Leistungssteigerung beim Lichtbogenschweißen durch Verwendung von Drahtelektroden größeren Durchmessers

Brumm, Stefan GND

Eine Möglichkeit zur Steigerung der Abschmelzleistung beim Metall-Schutzgas-Schweißen ist die Erhöhung des Durchmessers der Drahtelektrode. Bisher fehlen jedoch grundlegende Erkenntnisse zum Prozessverhalten, zu den Einsatzmöglichkeiten und zur erreichbaren Nahtqualität für das MSGDickdraht-Schweißen mit modernen, vollelektronischen, sekundär getakteten Hochleistungsstromquellen. Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Wechselwirkung zwischen den einstellbaren Parametern, Lichtbogen und Schweißnaht. Durch die Analyse der messtechnisch erfassten elektrischen Größen und der mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera synchron aufgenommenen Zustände wurde der Einfluss des zeitlichen Energieverlaufes auf das Prozessverhalten herausgestellt. Die Bewertung und Beurteilung der Schweißnähte ergab, dass bei Einhaltung aller prozessbedingten Besonderheiten und unter Beachtung der verfahrensspezifischen Randbedingungen anforderungsgerechte Schweißnähte gefertigt werden können.

Due to economic aspects in the production of welded steel constructions, quantitative requirements must be met without disregarding quality. The welding process not only creates the microstructure of the seam and the heat-affected zone along with the mechanical and technological properties but is also responsible for the efficiency. Nowadays electrodes with a diameter up to 1.6 mm are used for gas shielded metal arc welding. In the present work, the overall effect on the GMAW process by increasing the electrode diameter was investigated. For the experimental investigations an all-electronic, secondary clocked, high power welding source and as filler material selected electrodes (G3Si1) with a diameter of 3.2 mm and 4.0 mm were used. Electrical values were measured in order to analyse the process and the arc. Synchronous high-speed photographs were used for monitoring and evaluation of drop formation, - separation and arc formation as well as weld pool movement. Weld properties were determined from welded sheets (S355J2+N) with a thickness of 12, 15 and 20 mm. The study of interaction between electrical parameters, arc und welded joint were necessary to understand basic issues. As result, it can be stated that GMAW with thick wire delivers joints that meet specific requirements if all process conditions are observed. The Expansion of the GMAW technique to thick wire welding leads to a significant increase of the efficiency in relation to the possible deposition rate. As a consequence, this provides considerable advantages for users welding sheets with a thickness of above 8 mm. To utilise the new technique it is necessary to test it under real conditions in order to transfer the laboratory findings to industrial production.

Bei der Herstellung geschweißter Konstruktionen ergeben sich heute aufgrund wirtschaftlicher Gesichtspunkte hohe Anforderungen an die Quantität, ohne dass dabei die Qualität vernachlässigt werden kann. Das Schweißverfahren bestimmt nicht nur die Mikrostruktur des erstarrten Gefüges und somit die mechanisch-technologischen Verbindungseigenschaften, sondern auch die Wirtschaftlichkeit. Bisher werden beim MSG-Schweißen Drahtelektroden mit Durchmessern bis zu 2,4 mm eingesetzt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich die Vergrößerung des Drahtelektrodendurchmessers auf den MSG-Prozess in seiner Gesamtheit auswirkt. Dafür wurde der Stand der Technik der Hochleistungslichtbogenschweißverfahren beleuchtet und ein Modell aufgestellt. Die experimentellen Versuche erfolgten mit einer vollelektronischen, sekundär getakteten Hochleistungs-Stromquelle und teilten sich in zwei Schwerpunkte. Zum einen zur Schaffung von Grundlagen zur Lichtbogenausbildung sowie zum Prozessverständnis und zum anderen zur Qualifizierung des MSG-Dickdraht-Verfahrens. Dabei stand die Wechselwirkung zwischen Lichtbogen und Schweißnaht im Mittelpunkt. Überprüft wurden mögliche technologische Vorteile. Für die Untersuchung kamen Massivdrahtelektroden (G3Si1) mit unterschiedlichen Durchmessern (dd = 3,2 und 4,0 mm) zum Einsatz. Zur Prozess- und Lichtbogenanalyse wurde auf einem rohrförmigen Probekörper aus niedrig legiertem Stahl sowohl mit CV- als auch CC-Charakteristik geschweißt. Messtechnisch erfasst wurden Stromstärke und Spannung. Synchronisierte Hochgeschwindigkeitsaufnahmen dienten der Betrachtung und Beurteilung von Tropfenentstehung, -ablösung und Lichtbogenausbildung sowie Schmelzbaddynamik. Für die Ermittlung der Schweißverbindungseigenschaften wurden Bleche mit den Dicken von 12, 15 und 20 mm geschweißt. Durch Versuche konnte die optimale Schutzgaszumischung von 30 % Ar Rest CO2 in Bezug auf die Spritzerbildung und das innere sowie äußere Nahtaussehen ermittelt werden. Höhere Anteile an Ar waren nicht zielführend. Die umfassende Prozess- und Lichtbogenanalyse zeigte, dass beim MSG-Schweißen mit „dicken“ Drahtelektroden die klassische schweißleistungsabhängige Einteilung der Lichtbogenarten, wie vom MSG-Schweißen mit Drahtdurchmessern bis 1,6 mm bekannt, in Kurz-, Übergangs- und Sprühlichtbogen nicht möglich ist. Ein sehr kurzer Lichtbogen, der unterhalb der Blechoberfläche brennt, erwies sich in allen untersuchten Leistungsbereichen als vorteilhaft, da die Spritzerhäufigkeit mit Steigerung der Lichtbogenlänge zunimmt. Aufgrund der hohen Regelgeschwindigkeit der Schweißmaschine ist ein Schweißen mit solch kurzen Lichtbögen möglich. Bei langen Lichtbögen, die aus der Blechoberfläche heraustreten, wird das Schweißgut aus dem Bereich der Fügezone verdrängt und es kommt zum „Schneid-Effekt“. Das Lichtbogenplasma ist dominiert von Metalldampf. Dadurch hat die Schutzgaszusammensetzung keinen wesentlichen Einfluss auf die innere Schweißnahtgeometrie. Vergleichende Schweißversuche zeigten, dass bei Verwendung der CC-Kennlinie sowohl der Prozess stabiler abläuft als auch die Spritzerbildung geringer ist als bei Nutzung der CV-Kennlinie. Bei jeder Tropfenablösung ändert sich die Lichtbogenlänge, die durch die Regelung der Schweißmaschine ausgeglichen wird. Eine Delta U-Regelung verursacht eine Spannungsänderung, die sich auf eine spritzerarme Tropfenablösung positiv auswirkt. Hingegen verursacht die Delta I-Regelung bei einer Lichtbogenlängenänderung Stromschwankungen von bis zu 400 A, was dazu führt, dass die Tropfen unter Entstehung vieler Spritzer regelrecht weggesprengt werden. Für die Schweißverbindungen wurde deshalb mit der CC-Kennlinie gearbeitet. Beim UP-Schweißen wird die Schweißmaschinen-Kennlinie nach dem Drahtdurchmesser gewählt. Eine solche Auswahl kann beim MSG-Dickdraht-Schweißen nicht erfolgen. Die vom UP-Schweißen bekannte Faustformel der Strombelastbarkeit der Drahtelektrode von 200 multipliziert mit dem Drahtdurchmesser (Ergebnis in Ampere) kann für das MSG-Dickdraht-Schweißen angewendet werden. Es ist ein stabiler Prozess mit akzeptabler Schweißnahtqualität beim MSG-Schweißen mit einem Drahtelektrodendurchmesser von 3,2 mm und einer Stromstärke von 640 A möglich. Abschmelzleistungen von über 8 kg/h sind ohne Weiteres erreichbar. Durch Änderung der Streckenenergie infolge der Erhöhung der Stromstärke ist die Einschweißtiefe beeinflussbar. Ein weiterer Einflussfaktor auf die innere Schweißnahtgeometrie ist die Schweißgeschwindigkeit. Eine Steigerung der Schweißgeschwindigkeit führt aufgrund der Senkung der Streckenenergie zur Reduzierung der Einschweißtiefe. Mit dem verwendeten Versuchsaufbau konnte eine maximale Schweißgeschwindigkeit von 120 cm/min realisiert werden. Die obere und untere Grenze für die Schweißgeschwindigkeit ist abhängig von der Schweißleistung. Im Vergleich mit dem UP-Schweißen ist in Bezug auf die Nahtausbildung festzuhalten, dass die Oberflächenschuppung und Formung des Nahtäußeren beim UP-Schweißen wesentlich besser ausfällt. Eine Einstellung der Nahtbreite über die Lichtbogenspannung, wie es beim UP-Schweißen möglich ist, kann bei MSG-Dickdraht-Schweißen aufgrund der sehr kurz einzustellenden Lichtbögen nicht realisiert werden. Die Nahtbreite ist nur geringfügig über die Schweißgeschwindigkeit einstellbar. Es muss erwähnt werden, dass das MSG-Dickdraht-Schweißen im Gegensatz zum UP-Schweißen ein sehr sensibler Prozess ist, bei dem kleinste Prozessinstabilitäten zu Poren und -nestern im Schweißgut führen können. Um die Qualität der Schweißverbindung zu bestimmen, wurden verschiedene zerstörungsfreie und zerstörende Prüfverfahren eingesetzt. Die Sichtprüfungen sowie die Farbeindringprüfungen ergaben, dass die Schweißnähte hinsichtlich der Oberfläche in Bezug auf Einbrandkerben, Oberflächenporen und Risse bis auf wenige Ausnahmen eine hohe Qualität aufwiesen. Bei der Durchstrahlungsprüfung wurde festgestellt, dass aufgrund einer diskontinuierlichen Drahtförderung und Schweißbewegungen Poren im Nahtinneren entstanden. Porenfreie Schweißnähte können aber bei exakter Drahtförderung und kontinuierlicher Schweißgeschwindigkeit prozesssicher erzeugt werden. Härtespitzen im Bereich der Wärmeeinflusszone an der Schmelzlinie erreichen Maximalwerte von 326 HV10. Darüber hinaus erwies sich die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes als weitaus besser als die des Grundwerkstoffes. Die Zugproben versagten bis auf eine Ausnahme im Grundwerkstoff. Ursache hierfür war ein Porennest am Nahtende, welches durch die oben genannte Prozessinstabilität entstand. Bei Einhaltung aller prozessbedingten Besonderheiten und unter Beachtung der verfahrensspezifischen Randbedingungen können mit dem MSG-Dickdraht-Verfahren anforderungsgerechte Schweißnähte hergestellt werden. Die Untersuchungen ergaben, dass die Lage/Gegenlage-Technik empfehlenswert ist. Schweißungen an 20 mm Blechen konnten mit einer Lage pro Seite und Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 90 cm/min prozesssicher ausgeführt werden.

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Brumm, Stefan: Leistungssteigerung beim Lichtbogenschweißen durch Verwendung von Drahtelektroden größeren Durchmessers. Ilmenau 2018. Universitätsverlag Ilmenau.

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