kennzeichnung: In geeigneten Behältnissen und kenntlich gemacht mit: a) b) c) d) e)

Name und Adresse des Lieferanten Handelsname Bezeichnung nach Norm Chargen-Nummer/Los-Nummer Warnung vor Gefahren entsprechend nationaler Vorschriften oder EU-Richtlinien

Anm.: Unter jedem Flussmittel-Kennzeichen sind Flussmittel erhältlich, die sich deutlich unterschiedlich verhalten, z. B. hinsichtlich der Fließfähigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Überhitzung und dem Ausgasungsverhältnis.

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Anlage 3: Einteilung von Weichlötflussmitteln nach ihren Hauptbestandteilen

Flussmittel zum Weichlöten

DIN EN 29454

Einteilung und Anforderungen Teil 1: Einteilung, Kennzeichnung und Verpackung (ISO 9454-1 : 1990) Deutsche Fassung EN 29454-1 : 1993

Teil 1

Ersatz für DIN 8511 T 2/05.88

Flussmitteltyp 1 Harz

2 organisch

Flussmittelbasis

anorganisch

2 ohne Kolophonium (Harz)

1 ohne Aktivator

1 wasserlöslich

2 mit Halogenen aktiviert

A

flüssig

B

fest

C

Paste

1)

3 ohne Halogene aktiviert

1 mit Ammoniumchlorid

1 Salze 2 Säuren 3 alkalisch

1)

Flussmittelart

1 Kolophonium (Harz)

2 nicht wasserlöslich 3

Flussmittelaktivator

2 ohne Ammoniumchlorid 1 Phosphorsäure 2 andere Säuren 1 Amine und/oder Ammoniak

Andere Aktivierungsmittel dürfen verwendet werden.

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Anlage 4: Weichlot - Flussmittel (Einsatzbereiche)

Alt

Neu

DIN 8511

DIN EN 29454 Teil 1 3.2.2.A Stark oxidierte Oberflächen Titanzink, Zink, CrNi-Stahl, Stahl 3.1.1.A CrNi-Stahl, Gusseisen, Bronze, Kupfer Stahl 3.2.1.A CrNi-Stahl, Kupferlegierungen, Kupfer, Stahl

F.SW 11 F-SW 12

reizend

ätzend mod. Harze (nicht für Flammenlötung)

F-SW 21

3.1.1.C

F-SW 22 F-SW 23 F-SW 24

3.1.2.A, C 2.1.2. 2.2.1.

F-SW 25

2.2.2.

F-SW 26 F-SW 27 F-SW 28

1.1.2. 1.1.3.

Kupferlegierungen, Kupfer, (DVGW-GW 2), Stahl Kupferlegierungen, Kupfer, (DVGW-GW 2) Bleilegierungen, Blei Kupfer, Feinlötungen, rückstands freie Flammenlötung Kupfer (DVGW -GW 2), Elektrotechnik Elektronik mit nachfolgender Reinigung

Elektrotechnik, Elektronik Kupfer

F-SW F-SW F-SW F-SW

ätzend

milder werdend Flussmittelrückstände bedingt korrodierend

F-SW 13

31 32 33 34

F-LW 1 F-LW 2 F-LW 3

1.1.3.A

Elektronik

Weichlöten von Leichtmetallen 2.1.2.

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Anlage 5: Arbeitstemperaturbereiche der wichtigsten Lotgruppen

1200 Ni Cr Si Ni Cr B Si

1100

Nickellote 1000

900

Messing und Neusilberlote

800

20Ag Cu Zn 72Ag Cu

700

Ag Cu P

Silberlote

30Ag Cu Zn Cd 600

40Ag Cu Zn Cd

Al-Hartlote

Palladiumlot e

Hartlöten

Ni P

Hochtemperaturlöten

°C

500 450 400

300

Cd/Ag 10 Pb/Ag 5 Pb Pb/Ag 3

200

Sn Sn/3 5 Ag Sn/Pb 60/40

100

Pb/Bi

0

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Anlage 6: Bezeichnungen

Bezeichnung

Der Lotzusatz muss mit der Benennung „Lotzusatz“, der Norm-Nummer „EN 1044“ und einem Kurzzeichen bezeichnet werden. Einzelheiten der drei Möglichkeiten aus dem Kennzeichensystem enthält Anhang A.

Beispielsweise kann für ein Aluminiumhartlot mit 11 % bis 13 % Si-Gehalt nach dieser Norm, eine der folgenden Varianten angewendet werden: BEISPIEL 1:

Lotzusatz EN 1044-AL104 „Lotzusatz“ „EN 1044“ „AL 104“

ist die Benennung ist die Norm-Nummer ist das Kurzzeichen, enthalten in den Tabellen 2 bis 8

BEISPIEL 2:

Lotzusatz EN 1044-B-Al88Si-575/585 „Lotzusatz“ „EN 1044“ „B“ „Al88Si-575/585“

ist die Benennung ist die Norm-Nummer bedeutet Hartlöten ist die Kennzeichnung nach EN ISO 3677

BEISPIEL 3:

Lotzusatz EN 1044-AW4047A „Lotzusatz“ „EN 1044“ „AW 4047A“

ist die Benennung ist die Norm-Nummer ist die europäische Werkstoffbezeichnung

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Anlage 7: Lötverbindungen in der Kältetechnik Werkstoffkombination

Hartlöten Hartlot

Tieftemperatureignung °C

Weichlöten Weichlot

Tieftemperatureignung °C

Kupfer/Kupfer

Überlappverbindung L-CuP6 B-Cu94P-710/890

-20

Überlappverbindung S-Sn97Ag3

-200

L-Ag2P B-Cu92Pag-645/825

-20

S-Sn96Ag4

-200

L-Ag5P B-Cu89Pag-645//815

-40

L-Ag15P B-Cu80AgP-645/800

-70

L-Ag18P B-Cu15AgP-645

-70

L-Ag34Sn B-Cu36AgZnSn-630/730

-200

L-Ag40Sn B-Ag40CuZnSn-650/710

-200

L-Ag45Sn B-Ag45CuZnSn-640/680

-200

L-Ag55Sn B-Ag55CuZnSn-630/660

-200

Stumpfverbindung L-Ag44 B-Ag44CuZn-675/735

Kupfer/Messing

wie bei Kupfer/Kupfer jedoch bei P-haltigen Loten zusätzlich Flussmittel FH 10 notwendig

Kupfer/Stahl (ferritisch)

Überlappverbindung L-Ag34Sn B-Cu36AgZnSn630/730

-200

wie bei Kupfer/Kupfer

-200

Überlappverbindung S-Sn97Ag3

-200

L-Ag40Sn B-Ag40CuZnSn-650/710

-200

S-Sn96Ag4

-200

L-Ag45Sn B-AG45CuZnSn-640/680

-200

L-Ag55Sn B-Ag55CuZnSn-630/660

-200

Stumpfverbindung L-Ag44 B-Ag44CuZn-675/735

-200

L- ... Bezeichnung nach DIN 8513 B- ...Bezeichnung nach DIN EN ISO 3677 S- ...Bezeichnung nach DIN EN 29453

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Tabelle 1:

Seite 20

Löteignung der Werkstoffe

Gruppe 1 Werkstoffe, die mit Universalloten und Universalflussmitteln sowie allen üblichen Verfahren gelötet werden können, z. B.: Kupfer und Kupferlegierungen Eisenwerkstoffe Cobalt Nickel und Nickellegierungen beliebige Stähle Edelmetalle Tabelle 1.1

Vorschläge zur Lot-, Flussmittel- und Verfahrenswahl (für Werkstoffe der Gruppe 1)

Werkstoffe

Hartlöten Hartlote

Kupfer

Kupferlegierungen

Nickel und Nickellegierungen, Eisenwerkstoffe, beliebige Stähle, Cobalt Chrom- und Chrom-Nickellegierungen Edelmetalle

Flussmittel

DIN 8513 L-Ag2P L-CuP6 L-Ag56Sn L-Ag 44 L-Ag2P L-Ag56Sn L-Ag44 L-Ag56Sn L-Ag44 L-Ag40Cd L-CuZn40 L-CuNi10Zn42 L-Cu

EN 1044 CP 105 CP 203 AG 102 AG 203 CP 105 AG 102 AG 203 AG 102 AG 203 AG 304 CU 301 CU 305

L-Ag56Sn L-Ag45inNi L-Ni7/I-Ni2 L-Ag72/L-Cu L-Ag56Sn L-Ag60 L-Ag72 Goldlote

AG 102 AG 403 —

1)

Lötverfahren

2)

Weichlote DIN 1707

EN 29453

L-SnCu3 L-SnAg5 L-Sn50Pb

Nr. 24 Nr. 18 Nr. 3

L-Sn50Pb L-SnAg5 L-SnCu3

Nr. 3 Nr. 18 Nr. 24

Flussmittel

Lötverfahren

3)

4)

F-SW21 F-SW31

3.1.1.C

Flammlöten/Widerstandslöten/Kolbenlöten/ Warmgaslöten

3.1.1.A 3.1.1.C

Flammlöten/Widerstandslöten/Kolbenlöten/Warmgaslöten Ofenlöten (Atmosphäre)

3.2.2.A

Flammlöten/Widerstandslöten/Kolbenlöten/Warmgaslöten Ofenlöten (Atmosphäre)

3.1.1.C

Flammlöten/-Widerstandslöten/Kolbenlö-ten/Warmgaslöten Ofenlöten (Atmosphäre)

— F-SH 1

FH 10

F-SH 1

FH 10

F-SH1

FH 10

F-SH 2

FH 21

—

AG 102 AG 202 AG 401

Weichlöten

F-SH 1

F-SH 1

FH 10

FH 10

Flammenlöten/ Induktionslöten/ Widerstandslöten/ Schutzgasofenlöten Flammlöten/Induktionslöten/Widerstandslöten/ Ofenlöten (Atmosphäre)

L-CdZnAg3

Schutzgasofenlöten Vakuumofenlöten Flammlöten/Induktionslöten/ Widerstandslöten Schutzgasofenlöten/Vakuumofenlöten Flammlöten/ Induktionslöten/Widerstandslöten/Ofenlöten (Atmosphäre) Schutzgasofenlöten

L-SnAg5

L-SnAg5

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Nr. 18

Nr. 18

F-SW 12 F-SW 21

F-SW 11

F-SW 21

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Tabelle 1

Seite 21

Löteignung der Werkstoffe

Gruppe 2 Werkstoffe, die Speziallote und/oder Spezialflussmittel, jedoch keine speziellen Verfahren erfordern, z. B. Aluminium und Aluminiumlegierungen Chrom, Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob Hartmetalle, Stellite weichlotähnliche Werkstoffe Tabelle 1.2

Vorschläge zur Lot-, Flussmittel und Verfahrenswahl (für Werkstoffe der Gruppe 2)

Werkstoffe

Hartlöten Hartlote

Aluminium und Aluminiumleg. (m. Magnesiumund/oder Siliziumgehalten von höchstens 2 %) Hartmetalle, Stellite

Chrom, Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob Zink, Antinom Blei, Wismut, Zinn

Flussmittel 1)

Lötverfahren

2)

DIN 8513

EN 1044

L-AlSi 12

Al 104

F-LH 1

FL 10 FL 20

L-Ag50CdNi L-Ag49 (evtl. als „Schichtlot“) L-Ag 27 L-CuNi10Zn42 L-Cu (evtl. mit Nickelnetz) L-Ag 49

AG 351 AG 502

F-SH 1

FH 10

F-SH 2

FH 21

Cu 305

Weichlöten Weichlote DIN 1707 Flammlöten/Induktionslöten/Widerstandslöten/ Ofenlöten (Atmosphäre)

EN 29453

Flussmittel 3)

Lötverfahren

4)

L-SnAg 5 L-CdZn 20

Nr. 18

F-LW 1

Flammlöten/Induktionslöten/ Widerstandslöten/Ofenlöten (Atmosphäre)/Schutzgasofenlöten

—

—

—

—

—

Flammlöten/Induktionslöten/ Widerstandslöten/Ofenlöten (Atmosphäre), Schutzgasofenlöten

—

—

—

—

—

Nr. 5 Nr. 18

F-SW 12

3.1.1.A

F-SW 12

3.1.1.A

2.1.2

Kolbenlöten/Widerstandslöten/Warmgaslöten

— AG 502

Cu87MnCo (nicht genormt) —

—

—

—

F-SH 1

FH 21

F-SH 2

FH 21

—

—

—

L-Sn40Pb L-SnAg5

—

—

—

L-SnPbCd 18

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Flammlöten/Widerstandslöten/Kolbenlöten, Warmgaslöten Flammlöten/Widerstandslöten/Kolben-Warmgaslöten

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Tabelle 1

Seite 22

Löteignung der Werkstoffe

Gruppe 3 Werkstoffe, die nur unter Verwendung spezieller Lote und spezieller Verfahren gelötet werden können, z. B. Titan Beryllium Zirkonium Metalloxidkeramiken Tabelle 1.3

Vorschläge zur Lot-, Flussmittel und Verfahrenswahl (für Werkstoffe der Gruppe 3)

Werkstoffe

Hartlöten Hartlote DIN 8513

Titan

Zirkonium, Beryllium Grafit, Metalloxidkeramiken

1) 2) 3) 4)

L-Ag72 Ag58CuPd (nicht genormt) Ag58CuPd (nicht genormt) AgCuTi (nicht genormt)

Flussmittel

Weichlöten Lötverfahren

EN 1044 AG 401

Weichlote DIN 1707

Flussmittel

Lötverfahren

EN 29453

—

—

Schutzgasofenlöten (Argon)/ Vakuumofenlöten

—

—

—

—

—

—

—

Schutzgasofenlöten (Argon)/ Vakuumofenlöten

—

—

—

—

—

—

—

Schutzgasofenlöten (Argon)/ Vakuumofenlöten

—

—

—

—

—

DIN 8511 T. 1 DIN EN 1045 DIN 8511 T. 2 DIN EN 29454

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Kunststoffschweißen I und II

0 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung 2. Grundlagen der Kunststoffe 3. Kunststoffe und ihre Schweißeignung 4. Schweißverfahren 5. Prüfen der Schweißnähte 6. Hinweise, Ausbildung und Prüfung 7. Literatur

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1 1 1 3 4 15 16 17

1. Einführung Um Schweißverbindungen von Kunststoffen herstellen zu können, ist das Wissen um die Grundlagen nicht nur der Schweißverfahren, sondern auch der Kunststoffe überhaupt unbedingt Voraussetzung. Deshalb soll zunächst der Aufbau und das Verhalten der Kunststoffe aufgezeigt werden. So wie beim Schweißen von Metallen ein grundsätzlicher Unterschied zwischen Stahl und Aluminium besteht, so sind auch bei den Kunststoffen die oft sehr unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften zu beachten. Das Herstellen der Schweißverbindung erfordert trotz aller Vereinfachung und auch Automatisierung immer eine gewisse handwerkliche Fertigkeit. Deshalb muss die sorgfältige und gründliche Ausbildung im Vordergrund stehen, damit Fehler ausgeschlossen bleiben. Dabei ist es gleichgültig, ob eine Verbindung durch Schweißen oder Kleben hergestellt wird, ob sie geschraubt oder gesteckt wird. Eine Überwachung bzw. Überprüfung der Schweißer in bestimmten Zeitabständen, wie sie bei der Kunststoffschweißerprüfung und den Gasrohrlegern durchgeführt wird, ist wichtig, um eine gleichbleibende und dem Stand der Technik angepasste Qualität der Kunststoffverbindungen sicherzustellen.

2. Grundlagen der Kunststoffe Die Ausgangsstoffe für die Kunststofferzeugnisse enthalten fast immer chemische Verbindungen des Kohlenstoffs C: z.B. Erdöl, Erdgas, Holz, Kohle, Äthan, d.h. die Kunststoffe gehören zum Bereich der organischen Chemie. In diesen Stoffen enthaltene ungesättigte Verbindungen, z.B. Äthylen oder Vinylchlorid (Einzelmoleküle, Monomere), werden mit Hilfe der Chemie zu Makromolekülen, z.B. Polyethylen PE oder Polyvenylchlorid PVC (Großmoleküle, Polymere) zusammengekettet. Es entstehen sogenannte Faden- oder Kettenmoleküle. Den Übergang vom monomeren Ausgangsstoff (meist gasförmig oder flüssig) zum polymeren Kunststoff nennt man Polymerisation. Weitere Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen sind Polyaddition und Polykondensation. Die Anordnung der Kettenmoleküle kann man sich bei PVC wie die Fäden in einem Filz oder Wattebausch vorstellen; dieser Werkstoff hat ein sogenanntes amorphes Gefüge (amorph = wirr, regellos). Im Gegensatz dazu liegen bei PE teilkristalline, d.h. teilweise geordnete Bereiche vor. Die Festigkeit der Kunststoffe kommt durch zwei verschiedene Kräfte zustande: 1. Chemische, innermolekulare Kräfte; diese halten das Fadenmolekül zusammen. 2. Physikalische, zwischenmolekulare Kräfte; diese halten die Fäden im Werkstoffverbund zusammen.

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2.1 Thermoplaste Durch die Verknäulung der Kettenmoleküle, d.h. Behinderung der Molekülbeweglichkeit, sind Kunststoffe bei Erwärmung nicht wie Wasser fest – flüssig – gasförmig, sondern sie haben kontinuierlich ineinander übergehende Zustandsbereiche: hart – thermoelastisch – thermoplastisch. Charakteristisch für alle Thermoplaste ist, dass sie bei Abkühlung wieder hart werden, d.h. die zwischenmolekularen Bindungskräfte werden bei Erwärmung bis zum thermoplastischen (= schweißbaren) Zustand aufgehoben, bei Abkühlung wieder wirksam. Wichtig: Nur thermoplastische Kunststoffe sind schweißbar; unterschiedliche Thermoplaste sind nicht miteinander verschweißbar (Ausnahmen: PVC hart mit PVC weich, PVC hart mit PMMA). Der plastische Zustand der Fügeflächen kann auch durch Lösungsmittel erreicht werden. Die hierdurch auf kaltem Weg erzeugte unlösbare homogene Verbindung nennt man in der Fachsprache sowohl Schweißen (Lösungsmittelschweißen, Quellschweißen) als auch Kleben. 2.2 Elastomere Durch Querverbindungen zwischen den Fadenmolekülen (chemische Vernetzung) entsteht ein sogenanntes Raumnetzmolekül. Diese Kunststoffe mit weitmaschiger Vernetzung nennt man Elastomere. Sie haben die Zustandsbereiche hart und elastisch, z.B. Gummidichtungen, Autoreifen. 2.3 Duroplaste Durch starke Vernetzung entsteht ein engmaschiges Raumnetzmolekül, bei dem durch Erwärmung kein Erweichen mehr möglich ist. Diese Duroplaste sind hart bis zur Zersetzung. Beispiele: Steckdosen, Dekorplatten, glasfaserverstärkte Boote. Elastomere und Duroplaste sind aufgrund der chemischen Vernetzung nicht schweißbar. Grundsätzlich gilt für alle Kunststoffe: Bei unzulässig hoher thermischer Erhitzung werden sie durch Aufspaltung der Makromoleküle zerstört, die Kunststoffe werden zersetzt und verbrennen.

☞ Ketten- oder Fadenmoleküle

(I) (I)Thermoplaste: Thermoplaste: a) linear

b) verzweigt : Monomer

(II) (II)Duroplaste: Duroplaste:

☞ Netzmoleküle

räumlich eng vernetzt

(III) (III)Elastomere: Elastomere:

☞ Netzmoleküle

räumlich weitmaschig vernetzt

Bild 1: Einteilung der Kunststoffe

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3. Kunststoffe und ihre Schweißeignung Die Auswahl des Kunststoffs für die Schweißkonstruktion, z.B. eine Rohrleitung, ergibt sich aus ihren Betriebsbedingungen unter Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit, chemische und thermische Beständigkeit, der geforderten Sicherheit und der Wirtschaftlichkeit. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass durch gezieltes Verändern der Eigenschaften, d.h. durch Modifizieren, die vielfältigsten Kunststoffarten hergestellt werden können. Deshalb soll hier vorab eine kurze Übersicht über die wichtigsten Kunststoffe gegeben werden. Tabelle 1: Übersicht gängiger Kunststofftypen Werkstoffvariationen Polyvinylchlorid

PVC

PVC-U PVC-P PVC-C

PVC hart PVC weich chloriertes PVC

Polyethylen

PE

PE-HD PE-LD

PE hart PE weich

Polypropylen

PP

PP-H PP-B PP-R

Homopolymerisat Block - Copolymerisat Random - Copolymerisat

Polyvinylidenfluorid

PVDF

Acrylnitril-Butadien-Styrol Acrylnitril-Styrol-Acrylester

ABS/ASA

Polymethylmethacrylat (Acrylglas)

PMMA

Glasfaserverstärkte Kunststoffe

GFK

Verbundwerkstoffe

Auf nähere Angaben zu DIN-Normen bzw. Güterichtlinien zu den Werkstoffen wird wegen der Fülle der vorhandenen Normen bewusst verzichtet. Sie sind in den einschlägigen Normenbüchern, z.B. im DIN-Taschenbuch 52, zusammengestellt. Nachfolgend sind die wichtigsten Rohrwerkstoffe mit einigen ihrer charakteristischen Eigenschaften aufgeführt. PVC hart, das bereits seit den 30er Jahren eingesetzt wird, ist ein sehr vielseitig verwendbarer thermoplastischer Kunststoff; PVC-C eignet sich für Rohrleitungen bei erhöhten Betriebstemperaturen (bis 90 °C). PVC ist schweißbar und aufgrund seiner Polarität und Löslichkeit sehr gut klebbar. Einsatzgebiete sind Druckrohre in der Gas- und Wasserversorgung, Abwasserrohre, Kanalrohre, Brunnenrohre, Klimaanlage, Labor, Industrie, Pharmazeutik, Lebensmittelindustrie. Aus der Gruppe der Polyolefine stellen PE und PP heute die wichtigste Werkstoffgruppe dar. Aufgrund ihrer Unpopolarität, bedingt durch die Molekülstruktur, eignen sie sich nicht oder sehr schlecht zum Kleben. Die Polyolefine lassen sich jedoch sehr gut verschweißen. Es sind verschiedene Polyethylensorten auf dem Markt, z.B. HDPE Typ 1, HDPE Typ 2. Um Aussagen über die Schweißbarkeit der PE-Sorten zu erhalten, bestimmt man das Fließverhalten von PE im thermoplastischen Zustand. Als Maß dient der Schmelzindex MFI (melt flow index) nach DIN 53735. Die Einteilung der MFI-Werte in Gruppen wurde in DIN 16776, Teil 1 vorgenommen. Die Angabe des MFI-Wertes ist Bestandteil der Kennzeichnung, insbesondere bei Rohren.

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Tabelle 2: Gruppeneinteilung des Schmelzindexes (MFJ) bei PE-HD HDPE-Rohre Typ 1 X X X

DIN 16 776 Teil (Auszug) MFI 190/5

Typ 2

MFI-Gruppe

g/10 min

X X X

003 005 010 020 050

> 0,1 ... 0,4 > 0,4 ... 0,7 > 0,7 ... 1,3 > 1,3 ... 3,0 > 3,0 ... 7,0

Nach der maßgeblichen Richtlinie DVS 2207, Teil 1 für das Verschweißen von PE - HD kann bei den MFI-Gruppen 005 und 010 von einer Eignung zum Verschweißen untereinander ausgegangen werden unter Beachtung der in diesem Merkblatt gegebenen Richtlinien. Rohre und Rohrleitungsteile, die außerhalb der vorgenannten MFI-Gruppen liegen, können im Grundsatz nur innerhalb der jeweiligen Materialsysteme geschweißt werden. In Zweifels- oder Grenzfällen ist eine entsprechende Unbedenklichkeitsbescheinigung einzuholen. Einsatzgebiete der Polyolefine sind Gasrohre (nur PE-hart, gelb eingefärbt), Wasser- und Chemierohre, Kabelschutzrohre, Abflussrohre, Siloanlagen und allgemein im Apparatebau der chemischen Verfahrenstechnik. PVDF ist ein sehr guter wärme- und chemikalienbeständiger Thermoplast, der gut schweißbar, aber nur bedingt klebbar ist (einsatzfähig zwischen + 150 °C und - 60 °C). ABS/ASA zeichnet sich durch seine gute Wärmeformbeständigkeit aus. Der Werkstoff ist zwar schweißbar, jedoch herrschen hier neben den Steckverbindungen die Klebverbindungen wie bei PVC vor. PMMA/AMMA wird überwiegend im chemischen Apparatebau eingesetzt, wo ihre Lichtdurchlässigkeit von Vorteil ist, zum Beispiel im Versuchs- und Laborbereich. Sie sind nicht oder nur schwer schweißbar, dafür aber sehr gut klebbar. GFK sind vernetzte, ausgehärtete, mit Glasfasern verstärkte Kunststoffe, in der Regel ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze) oder Epoxidharze (EP-Harze), die sich aufgrund ihrer duroplastischen Molekülstruktur nicht schweißen lassen. Die GFK-Bauteile werden im flüssigen oder postösem Ausgangszustand durch Laminieren in Positiv- oder Negativformen hergestellt. Nach dem Aushärten (Vernetzen) und Entformen können sie nur mechanisch bearbeitet werden. Verbindungen lassen sich herstellen durch Kleben oder Überlaminieren der Nahtstellen; GFK-Rohre werden darüber hinaus auch durch Schraubmuffen und Schraubflansche verbunden. Verbundwerkstoffe sind solche, bei denen man bestimmte Eigenschaften der Kunststoffe mit denen anderer oder mit metallischen Werkstoffen kombiniert. Für ihre Verbindungsart sind deshalb die verwendeten Werkstoffe und ihre Kombinationen maßgebend.

4. Schweißverfahren Alle Kunststoffschweißverfahren gehören nach DIN 1910 zu den Pressschweißverfahren. Beim Schweißprozess wird das thermoplastische Material an der Fügestelle erhitzt und mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff unter Druck zusammengefügt. Von den im Rohrleitungs- und Apparatebau am häufigsten eingesetzten Werkstoffen PVC, PE und PP lassen sich die Polyolefine aufgrund ihrer Struktur und Molekularmasse besonders gut verschweißen.

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Die nachfolgend aufgeführten wichtigsten Schweißverfahren werden nach der Art der Wärmeaufbringung aufgeteilt. Schweißen durch festen Körper Heizelementschweißen

Schweißen durch elektrischen Strom Hochfrequenzschweißen

Schweißen durch Bewegung Ultraschallschweißen

Schweißen durch Strahl

Reibschweißen

Warmgasschweißen

Indirektes Heizelementschweißen

Direktes Heizelementschweißen HE-Stumpfschweißen

Heizwendelschweißen

Heizelementimpulsschweißen

HE-Nutschweißen

Heizkeilschweißen

Heizelementkontaktschweißen

HeizTrennahtschweißen

HeizelementRollbandschweißen

HE-Schwenkbiegeschweißen

LichtstrahlExtrusionsschweißen

Schweißen durch Gas

WarmgasFächelschweißen WarmgasZiehschweißen WarmgasÜberlappschweißen WarmgasExtrusionsschweißen

HE-Muffenschweißen

nach DIN 1910, T3

Bild 2: Einteilung der Schweißverfahren beim Kunststoffschweißen

Wichtige Schweißparameter sind: - Temperatur:

Die Fügeteiloberflächen werden durch Wärmeenergie (Heißluft, Heizelemente, Reibung) in den thermoplastischen Zustand gebracht. Offene Flammen sind zur Erwärmung nicht gestattet, da die Kunststoffe sonst aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit an der Oberfläche verbrennen, bevor die Wärme tief genug eingedrungen ist. Ebenso ist Zwangsabkühlung durch Wasser oder Pressluft u.U. gefährlich, da sie zum Einfrieren von Spannungen (Schweißrestspannungen) führt, die das Bauteil und den Werkstoff unzulässig hoch belasten.

- Druck:

Das Ineinandergleiten der Molekülfäden muss durch Aufbringen von Druck unterstützt werden, da die Kunststoffschmelzen zähflüssig sind.

- Zeit:

Aufgrund der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe ist die Zeitdauer der Wärmeaufbringung und Abkühlung sorgfältig zu beachten. Bei zu langer Einwirkung der Schweißtemperatur besteht die Gefahr der thermischen Schädigung; zu beachten ist auch die Dehnung bzw. Schwindung der Kunststoffe beim Erwärmen oder Abkühlen, da sie erheblich größer ist als bei Metallen.

Zum Stand der Technik gehört, dass die Schweißgeräte, soweit an ihnen Schweißparameter einstellbar sind, elektronisch geregelt und z.T. auch vollautomatisch arbeiten. Im folgenden werden die wichtigsten Schweißverfahren vom jeweiligen Prozessablauf beschrieben. 4.1 Heizelementschweißen Als Wärmeträger dient ein meist elektrisch beheiztes Heizelement, das mit einer Antiadhäsivschicht aus PTFE versehen ist, um ein Anhaften des thermoplastischen Materials zu verhindern. Beim direkten Heizelementschweißen befindet sich das Heizelement zwischen den Fügeflächen, beim indirekten wird die Wärme durch ein Fügeteil hindurch in die Fügefläche übertragen. Aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe eignet sich das indirekte Heizelementschweißen damit nur zum Verschweißen dünnerer Folien.

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Werkstück

Heizelement Heizelement

S Werkstück

Werkstück Werkstück

S ≤ 0,15 mm

Direktes Verfahren

Indirektes Verfahren

Bild 3: Verfahrensvarianten beim Heizelementschweißen

4.1.1 Heizelementstumpfschweißen Das Heizelementstumpfschweißen kann manuell und maschinell durchgeführt werden, wobei Druckrohre nur maschinell verschweißt werden dürfen. Wesentliche Punkte hierbei sind, dass die vorher gesäuberten Schweißflächen der zu verschweißenden Teile zum Angleichen mit hohem Druck gegen ein elektrisch beheiztes Heizelement gedrückt werden. Hierdurch werden evtl. vorhandene Unebenheiten und Riefen aufgeschmolzen. Anschließend werden die Fügeflächen bei reduziertem Druck am Heizelement eine genau definierte Zeitspanne angewärmt. Dann wird das Heizelement schnell von den Schweißflächen gelöst und die Rohrenden werden zügig unter einem Druck von 0,15 N/mm2 Schweißfläche gefügt. Die geschweißten Teile sollten bis zur völligen Abkühlung unter Fügedruck in der Einspannung verbleiben. Der Schweißablauf wird im DVS Merkblatt 2207, Teil 1 für Rohre aus PE-HD in chronologischer Reihenfolge, ähnlich einer Checkliste vorgegeben.

Heizelement

Nutzfläche

Rohr A

Rohr B

Fügedruck Rohr A

Rohr B

Schweißnaht

Bild 4: Prinzip des Heizelementstumpfschweißens (Rohrverbindung)

Tabelle 3: Schweißparameter beim Heizelementstumpfschweißen (Richtwerte) Werkstoff

Polyethylen hart 0,954 Polyethylen weich 0,035 Polypropylen Polyvinylchlorid, schlagzäh

Temperatur Heizelement °C

Anwärmzeit

Schweißdruck

s

Anpressdruck bei Anwärmbeginn 2 N/mm

200 180 210 225

30 bis 60 20 bis 60 30 bis 120 20 bis 60

0,05 0,05 0,075 0,075

0,15 0,10 0,15 0,20

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N/mm

2

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Entsprechende Tafel- oder Rohrschweißmaschinen sind in vielen Größen und Ausführungen im Handel, an denen die erforderlichen Schweißparameter, Temperatur, Druck und u.U. auch Zeiten, genau einstellbar sind. Nachfolgend sind die häufigsten Fehlerursachen beim Heizelementstumpfschweißen aufgeführt:

☞ Keine visuellen und maßlichen Kontrollen an den Rohren bzw. anderen Bauteilen ☞ Kein Absägen der (eingefallenen) Rohrenden ☞ Zu schwache oder zu wenig Halterungen an den Schweißmaschinen ☞ Kein Kalibrieren und Überprüfen der Heizelementtemperatur ☞ Falsche Rohrabstützung ☞ Kein Absuchen des Rohrgrabens auf spitze Gegenstände (Steine, Scherben und ähnliches) ☞ Unzureichender Witterungsschutz ☞ Falsche Schweißparameter

4.1.2 Heizelementmuffenschweißen Das Heizelementmuffenschweißen (z.B. für PE-HD- und PP-Rohre) kann ebenfalls manuell (bis 63 mm Durchmesser) und maschinell durchgeführt werden. Die Verbindung erfolgt immer über im Spritzguss hergestellte Fittings, z.B. Muffen, Winkel- und T-Stücke. Durch das mit einer Heizbuchse und einem Heizstutzen versehene Heizelement werden die Innenfläche des Fittings und die Außenfläche des Rohres plastifiziert. Anschließend wird das Heizelement schnell entfernt, Rohrende und Muffe werden ohne Verdrehen ineinandergeschoben und dadurch überlappend verschweißt.

Rohr

Muffe

Heizelement

Schweißen

Ineinanderschieben Muffe

Heizbuchse

Heizdorn

Rohr

Schweißnaht

Bild 5: Prinzip des Heizelementmuffenschweißens

Da die Fügeteile maßlich aufeinander abgestimmt sind, baut sich ein Fügedruck auf. Grundsätzlich sind die Herstellerangaben exakt zu beachten. Das Reinigen des Heizelements und der Fügeflächen mit nichtfaserndem Papier und Reinigungsmittel (z.B. Spiritus) ist, wie auch bei allen anderen Schweißverfahren, obligatorisch. Bild 6 zeigt die entsprechende Rohrvorbereitung und Fehlereinflüsse bei unzulänglicher Schweißung.

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b

l

Rohrdurchmesser d 16. . .50 mm 50...125 mm

Seite 8

Anfaslänge Einstecktiefe b l 2 mm 13...20 mm 3 mm 26...38 mm

d

etwa 15°

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Rohrvorbereitung

Querschnittsverminderung durch übermäßigen Schweißwulst

Richtig

Falsch Fehler: zu lange Erwärmzeit, beim Erwärmen und Schweißen zu weit eingeschoben

Bild 6: Fehlereinflüsse beim Heizelementmuffenschweißen

4.1.3 Heizwendelschweißen Das Heizwendelschweißen ist sehr einfach zu handhaben und wird deshalb bevorzugt auf der Baustelle zum Verbinden von PE-Rohren bis 160 mm Durchmesser eingesetzt. An die Stelle eines Heizelements tritt hier eine in die Muffe fest eingelegte Heizwendel, die elektrisch beheizt wird und in der Schweißzone verbleibt. Heizwendel Rohr

Muffe

Ineinanderschieben

Schweißen

Bild 7: Prinzip des Heizwendelschweißens

Ein Schweißtransformator liefert den auf den entsprechenden Rohrdurchmesser und die Wanddicke abgestimmten Schweißstrom. Die Schweißzeit wird automatisch geregelt, so dass die Schweißzone genügend hoch und genügend lange erwärmt wird. Der Fügedruck entsteht beim Schrumpfen des Fittings. Das Heizwendelschweißen wird für Anbohr- und Muffenschellen bis 225 mm Durchmesser ausgeführt. Das Verfahren wird im chemischen Apparatebau seltener angewendet, da es möglich ist, dass aggressive Medien die Heizwendel zerstören und so die Verbindung undicht machen.

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Nachfolgend sind die häufigsten Fehlerursachen beim Heizwendelschweißen aufgeführt: ☞ Keine visuellen und maßlichen Kontrollen an den Rohren bzw. anderen Bauteilen ☞ Kein Absägen der (eingefallenen) Rohrenden ☞ Kein Temperaturangleich der Systemkomponenten ☞ Unzureichendes Reinigen der Rohre bzw. anderen Bauteilen ☞ Keine oder zuviel mechanische Oberflächenbearbeitung ☞ Kein Anzeichnen der Einstecktiefe mit der Folge fehlerhafter Verbindungen ☞ Falsche Rohrabstützung ☞ Kein Absuchen des Rohrgrabens auf spitze Gegenstände (Steine, Scherben o.ä.) ☞ Unzureichender Witterungsschutz ☞ Verwendung falscher Schweißparameter bzw. nicht zum Bauteil passender Magnetkarten

4.1.4 Weitere Verfahrensvarianten des Heizelementschweißens

= Schweißnaht

Nutzfläche

Heizelement

+

Werkstück

Heizelement

Werkstück

Nachfolgend sind weitere Verfahrensvarianten des Heizelementschweißens mit weniger verbreiteten Einsatzgebieten aufgeführt.

Schweißnaht Nutzfläche

Werkstück

Heizelement

Werkstück

Wärmen

Warmeindrücken

Schweißen

Bild 8: Prinzip des Heizelementnutschweißens

Warmeindrücken

Transport- und Andrückrollen

Trennfolie

Nutzfläche Heizelement Stempel

Bild 10: Prinzip des Heizkeilschweißens

Nutzfläche Werkstück

Werkstück Werkstück

Schweißnaht

elastische Wärmeisolierung Heizelement

Nutzfläche

Werkstück

Schwenkbiegen und Schweißen

Bild 9: Prinzip des Schwenkbiegeschweißens

Stempel

Heizkeil

Werkstück

Schweißnaht Trennfolie elastische Wärmeisolierung

Bild 11: Prinzip des Wärmeimpulsschweißens

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4.2 Warmgasschweißen Während das Heizelementschweißen ohne Zusatzwerkstoff ausgeführt wird, wird beim Warmgasschweißen ein plastifizierter Schweißstab (bei harten Thermoplasten) bzw. eine Schweißschnur (bei weichen Thermoplasten), aus demselben Grundwerkstoff in die Schweißnaht eingedrückt. Das geschieht, von wenigen Ausnahmen abgesehen, von Hand. 4.2.1 Fächel-, Zieh- und Überlappschweißen Die erzielte Schweißnahtgüte hängt hierbei sehr stark vom handwerklichen Können des Schweißers ab. Da die Schweißparameter selten so exakt wie erforderlich eingehalten werden können, ist die Schweißnahtfestigkeit u.U. nicht ausreichend, so dass Kunststoffrohre für die Wasser- und Gasversorgung nicht durch Warmgasschweißen verbunden werden dürfen. Drucklose Rohre, z.B. Abluftleitungen, können dagegen gut warmgasgeschweißt werden. Man unterscheidet hierbei das Warmgasfächelschweißen, das eine Schweißgeschwindigkeit bis zu 25 cm/min erlaubt und das Schweißen mit Zieh- oder Schnellschweißdüsen (Warmgasziehschweißen), bei denen die Schweißgeschwindigkeit 40 bis 100 cm/min betragen kann.

Schweißzusatz

Warmgas Schweißnaht Schweißgerät

Werkstück

Bild 12: Prinzip des Warmgasfächelschweißens (links) und des Warmgasziehschweißens (rechts)

Die nachfolgende Tabelle gibt Richtwerte für Schweißtemperaturen beim Warmgasschweißen für die zugeführte Warmluft sowie für den jeweiligen Werkstoff an. Tabelle 4: Richtwerte für Schweißtemperaturen beim Warmgasschweißen Werkstoff PVC hart PVC schlagfest PVC C PVC weich PP PE hart PE weich

Werkstofftemperatur mind. °C

Schweißgastemperatur °C

160 160 200 150 175 150 120

300 bis 350 300 bis 350 350 bis 380 250 bis 300 240 bis 280 220 bis 260 190 bis 240

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Die untenstehenden Bilder zeigen typische Beispiele einiger Stoß- und Nahtausführungen für das Warmgasschweißen.

Bild 13: Stoß- und Nahtausführungen beim Warmgasschweißen

Warmgasziehschweißen wird bei langen Nähten und Rohren mit großem Durchmesser angewendet, während für Zwangspositionen und bestimmte Kehlnahtformen das Warmgasfächelschweißen eher in Frage kommt. Die folgende Tabelle zeigt den Vergleich der Schweißgeschwindigkeit bei den beiden Verfahrensvarianten. Tabelle 5: Geschwindigkeitsvergleich zwischen Warmgasfächel- und Warmgasziehschweißen Werkstoff

Fächelschweißen

Ziehschweißen

PVC hart

15 bis 25

50 bis 70

PVC schlagzäh

15 bis 25

50 bis 70

5 bis 10

15 bis 35

PE weich

10 bis 20

50 bis 70

PE hart

10 bis 20

40 bis 60

PP

15 bis 20

50 bis 70

PVC C

Zusatzstabdurchmesser: 3 mm Angabe in cm/min

Das Warmgasüberlappschweißen wird bei Dach- und Dichtungsbahnen (Deponieabdichtungen) ohne Zusatzwerkstoff für Überlappnähte eingesetzt und findet vorrangig bei PVC-Folien oder -bahnen seine Anwendung. Der Warmgasstrahl wird durch eine Breitschlitzdüse zwischen den Stoßflächen der sich überlappenden Fügepartner geführt. Eine zylindrische Andrückrolle sorgt für das Aufbringen des Fügedruckes.

Bild 14: Warmgasüberlappschweißen

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4.2.2 Extrusionsschweißen Das Warmgasextrusionsschweißen wird in mehreren Verfahrensvarianten angewendet. Hiermit können Nähte von 25 mm Wanddicke und mehr in einer einzigen Schweißlage hergestellt werden. Die in einem Hand- oder Standextruder plastifizierte Kunststoffmasse wird über einen Schweißschuh in die mit Warmgas vorgewärmte Schweißnaht eingedrückt. Das Verfahren ist wirtschaftlich, wenn lange Nähte an dicken Grundwerkstoffen herzustellen sind.

Bild 15: Warmgasextrusionsschweißen

Nachfolgend sind die häufigsten Fehlerursachen beim Warmgasextrusionsschweißen aufgeführt:

☞ Ungleichmäßiges oder mangelhaftes Vorwärmen ☞ Falsche Schweißeinstellung, unpassende Geometrie von Düse oder Schweißschuh ☞ Feuchtigkeit oder Schmutz in der Schweißnaht ☞ Falsche bzw. nicht überprüfte Temperaturen am Schweißgerät ☞ Unsachgemäße Führung des Schweißgeräts ☞ Ungenügendes Reinigen des Schweißgeräts bei Werkstoffwechsel ☞ Fehlende Schweißpraxis

4.3 Reibschweißen Beim Reibschweißen wird das Plastifizieren der Fügeflächen durch Reibung oder Vibration erreicht. Es eignet sich vor allem zum Verbinden von Werkstücken mit rotationssymmetrischen Schweißflächen und lässt sich mit Drehmaschinen, aber auch mit speziellen Handmaschinen durchführen. Die Schweißtemperatur ist erreicht, wenn sich bei Umfangsgeschwindigkeiten von 50 bis 200 m/min ein Schweißwulst gebildet hat. Das Verfahren zeichnet sich durch kurze Fügezeiten aus; es eignet sich z.B. zur Vorfertigung von Rohrleitungsteilen vor dem Einbau auf der Baustelle.

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Bild 16: Winkelschweißen (Drehschwingungen)

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Linearschweißen (Translationsschwingungen)

4.4 Hochfrequenzschweißen Beim Hochfrequenzschweißen nutzt man elektrische Ladungsschwerpunkte in der Molekülstruktur bei den sogenannten polaren Kunststoffen aus, um sie durch einen hochfrequenten Wechselstrom (27, 12 MHz) zum Schwingen zu bringen und in den plastischen Zustand zu versetzen, d.h. die Wärme entsteht im Werkstoff selbst. Aus untenstehender Tabelle ist erkennbar, dass die elektrisch hochwertigen Kunststoffe Polystyrol PS, Polyethylen PE und Polypropylen PP nicht hochfrequent schweißbar sind. Tabelle 6: dielektrischer Verlustfaktor tan ϕ negative Elektrode

Werkstoff

tan ϕ H+

PVC hart PVC weich ABS PA PS PE PP

positive Elektrode

0,03 0,1 0,03 0,04 0,0008 0,0003 0,0005

bis bis bis bis bis

0,02 0,05 0,01 0,02 0,0003

H+

H+

OH+

+H

O-

H+

H+

OH+

H+

-O

-O

H+

H+

O-

Opositive Elektrode

+H

+H

-O +H

+H

-O

+H

+H

+H

-O +H

+H

negative Elektrode

Bild 17: Polare Moleküle im elektromagnetischen Wechselfeld

Das Prinzip einer HF-Schweißanlage zeigt das folgende Bild. Zu beachten ist hierbei, dass für jede Schweißnaht eine entsprechend der Nahtform gestaltete Schweißelektrode erforderlich ist. Das Verfahren eignet sich deshalb nur für die Serienfertigung.

HF- Generator

Schweißpresse

Elektrode HFVerbindung Gegenelektrode (Unterplatte)

Bild 18: Aufbau einer HF-Schweißanlage

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4.5 Ultraschallschweißen Durch Ultraschall können in nahezu allen Kunststoffen mechanische Schwingungen erzeugt werden, die bei bestimmten Frequenzen (20 - 40 kHz) die entsprechend gestalteten Fügeflächen plastifizieren. Der Schallkopf mit der Sonotrode wird in der Presse vertikal bewegt, wodurch der Schweißdruck auf die Fügeflächen aufgebracht wird. Weiche Thermoplaste können die Schwingungen nur über sehr kurze Strecken übertragen, so dass sie sich nur im sogenannten Nahfeld (ca. 3 mm) verschweißen lassen. Formteile aus harten Thermoplasten mit entsprechend hohem Elastizitätsmodul können im sogenannten Fernfeld verschweißt werden, d.h. die Schweißnähte können auch in größerer Entfernung zur Sonotrodenspitze liegen (s. Tabelle 7).

Sonotrode beschallt die Fügeteile mit Ultraschall unter gleichzeitig einwirkender Fügekraft.

Schallwandler Sonotrode

Fügeoberteil mit ERG; in der ERG-Spitze konzentrieren sich die Schallwellen auf einen Punkt, der ERG wird abgeschmolzen.

Ultraschallschwingung

Fügeunterteil wird durch Abschmelzen der ERG-Spitze lokal ebenfalls abgeschmolzen; es kommt unter dem gleichzeitig einwirkenden Fügedruck zu einer homogenen Schweißnachtausbildung.

Werkstück

Schweißnaht

Amboß

Werkstückaufnahme, zentriert, führt und entkoppelt ggf. die Fügeteile.

Bild 19: Prinzip des US-Schweißens

Bild 20: Funktion des Energierichtungsgebers (ERG)

Tabelle 7: Eignung von Thermoplasten für das US-Schweißen Werkstoff PVC hart PVC weich PE hart PE weich PS ABS PA PMMA PC POM

Nahfeldschweißen gut gut gut gut sehr gut sehr gut gut sehr gut sehr gut gut

Fernfeldschweißen mäßig schlecht mäßig schlecht sehr gut gut mäßig gut sehr gut mäßig

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Kunststoffschweißen I und II

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Die folgende Tabelle gibt abschließend eine Übersicht über die wichtigsten Anwendungsgebiete der einzelnen Kunststoffschweißverfahren: Tabelle 8: Einsatzgebiete der einzelnen Kunststoffschweißverfahren Verfahren

Anwendungsgebiete

wichtige Werkstoffe

Heizelementstumpfschweißen

Apparatebau, Rohrverbindungen, Bauprofile

Polyolefine, PVC weich, PVC schlagzäh

Heizelementnutschweißen

Apparatebau, Rohrverbindungen

Polyolefine

Heizelementmuffenschweißen

Rohrverbindungen

Polyolefine

Heizwendelschweißen

Rohrverbindungen

Polyolefine

Warmgasfächelschweißen

Apparatebau, Maschinenbau, Baubahnen

PVC hart, PVC weich, Polyolefine, PVC C, PVC schlagfest

Warmgasziehschweißen

Apparatebau, Maschinenbau, Baubahnen, Bodenbeläge

PVC hart, PVC weich, Polyolefine, PVC C, PVC schlagfest

Warmgasextrusionsschweißen

Apparatebau, Lüftungstechnik

Polyolefine

Reibschweißen

Behälterbau, Rohrverbindungen, Formteile

Polyolefine, PVC hart

Hochfrequenzschweißen

Folien, beschichtete Gewebe, Maschinenbau

PVC hart, PVC weich

Ultraschallschweißen

Formteile, Folien

PVC hart, PC, PA, POM, PMMA, ABS u.a.

5. Prüfen der Schweißnähte Für die Prüfung von Kunststoffschweißnähten wird insbesondere verwiesen auf die Merkblätter DVS 2203, "Prüfen von Schweißverbindungen aus thermoplastischen Kunststoffen" und DVS 2206, "Prüfen von Bauteilen und Konstruktionen aus thermoplastischen Kunststoffen". Diese Merkblätter enthalten ausführliche Zusammenstellungen der entsprechenden Normen und Richtlinien. Diese zerstörenden Prüfverfahren gestatten jedoch z.T. nur quantitative vergleichende Aussagen (gut/schlecht), nicht aber qualitative Aussagen zum Langzeitverhalten einer Schweißnaht. Die Kunststoffe können jedoch zeitabhängig versagen. Durch definierte Langzeitversuche ist es z.B. möglich, die Mindestlebensdauer von Kunststoffen unter bestimmten Betriebsbedingungen für mindestens 50 Jahre nachzuweisen, obwohl die tatsächliche Prüfzeit erheblich geringer ist. Für Folienschweißverbindungen gelten besondere Prüfverfahren, z.B. Spaltungsprüfung durch Gewicht, Spaltungsprüfung durch Feder, Biegewechselprüfung, Handprüfung auf Schälfestigkeit usw.. Die bisher erwähnten zerstörenden Prüfverfahren erfordern eine Probenahme aus dem Bauteil. Dieses kann in der Praxis dadurch realisiert werden, dass die Schweißnaht über das erforderliche Maß hinaus verlängert wird. Das überschüssige Stück dient dann als Prüfkörper. Besonders Rohrleitungsverbindungen können jedoch oft keine Prüfkörper entnommen werden. Für eine grobe Abschätzung gibt es einige Prüfmöglichkeiten, die bei entsprechender Erfahrung des Prüfers Aufschluss über die Qualität der Schweißnaht geben. Entsprechende Anhaltspunkte ergeben sich zuerst aus dem Schweißprotokoll, dass der der regelmäßigen Überwachung unterliegende Kunststoffschweißer anfertigen muss. Weitere Hinweise über die Qualität der Schweißverbindung ergeben sich aus der Druckprüfung und der Sichtprüfung.

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Kunststoffschweißen I und II

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Sichtprüfung Beurteilungskriterien sind Nahtaussehen (Form, Höhe, Oberfläche der Schweißwülste) und Nahtdicke (Ausfüllen der Naht, Wurzel, Versatz der Fügeteile). Weitere Kriterien sind in DVS 2206 aufgeführt. Die Bewertung der Fehler erfolgt nach DVS-Richtlinie 2202 bzw. speziell für den Bereich der Hausinstallation nach DVS Merkblatt 1905 T2. Ultraschallprüfung (US-Prüfung) Über spezielle Einschallungsköpfe werden Frequenzen zwischen 0,5 und 2 MHz in die Kunststoffprobe, z.B. Rohrschweißnaht, eingegeben. Aufgrund von Reflexionen oder Brechungsabweichungen sind Rückschlüsse auf Fehler, Risse oder Lunker in der Größenordnung ø > 1 mm möglich. Dieses Verfahren wird bereits auf Baustellen angewendet, im Labortest sind wesentlich empfindlichere Fehlerortungen möglich. Durchstrahlungsprüfung (z.B. Röntgen-Strahlen) Der apparative Aufwand für diese Prüfart ist relativ hoch, auch hier ist eine Mindestfehlergröße erforderlich. Risse und Trennflächen, die eng verklammert und damit spaltfrei sind, können nicht nachgewiesen werden. Optische Prüfverfahren Die holographische Interferometrie (d.h. Sichtbarmachung von Spannung in Bauteilen) oder das Lichtschnittverfahren (makroskopische Aufnahmen am beanspruchten Bauteil) sind Prüfverfahren, die für den Laboreinsatz vorgesehen sind.

6. Hinweise, Ausbildung und Prüfung Mit dem Schweißen und Verlegen von druckbeanspruchten Kunststoffrohren (z.B. für Gas und Wasser) dürfen nur nach der DVGW-Richtlinie GW 330 ausgebildete und geprüfte Kunststoffschweißer betraut werden, die außerdem einer laufenden Überwachung unterliegen. Die Durchführung der Schweißungen muss nach dem DVS-Merkblatt 2207, Teil 1 erfolgen; über die entsprechenden Schweißungen ist ein Schweißprotokoll anzufertigen. Grundsätzlich dürfen Schweißverbindungen an druckbeanspruchten Kunststoffen für Gas und Wasser nur mit entsprechend konstruierten Schweißvorrichtungen hergestellt werden. Das bedeutet, dass das manuelle Heizelementstumpfschweißen und das Warmgasschweißen für solche Rohrverbindungen nicht zulässig ist. Die Ausbildung zum geprüften Kunststoffrohrschweißer nach GW 330 bzw. zum Kunststoffschweißer nach DVS 2212, Teil 1 erfolgt in Nordrhein-Westfalen an den Handwerkskammern Aachen und Dortmund. Schweißarbeiten in der Hausinstallation dürfen nur von Fachkräften mit den dazu notwendigen Fertigkeiten und Kenntnissen ausgeführt werden. Die Schweißaufsicht des Betriebes überzeugt sich eigenverantwortlich von der Handfertigkeit des Schweißpersonals. Für weitere Einzelheiten wird auf das DVS Merkblatt 1905, T1 verwiesen.

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Kunststoffschweißen I und II

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7. Literatur Carlowitz, B.: Tabellarische Übersicht über die Prüfung von Kunststoffen, Kunststoff-Verlag, Isernhagen. DIN-Taschenbuch 18: Kunststoffe 1, Prüfnormen über mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften. DIN-Taschenbuch 48: Kunststoffe 2, Prüfnormen über chemische, optische Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften. DIN-Taschenbuch 51: Kunststoffnormen; Halbzeuge und Fertigerzeugnisse DIN-Taschenbuch 52: Kunststoffnormen; Rohre, Rohrleitungen und Rohrverbindungen. DVS-Taschenbuch 68: DVS-Merkblätter und -Richtlinien, Kunststoffe, Schweißen und Kleben. DVS-Verlag, Düsseldorf. Hadick, TH.: Schweißen von Kunststoffen für Praktiker und Konstrukteure. DVS-Verlag, Düsseldorf. IKV: Vorbereitung auf die Kunststoffschweißerprüfung. Verlag Wirtschaft und Bildung, Simmerath. Menges, G.: Werkstoffkunde der Kunststoffe. Carl Hanser Verlag, München. Menges, G.: Einführung in die Kunststoffverarbeitung. Carl Hanser Verlag, München. Saechtling, H.: Kunststoff-Taschenbuch. Carl Hanser Verlag, München. Stoeckhert, K.: Kunststofflexikon. Carl Hanser Verlag, München.

DIN-Normen: DIN 1910 Teil 1 Teil 3 DIN 1912 Teil 1 Teil 5 Teil 6 DIN 7728 Teil 1 DIN 8061 Teil 1 DIN 8062 DIN 8063 Teil 5 DIN 8074 Teil 1 Teil 2 DIN 8075 Teil 1 Teil 2

Schweißen; Begriffe, Einteilung von Schweißverfahren Schweißen; Schweißen von Kunststoffen, Verfahren Zeichnerische Darstellung, Schweißen, Löten Begriffe und Benennungen für Schweißstöße, -fugen, -nähte Grundsätze für Schweiß- und Lötverbindungen, Symbole Grundsätze der Bemaßung Kunststoffe; Kurzzeichen für Homopolymere, Copolymere und Polymergemische Rohre aus weichmacherfreiem Polyvinylchlorid (PVC hart), Allgemeine Güteanforderungen, Prüfung Rohre aus PVC hart (Polyvinylchlorid hart); Maße Rohrverbindungen und Rohrleitungsteile für Druckrohrleitungen aus weichmacherfreiem Polyvinylchlorid (PVC-U) Rohre aus Polyethylen hart (PE hart); Typ 1, Maße Rohre aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE); Typ 2, Maße

DIN 8077

Rohre aus PE hart (Polyethylen hart); Typ 1, Allgemeine Güteanforderungen Rohre aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE); Typ 2, Allgemeine Güteanforderungen, Prüfung Rohre aus PP (Polypropylen); Maße

DIN 8078

Rohre aus Polypropylen (PP); Typ 1 und Typ 2, Allgemeine Güteanforderungen, Prüfung

DIN 16925

Extrudierte Tafeln aus Polyethylen (PE); Technische Lieferbedingungen

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Kunststoffschweißen I und II

DIN 16027 Teil 1 DIN 16960 Teil 1 DIN 16962 1 und 2 Teil 1 Teil 2 DIN 16963 Teil 1 Teil 2 DIN 16971

1.18-1 u. 1.18-2 Seite 18

Tafeln aus Polyvinylchlorid hart (PVC hart); normal schlagzäh, Technische Lieferbedingungen Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen, Grundsätze Rohrverbindungen und Rohrleitungsteile für Druckrohrleitungen aus Polypropylen (PP), Typ In Segmentbauweise hergestellte Rohrbogen für Stumpfschweißung, Maße In Segmentbauweise und durch Aushalsen hergestellte T-Stücke und Abzweige für Stumpfschweißung, Maße Rohrverbindungen und Rohrleitungsteile für Druckrohrleitungen aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Teil 1 und 2 In Segmentbauweise hergestellte Rohrbogen für Stumpfschweißung, Maße In Segmentbauweise und durch Aushalsen hergestellte T-Stücke und Abzweige für Stumpfschweißung, Maße Extrudierte Tafeln aus Polypropylen (PP); Technische Lieferbedingungen

DVS-Merkblätter: DVS 2201 Teil 2 DVS 2202 DVS 2203 Teil 1 Teil 2 Teil 3 Teil 5 DVS 2207 Teil 1 Teil 11 DVS 2208 Teil 1 Teil 2 DVS 2209 Teil 1 DVS 2210 DVS 2211 DVS 2212

Prüfen von Halbzeug aus Thermoplaste; Schweißeignung, Prüfverfahren - Anforderungen Fehler an Schweißverbindungen aus thermoplastischen Kunststoffen Merkmale, Beschreibung, Bewertung Prüfen von Schweißverbindungen aus thermoplastischen Kunststoffen - Prüfverfahren - Anforderungen - Zugversuch - Schlagzugversuch - Technologischer Biegeversuch Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen HE-Schweißen von Rohren und Rohrleitungsteile und Tafeln aus PE-HD HE-Schweißen von Rohrleitungen aus PP Maschinen und Geräte zum Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen – Heizelementschweißen Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen - Maschinen und Geräte für das Warmgasschweißen (ausgenommen Extrusionsschweißen) Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen, Extrusionsschweißen, Verfahren - Merkmale Schweißen von Industrie-Rohrleitungen aus thermoplastischen Kunststoffen Schweißzusätze für thermoplastische Kunststoffe; Geltungsbereich, Kennzeichnung, Anforderung, Prüfung Prüfung von Kunststoffschweißern, Prüfgruppen I - III

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Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

1.19 Seite 1

1. Kleben Das Kleben und auch insbesondere das Metallkleben haben in den vergangenen Jahren in der industriellen Anwendung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Das Metallkleben kann das Schweißen und Löten nicht ersetzen, es kann aber auch in vielen Fällen als vorteilhafte Ergänzung dieser thermischen Fügeverfahren dienen oder dort seinen Einsatz finden, wo aus material- und fertigungsspezifischen Gründen andere Fügeverfahren (z.B. kraft- bzw. formschlüssige) auszuschließen sind. Ein sinnvoller Einsatz des Klebens ist dann gegeben, wenn verfahrens- und kostenspezifische Voraussetzungen vorhanden sind. Um eine allgemeine Bewertung der Eigenschaftsmerkmale von Klebungen durchführen zu können, ist es für uns leichter, einige wesentliche Vorteile und Nachteile dieser Fügetechnologie gegenüber alternativen Fügeverfahren abzuwägen. Vorteile von Klebungen 1. Gleichmäßige Spannungsverteilung senkrecht zur Belastungsrichtung; 2. Keine thermische Gefügebeeinflussung; 3. Verbindungsmöglichkeiten für unterschiedliche Materialkombination 4. Verbindungsmöglichkeit für sehr dünne Fügeteile (z.B. Folien) 5. Gewichtsersparnis, Leichtbau; 6. hohe Schwingungsdämpfung

Nachteile von Klebungen 1. Einfluss der Zeit auf den Verfahrensablauf; 2. Sorgfältige Oberflächenvorbehandlung der Fügeteile; 3. Begrenzte thermische Formbeständigkeit; 4. Alterungsabhängigkeit der Klebschicht; 5. Geringe Schälfestigkeit, Kriechneigung 6. Begrenzte Reparaturmöglichkeit; 7. Aufwendige Festigkeitsberechnungen; 8. Kompensation der niedrigen Klebschichtfestigkeit nur über Fügefläche;

2. Definitionen Die wesentlichen für die Beschreibung des Klebens erforderlichen Definitionen sind in DIN 16920 "Klebstoffe, Klebstoffverarbeitung - Begriffe" festgelegt. •

Kleben:

Herstellung einer festen Verbindung zweier (oder mehrerer) Teile durch einen synthetischen Werkstoff, der durch physikalische Abbindung oder chemische Reaktion verfestigt wird und die Teile infolge von Adhäsion (Oberflächenhaftung) sowie Kohäsion (zwischen- und innermolekulare Bindungskräfte) miteinander verbindet.

•

Klebstoff:

Nichtmetallischer Stoff, der Fügeteile durch Adhäsion und Kohäsion verbinden kann.

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1.19

Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

Seite 2

•

Klebfläche:

Die zu klebende oder geklebte Fläche eines Fügeteils.

•

Klebfuge:

Zwischenraum zwischen zwei Klebflächen.

•

Klebstoff-Film:

Auf einer Klebfläche aufgetragene Klebstoffschicht.

•

Klebstoffschicht:

Abgebundene oder noch nicht abgebundene Klebstoffschicht zwischen zwei Fügeteilen.

•

Abbinden:

Verfestigen der Klebschicht.

•

Klebung:

Mit einem Klebstoff hergestellte Verbindung von Fügeteilen.

1 = Festigkeit des Fügeteilwerkstoffes 2 = Haftfestigkeit der Metalloberflächenschicht (z.B. Oxidschicht auf dem Grundwerkstoff) 3 = Eigenfestigkeit der Metalloberflächenschicht 4 = Festigkeit der Adhäsionsbindungen zwischen Metalloberflächenschicht und Klebschicht

Bild: Aufbau einer Klebefuge

Bild: Brucharten von Klebungen

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1.19

Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

Seite 3

3. Klebstoffe und Klebstoffbestandteile

Klebstoff

Physikalisch abbindend

Chemisch reagierend kalthärtend

warmhärtend

Polymerisationsklebstoffe

Haft- u. Kontaktklebstoffe

Polyadditionsklebstoffe

Schmelzklebstoffe

Polykondensationsklebstoffe

Lösungsmittel- bzw. Dispersionsklebstoffe von im Endzustand vorliegenden Polymeren

Blockierte Reaktionsklebstoffe Plastisole chemisch

mechanisch

- anaerobe - Silicone - Katalysator

- getrennte Verpackung - Mikroverkapselung

Einteilung der Klebstoffe nach dem Abbindungsmechanismus

Klebstoffbestandteile: − Lösungsmittel:

Flüssigkeit, die die Grundstoffe und übrigen löslichen Klebstoffbestandteile ohne chemische Veränderung löst.

− Dispersionsmittel:

wässrige Phase, in der die Grundstoffe und übrigen Klebstoffbestandteile dispergierbar sind.

− Verbindungsmittel:

Mittel zur Herabsetzung der Konzentration und/oder der Viskosität eines Klebstoffes.

− Härten:

Klebstoffbestandteil, der eine Vernetzung des Klebstoffes bewirkt, ohne am molekularen Aufbau des Klebstoffpolymers beteiligt zu sein. (Vermischungsverhältnis)

− Beschleuniger:

Klebstoffbestandteil, der einen Reaktionsablauf z.T. erst ermöglicht oder beschleunigt bzw. positiv beeinflusst.

− Weichmacher:

Zur Erhöhung der Formänderungsfähigkeit von Klebschichten.

− Füllstoffe:

Zur Erzielung von speziellen Eigenschaftsveränderungen der Klebschicht. (z.B. elektrische Leitfähigkeit, Spaltüberbrückbarkeit)

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1.19

Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

Seite 4

-2

Nmm

Härtungszeit t

150

30

Klebfestigkeit

B

180 min

25 120 90

20 15

Härtungszeit

60

10

30

5 0

1

3 2 Härteranteil

4

5 %

Bild: Abhängigkeit der Klebfestigkeit und Härtungszeit vom Härteranteil bei Methacrylatklebstoffen

Monomer und Beschleuniger

Monomer und Härter

Komponente A

Komponente B

Mischen und Auftragen auf die Fügeteile

Auftragen auf Fügeteil 1

Auftragen auf Fügeteil 2

Vereinigen der Fügeteile

Aushärtung

Bild: Verarbeitung von Methacrylatklebstoffen nach dem A-B Verfahren (No-Mix)

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1.19

Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

Klebfestigkeit tB

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stöchiometrisches Verhältnis Komponente A Komponente B Bild: Abhängigkeit der Klebfestigkeit von den Komponentenanteilen bei Epoxidharzklebstoffen (Polyadditionsreaktionen)

Bild: Schematische Darstellung der Stromübertragung in Leitklebschichten

4. Metallkleben Die Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe und deren Oberflächenschichten bestimmen neben der Auswahl der Klebstoffe die Festigkeit einer Metallklebung. Für eine optimale Klebschichtausbildung gehen folgende Einflussfaktoren in das komplexe Verbundsystem ein: •

Oberflächenschichten − Verunreinigungen − die Adsorptionsschicht − die Grenzschicht

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Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

•

1.19 Seite 6

Geometrische Struktur − − − − −

geometrische Oberfläche (A = b lü) wahre Oberfläche (Mikrooberfläche 10-15 mal größer) wirksame Oberfläche Oberflächenstruktur Oberflächenrauhigkeit

Bild: Abhängigkeit der Klebfestigkeit von der Oberflächenrauhigkeit

Bild: Klebschichtverformung bei Fügeteilen unterschiedlicher Festigkeit (Verschiebung plus Formänderung eines Fügeteils)

Bild: Abhängigkeit der Klebfestigkeit einschnittig überlappter Klebungen verschiedener Aluminiumlegierungen (nach Litz)

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Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

1.19 Seite 7

Oberfläche

Klebschicht Klebstoff

Fügeteilwerkstoff

Klebung - Elastizitätsmodul EK - Schubmodul G - Querkontraktion mK - Spannung - Gleitungsverhalten

Festigkeit der Klebung

- Elastizitätsmodul mF - Rm - R e/ Rp 0,2 - Querkontraktion mF

klebgerechte Konstruktion geometrische Gestaltung

Beanspruchung

- mechanisch - physikalisch - chemisch - thermisch - dynamisch - komplex zeitabhängig

- Überlappungslänge l ü - Überlappungsbreite b - Fügeteildicke s - Klebschichtdicke d

Bild: Einflussfaktoren auf die Festigkeit einer Metallklebung

4.1 Klebgerechtes Konstruieren Für die Konstruktive Gestaltung von Metallklebungen sind zwei wichtige Voraussetzungen zu erfüllen: − Vorhandensein ausreichender Klebflächen − Vermeidung von Spannungsspitzen (keine Schälbeanspruchung, kein Auftreten eines Biegemomentes → zentrische Krafteinleitung) − keine Spaltbeanspruchung (bei starren Fügeteilen)

Bild: Konstruktive Maßnahmen zur Vermeidung von Schälbeanspruchungen

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Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

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Bild: Beanspruchungsarten von Klebfugengeometrien

Bild: Vergleich günstiger und ungünstiger Kleb - Eck - Verbindungen

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1.19

Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

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4.2 Technologie des Klebens Die Güte einer Metallklebung wird unter der Berücksichtigung der praktischen Durchführung des Fertigungsprozesses von zwei wichtigen Einflussgrößen bestimmt: − Einfluss der Verfahrensart, die zu einer optimalen Ausbildung der Adhäsion führt. − Einfluss der Verfahrensart, die zu einer optimalen Ausbildung der Kohäsion führt. Der Fertigungsablauf lässt sich dabei in zwei Abschnitte gliedern: − Oberflächenbehandlung der Fügeteile und Klebstoffauftrag − Aushärtung unter den Parametern Temperatur, Zeit und Druck.

Oberflächenbehandlung

Oberflächenvorbereitung

Oberflächenvorbehandlung

Oberflächennachbehandlung

säubern

mechanische V.

Klimatisierung

passend machen

chemische V.

Auftrag von Haftvermittlern

entfetten

elektrochemische V.

Konservierung

Bild: Oberflächenbehandlung von Klebungen

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Fügeverfahren für weitere Werkstoffe

1.19 Seite 10

Literatur: [1]

Adams, R.D.: Structural Adhesives Joints in Engineering elsevier Appl. Sc. Publishers London New York 1984

[2]

Brockmann, W.: Grundlagen und Stand der Metallklebtechnik. VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1971

[3]

De Bruyne, N.A.: Klebtechnik - Die Adhäsion in Theorie und Praxis. Berliner Union Stuttgart 1957

[4]

Endlich, W.: Kleb- und Dichtstoffe in der modernen Technik. Verlag W. Girardet, Essen 1980 (Girardet-Taschenbücher, Bd.40)

[5]

Fauner, G.; Endlich, W.: Angewandte Klebtechnik. Carl Hauser Verlag München Wien 1979

[6]

Flick, E.W.: Adhesive and Sealant Compound Formulations Noyes Publications Park Ridge 1984 USA

[7]

Habenicht, G.: Kleben - Grundlagen, Technologie, Anwendungen. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1986

[8]

De Lollis, N.J.: Adhesives for metals - Theory and Technology Industrial Press Inc. New York (1970)

[9]

Ludeck, W.: Tabellenbuch der Klebtechnik. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1982

[10]

Matting, A.: Metallkleben. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1969

[11]

VDI-Richtlinie 2229 (1979). Metallkleben - Hinweise für Konstruktion und Fertigung

[12]

VDI-Richtlinie 2251 Blatt 5 (1970). Feinwerkelemente - Klebverbindungen

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1.20-1 - 1.20-5

Laborübungen I - V

Seite 1

Das Ziel der Laborübungen besteht in der Durchführung von Vorführungen und einzelnen praktischen Übungen mit folgenden Schwerpunkten: • • • •

Einsatzmöglichkeiten der Schweißprozesse Vor- und Nachteile des Schweißprozesses Charakteristische Prozessparameter Einfluss ausgewählter Prozessparameter auf die Schweißnahtgüte

Die nachfolgend aufgeführten Vorführungen/Übungen stellen eine Auswahl dar und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Thema:

Löten

Ziel:

• Vorführung von Hartlöten und Weichlöten unter Verwendung von Hilfsstoffen und deren Einfluss auf die zu erwartende Qualität • Flammlöten

Versuchs-

• Richtige Flammeneinstellung

durchführung:

• Wirkung der Flussmittel auf unterschiedliche Werkstoffoberflächen (z.B. allgemeiner Baustahl, austenitischer CrNi-Stahl, Cu) • Anwendung und Auswahl unterschiedlicher Lote (L-Ag34Sn, L-CuP6, L-SnCu3) • Einfluss von Lot und Flussmittel (S-Sn97Cu3, B-Cu36AgZn 630/730) auf das Benetzungsverhalten • Flussmittelfreie Lötungen mit LCuP6 • Einfluss der Wirktemperatur im Zusammenspiel von Grundmaterial, Flussmittel und Lot • Darstellung der Kapilarwirkung

Erkenntnisse:

• Genaue Abstimmung zwischen Grundwerkstoff, Flussmittel und Lot erforderlich • Äußere Merkmale für eine Beurteilung einer qualitativen Lötverbindung

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Laborübungen I - V

Thema:

1.20-1 - 1.20-5 Seite 2

Autogentechnik • Gasschweißen • Brennschneiden/Fugenhobeln • Arbeitsschutz

Ziel:

• Bedeutung der richtigen Flammeneinstellung • Auswahl von Schneiddüsensystemen und deren Düsengröße • Einfluss von Schneiddüsensystemen und deren Auswirkung auf die Schnittgüte • Erkennen von Gefahren bei der Anwendung der Autogentechnik

Versuchsdurchführung:

• Flammeneinstellung mit Acetylen- bzw. Sauerstoffüberschuss und deren Einfluss auf die Nahtgüte • Gerad- und Schrägschnitte mit unterschiedlichen Düsensystemen • Variation der Prozessparameter und Einfluss auf Verbrauchswerte • Verhalten bei Schlauchbränden • Demonstration der Größe eines durch den Funkenflug gefährdeten Bereiches • Einfluss der Sauerstoffanreicherung auf die Verbrennungsgeschwindigkeit • Demonstration des sichtbaren und des nichtsichtbaren Bereiches der Flamme • Bedeutung bei der Bildung einer Sekundärflamme

Erkenntnisse:

• Anwendungsgrenzen der Verfahren • Bedeutung der richtigen Flammeneinstellung • Vielschichtigkeit der Einflüsse beim Brennschneiden auf Schnittgüte und Wirtschaftlichkeit • Bedeutung und Einhaltung der Forderungen des Arbeitsschutzes bei der Anwendung der Autogentechnik

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1.20-1 - 1.20-5

Laborübungen I - V

Thema:

Seite 3

Plasma • Plasmaschweißen • Plasmaschneiden • Arbeitsschutz

Ziel:

• Einsatzbereich des Plasmaschweißens und -schneidens • Auswahl und Einfluss von Gasen in der Plasmatechnik • Einfluss von Schnittgeschwindigkeit und Düsenabstand • Verfahrensbedingte Belastungen der Umgebung

Versuchs-

• Plasmaschweißung mit Stichlocheffekt (Al-Legierung, t=5mm, PF)

durchführung:

• Plasmaschweißen mit unterschiedlichen Schutzgasen (Ar, Ar/He, He) • Plasmaschneiden (St, Al, CrNi, Cu) unter Verwendung unterschiedlicher Arbeitsgase • Mengeneinstellungen der Arbeitsgase und deren Einfluss auf verschiedene Prozessparameter • Schadstoffbelastungen beim Plasmaschweißen und -schneiden • Arbeitsschutzbedingungen

Erkenntnisse:

• Anwendungsgrenzen der Plasmatechnik • Einfluss der Gase und Parameter auf die Nahtgüte beim Plasmaschweißen • Einfluss der Gase und Parameter auf die Nahtgüte beim Plasmaschneiden unterschiedlicher Werkstoffe • Einfluss der Prozessparameter auf die Schadstoffbelastung

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1.20-1 - 1.20-5

Laborübungen I - V

Thema:

Seite 4

Widerstandsschweißen • Punktschweißen • Rollnahtschweißen

Ziel:

• Bewerten von Pressschweißverbindungen gegenüber Schmelzschweißverbindungen • Zusammenhänge zwischen Parameter/Parameterkombinationen und deren Auswirkung auf die Schweißnahtqualität • Einsatzkriterien und Anwendungsbeispiele

Versuchs-

• Angaben zur Schweißmaschine und deren Steuerung

Durchführung:

• Schweißung mit verschiedenen Werkstoffen • Vorbereitung der Fügeteile • Elektrodengeometrie und -werkstoffe • Schweißen unter Variation der Parameter • Bewerten der Hauptparameter (Strom, Zeit, Kraft) • Bewerten der Fügeteiloberflächen im Zusammenhang mit Kontakt- und Stoffwiderständen • Auswertung der Parameteraufzeichnungen; • Qualität = f (Strom, Druck, Zeit, Widerstand)

Erkenntnisse:

Der Teilnehmer ist fähig, folgende Kriterien und Zusammenhänge zu erkennen und zu bewerten: • Einsatzbedingungen des Pressschweißens • Eignung der Werkstoffe • Qualitätskriterien • Einfluss der Ausrüstung (Maschine, Steuerung, Messtechnik) • Fügeteilvorbereitung • Anforderungen an die Elektroden • Qualitative Bewertung von Parameterkombinationen • Gefährdungen und Arbeitsschutz

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Laborübungen I - V

Thema:

1.20-1 - 1.20-5 Seite 5

Bolzenschweißen • Bolzenschweißen mit Hubzündung • Bolzenschweißen mit Spitzenzündung

Ziel:

• Einsatzbereiche und Anwendungsgrenzen des Bolzenschweißens • Aussagen zur Wirtschaftlichkeit des Verfahrens • Einflüsse der Prozessparameter auf die Nahtqualität

Versuchsdurchführung:

• Vorführung des Bolzenschweißens mit Hubzündung (mit Keramikring, Schutzgas, an den Werkstoffen St und CrNi) • Vorführung des Bolzenschweißens mit Spitzenzündung (an den Werkstoffen St, Al und CrNi) • Variation der Prozessparameter beim Aufschweißen von Bolzen und deren Einfluss auf die Nahtqualität • Darstellung der Blaswirkung und die notwendigen Gegenmaßnahmen • Darstellung klassischer Anwendungsbeispiele

Erkenntnisse:

• Anwendungsgrenzen und Wirtschaftlichkeit des Bolzenschweißens • Notwendigkeit einer sorgfältigen Parametereinstellung zur Sicherung der Nahtqualität

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Schweißprozesse und -ausrüstung

1.20-1 - 1.20-5

Laborübungen I - V

Thema:

Messen

Ziel:

• Temperaturmessung

Seite 6

• Strom-, Spannungs-, Schweißgeschwindigkeitsmessung • Erfassung der Parameter zur Ermittlung der Streckenenergie

Versuchsdurchführung:

• Temperaturmessung bei einer Vorwärmung mit Temperaturmessstifte, Kontaktthermometer und Infrarot- Wärmemessung • Hinweis auf Anlassfarben • Vorführung der Strommessung bei Reihen- und Parallel-Schaltung von Stromquellen • Vorführung der Spannungsmessung bei Reihen- und Parallel-Schaltung von Schweißstromquellen (unter Hinweis des Arbeitsschutzes) • Vorführung einer E- oder MAG- Schweißung mit Messwertaufnahme von (Is, Us, und vs) und anschließender Berechnung der Streckenenergie • Schutzgasmengenmessung mit Hilfe von Rotameter, Druckminderer und Prüfröhrchen • Praktische Ermittlung der Abschmelzleistung beim E-Schweißen im Vergleich zum MSG-Schweißen (z.B. über Gewichtsmessungen)

Erkenntnisse:

• Messmethoden • Aussage von Messergebnissen • Schaltungsaufbau bei elektrischen Messungen

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Schweißprozesse und -ausrüstung

Laborübungen I - V

Thema:

Vorführung weiteren Schweißverfahren

Ziel:

• Vorführung des Verfahrens

1.20-1 - 1.20-5 Seite 7

• Prinzipieller Aufbau • Funktionsprinzip • Anwendungsbeispiele bzw. -grenzen

Versuchs-

• Kohlelichtbogen- Druckluftfugen

durchführung:

• Ausfugen mit Ausnutelektroden • Aluminothermisches Schweißen an Schienenstößen • Schweißen mit magnetisch bewegtem Lichtbogen • Anwendung der Sauerstoffkernlanze an Betonteilen • Flammstrahlen an Oberflächen aus Stahl und Beton • Friktion Stir Welding (FSW)

Erkenntnisse:

Es soll erkannt werden: • Prinzipieller Aufbau • Funktionsgrenzen • Anwendungsbeispiele bzw. -grenzen

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Schweißprozesse und -ausrüstung

1.20-1 - 1.20-5

Laborübungen I - V

Seite 8

Thema:

UP-Schweißen

Ziel:

• Erkennen von Einsatzmöglichkeiten des Schweißverfahrens • Einfluss von Schweißparameter auf die Nahtgeometrie • Einsatz von Badsicherungsarten • Einsatz von Schweißpulver

Versuchsdurchführung:

Vorführung:

Schweißen von Einzelraupen / Stumpfnaht mit nachfolgender Parameterveränderungen

• Schweißstromstärkenveränderung bei konstanter Schweißspannung und Schweißgeschwindigkeit • Schweißspannungsveränderung bei konstantem Schweißstrom und konstanter Schweißgeschwindigkeit • Schweißgeschwindigkeitsveränderung bei konstanter Schweißspannung und konstantem Schweißstrom Es ist ein Protokoll über die eingestellten Parameter zu führen • Vergleich der äußeren Parameter (Nahtbreite zu Nahthöhe) • Vergleich der inneren Parameter (Einbrandtiefe) mittels Makroschliff • Schweißen einer I-Naht mit Badsicherung • Vorstellung verschiedener Badsicherungsarten • Vorstellung von Pulvergruppen (Mangan-Silikat-, Aluminium-Silikat- und Fluoridbasicher Pulver)

Erkenntnisse:

• Einflussnahme der Parameteränderung auf die Nahtgeometrie • Anwendung von Schweißbadsicherungsarten • Anwendung von Schweißpulvern

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Schweißprozesse und -ausrüstung

Fachgebiet 2:

Werkstoffe und ihr Verhalten beim Schweißen

Die in den SFI-Unterlagen/CD-ROM "SFI-Aktuell" enthaltenen Normenauszüge sind mit Erlaubnis des DIN Deutsches Institut für Normung e.V. wiedergegeben. Maßgebend für das Anwenden der Norm ist deren Fassung mit dem neuesten Ausgabedatum, die bei der Beuth Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6,10787 Berlin, erhältlich ist.

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Themenplan

Seite 1

SCHWEIßFACHINGENIEURAUSBILDUNG NACH RICHTLINIE DVS·-EWF-IIW 1173 Hauptgebiet 2 : Werkstoffe und ihr Verhalten beim Schweißen

Kapitel

Thema

2.01

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.02

Prüfen der Werkstoffe und der Schweißverbindung

2.03

Aufbau und Eigenschaften der Metalle

2.04

Legierungen und Phasendiagramme

2.05

Eisen-Kohlenstoff-Legierungen

2.06

Wärmebehandlung von Grundwerkstoff und Schweißverbindung

2.07

Aufbau der Schweißverbindung

2.08

Kohlenstoff und Kohlenstoffmanganstähle

2.09

Rissphänomene in Stählen

2.10

Feinkornbaustähle

2.11

Thermomechanisch behandelte Stähle

2.12

Anwendung von Baustählen und hochfesten Stählen

2.13

Nickellegierte Baustähle für Tieftemperaturanwendungen

2.14

Warmfeste Stähle

2.15

Hochlegierte, korrosionsbeständige Stähle

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Themenplan

Kapitel

Thema

2.16

Korrosion

2.17

Verschleiß

2.18

Schutzschichten

2.19

Hitzebeständige Stähle

2.20

Gusseisen und Stahlguss

2.21

Kupfer und Kupferlegierungen

2.22

Nickel und Nickellegierungen

2.23

Aluminium und Aluminiumlegierungen

2.24

Sonstige NE-Metalle und Legierungen

2.25

Schwarz-Weiß-Verbindungen

2.26

Metallographische Werkstoffübungen

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Seite 2

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 1

0 Inhaltsverzeichnis 1. Herstellen der Stähle 2. Bezeichnen der Stähle 3. Einteilung nach Hauptgüteklassen 4. Werkstoff-Kennzeichnung nach der Streckgrenze 5. Benennung der Stähle nach DIN EN 10027 Teil 1 6. Werkstoffnummern nach DIN EN 10027 Teil 2 7. Literatur

1 1 15 17 19 19 21 27

1. Herstellen der Stähle

Wegen seines unedlen Charakters kommt Eisen in der Natur nicht rein, sondern nur chemisch gebunden vor. Dies sind in erster Linie Eisen-Sauerstoffverbindungen, die auch noch mit mineralischen Bestandteilen (genannt Gangart) durchsetzt sind.

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Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 2

Das Gemenge von Eisen-Sauerstoffverbindung und Gangart wird als Eisenerz bezeichnet. Die Aufgabe der Hüttentechnik ist es jetzt, zum einen die Eisen-Sauerstoffverbindung von der Gangart zu trennen, und zum anderen das Eisen vom Sauerstoff. Erzvorkommen der Erde ca. 500 Milliarden Tonnen. Jährliche Fördermenge ca. 700 Millionen Tonnen. Die wichtigsten Typen sind: • Magneteisenstein (Magnetit) • Roteisenstein (Hämatit) • Brauneisenstein (Limonit) • Spateisenstein (Siderit)

Hochofenprozess

Querschnitt durch einen Hochofen und Winderhitzer sowie Temperaturen im Hochofen und wichtige chemische Reaktionen.

In den Hochofen werden fortlaufend schichtweise Koks und Möller eingefüllt. Während des langsamen Absackens zur eigentlichen Reaktionszone erwärmt sich das Gemisch mehr und mehr. Gleichzeitig drückt man in den unteren Teil des Hochofens den auf 600 - 1300 °C vorgewärmten Heißwind, so dass die Luft (+ Heizöl oder Kohlenstoffgas) im Inneren des Hochofens von unten nach oben strömt. Von der heißen Luft wird der Kohlenstoff des glühenden Kokses zunächst zu CO2 verbrannt, dieser setzt sich jedoch sofort mit dem Koks wieder zu CO um. Die aufsteigenden CO-Gase entziehen den Eisenoxiden den Sauerstoff und verbrennen dabei zu CO 2. Dieser setzt sich jedoch bei Kontakt mit glühendem Koks sofort wieder zu CO um.

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Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 3

Dieser Vorgang vollzieht sich im stetigen Wechsel bis etwa zur Höhe des halben Schachtes und hört dann wegen der zu niedrigen Temperatur auf. Da nicht das ganze CO zur Reduktion ausgenutzt wird, enthält das Gichtgas noch soviel CO, dass es brennbar ist. Etwa alle zwei Stunden erfolgt ein Hochofenabstich. Zuerst fließt das schwere Roheisen aus dem Stichloch, dann die leichtere Schlacke, die im Hochofen auf dem Roheisen schwimmt. Das Roheisen wurde früher oft zu 1 m langen ca. 40 kg schweren Masseln vergossen (das geschieht in einer Masselgießmaschine mit Kokillen auf einem unendlichen Band), heute wird es mit einem sog. Torpedowagen zur Weiterverarbeitung transportiert oder es wird flüssig in Roheisenpfannen zum Mischer gebracht. Der Mischer ist ein waagerecht liegender ausgemauerter Zylinder der um seine Längsachse drehbar ist. Je nach Ausführung hat der Mischer ein Gesamtgewicht von bis zu 3000 t. Mischer Der Mischer hat im wesentlichen drei Aufgaben: • Sammelbehälter für das Stahlwerk • Mischung der nie ganz gleichen Abstiche • Schwefelverminderung (fortlaufende langsame Umsetzung von Mn + FeS zu MnS + Fe. MnS ist leichter als Fe und setzt sich in der Schlacke ab. Dies wird beschleunigt durch die Zugabe von SODA, Calciumcarbid oder Magnesium. Zusätze zur Reduzierung des Phosphors (kalkhaltige Flussmittel) oder Silizium (FeO) sind möglich. Die gebundenen Stoffe schwimmen dann auf und können als Schlacke abgegossen werden. Roheisen Das entstehende Roheisen (1320 °C) enthält: 3 .. 5% C,

0,2 .. 2% Si,

0,2 .. 3% Mn,

0,1 .. 2% P,

0,02 .. 0,06% S

Das Roheisen dient zum einen als Vormaterial für Stahl für Knet- und Gusswerkstoffe, zum anderen bildet es die Grundlage für die Produktion von Gusseisen. In Form von Masseln wird das Roheisen zusammen mit Schrott, Gussbruch und eventuellen weiteren Zusätzen in den Gießereien zu Gusseisen umgeschmolzen. Unter Gusseisen wird jedes in Formen vergossene Eisen mit 2 bis 4% Kohlenstoff verstanden, das keiner Umformung mehr unterworfen wird. Wichtigstes Unterscheidungsmerkmal der verschiedenen Gusseisensorten ist die Form der im Grundgefüge eingelagerten Graphitteilchen. Man unterscheidet u. a. zwischen Gusseisen mit Lamellengraphit (GGL), mit Kugelgraphit (GGG) und dem Temperguss. Letztere ist dadurch gekennzeichnet, dass der im Gusszustand als Eisenkarbid vorliegende Kohlenstoff durch anschließendes längeres Glühen – dem Tempern – ganz oder teilweise in Temperkohle zerfällt. Der Graphit liegt hierbei in Flockenform vor. Wird die Glühung entkohlend durchgeführt, so entsteht ein aufgrund des Aussehens der Bruchfläche als weißer Temperguss bezeichnetes Material. Im Gegensatz hierzu spricht man vom schwarzen Temperguss bei nicht entkohlend durchgeführter Glühung. Der schwarze Temperguss ist weiter verbreitet als der weiße. Damit aus dem Roheisen Stahl wird, müssen die Gehalte an diesen Elementen deutlich gesenkt werden. Hierauf wird im folgenden näher eingegangen.

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Werkstoffe

2.01

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

Seite 4

Varianten der Direktreduktionsöfen

Schachtofen-Verfahren z.B.:

Midrex-Verfahren Purofer-Verfahren Hyl III-Verfahren

Drehrohrofen-Verfahren z.B.:

SL/RN-Verfahren Krupp-Codir-Verfahren

Wirbelschicht-Verfahren z.B.:

FIOR-Verfahren Iron Carbide-Verfahren

Retorten-Verfahren z.B.:

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Hyl I-Verfahren

Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 5

Frischen Die Weiterverarbeitung vom Roheisen zum Stahl nennt man Frischen. Mit diesem Prozess sollen der Kohlenstoff und die Eisenbegleiter auf ein Maß reduziert werden, wie sie für Stahl typisch sind. Alle gebräuchlichen Verfahren beruhen mehr oder weniger auf der Tatsache, dass das Roheisen zum kochen gebracht wird, und Sauerstoff die unerwünschten bzw. überschüssigen Elemente oxidiert. Dies geschieht über eine Schlackeschicht, die mehrere Funktionen erfüllt: • bilden von FeO auf dem Roheisen, das dann den Kohlenstoff und die anderen Elemente im Roheisen oxidiert • durch Zusatz von Kalk ist die Schlacke in der Lage die unerwünschten Begleitelemente (P, Mn, Si) in Form von flüssigen Oxidationsprodukten zu binden. Aufgrund der größeren Affinität zu Sauerstoff werden zunächst Si und Mn verbrannt. Das ist für die Stahlherstellung ungünstig, da für den herzustellenden Stahl ein gewisser Prozentsatz (z.B. Si Mn) erforderlich ist; und deshalb später wieder zulegiert werden muss. Anschließend verbrennt C zu CO, das durch Blasenbildung das Bad weiter in Bewegung bringt, und schließlich Phosphor. Dieser Ablauf ist natürlich nicht so zu verstehen, dass die Oxidation des Kohlenstoffes erst dann beginnt, wenn Si und Mn vollständig verbrannt sind. Es finden in Abhängigkeit von Temperatur und Dauer Überschneidungen statt. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff oder Phosphor (0.08 %) zu stark absinkt, muss der Prozess abgebrochen werden, da die Gefahr des Überfrischens besteht ( Fe verbrennt und Sauerstoff im Bad => der Prozess wird unwirtschaftlich und die Stahlqualität schlecht).

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Werkstoffe

2.01

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

Seite 6

Sauerstoffaufblaskonverter

Sauerstoffaufblasverfahren

Sauerstoffbodenblasverfahren

Ä

Ä

kombiniertes Blasverfahren

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Werkstoffe

2.01

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

Seite 7

Stahlgewinnung / LD-Blasstahlwerk

Roheisenmischer

Konverterbeschickung

Entstaubung

Abstich

Stranggießanlage

Richt- und Brennschneidmaschine

Blasvorgang

Flämmmaschine und Adjustage

Sauerstoffaufblasverfahren Durch Anreicherung der Verbrennungsluft mit Sauerstoff oder durch direktes Aufblasen von Sauerstoff lässt sich der Wärmehaushalt gegenüber dem SM-Verfahren verbessern. Unter Ausnutzung dieses physikalischen Effektes wurde 1952 in Linz an der Donau das erste LD (Linz/Donawitz) in Betrieb genommen, das mit reinem Sauerstoff arbeitet. Durch eine Lanze, die von einem wassergekühlten Mantel umgeben ist wird reiner Sauerstoff auf das flüssige Roheisen in den Konverter geblasen. Durch das Verhältnis von Düsenabstand vom Bad und Sauerstoffdruck lässt sich die Schaumigkeit der Schlacke und damit die Größe der Reaktionsfläche zwischen Bad und Schlacke regulieren. Wegen der hohen Temperaturen 2500 - 3000 °C im Brennfleck (also der Auftrefffläche des O2-Strahles) eilt beim LD-Verfahren die Entphosphorung der Entkohlung etwas voraus. Es ist daher noch stets ausreichend Kohlenstoff im Bad enthalten, um ohne Gefahr des Überfrischens den P-Gehalt auf Werte von weniger als 0,05 zu senken. Ein Blasvorgang dauert 15.. 30 min. Bei Konvertern bis zu 400 t.

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Werkstoffe

2.01

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

Seite 8

Stahlgewinnung / LDAC-Blasstahlwerk

Roheisenmischer

Schlackenabguss

Zweiter Blasvorgang

Konverterbeschickung

Erster Blasvorgang

Kühlschrottzugabe

Stahlabstich

Blockguss

bzw.

Strangguss

LDAC Verfahren Für die P-reichen Erze (ca. 2 %) eignet sich das Ld-Verfahren in der eben beschriebenen Form nicht. Die Schlacke reichert sich nämlich schnell so stark mit Phosphor an, dass ihre Reaktionsfähigkeit bereits erschöpft ist, wenn noch etwa 0,2% P im Roheisen enthalten sind. Die bekannteste Abwandlung ist das LDAC-Verfahren bei dem mit Hilfe einer zweiten Schlacke eine weitere Entphosphorung erreicht wird. (ARBED/Luxemburg Centre National/Belgien) Ablauf: Es wird zunächst wie beim LD-Verfahren mit allmählich verringertem Lanzenabstand gefrischt, bis der PGehalt auf etwa 0,2% gesunken ist. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der C-Gehalt noch etwa 1 %. In diesem Stadium wird die P-reiche Schlacke weitestgehend abgekippt. Dann wird weiter gefrischt indem gleichzeitig mit dem Sauerstoff Kalkstaub eingeblasen wird. So lassen sich Phosphorgehalte im Stahl von unter 0,03 % erreichen. Dauer des Prozesses ist in etwa mit der beim LD-Verfahren vergleichbar. Auch hier sind Konvertergrößen bis 400 t üblich.

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Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 9

Stahlgewinnung / Elektrostahlwerk

Schrottplatz

Chargieren

Schlackenbildung

Schrottschmelzen und Frischen

Schlackenablauf

Legierungs- und Reduktionsmittelzusatz

Abstich

Bockguss

bzw.

Strangguss

Elektrostahlverfahren Die erforderliche Wärme wird bei diesen Verfahren meist durch einen Lichtbogen erzeugt; seltener durch Induktion. Einsatzstoffe sind neben Roheisen das hier meist in fester Form zugesetzt wird Schrott und Eisenschwamm( aus der Direktreduktion).Da hier kaum wärmeabführende Verbrennungsgase auftreten lassen sich sehr hohe Temperaturen erreichen (bis zu 3500 °C). Außerdem können keine Verunreinigungen ins Bad geblasen werden, da kein Heißwind verwendet wird. Der zum Frischen erforderliche Sauerstoff wird durch die Zugabe von Erz zugeführt. Zu umfangreichen Frischarbeiten wird der Elektroofen aber heute nicht mehr eingesetzt, da die Unterhaltskosten zu hoch sind. Deshalb ist sein Hauptarbeitsgebiet die Herstellung hochlegierten Edelstählen. Häufigster Typ: Heroult-Lichtbogenofen mit 3 Elektroden und bis zu 200 t Chargengewicht

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Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 10

Sekundärmetallurgie Unter der Sekundärmetallurgie bei der Stahlherstellung wird eine Nachbehandlung von Stahl verstanden mit dem Ziel, die Qualität des entsprechenden Werkstoffes zu erhöhen. Dabei können folgende metallurgische Maßnahmen zur Anwendung kommen: • • • • • • •

Einstellung der Legierung Homogenisierung von Temperatur und Legierungszusammensetzung Entfernung von Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor oder Spurenelementen Entgasung Desoxidation Verbesserung des Reinheitsgrades Einstellen des Erstarrungsgefüges

Um diese Maßnahmen durchzuführen, werden unter anderem die Vakuumentgasung in den unterschiedlichsten Modifikationen eingesetzt, eine Spülgasbehandlung über Spülsteine oder Lanzen oder eine Injektion von Feststoffen über Lanzen angewandt bzw. allgemein Legierungselemente, Desoxidationsmittel oder Schlackenbildner der Metallschmelze zugegeben. Die Verfahren der Sekundärmetallurgie sind sehr zahlreich und vielfach miteinander kombinierbar, so dass die für die Herstellung bestimmter Stahlgüten erforderlichen prozesstechnischen Abläufe exakt eingestellt werden können. Im folgenden werden einige der Verfahren der Nachbehandlung kurz beschrieben. Desoxidation Unter Desoxidation wird die Entfernung des in der Metallschmelze gelösten Sauerstoffs bis auf bestimmte Mindestwerte verstanden. Dazu werden Stoffe der Schmelze hinzugegeben - sogenannte Desoxidationsmittel wie Mangan, Silizium oder Aluminium -, die aufgrund ihrer hohen Affinität zum Sauerstoff diesen abbinden. Es entstehen oxidische Reaktionsprodukte, die größtenteils von der Schlacke aufgenommen werden. Eine Metallschmelze kann auch über eine Vakuumbehandlung oder Spülgasbehandlung desoxidiert werden, wobei in diesem Falle so gut wie keine oxidischen Reaktionsprodukte entstehen. Die Bedeutung der Desoxidation auf die Stahlqualität - auch im Hinblick auf die Schweißeignung - ergibt sich aus folgender Betrachtung: Beim Abkühlen bzw. Erstarren einer Metallschmelze verringert sich die Löslichkeit des Sauerstoffes in der Schmelze, so dass dieser mit dem ebenfalls vorhandenen Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid reagiert. Durch das Entweichen dieses Gases entsteht eine Art Kochen der Schmelze, der Stahl erstarrt unberuhigt. Als Folge hieraus stellt sich ein Gefüge über den Querschnitt des erstarrten Stahlblockes derart ein, dass sich an der Blockoberfläche eine relativ saubere, dichte Randschicht, die sogenannte Speckschicht, bildet. Hieran schließt sich eine mit Blasen durchsetzte Zone an. Zur Mitte des Blockes hin reichert sich die verbleibende Restschmelze an unerwünschten Elementen wie Schwefel oder Phosphor an und es entstehen Seigerungen. Dieser Seigerungseffekt führt zu örtlichen Schwefel- bzw. Phosphorgehalten im Stahl, die ein fehlerfreies Schweißen des Stahles erschweren bzw. verhindern. Durch eine Desoxidation wird die Bildung von Kohlenmonoxid und damit das Kochen der Schmelze weitgehend bzw. vollständig unterbunden, so dass auch die entsprechenden Seigerungen reduziert bzw. vermieden werden. Der Stahl erstarrt beruhigt ohne die Bildung von Blasen. Im Gegensatz zum unberuhigt vergossenen Stahl verringert sich bei beruhigt erstarrendem Block das Volumen, so dass am Kopf des Blocks Schwindungshohlräume bzw. Lunker auftreten können, die das Ausbringen verschlechtern.

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Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 11

Der Verlauf von Seigerungszonen über den Querschnitt eines Stahlblocks, -bleches oder -profils kann mit Hilfe eines Schwefelabdruckes nach Baumann oder durch das Heynsche Ätzmittel sichtbar gemacht werden. Hierauf wird in den metallographischen Übungen noch im einzelnen eingegangen.

Seigerungen Profil im Kopf einer Schienenschraube

Seigerungen in einem U-

Beispiel für Seigerungen in verschiedenen Walzerzeugnissen

Je nach Grad der Desoxidation wird zwischen unberuhigtem, beruhigtem und besonders beruhigtem Stahl unterschieden. Unberuhigter Stahl wird abhängig von der Norm mit U, FU bzw. G1 bezeichnet. Vorteile:

Saubere Blockoberfläche, reine Randzone (Speckschicht), kleiner Lunker, höheres Stahlausbringen

Nachteile: Blasenbildung, Seigerungszone im Blockkern mit höheren Gehalten an Schwefel, Phosphor und Kohlenstoff Unberuhigt vergossene Stähle sind für vorwiegend ruhend beanspruchte Schweißkonstruktionen mit Dicken bis 16 mm im Zugbereich und bis 25 mm im Druckbereich geeignet. Für Stumpfstöße werden sie im allgemeinen nur bis 12 mm zugelassen. Bei Dicken über 12 mm dürfen die Seigerungszonen nicht angeschnitten werden. Für Schweißkonstruktionen, die unter – 25 ºC eingesetzt werden sollen, sind unberuhigt vergossene Stähle nicht einsetzbar. Als Zusatzwerkstoffe sind nur solche mit höherem Manganund Siliziumgehalt zu wählen.

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Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 12

Kehlnähte: a) Verfahren mit geringem Einbrand schmelzen die Seigerungszonen nicht auf. b) Tiefeinbrennende Schweißverfahren eignen nicht prinzipiell nicht zum Schweißen geseigerter Stähle: Großer Aufmischungsgrad begünstigt Heißrissbildung.

Stumpfnähte: Seigerung c) Aufschmelzen der geseigerten Bereiche nicht vermeidbar. Zusatzwerkstoffe wählen, die P und S verschlacken können, z.B. basischumhüllte Stabelektroden.

Das Aufschmelzen der Seigerungszonen bei Kehlnähten und Stumpfnähten

durch Schweißen aufgeschmolzen Seigerung

Schweißgut vermischt mit aufgeschmolzenem, geseigertem Grundwerkstoff. Ausklinken der Stegaussteifung verhindert S- und PAnreicherung des Schweißgutes. Variante b) brauchbar, c) konstruktiv besser (teurer), weil durch „Schließen“ der Steg- und Gurtnähte Anfangsund Endkrater nicht entstehen

Aussteifen von T-Profilen aus unberuhigten Stählen

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Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 13

Beruhigter Stahl (R, FN bzw. G2 = unberuhigt nicht zulässig) wird über die Zugabe von Mangan oder Mangan + Silizium desoxidiert. Stahl dieser Qualität ist für Schweißkonstruktionen mit stoßartiger Belastung bei Temperaturen unter 25 ºC geeignet. Dabei werden bei Zugbeanspruchung Dicken bis 30 mm und bei Druckbeanspruchung Dicken bis 50 mm zugelassen.

Schnitt durch einen unberuhigt vergossenen Stahlblock

Vorteile:

Keine Seigerungszone, keine Blasenbildung

Nachteile:

Weniger saubere Blockoberfläche, großer Lunker mit geringem Stahlausbringen durch den verlorenen Kopf

Besonders beruhigter Stahl (RR, FF, G3 bzw. G4) wird zusätzlich zu Mangan und Silizium noch mit Aluminium desoxidiert, das in der Größenordnung von einigen Hundertstel Prozenten dem Werkstoff zugegeben wird. Vollberuhigte Stähle sind für alle in Schweißkonstruktionen des Stahlhoch- und Brückenbaus auftretenden Beanspruchungen geeignet. Es ist anzumerken, dass in Westeuropa heutzutage insbesondere bei den stranggegossenen Stahlqualitäten so gut wie nur noch beruhigte bzw. besonders beruhigte Werkstoffe hergestellt werden. Entschwefelung Der größte Teils des Schwefels wird bereits während des Hochofenprozesses und der hieran anschließenden Roheisen-Entschwefelung entfernt. Um jedoch auch niedrigste Schwefelgehalte von bis zu 15 %

+SA

Feueraluminiert

+AR

Aluminium-walzplattiert

+Z

Feuerverzinkt

+ZE

Elektrolytisch verzinkt

+TA

Weichgeglüht

+C

Kaltverfestigt

+Cnnn

Kaltverf. auf Rm > n n n N/mm²

+CR

Kaltgewalzt

+LC

Leicht kalt nachgezogen / nachgewalzt

+Q

Abgeschreckt bzw. gehärtet

S690QL1 S460NH P460NH Anhang

A: B:

Ausscheidungsgehärtet(S) Gasflaschen (P) Bake hardening (H) C: Besonders kaltumformbar Kaltgezogener Draht (Y) Cr: Hoher Cr-Gehalt (R) D: Schmelzüberzüge Zum Drahtziehen (C) E: Emaillierung Smax begrenzt (C) EK: Konventionelle Emaillierung (D) ED: Direkte Emaillierung (D) F: Schmiedegeeignet G: Andere Güten (Option) H: Hohlprofile Für Hochtemperatur (P) Warmgezogen/vorgespannt (Y) J: KV = 27 J K: KV = 40 J L: Kaltzäh (Feinkornbaustähle) KV = 60 J (Baustähle) M: Thermomechanisch umgeformt N: Normalisiert O: Für Offshore P: Phosphorlegiert (H) Mn: Hoher Mn-Gehalt (R) Q: Vergütet R: Raumtemperatur Def. S-Gehalt (C) S: Für Schiffbau Für einfache Druckbehälter (P) Für Federn (C) Litze (Y) T: Rohre U: Für Werkzeuge W: Wetterfest Für Schweißdraht (C) X: Hoch- und Niedrigtemperatur Dualphase (H) Y: Interstitial free steel (H)

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Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 24

Tabelle 5: Beispiele für Symbole für besondere Anforderungen Symbol

Behandlungszustand

+H

Mit besonderer Härtbarkeit

+Z15

Mindest-Brucheinschnürung senkrecht zur Oberfläche 15 %

+Z25

Mindest-Brucheinschnürung senkrecht zur Oberfläche 25 %

+Z35

Mindest-Brucheinschnürung senkrecht zur Oberfläche 30 %

ANMERKUNG: Die Symbole werden durch Pluszeichen (+) von den vorhergehenden getrennt. Diese Symbole stehen im Grunde als für den Stahl kennzeichnende Sonderanforderungen. Aus praktischer Erwägung werden sie jedoch wie Zusatzsymbole behandelt.

Tabelle 6: Beispiele für Symbole für die Art des Überzuges Symbol

Behandlungszustand

+SA

Feueraluminiert

+SAR

Aluminium-walzplattiert

+AS

Mit einer Al-Si-Legierung überzogen

+AZ

mit einer Al-Zn-Legierung überzogen (> 50 % Al)

+CE

Elektrolytisch spezialverchromt (ECCS)

+CU

Kupferüberzug

+IC

Anorganische Beschichtung

+OC

Organisch beschichtet

+SS

Feuerverzinnt

+SE

Elektrolytisch verzinnt

+ST

Schmelztauchveredelt mit einer Blei-Zinn-Legierung (Terne)

+TE

Elektrolytisch mit einer Blei-Zinn-Legierung überzogen

+Z

Feuerverzinkt

+ZA

Mit einer Zn-Al-Legierung überzogen (> 50 % Zn)

+ZE

Elektrolytisch verzinkt

+ZF

Diffusionsgeglühte Zinküberzüge (galvannealed, mit diffundiertem Fe)

+ZN

Zink-Nickel-Überzug (elektrolytisch)

ANMERKUNG: Die Symbole werden durch Pluszeichen (+) von den vorhergehenden getrennt. Um Verwechslungen mit anderen Symbolen zu vermeiden, kann der Buchstabe S vorangestellt werden, z.B. +SA.

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Werkstoffe

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

2.01 Seite 25

Tabelle 7: Beispiele für Symbole für den Behandlungszustand Symbol¹)

Behandlungszustand

+TA +AC

Weichgeglüht Geglüht zur Erzielung kugeliger Karbide

+TAR

Gewalzt ohne jegliche besondere Bedingungen

+AT

Lösungsgeglüht

+C

Kaltverfestigt (z.B. durch Walzen oder Ziehen)

+Cnnn

Kaltverfestigt auf eine Mindestzugfestigkeit von n n n N/mm²

+CR

Kaltgewalzt

+DC

Lieferzustand ist dem Hersteller überlassen

+FP

Behandelt auf Ferrit-Perlitgefüge und Härtespanne

+HC

Warm-Kalt-geformt

+I

Isothermisch behandelt

+LC

Leicht kalt nachgezogen bzw. leicht nachgewalzt (Skin passed)

+M

Thermomechanisch umgeformt

+N

Normalgeglüht oder normalisierend gewalzt

+NT

Normalgeglüht und angelassen

+P

Ausscheidungsgehärtet

+Q

Abgeschreckt bzw. gehärtet

+QA

Luftgehärtet

+QO

Ölgehärtet

+QT

Vergütet

+QW

Wassergehärtet

+RA

Rekristallisationsgeglüht

+TS

Behandelt auf Kaltscherbarkeit

+TT

Angelassen

+TH

Behandelt auf Härtespanne

+SU

Unbehandelt

+WW

Warmverfestigt

¹ Die Symbole werden durch Pluszeichen (+) von den vorhergehenden getrennt. ² Um Verwechslungen mit anderen Symbolen zu vermeiden, kann der Buchstabe T vorangestellt werden (z.B.+ TA)

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Werkstoffe

2.01

Herstellen und Bezeichnen der Stähle

Seite 26

Tabelle 8: Stahlgruppennummern nach DIN EN 10027 Teil 2 Unlegierte Grundstähle

Qualitätsstähle

Legierte Stähle Edelstähle

Qualitätsstähle

Edelstähle Werkzeugstähle

00 90 Grundstähle

Verschiedene Stähle

Chem. best. Stähle

Bau-, Maschinenbau- und Behälterstähle

10 Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften

20 Cr

30

40 Nichtrostende Stähle mit < 2,5 % Ni ohne Mo, Nb und Ti

50 Mn, Si, Cu

60 Cr-Ni mit ˜ 2,0 < 3% Cr

70 Cr Cr-B

80 Cr-Si-Mo Cr-Si-Mn-Mo Cr-Si-Mo-V Cr-Si-Mn-Mo-V

01 91 Allgemeine Baustähle mit Rm < 500 Nmm²

11 Bau-, Maschinenbau-, Behälterstähle mit < 0,50 % C

21 Cr-Si Cr-Mn Cr-Mn-Si

31

41 Nichtrostende Stähle mit < 2,5 % Ni mit Mo, ohne Nb und Ti

51 Mn-Si Mn-Cr

61

71 Cr-Si Cr-Mn Cr-Mn-B Cr-Si-Mn

81 Cr-Si-V Cr-Mn-V Cr-Si-Mn-V

02 92 Sonstige nicht für eine Wärmebehandlung bestimmte Baustähle mit Rm < 500 Nmm²

12 Maschinenbaustähle mit > 0,50 % C

22 Cr-V Cr-V-Si Cr-V-Mn Cr-V-Mn-Si

32 Schnellarbeitsstähle mit Co

42

52 Mn-Cu Mn-V Si-V Mn-SiV

62 Ni-Si Ni-Mn Ni-Cu

72 Cr-Mo mit < 0,35 % Mo Cr-Mo-B

82 Cr-Mo-W Cr-Mo-W-V

03 93 Stähle mit im Mittel < 0,12 % C oder Rm < 400 Nmm²

13 Bau-, Maschinenbau- und Behälterstähle mit besond. Anforderungen

23 Cr-Mo Cr-Mo-V Mo-V

33 Schnellarbeitsstähle ohne Co

43 Nichtrostende Stähle mit ˜ 2,5 % Ni ohne Mo, Nb und Ti

53 Mn-Ti Si-Ti

63 Ni-Mo Ni-Mo-Mn Ni-Mo-Cu Ni-Mo-V Ni-Mn-V

73 Cr-Mo mit ˜ 0,35 % Mo

83

04 94 Stähle mit im Mittel ˜ 0,12 < 0,25 % C oder Rm ˜ 400 < 500 Nmm²

14

24 W Cr-W

34

44 Nichtrostende Stähle mit ˜ 2,5 % Ni mit Mo, ohne Nb und Ti

54 Mo NB, Ti, V W

64

74

84 Cr-Si-Ti Cr-Mn-Ti Cr-Si-Mn-Ti

05 95 Stähle mit im Mittel ˜ 0,25 < 0,55 % C oder Rm ˜ 500 < 700 Nmm²

15 Werkzeugstähle

25 W-V Cr-W-V

35 Wälzlagerstähle

45 Nichtrostende Stähle mit Sonderzusätze

55 B MnB < 1,65 % Mn

65 Cr-Ni-Mo mit < 0,4% Mo + < 2% Ni

75 Cr-V mit < 2,0 % Cr

85 Nitrierstähle

06 96 Stähle mit im Mittel ˜ 0,55 % C oder Rm ˜ 700 Nmm²

16 Werkzeugstähle

26 W außer Klasse 24, 25 und 27

36 Werkstoffe mit besonderen magnetischen Eigenschaften ohne Co

46 Chemisch beständige und hochwarmfeste Ni-Legierungen

56 Ni

66 Cr-Ni-Mo mit < 0,4% Mo +˜2,0 2,9 % Cr

86

07 97 Stähle mit höheren P- oder SGehalt

17 Werkzeugstähle

27 mit Ni

37 Werkstoffe mit besonderen magnetischen Eigenschaften mit Co

47 Hitzebeständige Stähle mit < 2,5 % Ni

57 Cr-Ni mit < 1,0 % Cr

67 Cr-Ni-Mo mit < 0,4 % Mo +˜3,5 10 mm.

Lt Bild 7: Längsbiegeprobe (RBB und FBB)

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2.02-1 u. 2.02-2 Seite 11

Der Biegeversuch mit Längsbiegeproben dient zur Prüfung der Verformbarkeit von Stumpfschweißverbindungen aus nicht artgleichen Werkstoffen bei Beanspruchung längs zur Naht.

a

Schnitt A-B

A

B BN 2B N

Bild 8: Messstrecken zur Ermittlung der Biegedehnung (für die Ermittlung der Biegedehnung ist die Messstrecke 2 BN zu verwenden)

6. Aufschweißbiegeversuch nach SEP 1390 oder DIN 17100 6.1 Aufgabe des Aufschweißbiegeversuches Bestimmung des Rissauffangvermögens eines Werkstoffes. Dabei wird geprüft, ob ein im Schweißgut entstandener Anriss bei zügiger Beanspruchung von der Wärmeeinflusszone oder vom Grundwerkstoff aufgefangen wird. 6.2 Geltungsbereich Gilt für schweißgeeignete Baustähle mit Mindestwerten der Streckgrenze von 235 bis 355 N/mm² mit Erzeugnisdicken ≥ 30 mm. 6.3 Versuchsdurchführung Der Aufschweißbiegeversuch wird bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Probe wird so in die Biegevorrichtung eingelegt (siehe Bild), dass die Schweißraupe in der Zugzone liegt, und gleichmäßig langsam (zügig) bis zum Bruch, höchstens aber bis 90° gebogen wird.

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Werkstoffe

2.02-1 u. 2.02-2

Prüfen der Werkstoffe und der Schweißverbindung I/II Schnitt A-A A

Seite 12

Schnitt B-B r=0,1a

B h

Ls

R=4

b

A a b L p Ls

B

Lp

Probendicke Probenbreite Probenlänge Länge der Schweißraupe

R h r

a

4

Radius der halbkreisförmigen Nut Nahtüberhöhung Abrundungsradius an den langen Probenseiten

Bild 9: Schematische Darstellung des Aufschweißbiegeversuches nach SEP 1390 D/2

D > = 50 L

Rollen drehbar α

f Lf D α

Vor der Prüfung

freie Länge zwischen den Auflagerollen 2 x Radius des Biegestempels Biegewink el

Nach der Prüfung

Bild 10: Biegevorrichtung mit Biegestempel

6.4 Versuchsbewertung Der Aufschweißbiegeversuch ist bestanden, wenn mindestens ein Anriss in der Wärmeeinflusszone entstanden oder vom Schweißgut in die Wärmeeinflusszone hineingelaufen und die Probe bis zu einem Biegewinkel von 60° nicht gebrochen ist. Die Probe gilt als gebrochen, wenn der Abstand zwischen Mitte Schweißraupe und einem Rissende größer als 80 mm ist.

7. Kerbschlagbiegeversuch DIN 50115, DIN EN10045 7.1 Aufgabe des Kerbschlagbiegeversuches Die Aufgabe des Kerbschlagbiegeversuches besteht in der Bestimmung der Zähigkeit, d. h. des Verformungsvermögens eines metallischen Werkstoffs bei schlagartiger Beanspruchung. Der Versuch wird z. B. im Rahmen der Güteprüfung der Werkstoffe genutzt. Er erlaubt u. a. die Beurteilung des Bruchverhaltens unter festgelegten Beanspruchungsbedingungen.

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2.02-1 u. 2.02-2 Seite 13

Der Kerbschlagbiegeversuch liefert keinen Kennwert für die Festigkeitsberechnung; es kann aus dem Ergebnis des Kerbschlagbiegeversuches auch nicht unmittelbar auf die tiefste Betriebstemperatur eines Werkstoffes in einem Bauteil geschlossen werden. Zähe Stähle zeichnen sich im Kerbschlagbiegeversuch durch ein großes Verformungsvermögen aus, demgegenüber sind spröde Werkstoffe nur durch ein geringes Verformungsvermögen charakterisiert. 7.2 Versuchsablauf Eine gekerbte Probe wird biegend mit einem Schlag durch einen Pendelhammer gebrochen, die dazu notwendige Schlagenergie (Schlagarbeit) wird gemessen. Der Kerb in der Probe fördert durch Einengen des Verformungsbereiches und die Entstehung eines mehrachsigen Spannungszustandes die Neigung zum Sprödbruch. Die schnelle Beanspruchung der Probe (Schlag mit einer Schlaggeschwindigkeit von 5 bis 5,5 m/s) verstärkt die Tendenz zum spröden Bruch. Gewicht Skala

Hammer

Pendelstange

Schneide Drehachse h2

h1

Probe Auflager

Bild 11: Schematische Darstellung des Kerbschlagbiegeversuches

7.3 Kennwerte Kerbschlagarbeit KV (Angabe in J) Die Kerbschlagarbeit KV ist proportional der zum Brechen bzw. zur plastischen Verformung einer Kerbschlagprobe erforderlichen Schlagenergie (h1 - h2 ist proportional der Kerbschlagarbeit) (1 J = 0,102 kpm; Beispiel: KV (ISO-V) = 80 J). Kerbschlagzähigkeit ak (Angabe in J/cm²) Die Kerbschlagzähigkeit ak entspricht der zum Brechen bzw. zur plastischen Verformung einer Kerbschlagprobe erforderlichen Schlagenergie bezogen auf den Prüfquerschnitt. (Bemerkung: wird nicht mehr verwendet)

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2.02-1 u. 2.02-2 Seite 14

Bruchaussehen Das Bruchaussehen ist die Erscheinungsform der Bruchfläche bei makroskopischer Betrachtung. Für die Zwecke dieser Prüfung wird zwischen einem: − matten oder fasrigen und einem − kristallinen Aussehen unterschieden. Laterale Breitung Die laterale Breitung bietet eine Möglichkeit zur Beurteilung des Bruchverhaltens eines Werkstoffes. Diese laterale Breitung entsteht in der Druckzone unterhalb der Kerbe und kann mit der Mikrometerschraube gemessen werden, wenn die Probe ohne vollständigen Bruch durch das Widerlager gezogen wird. Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve (KV-t-Kurve) Hochlage

Kerbschlagarbeit

KV-t-Kurve

Übergangsgebiet (Steilabfall)

Tieflage Prüft emperatur

Bild 12: Schematische KV-t-Kurve mit Übergangsgebiet (Steilabfall)

Die Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurve stellt die Kerbschlagarbeit in Abhängigkeit von der Prüftemperatur bei gleicher Probenform dar. Man unterscheidet beim Kurvenverlauf mit Steilabfall zwischen: – – –

der Hochlage, dem Übergangsgebiet (Steilabfall) und der Tieflage.

Übergangstemperatur tü Die Übergangstemperatur kennzeichnet die Lage des Steilabfalls in der Kerbschlagarbeit-TemperaturKurve. Als Übergangstemperatur gilt diejenige Temperatur, bei der: – – – –

ein bestimmter Wert der Kerbschlagarbeit erreicht wird, z. B. KV (ISO-V) = 28 J, ein bestimmter Prozentsatz der Kerbschlagarbeit der Hochlage erreicht wird, ein bestimmter Anteil an matter oder fasriger Bruchfläche auftritt, z. B. 50 %, ein bestimmtes Maß an lateraler Breitung erreicht wird.

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Werkstoffe

2.02-1 u. 2.02-2

Prüfen der Werkstoffe und der Schweißverbindung I/II

Hinweis:

Seite 15

Die Kerbschlagarbeit eines Werkstoffes ist abhängig von Prüftemperatur und Probenform. Deshalb müssen Prüfergebnisse über die Kerbschlagarbeit ergänzt werden durch Angaben zur Probenform und Prüftemperatur.

Prüfbericht Im Prüfbericht sind anzugeben: Probenlage im Prüfstück und Kerblage, Prüftemperatur in Grad C, Kerbschlagarbeit KV mit Angabe des Kurzzeichens der Probenform, wenn ermittelt, laterale Breitung und kristalliner Bruchanteil.

R

1

10

Ra 3,2

10

55

5

a) b) c) d)

Ra 3,2

Charpy U-Probe

Ra 3,2

Ra 3,2

Bild 13: Kerbschlagprobenform Charpy U (Rundkerb) 10

55

8

25 0,

10

Ra 3,2

Ra 3,2

Charpy V-Probe

Ra 3,2

Ra 3,2

Bild 14: Kerbschlagprobenform Charpy V (Spitzkerb)

8. Härteprüfung 8.1 Härteprüfung nach Vickers 8.1.1 Anwendungsbereich und Zweck Die Härteprüfung nach Vickers ist in Abhängigkeit von der angewendeten Prüfkraft in drei Bereiche eingeteilt, siehe nachfolgende Tabelle: Bereich

Prüfbedingung

Prüfkraft F (in N)

Norm

Makrobereich

HV 5 bis HV 100

49,03 bis 980,7

DIN 50133

Kleinlastbereich

HV 0,2 bis HV 5

1,961 bis 49,03

DIN 50133

< HV 0,2

< 1,961

in Vorbereitung

Mikrobereich

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Prüfen der Werkstoffe und der Schweißverbindung I/II

2.02-1 u. 2.02-2 Seite 16

8.1.2 Kurzbeschreibung Ein Eindringkörper aus Diamant in Form einer geraden Pyramide mit quadratischer Grundfläche mit einem Winkel von a = 136 ° zwischen gegenüberliegenden Flächen wird in die Oberfläche einer Probe eingedrückt und die Diagonalen d1 und d2 des Eindrucks, der in der Oberfläche nach Wegnahme der Prüfkraft F zurückbleibt, gemessen.

F α

d1

Eindringkörper (Diamantpyramide)

d2

Vickers-Eindruck

Bild 15: Bestimmung der Vickershärte

Die Vickershärte ist proportional dem Quotienten aus der Prüfkraft und der Oberfläche des Eindrucks, der als gerade Pyramide mit quadratischer Grundfläche und gleichem Winkel wie der Eindringkörper angenommen wird. 8.1.3 Formelzeichen und Angabe der Vickershärte Zeichen

Benennung

α

Winkel zwischen gegenüberliegenden Flächen des pyramidenförmigen Eindringkörpers ( 136°)

F

Prüfkraft in N

d

Arithmetischer Mittelwert der beiden Diagonalen d 1und d2 in mm

HV

Vickershärte

=

Prüfkraft Oberfläche des Eindrucks

= 0,102

136° 2 ≈ 0,1891 ⋅ F 2 d d2

2 ⋅ F ⋅ sin

Die eindeutige Angabe der Vickershärte setzt sich zusammen aus dem Härtewert und den Prüfbedingungen. Der Härtewert steht vor den Prüfbedingungen.

8.1.4 Beispiel 640 HV 30 bedeutet, dass der Vickershärtewert 640 mit einer Prüfkraft von 294,2 N und einer Einwirkdauer von 10 bis 15 s bestimmt worden ist.

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2.02-1 u. 2.02-2 Seite 17

8.2 Härteprüfung nach Rockwell 8.2.1 Anwendungsbereich Die Anwendung der Härteprüfung nach Rockwell erfolgt in vier Bereichen: Verfahrensvariante

Härte

Anwendungsbeispiele

Rockwell C

20 bis 70 HRC

gehärtete Stähle, gehärtete und angelassene Legierungen

Rockwell A

60 bis 80 HRA

sehr harte Werkstoffe, z.B. Hartmetall

Rockwell B, F

35 bis 100 HRB

Werkstoffe mittlerer Härte, Stähle mit niedrigem und mittleren C-Gehalt, Kupfer-Zinklegierung, Bronze usw.

8.2.2 Kurzbeschreibung Der Eindringkörper - Kegel aus Diamant mit gerundeter Spitze oder Kugel aus Stahl - wird in 2 Stufen in die Probe eingedrückt. Die bleibende Eindringtiefe tb dieses Eindringkörpers wird unter bestimmten Bedingungen ermittelt. Aus der Eindringtiefe tb wird die Rockwellhärte abgeleitet.

8.2.3 Prinzip der Härteprüfung nach Rockwell B und Rockwell F (Verfahren mit Kugel)

1

3

3

4

D

5 3

6 7 0,200 mm

8

10

130 30 0

Härteskala

Oberfläche der Probe Bezugsebene für die Messung

6 130

7

0,200 mm

8, 9 10

30 0

Bild 16: Bestimmung der Rockwellhärte

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Werkstoffe

2.02-1 u. 2.02-2

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Seite 18

Nr. im Bild

Kurzzeichen Begriffe

1

D

Kugeldurchmesser = 1,5875 mm (1/16 inch)

3

F0

Prüfvorkraft

4

F1

Prüfkraft

5

F

Prüfgesamtkraft = F0 + F1

6

t0

Eindringtiefe im mm unter der Prüfvorkraft F0, legt die Bezugsebene für die Messung von t0 fest

7

t1

Eindringtiefe im mm unter der Prüfkraft F1

8

tb

Bleibende Eindringtiefe in mm, gemessen nach Kraftminderung von F auf F0

9

e

Bleibende Eindringtiefe, ausgedrückt in Einheiten von 0,002 mm: e = tb / 0,002

8.2.4 Prüfkräfte Prüfkräfte für das Verfahren Begriff

Rockwell C

Rockwell A

Rockwell B

Rockwell F

N

N

N

N

Prüfvorkraft F0

98,07 ± 1,96

98,07 ± 1,96

98,07 ± 1,96

98,07 ± 1,96

Prüfkraft F1

1373

490,3

882,6

490,3

Prüfgesamtkraft F

1471 ± 14,7

588,4 ± 5,88

980 ± 9,81

588,4 ± 5,88

8.3 Härteprüfung nach Brinell 8.3.1 Anwendungsbereich und Zweck Die Härteprüfung nach Brinell ist für metallische Werkstoffe bestimmt.

8.3.2 Kurzbeschreibung Ein Eindringkörper - Kugel aus Hartmetall oder gehärtetem Stahl mit dem Durchmesser D - wird in die Oberfläche einer Probe eingedrückt und der Durchmesser d des Eindrucks nach Wegnahme der Prüfkraft gemessen. Die Brinellhärte ist proportional dem Quotienten aus der Prüfkraft und der Oberfläche des Eindrucks.

8.3.3 Anwendung – –

Die Hartmetallkugel wird bei Werkstoffen angewendet, deren Brinellhärte 650 HBW nicht übersteigt. Die Stahlkugel wird bei Werkstoffen angewendet, deren Brinellhärte 450 HBS nicht übersteigt.

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2.02-1 u. 2.02-2 Seite 19

8.3.4 Prinzip der Härteprüfung nach Brinell F D Kugel

h

d

Bild 17: Bestimmung der Brinellhärte

D ........... Kugeldurchmesser in mm F............ Prüfkraft in N d ............ Mittlerer Eindruckdurchmesser in mm h ............ Eindrucktiefe in mm

h=

D − D 2 − d2 2

HB²) ....Brinellhärte (HBW oder HBS) = Konstante 1 ) ⋅ = 0,102 ⋅ 1) 2)

Prüfkraft Oberfläche des Eindrucks 2F

π ⋅ D(D − D 2 − d 2 )

ca. 0,102 HBW bei Verwendung einer Hartmetallkugel HBS bei Verwendung einer Stahlkugel

8.4 Härteprüfungen an Schweißverbindungen Härteprüfungen an Schweißverbindungen werden in der Regel nach Vickers (DIN EN ISO 6507) mit Prüfkräften von 49 N oder 98 N (HV 5 oder HV 10) durchgeführt, wobei sich die Wahl vorrangig nach dem Werkstoff richtet. Für die Härteprüfung der Schweißverbindungen sind die Festlegungen der DIN EN 1043 bindend. Die Härteprüfungen können je nach Anforderung in Reihen- oder als Einzeleindrucke erfolgen.

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2.02-1 u. 2.02-2 Seite 20

2 mm max.

Grundwerkstoff

Grundwerkstoff

Schweißgut

WEZ - schmal

WEZ - breit

Bild 18: Härtereihe für eine Stumpfnaht

11 1

5

7

2

3 4

6

13

8

Lage der Härteeindrücke bei Härt eprüfung mit Einzelwerten (nach DIN EN 10 43-1)

Bild 19: Einzeleindrücke einer Stumpfnaht

Verlauf der Härtespur

>2

GW SG

1 2

GW

Bild 20: Anordnung der Härtereihen für Kehlnähte

2

1 5 11

9 10

13

7

3 4

Lage der Härteeindrücke bei Härt eprüfung mit Einzelwerten (nach DIN EN 10 43-1)

Bild 21: Anordnung der Einzeleindrücke bei Kehlnähten

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2.02-1 u. 2.02-2 Seite 21

Die kritische Stelle einer Schweißverbindung ist in der Regel die Wärmeeinflusszone. Aus diesem Grund empfiehlt die Norm, neben dem Härteeindruck mit dem höchsten Wert zwei weitere Eindrücke durchzuführen. Das Ergebnis der Härteprüfung gibt Aufschluss über die sachgemäße schweißtechnische Verarbeitung des Werkstoffes. Wenn z. B. bei einem Schweißvorgang zu viel Martensit in der WEZ entsteht, dann bildet sich dort eine sehr harte Zone aus, in der häufig Risse entstehen. Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Unternahtrissigkeit, der Höchsthärte und dem Martensitanteil. Wenn die Höchsthärte einen bestimmten Wert überschreitet (nach R. Müller z. B. bei unlegierten Stählen HV 400) ist mit Unternahtrissigkeit zu rechnen. 8.5 Vergleichswerte der Härteverfahren zueinander

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2.02-1 u. 2.02-2 Seite 22

9. Dynamische Festigkeit nach DIN 50100 9.1 Zweck Der dynamische Versuch dient zur Ermittlung von Kennwerten für das mechanische Verhalten von Werkstoffen oder Bauteilen bei dauernder oder häufig wiederholter schwellender oder wechselnder Beanspruchung. Er wird Dauerschwingversuch genannt, weil die Beanspruchung der Probe in Form eines Schwingvorganges verläuft. 9.2 Begriffe Zeitschwingfestigkeit:

ist die oberhalb der Dauerfestigkeit liegende Beanspruchung, bei der es bei Erreichen der durch die Wöhlerkurve vorgegebenen Schwingspielzahl zum Dauerbruch kommt.

Dauerschwingfestigkeit:

ist der um eine gegebene Mittelspannung schwingende größte Spannungsausschlag den eine Probe "unendlich oft" ohne Bruch und ohne unzulässige Verformung aushält.

Wechselfestigkeit:

ist der Sonderfall der Dauerfestigkeit für die Mittelspannung Null. Die Spannung wechselt zwischen gleich großen Plus- und Minuswerten.

Schwellfestigkeit:

ist der Sonderfall der Dauerfestigkeit für eine zwischen Null und einem Höchstwert an- und abschwellende Spannung. Die Unterspannung ist Null, die Mittelspannung gleich dem Spannungsausschlag und die Schwellfestigkeit gleich der Schwingbreite.

9.3 Zeichen der Dauerschwingfestigkeit und ihre Bedeutung Zeichen

Bedeutung

σD

Dauerschwingfestigkeit (allgemeine Bezeichnung)

σA

Spannungsausschlag der Dauerfestigkeit für eine vorgegebene Mittelspannung σm

σm

Mittelspannung der Dauerfestigkeit

σO

Oberspannung der Dauerfestigkeit (größter Zahlenwert, unabhängig vom Vorzeichen) für eine vorgegebene Mittelspannung σm oder Unterspannung σU

σU

Unterspannung der Dauerfestigkeit (kleinster Zahlenwert, unabhängig vom Vorzeichen) für eine vorgegebene Mittelspannung σm

2σA

Schwingbreite der Dauerfestigkeit = σO - σU

S(oder κ)

Spannungsverhältnis der Dauerfestigkeit σU/σO (Vorzeichen beachten)

R

Verhältnis σm/σO, Vorzeichen berücksichtigen

σA/Rm

Dauerfestigkeits-Verhältnis = Verhältnis von Spannungsausschlag der Dauerfestigkeit (σA) zur Zugfestigkeit (Rm)

σW

Wechselfestigkeit (früher Schwingungsfestigkeit)

σSch

Schwellfestigkeit (früher Ursprungsfestigkeit σUr)

βk

Kerbwirkungszahl = σA ungekerbt/σA gekerbt

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10. Zeitstandversuch unter Zugbeanspruchung nach DIN 50118 10.1 Zweck Der Zeitstandversuch dient zur Ermittlung des mechanischen Verhaltens metallischer Werkstoffe bei während der Beanspruchungsdauer konstanter Prüftemperatur und konstanter, in Richtung der Probenachse wirkender Zugkraft. Diese Norm beschreibt die Verfahren für: –

die Ermittlung der Kriechdehnung in Richtung der Probenachse in Abhängigkeit von der Beanspruchungsdauer; man unterscheidet: a) den nicht unterbrochenen Zeitstandversuch (A) b) den unterbrochenen Zeitstandversuch (B)

–

die Ermittlung der Beanspruchungsdauer bis zum Bruch im nicht unterbrochenen oder unterbrochenen Versuch

–

die Ermittlung der Zeitdehngrenzen, der Zeitstandfestigkeit und der Zeitbruchverformungswerte in Abhängigkeit von der Beanspruchungsdauer εt εe εo

ε‘p

εi

σo

εf t=0

Spannung

t=t1

Dehnung

Bild 22: Spannung-Dehnung-Schaubild des nicht unterbrochenen Zeitstandsversuches εt εe εo σo

ε‘p

εi

εf t=0

Spannung

t=t1

ε‘‘p

εk

εe

Dehnung

Bild 23: Spannung-Dehnung-Schaubild des unterbrochenen Zeitstandsversuches

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plastische Dehnung εp Au

%

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Bruch