Fügetechnik (Fach) / Lichtbogenschweißen (Lektion)

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• Lichtbogenschweißen – Metall-Schutzgasschweißen Sprühlichtbogen Sprühlichtbogen nur unter Argon und hochargonhaltigen Mischungen als Schutzgas Als Pincheffekt wird die abschnürende Wirkung der um einen elektrischen Leiter wirkenden elektromagnetischen Kräfte bezeichnet, welche senkrecht auf die Oberfläche des Leiters (der in unserem Falle aus flüssigem Metall besteht) wirkt. Ausreichend hohe Stromdichten vorausgesetzt, schnüren diese Kräfte dann einen Tropfen ab, wenn sich die Stelle höchster Stromdichte zwischen festem Draht und Tropfen befindet (so wie bei Argon und Helium). Es entsteht der sogenannte Sprühlichtbogen. Sie verhindern die Ablösung des Tropfens, wenn sich die Stelle höchster Stromdichte unterhalb des Tropfens befindet (so wie bei reinem CO2 als Schutzgas). Es bildet sich der sogenannte Langlichtbogen, dessen Werkstoffübergang von sehr großen Tropfen mit vielen groben Spritzern gekennzeichnet ist.
• Lichtbogenschweißen – Metall -Schutzgasschweißen Beeinflussung des Einbrandes durch Beimischung von CO2 Werkstoffübergang im Sprühlichtbogen bis ca. 20% Beimischung von CO2 / Rest Agon, darüber hinaus erfolgt der Werkstoffübergang im Langlichtbogen Argon liefert im Vergleich zu reinem CO2 einen vergleichsweise schmalen fingerförmigen Einbrand (den sogenannten Argonfinger). Bei dieser schmalen Einbrandform kann es jedoch schon bei relativ kleiner Fehlpositionierung des Lichtbogenfußpunktes, wie sie z.B. durch die Bauteiltoleranzen oder Blaswirkung vorkommen kann, zu einer unzureichend aufgeschmolzenen Wurzel kommen. Die breite Einbrandform des CO2 verhält sich dies bezüglich sehr viel gutmütiger. In der Mischung mit Argon bewirken schon sehr kleine Anteile an CO2 eine Aufweitung des Argonfingers, dabei erfolgt der der Werkstoffübergang weiter im Sprühlichtbogen. Erst bei Überschreiten von 20% CO2 im Argon verändert sich dieser hin zum wegen seiner starken Spritzerbildung unerwünschten Langlichtbogen. Wegen der Verarbeitbarkeit im Sprühlichtbogen (und auch im später vorgestellten Impulslichtbogen) und der runden Einbrandform ist die Mischung 18% CO2/Rest Argon die in Deutschland am häufigsten eingesetzte Mischung für die Verarbeitung schwarzer Stähle.
• Lichtbogenschweißen – Metall-Schutzgasschweißen Impulslichtbogenschweißen figure 22 Das Bestreben, die relative Spritzerfreiheit des Sprühlichtbogens auch bei der Verarbeitung dünner Bleche zur Verfügung zu haben, führte zur Entwicklung des Impulslichtbogens. Hier wechseln sich eine Prozessphase mit niedriger Energieeinbringung, welche überwiegend dem Aufschmelzen des Grundund Zusatzwerkstoffes dient und deren Stromdichte nicht für eine Tropfenablösung durch den Pincheffekt ausreicht, mit einer Phase hohen Stromes und damit hoher Stromdichte ab, in welcher der Tropfenübergang initiiert wird, bevor dieser eine Größe erreicht, die einen Übergang im Kurzschluss auslösen würde. Die Impulsfrequenz wird so eingestellt, das idealerweise ein Tropfen je Impuls abgelöst wird. Über die Tropfengröße, welche in etwa dem Drahtelektrodendurchmesser entspricht, ist die Impulsfrequenz mit der Drahtvorschubgeschwindigkeit verknüpft. Ein Impulslichtbogenprozess ist mit der Angabe der Drahtvorschubgeschwindigkeit, des Grundstroms, der Impulsspannung, der Impulsdauer und der Impulsform sowie der Impulsfrequenz vollständig zu parametrisieren. Die komplexe Abhängigkeit dieser Parameter voneinander und von den Randbedingungen wie Werkstoff, Schutzgas sowie Drahtdurchmesser führte schon früh zur Entwicklung von Energiequellen,welche die Einstellung dieser Parameter übernehmen und so das Schweißen für den Anwender einfacher machen. Zur Anpassung an die individuellen Anforderungen der Schweißaufgabe ist eine zusätzliche Einstellmöglichkeit vorhanden, welche die Lichtbogenlänge verändert. Diese Synergiesteuerungen gehören heute zum Industriestandard.
• Lichtbogenschweißen – Metall-Schutzgasschweißen Digital geregelter Kurzlichtbogen Minimierung der Spritzerbildung- Abregeln der elektrischen Leistung im Kurzschlussfall- Gesteuertes Auflösen des Kurzschlusses- Mechanisch/Elektrisch => CMT (Fronius)- Elektrisch => ColdArc (EWM), FastROOT (Kemppi), u.a. Kombination stromgeführter Kurzschlussprozesse mit Impulslichtbogenphasen möglich!- Nahezu stufenlose Steigerung der Prozessenergie von Minimaleintrag bis „heiß“ Moderne digital geregelte Schweißenergiequellen ermöglichen dagegen eine besser an die jeweilige Prozessphase angepasste Steuerung. Im allgemeinen Fall heißt dieses: Bei Erkennen eines Kurzschlusses (Zusammenbrechen der Schweißspannung) wird die abgegebene Leistung begrenzt. Der Werkstoff geht getrieben durch die Oberflächenspannung über. Nach Trennen des Schmelzefadens, was an einem Ansteigen der Spannung erkannt wird, wird die Auflösung des Kurzschlusses elektrisch (Ablösepuls) und ggf. mechanisch (Zurückziehen des Drahtes) unterstützt und gleichzeitig der gesteuerte Neuaufbau des Lichtbogens und die nächste Lichtbogenbrennphase eingeleitet, in der sowohl Grundwerkstoff und als auch Zusatzwerkstoff aufgeschmolzen werden, bis erneut ein Kurzschluss auftritt. Die Lichtbogenbrennphase kann durch einzelne Ablöseimpulse (wie beim Impulslichtbogenschweißen) verlängert werden, so das in der Kombination Lichtbogenprozesse gefahren werden können, die von minimalem Energieeintrag bis hin zu sehr „heißen“ Prozessen skalieren.
• Lichtbogenschweißen – Metallschutzgasschweißen AC-Impulslichtbogenschweißen (Cloos Cold Weld) Der Cold Weld Prozess (CW) basiert im Gegensatz zum CMT- Prozess nicht auf dem Kurzlichtbogenverfahren, sondern auf dem Impulsschweißverfahren Der CW-Prozess nutzt wechselnde Polaritäten (AC-Prozess) Während der positiven Phase (Elekrode positiv) wird mehr Wärme in das Werkstück geleitet, die Drahtelektrode also kälter bleibt. Ein so gepolter Lichtbogen brennt stabil während in der negativen Phase (Elekrode negativ) die Drahtelektrode stärker erwärmt und aufgeschmolzen wird, Werkstück kälter bleibt. Der Einbrand wird bei gleicher Abschmelzleistung reduziert. Ein so gepolter Lichtbogen brennt allerdings nicht dauerhaft stabil  Zur Stabiliserung des Lichtbogens und Initiierung des Tropfenüberganges wird bei positiver Polung der Elektrode ein Impulslichtbogen genutzt, bei dem in der Grundphase zeitweise die Polarität gewechselt wird Beeinflussung von Einbrand und dem Verhältnis von elek. Leistung und Abschmelzleistung
• Lichtbogenschweißen – Metallschutzgasschweißen AC-Impulslichtbogenschweißen (Cloos Cold Weld) Der Cold Weld Prozess (CW) basiert im Gegensatz zum CMT- Prozess nicht auf dem Kurzlichtbogenverfahren, sondern auf dem Impulsschweißverfahren Der CW-Prozess nutzt wechselnde Polaritäten (AC-Prozess) Während der positiven Phase (Elekrode positiv) wird mehr Wärme in das Werkstück geleitet, die Drahtelektrode also kälter bleibt. Ein so gepolter Lichtbogen brennt stabil während in der negativen Phase (Elekrode negativ) die Drahtelektrode stärker erwärmt und aufgeschmolzen wird, Werkstück kälter bleibt. Der Einbrand wird bei gleicher Abschmelzleistung reduziert. Ein so gepolter Lichtbogen brennt allerdings nicht dauerhaft stabil  Zur Stabiliserung des Lichtbogens und Initiierung des Tropfenüberganges wird bei positiver Polung der Elektrode ein Impulslichtbogen genutzt, bei dem in der Grundphase zeitweise die Polarität gewechselt wird Beeinflussung von Einbrand und dem Verhältnis von elek. Leistung und Abschmelzleistung
• Lichtbogenschweißen – Metallschutzgasschweißen Tandemschweißen Beim Tandemschweißen werden zwei MSG-Prozesse so hintereinander angeordnet, das sie ein gemeinsames Schmelzbad bilden. Bei gleicher Querschnittsfläche haben zwei Drahtelektroden eine höhere Oberfläche als eine einzelne Elektrode größeren Durchmessers. In der Folge kann bei gleicher elektrischer Leistung mehr Materialvolumen aufgeschmolzen werden, weil der Wärmeübergang effektiver wird.- Bei gleicher Abschmelzleistung ist die Streckenenergie geringer.- Bei gleicher Streckenenergie können größere Nahtdicken geschweißt werden. Der werkstückseitige Lichtbogenansatz ist langgestreckt, was den Einbrand bei Längsstellung vertieft und schmalere Nähte ermöglicht. Die zusätzliche Abschmelzleistung kann daher zur Steigerung der Schweißgeschwindigkeit genutzt werden. Tandemschweißen wird vor allem dort vorteilhaft eingesetzt, wo lange gerade Nähte die Ausnutzung der höheren Abschmelzleistungen und höheren Schweißgeschwindigkeiten möglich machen.
• Lichtbogenschweißen – Metall-Schutzgasschweißen Fülldrähte Grundtypen analog zu LBH-Elektroden (Verfahrensnummer 111)- rutil, basisch, Metallpulver- mit Schlacke: Rutil, basisch- ohne Schlacke: Metalpulver Füllstoffe beeinflussen Schlacke, Lichtbogenstabilität, Nahtgeometrie und Oberfläche, mechanisch-technologische Eigenschaften,etc. Herstellung ist aufwändig, deshalb teuer und selektiver Einsatz
• Lichtbogenschweißen – Metall-Schutzgasschweißen Fülldrähte - Einsatzkriterien rutiler Typ stabiler Lichtbogen und wenig Spritzer guter Seiteneinbrand weniger Einbrand in der Nahtmitte im Vergleich zu Massivdraht glatte Nahtoberfläche und gute Schlackenentfernbarkeit Drähte mit schnell erstarrender Schlacke günstig für das Schweißen in Zwangspositionen an dickeren Werkstücken mechanisch-technologische Eigenschaften des Schweißgutes, besonders bei tieferen Temperaturen, stark vom Legierungstyp des Drahtes abhängig basischer Typ gute mechanisch-technologische Schweißguteigenschaften Werkstoffübergang grobtropfiger und Raupe weniger glatt als bei Rutilfüllung beim Schweißen mit CO2 mehr Spritzer als bei Ar-CO2- Gemischen Stromquellen mit guten dynamischen Eigenschaften erforderlich Brennerpolung nach Herstellerangaben beachten (häufig Minuspolung)! Metallpulver 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 Höhere Abschmelzleistung als bei Massivdrähten bei gleichen Einstellungen und Randbedingungen
• Lichtbogenschweißen – Metall-Schutzgasschweißen Fülldrähte Vor- und Nachteile Vorteile (Anhängig vom Typ)• Geringere Energieeinbringung• Schönere Nahtoberflächen• Bessere Zwangslageneignung• Verbesserte Baustelleneigenung• Spritzerreduzierung• Positive Beeinflussung der mechanischen und technologischen Eigenschaften• Höhere Abschmelzleistungen• Bei seltenen Legierungszusammensetzungen teilweise etwas preiswerter Nachteile• Preis• nicht an jeder Stromquelle verschweißbar• Schlacke muss entfernt werden
• Lichtbogenschweißen - Unterpulver-Schweißen (UP-Schweißen) Prinzip Grundwerkstoff Drahtelektdrode und Drahtvorschubeinheit Schweißenergiequelle Pulverrichter Schweißnaht Wärmeeinflußzone Kaverne mit Lichtbogen Schmelzbad Pulverschüttung Flüssige Schlacke Feste Schlacke ein mineralisches Schweißpulver eingesetzt, das durch den Lichtbogen aufgeschmolzen wird und eine flüssige Schlacke bildet. Diese schützt, wie beim Lichtbogenhandschweißen, die Schweißstelle vor dem schädlichen Einfluss der Atmosphäre und beeinflusst sowohl die Schweißeigenschaften wie auch die Eigenschaften des Schweißgutes. Gleichzeitig verhindert sie, dass Lichtbogenstrahlung aus der Prozesszone austritt  Da hier kaum Strahlungsverluste auftreten, ist der Prozess energetisch sehr effizient, ein sehr großer Teil der zugeführten elektrischen Energie wird zum Aufschmelzen von Grund- und Zusatzwerkstoff verwendet. Das führt zu hohen Abschmelzleistungen. Die verwendeten Drahtelektroden sind oft sehr viel dicker als beim MSG-Schweißen.
• Lichtbogenschweißen - Unterpulver-Schweißen (UP-Schweißen) Aufgaben des Schweißpulvers • Ionisierung der Lichtbogenstrecke• Schutz der Schweißstelle• Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Schweißgutes• Formung der Naht
• Lichtbogenschweißen - Unterpulver-Schweißen (UP-Schweißen) Zubrand - Abbrand (Pulver diagram) Wichtig!!Für das Unterpulverschweißen ist als eigenschaftsbestimmende Größe die Drahtpulverkombination zu nennen, die neben der Normbezeichnung der Drahtelektrode auch die Normbezeichnung des Pulvers beinhaltet.
• Lichtbogenschweißen - Unterpulver-Schweißen (UP-Schweißen) Automatenträger Das Unterpulverschweißen wird mindestens vollmechanisiert durchgeführt. Grund ist zum einen, dass der Prozess selber nicht beobachtet werden kann, zum anderen die schweren Schweißköpfe mit Pulverzufuhr und dicken Stromkabeln kaum manuell zu beherrschen wären. Am Ausleger dieses drei- und mehrachsig ausgeführten kartesischen Portals, das dazu dient, den Schweißkopf zum Bauteil zu bringen, ist die eigentliche Unterpulveranlage angebracht. Diese integriert den eigentlichen Schweißbrenner, die Drahtvorschübe und die Pulverzufuhr auf einem 2 achsigen Hilfsschlittensystem. Zur Führung des Brenners ist ein Lichtpunktwerfer angebracht, der einen Lichtpunkt vor der Pulverschüttung in die Nahtvorbereitung wirft, und es dem mitfahrenden Schweißer ermöglicht, die Position des Schweißkopfes über die Hilfsachsen zu korrigieren. (Statt des Lichtpunktwerfers kommen manchmal auch Taster oder Kameras zum Einsatz) Der Hauptvorschub wird dagegen meist mit den Achsen des Automatenträgers realisiert. Automatenträger werden meist für lange gerade Nähte oder, in Verbindung mit Rollenböcken auch für Rundnähte eingesetzt und gehören zur Standardausstattung im schweren Stahlbau.
• Lichtbogenschweißen – Unterpulver-Schweißen Kriterien für die Anwendung Vor- und Nachteile Werkstoffe Anwendungsbereich Vorteile hohe Abschmelzleistungen Schweißguteigenschaften über das Pulver einstellbar Nachteile Nur vollmechanisiert anwendbar Nur bedingt für wärmeempfindliche Werkstoff anwendbar: Auf Wannenlage und Horizontallage beschränkt Nur bei langen geraden Nähten sinnvoll einsetzbar Werkstoffe:Stähle- Un- und niedriglegierte Stähle- Hochlegierte Stähle- Nickelbasiswerkstoffe Anwendung: Blechdicken einlagig bis ca. 8 mm• VerbindungsschweißungenIndustriezweige:• Stahlbau und Stahlhochbau• Schiffbau• Apparate- und Behälterbau• Rohrherstellung• Schwerer Maschinenbau• ….
• Lichtbogenschweißen – Engspaltschweißen Die wirtschaftliche Übergangsblechdicke ist höher als die Übergangsblechdicke, die aus den Volumina berechnet wird!! Vorteile (gegenüber V- oder X-Nahtvorbereitungen) Geringeres Nahtvolumen bei dickeren Blechen Weniger Zusatzwerkstoffbedarf Geringerer Bedarf an Hilfstoffen Kürzere reine Schweißzeiten Kürzere Fertigungszeiten Geringere Wärmebeinflussung Weniger Verzug Nachteile Höhere Kosten für die Nahtvorbereitung (Fräsen) Höheres Kollisionsrisiko Brenner – Werkstück Schutzgasabdeckung schwierig Höheres Risiko für Schweißfehler (Poren, Bindefehler, Schlackeeinschlüsse) Höherer Aufwand bei der ReparaturHöherer Prüfaufwand (insbesondere bei der Sichtprüfung der Einzellagen)
• Nennen Sie bitte die drei charakteristischen Bereiche eines idealen Lichtbogens 1.Katodenfallgebiet2.Lichtbogensäule3.Anodenfallgebiet
• Skizzieren den Potentialverlaufeines Lichtbogens in einem Diagramm (Spannung über Weg) identifizieren sie die drei charakteristischen Bereiche figure 25
• Was ist ein Plasma? Plasma ist der „vierte“ Aggregatzustand Gas(gemisch), dessen Bestandteile teilweise oder vollständig ionisiert sind Im Rahmen der Schweißtechnik elektrisch leitendes Gas Tritt in Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern Nach außen elektrisch neutral
• Welche Zündmechanismen gibt es für den Schweißlichtbogen und wo werden diese eingesetzt? Kontaktzündung- E-Handschweissen, MIG/MAG-Schweißen, Unterpulverschweißen Kontaktlose Zündung-WIG-Schweißen
• Was ist eine Lichtbogenkennlinie? Die Lichtbogenkennlinie gibt das (lineare) Verhältnis von Lichtbogenspannung zu Lichtbogenstromstärke an.
• Skizzieren Sie beispielhaft eine Lichtbogenkennliniein einem U/I-Diagramm und benennen Sie den für das Lichtbogenschweißen genutzten Teil der Kennlinie. Figure 26
• Nennen Sie drei Mechanismen für Energieverluste, die in der Prozesszone auftreten! Widerstandserwärmung (z.B. in Kabeln, Brenner, Elektrode)Strahlung (Licht, Wärme)Konduktion(z.B. als Wärmeableitung im Werkstück)Konvektion (z.B. im Schutzgas)Zündung des Lichtbogens, Aufrechterhaltung des Plasmas
• Aus welchem Grund wird üblicherweise nur inertes Gas zum WIG-Schweißen verwendet? Schutz der Elektrode (und des Schmelzbades) vor Oxidation
• Welche Stromquellenkennlinie wird für das WIG-Schweißen verwendet? es wird eine „stark fallende“ (Konstantstrom) Kennlinie genutzt
• Wie ist der Zusammenhang von Lichtbogenlänge und Schweißspannung? Bei konstantem Strom verhalten sich Schweißspannung und Lichtbogenlänge linear zu einander
• Wann verwendet man den DC-Prozess beim WIG-Verfahren? Warum? DC-i.d.R. beim Stahlschweißen (Werkstoffe ohne Oxidschicht)hohe Schweißströme ohne Überlastung der Elektrode
• Wann verwendet man den AC Prozess beim WIG-Verfahren? Warum? AC bei Werkstoffen mit hochschmelzenden Oxiden (z.B. Aluminium)Kompromiss Reinigungswirkung („+Phase“ Elektrode Anode, Zerstörung der Oxidschicht des Werkstücks) und thermische Schonung der Elektrode(„-Phase“: Elektrode Kathode)

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