Definition von Schmelzschweißen
Schmelzschweißen ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von meist metallischen Werstoffen lokal die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe überschritten wird Die verbindung kommt durch das Zusammenfließend des aufgeschmolzenen Materials der Einzelteile (sowie evtl. zugeführten und aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffs) und dem anschließenden Erstarren zusthande.
Anforderung der Schmelzschweißen
Benötigt wird eine lokal wirkende Wärmequelle Die Bauteile müssem über den gesamten Verbindungsquerschnitt aufgeschmolzen werden Evtl. notwendiger Zusatzwerkstoff muss ebenfalls von der Wärmequelle aufgeschmolzen werden Abschirmung der Umgebungsluft, da heißes und flüssiges Metall schnell mit dem Luftsauerstoff reagiert.
Generelle Schmelzschweißen Methode
Flamme erhitzt lokal das Material, welches in einem eng umgrenzten Bereich unter der Flamme schmiltz.- Die Ausbereitung der Wärme in das Bauteil wird durch endliche Wärmeleitung des Materials gehindert. So lange lokal mehr Energie zugeführt wird, als in das umgebende Material abfließen kann, ist es möglih eine örtliche begrenzte Schmelze im Bauteil herzustellen Die Einzelschmelzen verbinden sich, evtl. fehlendes Material wird in Form von Zusatzwerkstoffe zugeführt Beim Weiterziehen der Wärmequelle erstarrt die Schmelze, weil ihre Wärme von umliegenden Werkstoff aufgenommen wird.
Gasschmelzschweißen -Verfahrensaufbau
Bauteile: Sauerstoffflasche mit Druckminderer und Gebrauchsstellenvorlage Acetylenflasche mit druckminderer und Gebrauchsstellenvorlage Acetylenschlauch Sauerstoffschlauch Handstück Schweißzusatz Grundwerkstoff Schweißeinsatz Schweißflamme
Brenneraufbau und aufgabe von eine Gasschmelzschweißen Gerät
Aufgabe des Schweißbrenner ist die Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen Sauerstoff und Brenngas, deren konstante Mischung die Anpassung der Gasvolumenstromes an den Wärmebedarf der Schweißaufgabe. Durch Wechslen der Schweißeinsätze mit unterschiedliche große Brenngsdurchsätze kann die Flammenleistung an die Blechdicken angepasst werdenb Hier ist es notwendig, Austromgeschwindigkeit > Flammengeschwindigkeit zu halten, um Flammenrückschlag im Brennergriffstück zu vermeiden Schweißdüse Schweißeinsatz Mischdüse Injector (etwa 2,5 bar) Sauerstoffventil Griffstück Sauerstoffstrom Acetylenventil Acetylenstrom
Eigenschaft der Brenngas. Warum Actylen und nicht Propan und Erdgas
Actylen, Propan und Ergass haben in etwa den gleichen Brennwert und setzen damit bei Verbrennung in etwa die gleiche Energiemenge frei Dass sich dennoch mit Acetylen under vergleichbaren Bedingungen Höhere Flammentemperaturen Höhere Flammenleistung Höhere Flammengeschwindigkeit. -Diese erlaubt es, über höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit vor der Düsenmündung erheblich mehr Brenngas zu verbrennen.-------- > ähnlicher Verbrennungszonegroßer aber höhere Leistungsdichten
Mehrstufige Verbrennung
Exothermer Zerfall im hell leuchtenden Flammenkegel:2 C2H2 → 4C + 2H2 (-454kJ) 1. Verbrennungstufe mit Sauerstoff aus der Druckflasche (Bereich 3):4C + 2H2 + 2O2 → 4CO + 2H2 (-444kJ) 2. Stufe mit Sauerstoff aus der Umgebung in der Beiflamme:4CO + 2H2 + 3O2 → 4CO2 + 2H2O (-1610kJ) Summe:2C2H2 + 5O2 → 4CO2 + 2H2O (-2510kJ)
Brennzone ( refer to picture folder)
Schweißdüse Flammkegel Schweißzone (2 bis 5 mm vor dem hellem Flammenkegel) Beiflamme
Auswirkung der Flammeneinstellung. Erkennung von Sauer- oder Brennstoffüberschuss und die Auswirkungen
Refer to picture Flammeneinstellung Acytelyn überschussDabei kann es jedoch zum Eintrag unverbrannten Kohlenstoffs in das Schmelzbad kommen. Beim Gusseisenschweißen verhindert dieses die Entkohlung des Materials, Stähle dagegen können aufkohlen und aufhärten, was in der Regel unerwünscht ist. Sauerstoffüberschuss dagegen führt zu einer oxidierenden Flamme im Bereich der Schmelzzone, schäumende Schmelze und verbrannte Oberflächen sind die Folge.
Auswirkung der Energiedichte
Je größer die Energiedichte der Energiequelle, desto konzentrierter erfolgt die Wärmeeinbringung Je größer die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs (und je größer die Temperaturdifferenz), desto schneller und weiter breitet sich die Wärme im Bauteil aus. Daraus folgt, Je besser ein Werkstoff die Wärme leitet, umso höher müssen Energiedichte und Leistung der Wärmequelle sein.
Wärmetransport in Abhängigkeit von Energiedichte
WärmeleitungSolange der Schmelzfluss noch nicht erreicht ist, ist ausschließlich Wärmeleitung im festen Material fürden Transport der Wärme in die Tiefe zuständig. In der flüssigen Phase kommen jedoch weitere Mechanismenzum Tragen. Solange die Energiedichte klein ist, überwiegt auch in der Schmelze die Wärmeleitung als Wärmetransportmechanismus. Es entstehen flache breite Einbrände. KonvektionBei höherer Energiedichte kommt zur reinen Wärmeleitung noch Konvektion, d.h. Wärmetransport durch die Schmelzbadströmung. Diese können zum einen durch den Temperaturgradienten getrieben sein, zum anderen können sie auch durch mechanische Anregung des Schmelzbades, z.B. durch den Strömungsdruck der Energiequelle hervorgerufen werden. Diese Schmelzbadströmungen transportieren heiße überhitzte Schmelze in die Tiefe des Bauteiles, wo sie ihre Wärme abgeben und dort zusätzliches Material aufschmelzen. Diese Art des Wärmetransports ist effektiver als reine Wärmeleitung, es werden in der Folge höhere Einbrände erreich TiefschweißenBei sehr hohen Energiedichten kommt es zum lokalen Verdampfen des Materials unter der Wärmequelle. Der entstehende Dampfdruck verdrängt das umgebende flüssige Metall und öffnet einen Kanal (verfahrensabhängig Keyhole, Kapillare oder auch Stichloch genannt), über den die Wärmequelle sehr effektiv weiter in die Tiefe vordringen kann. Es entstehen sehr tiefe und gleichzeitig schmale Nähte. Nichts desto trotz ist die Tiefenwirkung verfahrensspezifisch begrenzt
Wärmetransportmechanismus der Gassschmelzschweißen
Characteristik diese Schweißmethode
Refer to picture Arbeitstechniken Wärmeleitung und Konvektion, die durch den Strömungsdruck der Flamme bewirkt wird, zum Tragen, was zu einer großflächigen Ausbreitung der Energie in den Grundwerkstoff führt. vergleichsweise großen Wirkquerschnitt bei relativ niedriger Energiedichte auf. große Schmelzbäder, welche nur durch gezielte Variation der Wärmezufuhr gezielte Kühlung der Schmelzbäder durch Eintauchen des Schweißstabes unter ständiger visueller Kontrolle des Schweißers beherrscht werden können. Die großen Schmelzbäder sind gleichzeitig Ursache für vergleichsweise großen Verzug der Bauteile.
Nach -Links Schweißen
. Bleche bis etwa 3 mm Dicke Schweißzusatz in Schweißrichtung gesehen vor der Flamme in das Schmelzbad gegeben. Dadurch schirmt dieser den noch nicht aufgeschmolzenen Bereich der Schweißnahtvorbereitung von der unmittelbaren Flammeneinwirkung ab, was den Einbrand in die Tiefe begrenzt. Durch regelmäßiges Eintauchen des Schweißstabes in die Schmelze wird dieser nach und nach abgeschmolzen und gleichzeitig die Schmelze gekühlt. Sie bleibt dadurch recht gut beherrschbar. Ein leichtes Pendeln des Brenners nach links und rechts verteilt die Wärme dabei noch weiter und nimmt den Flammendruck von der Mitte des Schmelzbades. Dadurch lässt sich ein zu tiefes Absacken der Nahtwurzel vermeiden.
Nach-rechts-Schweißen
Bleche > 3 mm Der Schweißstab wird im Schmelzbad kreisend abgeschmolzen und begrenzt die Breite der Naht durch seine kühlende Wirkung Schmelzbad und erstarrende Naht werden durch die Bei-flamme gut von der Umgebungsluft abgeschirmt.
Schweißnahtvorbereitung
Refer to images
Gefährdung aus dem Arbeits umfeld und die Gegenmaßnahmen
Lärm: Gehörschutz Questchen, Anstoßen: Sicherheitsschue, Kopfschutz Schneiden: Handschuhe herumfliegende Teilchen: Schutzbrille Abstürzen: Absicherung, Absturzsicherung
Gefährdung beim Schmelzschweißen und die Maßnahmen
Hitze• Verbrennungen :Schweißerschutzanzug, vor heißen Teilen warnen,• körperliche Belastung :ArbeitsorganisationStrahlung• Verbrennung :Schweißerschutzanzug• Augenschädigung: Schweißermaske, SchweißschirmAllgemeine Brandgefahr: Schweißgenehmigung, Brandwache
Verfahrensspezifische Gefährdungen - Gasschmelzschweißen und die Maßnahmen
Brand- und Explosionsgefahr: Maßnahmen• Räume ausreichend lüften• Gasflaschen in gut belüfteten Räumen lagern• nie mit reinem Sauerstoff belüften• keine Öle und Fette an Sauerstoff führende Teile bringen• Acetylenflaschen nur stehend verwenden, Acetylendruck begrenzen• für Acetylen keine Kupfer - oder Messing (> 70 % Cu ) Armaturen verwenden,• Armaturen und Leitungen nicht mit Silberlot löten• Flammrückschlagsicherungen und Gebrauchsstellenvorlagen verwenden Hinweise:2,3% Acetylen in Umgebungsluft gilt als die untere Explosionsgrenze
Flammrückschlagsicherung
Aufgabe:• Vermeiden der Bildung explosionsfähigen Gemischen in der Gasversorgung• Rückströmen von Gasen, inbesondere des Sauerstoff, in den jeweils anderen Schlauch verhindern• Löschen von Flammenrückschlägen• Löschen von FlammenrückbrändenMontage an der Entnahmestelle oder am Handstück Zum anderen soll das Zurückschlagen oder -brennen der Flamme in die Schläuche verhindert werden. In einem Zylinder aus porösem Stahl werden die heißen Gase der Flamme soweit heruntergekühlt, bis sie nicht mehr in der Lage sind, das nachfließende Gas zu entzünden. Kurzfristige Flammrückschläge werden so zuverlässig aufgehalten und verlöschen. Dabei heizt sich die Flammsperre jedoch auf und kann nach einer gewissen Zeit ihre Funktion nicht mehr erfüllen. Um auch in einem solchen Fall ein Weiterlaufen der Flamme zu verhindern, schmilzt ein Kunststoffelement und schließt ein federbelastetes Absperrventil, das den Gasnachfluss endgültig stoppt.
Verfahrensspezifische Gefährdungen - Gasschmelzschweißen
• Vergiftungsgefahr durch CO (unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen)- ausreichend lüften• Ersticken durch CO2 (vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen)- ausreichend lüften• Schweißrauche- Öle und Beschichtungen entfernen- Lüften- Schweißrauche absaugen
Anwengungsbeispiele
Gasscmelzschweißen findet meist im Handwerk und bei der Bearbeitung dünner Bleche Grund ist die weitflächige Wärmeausbreitung, die hilft, ein Aufhärten der Schweißnaht zu vermeiden.Die Bauteile können daher einfach gerichtet werden. Ein weiteres Anwendungskriterium ist die Unabhängigkeit von elektrischer Energie
Weich Flamme vs Harte Flamme
‚Harte‘ Flamme-Hohe Ausströmgeschwindigkeit-Hohe Flammleistung-Bis zu 200 m/s‚Weiche‘ Flamme-Geringe Ausströmgeschwindigkeit-80 –130 m/s
Acetylen-Überschuss-Flamme (reduzierend):
-Durch Brenner angebotener Sauerstoff reicht nicht, um Kohlenstoff vollständig zu oxidieren-Überschüssiger Kohlenstoff kann in die Schmelze gelangen -> Bei Stahl Gefahr der Aufhärtung-Flammentemperatur niedriger -> wird zum Löten verwendet
Sauerstoff-Überschuss-Flamme (oxidierend):
-Höhere Wäremeinbringung-> Steigerung der Schweißgeschwindigkeit-Wird beim Schweißen von Messing eingesetzt (Ausdampfen von Zink wird verhindert)-Abbrand von Legierungselementen -> Schlackebildung-Gefahr der Porenbildung ( Eindringen von O2 in Schmelzbad und bilden CO und durch schmelle erstarren bleibt CO2 in Naht als poren)
