FT1_04

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. 

- Kurzlichtbogen

- Sprühlichtbogen

- Impulslichtbogen

• –  Kurzlichtbogen (unter CO2,Misch- und Inertgasen)

• –  geringe Abschmelzleistungen, rel. geringer Energieeintrag

• –  kurzer, stabiler Lichtbogen

• –  Tropfenübergang erfolgt im Kurzschluss, Spritzerbildung

• –  zyklisches Wiederholen von Kurzschluss- und Lichtbogenbrennphase

• –  Kurzschlussfrequenzen ca. 50Hz – 120Hz

• –  Anwendung: Dünnblechbereich, Wurzelschweißungen, Zwangslagen 

In Abhängigkeit der eingestellten Schweißparameter (Schweißstrom, Schweißspannung, Drahtvorschub etc.) und des eingesetzten Schutzgases stellen sich unterschiedliche Lichtbogenarten ein, die sich in ihrem Werkstoffübergang unterscheiden.

Links ist der Werkstoffübergang beim Kurzlichtbogenschweißen dargestellt. In der Lichtbogenbrennphase wird Werkstoff aufgeschmolzen, der sich am Elektrodenende ansammelt. Es bildet sich ein Tropfen, der mit der Zeit immer größer wird. Der Lichtbogen verkürzt sich und die Spannung sinkt langsam ab. Es kommt zur Berührung des Elektrodenendes mit dem Werkstück und somit zum Kurzschluss. In der Kurzschlussphase wird der flüssige Elektrodenwerkstoff über die Oberflächenspannung in das Schmelzbad gezogen. Dabei wird der flüssige Steg am Elektrodenende immer schmaler.

Gleichzeitig führt der ansteigende Strom im Kurzschluss zu einer sehr hohen Stromdichte im Steg, die eine plötzliche Verdampfung des Reststeges bewirkt. Dabei zündet der Lichtbogen neu. Die Kurzlichtbogentechnik eignet sich besonders für Zwangspositionen und Wurzellagen. Durch Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit in der Kurzschlussphase mit einer Drossel geht der Freibrennprozess sanfter und deutlich spritzerärmer vonstatten. 

• –  Sprühlichtbogen (Mischgas mit Argonanteil > 80 %, Inertgas)

• –  mittlere bis hohe Abschmelzleistungen

• –  kurzschlussfreier Tropfenübergang, spritzerarm

  – Tropfenfrequenz 200 ~ 400 Hz

• –  rel. hoher Energieeintrag

• –  langer Lichtbogen, Neigung

  zu Einbrandkerben

• –  Anwendung: Dickblech, Fülllagen, Wannenlage 

Besteht das Schutzgas zu über 80% aus Inertgas, bildet sich bei hohen Stromstärken der Sprühlichtbogen aus. Er ist durch einen kurzschlussfreien, sprühregenartigen Werkstoffübergang gekennzeichnet. Der Sprühlichtbogen wird aufgrund der hohen Abschmelzleistung für Füll- und Decklagen in der Wannenposition eingesetzt. 

– Impulslichtbogen (Mischgas mit Argonanteil > 80 %, Inertgas)

– Durch optimierte Pulsformung sehr gleichmäßiger und kurzschlussfreier Werkstoffübergang

• –  Formung und Ablösung des Tropfens innerhalb einer Pulsphase, idealerweise „ein- Tropfen-pro-Puls“

• –  Pulsfrequenzen ca. 40Hz – 350Hz 

Beim Impulslichtbogenschweißen wird mit zwei unterschiedlichen Stromniveaus gearbeitet, zwischen denen periodisch umgeschaltet wird. Dabei unterscheidet man zwischen einem niedrigen, unterkritischen Grundstrom und einem höheren, überkritischen Impulsstrom.

In der Grundstromphase, deren Energieniveau dem Kurzlichtbogenbereich entspricht, wird die Lichtbogenstrecke ionisiert sowie Drahtelektrode und Werkstück vorgewärmt. In der Impulsphase wird der Werkstoff aufgeschmolzen und wie beim Sprühlichtbogen durch elektromagnetische Kräfte abgelöst. Bei einem optimal eingestellten Impulslichtbogenprozess löst sich in jeder Pulsphase genau ein Tropfen von der Elektrode und geht in das Schmelzbad über. Durch Variation der Schweißparameter lässt sich die Abschmelzleistung über einen weiten Bereich variieren. 

U/I-Prozesse

- innere Regelung

- gute Lichtbogenstabilität

- Beim Einstellen des Prozesses müssen allerdings Kabel und Kabelverlegung (Ohmsche Widerstände, Induktivitäten) berücksichtigt werden.

I/I-Prozesse

- guter Werkstoffübergang (Tropfenbildung- und ablösung)

- benötigen aktive Lichtbogenlängenregelung

Digital geregelte Kurzlichtbogenprozesse

- Minimierung der Energieeinbringung

- Minimierung der Spritzerbildung 

Eine Besonderheit weist das CMT-Verfahren (Cold Metal Transfer) des Herstellers Fronius auf. Hierbei wird durch eine digitale Regelung im Kurzschluss das Stromniveau auf ein sehr geringes Maß reduziert und synchron zum Kurzschluss die Drahtförderrichtung umgekehrt. Somit geht der Tropfen nahezu stromlos und nur unter Einfluss der Oberflächenspannung in das Schmelzbad über. Hierdurch lässt sich die in das Werkstück eingebrachte Energie deutlich reduzieren. 

Der Cold Weld Prozess (CW) basiert im Gegensatz zum CMT- Prozess nicht auf dem Kurzlichtbogenverfahren, sondern auf dem Impulsschweißverfahren

CW-Prozess nutzt wechselnde Polaritäten (AC-Prozess)

Während der positiven Phase (Elekrode positiv) wird mehr Wärme in das Werkstück geleitet, während in der negativen Phase (Elekrode negativ) die Drahtelektrode stärker erwärmt und aufgeschmolzen wird

– > Beeinflussung von Einbrand und dem Verhältnis von el. Leistung und Abschmelzleistung

gute Spaltüberbrückbarkeit

•  Erhöhung der Abschmelzleistung durch Verwendung zweier Drahtelektroden

•  Erhöhung des Abschmelzwirkungsgrades durch Vergrößerung des Verhältnisses Oberfläche / Volumen, rel. Erhöhung Joulesche Widerstandserwärmung

•  Höhere Schweißgeschwindigkeiten – rel. geringere Streckenenergie
  – Auch Eignung für dünnere Bleche

  Technologie

  • –  Großer Brenner, eingeschränkte

    Zugänglichkeit

  • –  Vorzugsrichtung bei der Automatisierung beachten!

  • –  Gegenseitige Beeinflussung der Lichtbögen – Lösung: Getrennte Potentiale,

    alternierendes Pulsen 

- Sichere Flankenerfassung, unempfindlich gegen Bindefehler

- Gute Benetzung, kerbfreie Übergänge, glatte Schweißnahtoberflächen

- Hohe Sicherheit gegenüber Rissen im Schweißgut

- Spritzerarmer Tropfenübergang

- Hohe Prozessstabilität

- Röntgensichere Nähte

- Einsatzmöglichkeit von Mikrolegierungselementen

- Gute Zwangslageneignung

- Wirtschaftliche Fertigung 

guckst du

- Abstand Rollen zu Drahteinlaufdüse zu groß

- Drahteinlaufdüse zu groß

- Drahteinlaufdüse versetzt

Anschmelzungen durch Drahtoberflächenfehler, sehr hohe Impulsströme beim Impulslichtbogen oder 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 Kontaktstellen und freie Drahtelektrodenlänge

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

- Bindefehler

- Poren

- Risse

- Spritzer

- ungünstige Nahtgeometrien

- Endkrater

- ungeeignete Nahtvorbereitung

- falsche Raupenanordnung

- Brennerführung außermittig, verkantet

- zu geringe Lichtbogenleistung

- Schweißen auf vorlaufender Schmelze

- Nahtzugänglichkeit

- Verschmutzungen auf der Oberfläche

- Zugluft

- Zu langes freies Drahtrohr

- Kontaktrohr verbogen

- Zu langer Lichtbogen

- Blaswirkung

- expandierende Hohlräume

- Zu kleiner Gasdüsen-Durchmesser oder durch Spritzer zugesetzte Gasdüse

- Bei der Schmelzbaderstarrung

guckst du...

• In der Lichtbogenphase wird der Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen, der sich als Tropfen am Elektrodenende ansammelt.

• In der Kurzschlussphase wird der flüssige Elektrodenwerkstoff über die Oberflächenspannung in das Schmelzbad gezogen.

• Während der Verdampfung des flüssigen Steges zündet der Lichtbogen neu. 

- Beim Eintritt des Kurzschlusses reduziert die digitale Prozess- regelung die Stromzufuhr und leitet das Zurückziehen des Drahtes ein.

- Das Zurückziehen unterstützt während des Kurzschlusses die Tropfenablösung. 

- Die Spannung dient als Führungsgröße bei der Regelung der Stromstärke.

- Vor dem Wiederzünden wird der Strom stark reduziert --> energiearmes Wiederzünden des Lichtbogens.

- Kurz nach dem Wiederzünden wird die Stromstärke zu einem Aufschmelzimpuls kurzzeitig definiert hochgefahren --> Bildung schmelzflüssigen Materials an der Elektrodenspitze.

- Die Leistung im Moment des Wiederzündens und unmittelbar danach ist niedriger. 

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