FT1_04

Allgemein

•  Schweißen von Dünnstblechen ab 0,3 mm Blechstärke

•  Fügen von wärmeempfindlichen Werkstoffen

•  Fügen von Mischverbindungen

•  Fügen beschichteter Werkstoffe

  Beispiel AMG

•  manuelles CMT Fügen der Karosserie des SLS AMG

•  16 Guss-, 146 Profil- und 197 Blechteile ergeben 70 m

  Schweißnahtlänge pro Karosserie

•  zahlreiche kurze und häufig schwer zugängliche Fügestellen

•  flexibles und schnelles Reagieren auf unterschiedliche und sich ändernde Spaltmaße

•  aufgrund des geringen Wärmeeintrags kann auf Vorrichtungen zur Reduzierung des Einflusses von Schrumpfungen verzichtet werden 

- gutes Einbrandverhalten

- keine Einbrandkerben aufgrund des sehr kurzen Lichtbogens

- hohe Wirtschaftlichkeit durch höhere Schweißgeschwindigkeit und daraus resultierende Verringerung der Lagenzahl

- aufgrund verringerter Wärmeeinbringung in den Grundwerkstoff geringere Wärmeeinflusszone und Verzug

MSG-Doppeldraht und MSG-Tandem-Schweißen

guckst du

guckst du...

- bei synchronem Puls starke elektromagnetische Beeinflussung der Lichtbögen (Blaswirkung)

- Lösung: 180° Phasenverschiebung der Pulse 

guckst du...

- Schweißquelle

- Kühlung

- Drahtkoffer mit Drahtvorschub

- Schlauchpaket

- Brenner 

guckst du...

Der Stromanstieg in der Kurzschlussphase wird reduziert

Geringere Streckenenergie, weniger Spritzer 

Ursachen Poren:

- Verschmutzungen auf der Oberfläche

- Zugluft

- zu langes freies Drahtende

- Kontaktrohr verbogen

- Zu langer Lichtbogen

- Blaswirkung

- Zu kleiner Gasdüsendurchmesser oder durch Spritzer zugesetzte Gasdüse

- Feuchtigkeit im Schutzgas

- Feuchtigkeit über das Schlauchpaket 

Vorteile: höhere Abschmelzleistung, höhere Schweißgeschwindigkeit, bessere Spaltüberbrückbarkeit, geringere Streckenenergie, gute Entgasungsmöglichkeiten des Schmelzbades bei hohen Schweißgeschwindigkeiten

Nachteile: größerer Brenner, Bauteilzugänglichkeit schlechter, Anlagenkosten höher, gegenseitige Beeinflussung der Lichtbögen, Regelung der Lichtbogenstabilität aufwendiger 

Tandemschweißen

- zwei Schweißquellen
- zwei Kontaktrohre in einem Brenner

Doppeldrahtschweißen

- eine Schweißquelle
- ein Kontaktrohr mit zwei Bohrungen 

tan (25°) = X/5 mmX = tan (25°) * 5 mm = 2,33 mm AN1 =1⁄2 *X*5mm2 =5,825mm2

ASpalt = 5 mm * 2 mm = 10 mm2 ANaht = 2 * AN1 +ASpalt = 21,65 mm2
VD *AD =VS *ANahtVD =VS *ANaht/AD mitAD=π*D2/4=1,131mm2

VD = 0,25 m/min * 21,65 mm2 / 1,131 mm2 = 4,79 m/min Berücksichtigung 10% Abbrand VD = 4,79 m/min : 0,9 = 5,322 m/min 

MSG-Tandemschweißen 

– alle relevanten metallischen Werkstoffe

– hohe/flexible Abschmelzleistung

– gute Nahtqualität

– große Anwendungsbandbreite

– geeignet für Zwangslagen

– wirtschaftliches Verfahren (Anschaffung, Abschmelzleistung) 

– Aufgrund abschmelzender Elektrode Energie- und Massetransport gekoppelt !

– Verfahren empfindlich gegenüber

– Bindefehler

– Nahtansatzfehler

– Endkraterfehler

– Zugluft

– Porenbildung

Im Gegensatz zum WIG-Schweißen, bei dem die Elektrode üblicherweise negativ polt ist, um das Abschmelzen der Wolframelektrode zu verhindern, macht wird beim MSG- Schweißen der Effekt genutzt, dass der positive Pol stärker erwärmt wird als der negative. Dadurch schmilzt die zugeführte Drahtelektrode besser ab. Das Bild links zeigt das Funktionsprinzip des MSG-Prozesses. Die Komponenten sind die Schweißstromquelle, der Drahtvorschub, der MSG-Schweißbrenner, die Gasversorgung, und das Schlauchpaket. Die Schweißstromquelle besteht aus verschiedenen Baugruppen: Einem Transformator, der die Netzspannung in eine Niederspannung umwandelt, die anschließend gleichgerichtet wird. Neben der Kühlung für den Brenner und der Schutzgassteuerung ist die Steuerung des Schweißprozesses die wichtigste Baugruppe. Diese Steuerung regelt den Schweißprozess und gewährleistet, dass die eingestellten Schweißparameter während des Prozesses eingehalten werden.

Der wesentliche Unterschied zum WIG-Prozess ist die direkte Kopplung von Energiezufuhr und Einbringung des abschmelzenden Zusatzwerkstoffes, dies erwirkt zwar eine wirtschaftliche Abschmelzleistung, kann aber zu technologisch bedingten Schweißnahtungänzen führen. 

Mittig ist ein Schutzgashandbrenner in der gebräuchlichen, gekrümmten Form detailliert dargestellt. Ein Maschinenbrenner hat kein Griffstück und ist gerade oder gekrümmt ausgeführt. Im Schlauchpaket sind Drahtführungsseele, Schutzgaszuführung, Stromzufuhr und Kühlwasserschläuche für die Kontaktrohrkühlung enthalten. Das Kontaktrohr dient zur Übertragung des Stromes auf die Drahtelektrode. Die Schutzgasdüse ist so geformt, dass sie eine gleichmäßige Umströmung des Lichtbogenraumes bewirkt, wodurch Lichtbogen und Schmelzbad sicher gegen die Atmosphäre abgeschirmt werden. 

Hierbei wird der haspelnahe Antrieb (push) durch einen weiteren, brennernahen Antrieb (pull) unterstützt. Beide Antriebe sind hinsichtlich ihrer Fördergeschwindigkeit synchronisiert und ermöglichen als Gesamtsystem eine zuverlässige Drahtförderung, welche sich invariant bzgl. der Bewegung des Schlauchpaketes zeigt. 

Bei MSG-Prozessen wird der Bereich der Lichtbogenkennlinie genutzt, bei der die Änderung der Schweißspannung eine hierzu proportionale Änderung des Schweißstroms bewirkt (ohmscher Bereich). Dies ist auch der Bereich der selbständigen Gasentladung, d.h. die Bereitstellung von Ladungsträgern wird durch den Prozess selbst erwirkt. Im Gegensatz hierzu steht das Verhalten des Lichtbogensystems im Ayrtonschen Bereich. Strom und Spannung verhalten sich nicht linear bei rel. hohen Spannungen und geringeren Strömen. Dieser Bereich wird bei Zündung und Wiederzündung des Lichtbogen durchlaufen und wird schweißtechnisch nicht genutzt. 

Beim klassischen MIG/MAG-Schweißen wird bei konstanter Drahtförderge- schwindigkeit eine Konstantspan- nungscharakteristik der Maschinen- kennlinie genutzt. Dies führt zu einer konstanten Lichtbogenlänge und zu einem gleichmäßigen Schweißergebnis durch die innere Regelung ( -I Regel- ung)!

Der wichtigste Mechanismus für den Werkstoffübergang ist der sogenannte Pincheffekt. Der Schweißdraht und das flüssige Drahtende sind wie jeder elektrische Leiter bei Stromfluss von einem Magnetfeld umgeben. Dieses Magnetfeld übt eine radiale Kraft auf den Leiter aus und greift an kleinsten Querschnitt des flüssigen Tropfendepots an, welche sich daraufhin bis zum Abtrennen des Topfens weiter einschnürt. 

Neben der Pinchkraft wirken im Lichtbogenraum weitere Kräfte und Effekte, die jedoch für die Tropfenformung und Ablösung von z.T. geringerer Bedeutung sind. Diese sind:

- elektromagnetische Kräfte

- Viskosität

- Oberflächenspannung

- elektrostatische Kräfte

Die unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten der Schutzgase beeinflussen die Lichtbogenausbildung und die Nahtgeometrie maßgeblich. Aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit des Argons wird der Lichtbogenkern sehr heiß, wodurch in der Nahtmitte ein tiefer Einbrand, der „Argonfinger", entsteht. Die Nahtüberhöhung ist stark ausgeprägt. Durch die bessere Wärmeleitfähigkeit von CO2 und Helium bildet sich unter diesen Gasen ein breiter, tiefer Einbrand.  Dies wird beim CO2 durch Rekombination (endotherme Aufspaltung im Lichtbogenraum - exotherme Reaktion 2CO+O2 -> 2CO2 in Werkstücknähe, „Boudouard-Reaktion“) verstärkt. 

Im für den Lichtbogen relevanten Temperaturbereich lässt sich die thermische Leitfähigkeit mit der elektrischen Leitfähigkeit vergleichen. Argon ist ein schlechter thermischer Leiter und daher ist auch die elektrische Leitfähigkeit schlechter als die von CO2. Um den Schweißstrom zu übertragen wandert unter Argon der Lichtbogen an der Drahtelektrode nach oben und greift daher auch seitlich an. Dadurch ist der stromführende Lichtbogenkern beim Argon breiter. Die Elektrode wird seitlich erwärmt, erweicht und ermöglicht eine Ablösung des flüssigen Elektrodenwerkstoffes durch die entstehenden elektromagnetischen Kräfte.

Der punktförmige Lichtbogenansatz unter Kohlendioxid führt zu einer Kraftkomponente in umgekehrter Richtung, d.h. der aufgeschmolzene Werkstoff wird so lange hoch gedrückt, bis die Schwerkraft diese Kraftkomponente überwinden kann und ein sehr grobtropfiger Werkstoffübergang erfolgt. 

- Nahtansatzfehler

- Endkraterfehler

- Porenbildung

- Bindefehler durch vorlaufendes Schmelzbad 

Da die Einbringung der thermischen Prozessenergie mit dem Zusatzdrahttransport gekoppelt ist, sind insbesondere die Bereiche Nahtanfang und -ende für Schweißnahtfehler gefährdet.
Zu Beginn des Prozesses bildet sich das Schmelzbad aus, wobei ganz zu Anfang das schmelzflüssige Zusatzmaterial auf den noch kalten, bzw. noch nicht vollständig erschmolzenen Grundwerkstoff trifft. Um hierbei die Fehlergefahr zu minimieren werden spezielle Startprogramme gefahren, bzw. Startbleche genutzt, welche anschließend entfernt werden. Ebenso ist das Schweißnahtende gefährdet, da bei abrupten Beenden des Prozesses ein ungefüllter Endkrater verbleibt, welcher besonders für Risse empfänglich ist. Deswegen werden Endkraterprogramme zum Füllen des Endkraters, bzw. Endbleche genutzt. Der Lichtbogen muss zwingend vor Umgebungsatmosphäre geschützt werden, ansonsten können sich Poren bilden und Oxidation stattfinden, bzw. der Abbrand von Legierungsbestandteilen stark ansteigen. 

Beim MSG-Schweißen muss das Problem des Auftretens von Bindefehlern berücksichtigt werden.
Bindefehler können grundsätzlich dann entstehen, wenn der Lichtbogen den Grundwerkstoff nicht sauber erfassen kann. Brennt der Lichtbogen z.B. auf der Schmelze, wirkt diese wie ein thermischer Isolator und der Grundwerkstoff wird nicht erschmolzen. Das schmelzflüssige Zusatzmaterial erstarrt ohne nennenswerte Anbindung auf dem Grundwerkstoff, dargestellt auf dem Makroschliff einer Kehlnaht. Da dieser Fehler nicht visuell erkennbar ist und insbesondere Wurzelbindefehler bei Belastungen der Naht in Druckbereichen liegen können, sind diese als sehr kritisch einzuschätzen. Bindefehler können besonders bei zu langsamer Schweißgeschwindigkeit auftreten, oder auch bei zu steiler Anstellung des Brenners. Hierbei wird die Schmelze durch den Lichtbogendruck vor der eigentlichen Schmelzfront vorangetrieben und unterbindet den Kontakt von Lichtbogen und Grundwerkstoff. 

Beim Fügen von Nichteisenmetallen (NE-Metalle) treten häufig weitere werkstoffbedingte Schwierigkeiten und Besonderheiten auf. Außer Stahl wird kaum ein Werkstoff mit Aktivgasen geschweißt, sondern fast ausschließlich mit inerten Gasen und Gasmischungen.

Beispielhaft seien hier Aluminiumlegierungen aufgezeigt. Aluminiumwerkstoffe unterscheiden sich durch ihre Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität, sowie ihr Verzugsverhalten beim Schweißen sehr von Stahlwerkstoffen (unten links). Insbesondere bei dickeren Werkstücken muss dies bei der Auswahl des Prozessgases (ggf. mit Heliumanteil) berücksichtigt werden. Einige Aluminiumlegierungen sind heißrissgefährdet (oben links), so dass hier geeignete Zusatzwerkstoffe verwendet werden müssen um die Heißrissgefahr zu minimieren.

Eine Besonderheit beim Fügen von Aluminium ist die Neigung zur Porenbildung durch Wasserstoff. Beim Erstarren lässt die Löslichkeit von Wasserstoff in Aluminium sprunghaft nach, so dass der Wasserstoff, welcher nicht in Lösung gehalten werden kann, Kavitäten in der Schmelze bildet. Durch das kurze Erstarrungsintervall kann hier kein sauberes Ausgasen erfolgen und der gasförmige Wasserstoff wird im erstarrenden Schmelzgut als Pore gefangen.