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Dabei wird in das Metall- Inertgasschweißen (MIG) und in das Metall-Aktivgasschweißen (MAG-Schweißen,Schutzgas enthält O2 und/oder O2) unterteilt. Daneben gibt es zwei Varianten, das Elektrogas- und das Engspaltschweißen sowie das Plasma-Metall- Schutzgasschweißen, als Kombination aus Plasma- und MIG-Schweißen.

Vorteile:

hohen Abschmelzleistung
geringe Anlagen- und Betriebskosten
seine Baustelleneignung,
Flexibilität hinsichtlich der Schweißposition
hervorragende Automatisierbarkeit

Aufgrund seiner hohen Abschmelzleistung und verhältnismäßig geringen Anlagen- und
Betriebskosten ist das MSG-Schweißen in vielen Bereichen der metallverarbeitenden
Industrie das Standardfügeverfahren.

Insbesondere durch seine Baustelleneignung,
seiner Flexibilität hinsichtlich der Schweißposition und seine hervorragende
Automatisierbarkeit wird das Verfahren im Bereich Schiffbau, Automotive,
Pipeline/Anlagenbau und Stahlbau eingesetzt.

Schlechte Nachtqualität

In Bereichen, in denen allerhöchste Nahtgüte und –sicherheit verlangt werden (z.B. Luft- und Raumfahrttechnik, Nukleartechnik), kommen MSG-Verfahren in der Regel nicht zum Einsatz. Hier werden, so denn ein Lichtbogenverfahren zum Einsatz kommen sollte, WIG-Prozesse favorisiert, welche durch ihre weitestgehende Trennung von Material- und Energiezufuhr technologische Vorteile hinsichtlich der Schweißnahtqualität bieten.

+ 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

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.

Beim WIG-Schweißen ist die Elektrode üblicherweise negativ polt
ist, um das Abschmelzen der Wolframelektrode zu verhindern

Beim MSGSchweißen wird der Effekt genutzt, dass der positive Pol stärker erwärmt wird als der negative. Dadurch schmilzt die zugeführte Drahtelektrode besser ab.

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„Zwei-Rollen-Antriebe:

In einfachen Geräten werden „Zwei-Rollen-Antriebe“ zur Drahtförderung verwendet.
Der Draht wird von einer Drahthaspel abgezogen und in das Schlauch-paket
ge-för-dert. Die Förderrolle wird von einem Elektromotor angetrieben und muss an den
zu fördernden Werkstoff angepasst sein. Je nach verwendetem Zusatzwerkstoff wird
eine entsprechende Nutform gewählt. Mit der Gegendruckrolle wird die zur Förderung
benö-tigte Reib-kraft aufgebracht.

Vier-Rollen-Antrieb:
Etwas aufwendiger, aber nach dem gleichen Prinzip, arbeitet der Vier-Rollen-Antrieb.
Hierbei ist durch das zweite Rollen-paar eine höhere Fördersi-cher-heit, wegen des
geringeren Schlupfes, ge-ge-ben.

Push-Pull System
Besonders im Bereich der automatisierten MSGProzesse
werden sogenannte Push-Pull System genutzt. 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.

– Bereich der Elektronenbereitstellung
– dünne Schicht positiver Ladungsträger vor der Kathode
– Potentialabfall kann für eine Anwendung konstant angenommen werden

– Bereich der kontinuierlichen, selbstständigen Entladung

– Bereich der Elektronenaufnahme
– Elektronenwolke vor der Anode
– Potentialabfall kann für eine Anwendung konstant
angenommen werden

Katodenfall (beim MSGProzess i.d.R. am Werkstück), Lichtbogensäule und Anodenfall (am Drahtende).

In jedem der drei Bereiche wird thermische Energie bereitgestellt, wobei der größte
Umsatz im Katodenfall am Werkstück erfolgt. Die bereitgestellten thermischen
Leistungen entsprechen den in den jeweiligen Lichtbogenbereichen umgesetzten el.
Leistungen (PAnode/Katode/Lichbogensäule=UAnode/Katode/Lichbogensäule * ISchweiß).

Die in den Fallgebieten zu überwindenden el. Potentialgefälle können vereinfacht als konstant
angesehen werden, der Potentialabfall in der Lichtbogensäule kann als proportional
zu deren Länge angenommen werden. Im freien Drahtende wird durch Joulesche
Widerstandserwärmung ebenfalls Wärmeenergie umgesetzt, welche maßgeblich zum
Erschmelzen des Zusatzmaterials beiträgt. Misst man die Schweißspannung zwischen
Schweißbrenner und Werkstück so entspricht diese der Summe aus
Lichtbogenspannung und dem Potentialabfall im freien Drahtende.

Im inneren der Schweißstromquelle wird die primäre elektrische Energie bereitgestellt,
wobei moderne Schweißstromquellen komplexe Reglerstrukturen zur optimalen
Prozessführung nutzen.

An den Anschlussklemmen der Schweißstromquelle wird die Quellenspannung bereitgestellt. Diese teilt sich schlussendlich in die Schweißspannung zwischen Schweißbrenner und Werkstück und den ohmschen und induktiv bedingten Spannungsabfällen im äußeren Schweißkabelkreis auf.

Querschnitt und Länge der Schweißkabel bestimmen hierbei den ohmschen Spannungsabfall, die aufgespannte Fläche, bzw mögliche Schweißkabelwicklungen (z.B. bei zu langen Kabeln) definieren die Induktivität des Schweißkabelkreises, welche großen Einfluss auf das dynamische Verhalten des MSG-Prozesses hat.

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Die Lichtbogenkennlinie gibt das (lineare) Verhältnis von Lichtbogenspannung zu
Lichtbogenstromstärke an.

Ihr Verlauf wird u. a. durch nachstehende Einflussfaktoren bestimmt:
– Schweißstromstärke
– Lichtbogenlänge
– Lichtbogenlänge ist dabei proportional zur Schweißspannung
– Form, Werkstoff und Oberflächenbeschaffenheit von Kathode und Anode
– Art und Zusammensetzung des Schutzgases
– Ionisationsgrad in der Lichtbogensäule

Lichtbogenkennlinie wird statisch im U/IDiagramm angenähert, der Lichtbogen ist
allerdings ein hochdynamisches System

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.

gewählte Maschinenkennlinie und sich einstellende Lichtbogenkennlinie definieren den aktuellen Arbeitspunkt hinsichtlich Schweißspannung US und Schweißstrom IS

Der Schnittpunkt von Lichtbogenkenlinie und Maschinenkennlinie entspricht dem
Prozessarbeitspunkt und legt Schweißstrom und Schweißspannung fest.

Beim klassischen Standard-MSG-Prozess wird eine leicht fallende Kennlinie oder auch
Konstantspannungskennlinie genutzt. Hierbei variiert die Schweißpannung kaum,
wohingegen der Schweißstrom auf Änderungen des Schweißprozess sehr stark
reagiert.

Die Maschinenkennlinie wird seitens des Schweißers mittels Wahlschaltern
am Schweißgerät der Schweißaufgabe gemäß ausgewählt. Durch Einstellen der
Schweißspannung und des Drahtvorschubs bestimmt er Abschmelzleistung und
Lichtbogenart des Prozesses.

Die Maschinenkennlinie ist bei modernen Schweißmaschinen elektronisch mittels
aufwendiger Regelungstechnik realisiert und wird dynamisch dem Prozessverhalten
angepasst

Kennlinien mit Konstantstrom- oder
Konstantspannungscharakteristik.

I=const -> keine innere Regelung
– Lichtbogenlänge variiert
– Länge freies Drahtende const

U=const -> innere Regelung
– Drahtfördergeschwindigkeit const
– Länge freies Drahtende variiert
– Lichtbogenlänge = const

Beim klassischen MIG/MAG-Schweißen wird bei konstanter Drahtfördergeschwindigkeit
eine Konstantspannungscharakteristik der Maschinenkennlinie genutzt. Dies führt zu einer
konstanten Lichtbogenlänge und zu einem gleichmäßigen Schweißergebnis durch die innere Regelung

Innere Regelung (innerer Selbstausgleich) beim MIG/MAG-Schweißen

Das Bild zeigt die Änderung des Arbeitspunktes im U/I-Diagramm in Korrelation mit
den Änderungen von Lichtbogenlänge und der Länge des freien Drahtendes bei
Änderungen des Kontaktrohrabstandes

Der wichtigste Mechanismus für den Werkstoffübergang

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.

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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.

Wärmeleitfähigkeit, Plasmatemperatur, Oxidations-, bzw. Reduktionsvermögen und
Ionisationsverhalten qualifizieren die Gase für unterschiedliche Applikationen. Als
Referenz wurde noch Eisen in der Auflistung berücksichtigt, da es bei MSG-Prozessen
zu nenneswerten Verdampfungen von Grund- und Zusatzmaterial kommt. Der
ionisierte Eisendampf beeinflusst nachhaltig die Plasmatemperatur und die
Leitfähigkeit. Insbesondere bei Zündungen und Widerzündungen des Prozess trägt
Metalldampf zur Ausbildung des Lichtbogens bei.

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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.

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Von beteiligten Werkstoffen und Lichtbogenarten

Aktive Schutzgase enthalten Sauerstoff in molekularer Form, bzw. in Form von CO2.

Steigt der Aktivgasanteil im Schutzgas, nimmt auch der Abbrand
der Legierungselemente zu.

Durch Zugabe von CO2 kann die Einbrandform der Schweißnaht und die umgesetzte Wärmeenegie beeinflusst werden. Sprüh- und Impulslichtbogen verlangen allerdings nach mindestens 80% Argonanteil.

Geringe Anteile Aktivgas sind auch bei der Verarbeitung hochlegierter Stähle sinnvoll.
Die sich auf dem Tropfendepot bildenden Oxide setzen die Oberflächenspannung des
flüssigen Zusatzmaterials herab, so dass die Tropfenablösung leichter und stabiler
abläuft.
Bei Nicht-Eisenmetallen kommen keine Aktivgase zur Anwendung. Die Zugabe von
Wasserstoff wirkt reduzierend, während Inertgasgemische aus Argon und Helium beim
Aluminiumschweißen durch den höheren Wärmeumsatz zur Steigerung der
Schweißgeschwindigkeit und Abschmelzleistung genutzt werden können.

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