Schutzgasschweißen

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Schutzgasschweißen

Das Schutzgasschweißen ist eine Gruppe von Schweißverfahren die zur Gruppe des Lichtbogenschweißens zählen (zusammen mit dem Lichtbogenhandschweißen), die wiederum zum Schmelzschweißen zählt. Wie bei allen Schmelzschweißverfahren werden dabei die zu verbindenden Bauteile an den Fügestellen aufgeschmolzen um nach der Erstarrung die Verbindung zu erzeugen. Wie bei allen Lichtbogenverfahren dient als Wärmequelle zum Schmelzen ein elektrischer Lichtbogen der zwischen dem leitfähigen Werkstück und einer Elektrode brennt. Kennzeichnend für das Schutzgasschweißen ist die Verwendung von Schutzgasen (meist Argon oder Helium) die sowohl die Elektrode als auch die Schmelze vor der Umgebungsluft abschirmt und so vor ungewollten chemischen Reaktionen schützt. Die Elektrode sitzt bei allen Verfahren in der Mitte des Brenners in dem die Zufuhr des Schutzgases integriert ist. Bei manchen Verfahren schmilzt die Elektrode ab und fungiert somit gleichzeitig als Zusatzwerkstoff. In diesem Falle besteht sie aus dem selben oder ähnlichen Werkstoff wie die zu fügenden Werkstücke. Dazu zählt das Metallschutzgasschweißen (MSG) mit seinen beiden Varianten des Metall-Inertgasschweißens (MIG) mit inerten Gasen, also solchen die keine Reaktion mit der Schmelze eingehen und das Metall-Aktivgasschweißen (MAG) mit reaktionsfreudigen Gasen, die gewünschte chemische Reaktionen bewirken. Die Elektrode kann auch nicht-abschmelzend sein. Der Zusatzwerkstoff wird dann separat zugeführt und in den Lichtbogen gehalten. Dazu zählt das Wolframinertgasschweißen (WIG) und das verwandte Plasmaschweißen.

Metallschutzgasschweißen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Metallschutzgasschweißen
1  Vorschubrichtung
2  Kontakthülse
3  Schweißdraht
4  Schutzgas
5  Schmelzgut
6  Schweißraupe
7  Grundmaterial
Aufbau eines Schweißbrenners zum Schutzgasschweißen (geöffnet)
1  Halterung
2  Isolierung (gelb)
3  Schutzgasdüsen
4  Stromkontaktdüse
5  Düsenausgang

Das teilmechanische Metallschutzgasschweißen (MSG), wahlweise als MIG (Metallschweißen mit inerten Gasen, EN ISO 4063: Prozess 131) oder MAG-Schweißen (Metallschweißen mit aktiven, also reaktionsfähigen Gasen, EN ISO 4063: Prozess 135), ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem der abschmelzende Schweißdraht von einem Motor mit veränderbarer Geschwindigkeit kontinuierlich nachgeführt wird. Die gebräuchlichen Schweißdrahtdurchmesser liegen zwischen 0,8 und 1,2 mm (seltener 1,6 mm). Gleichzeitig mit dem Drahtvorschub wird der Schweißstelle über eine Düse das Schutz- oder Mischgas mit ca. 10 l/min (Faustformel: Schutzgas-Volumenstrom 10 l/min pro mm Schweißdrahtdurchmesser) zugeführt. Dieses Gas schützt das flüssige Metall unter dem Lichtbogen vor Oxidation, welche die Schweißnaht schwächen würde. Beim Metallaktivgasschweißen (MAG) wird entweder mit reinem CO2 oder einem Mischgas aus Argon und geringen Anteilen CO2 und O2 (z. B. „Corgon“) gearbeitet. Je nach ihrer Zusammensetzung kann der Schweißprozess (Einbrand, Tropfengröße, Spritzerverluste) aktiv beeinflusst werden; beim Metallinertgasschweißen (MIG) wird als Edelgas Argon, seltener auch das teure Edelgas Helium, verwendet. Das MAG-Verfahren wird in erster Linie bei Stählen eingesetzt, das MIG-Verfahren bevorzugt bei NE-Metallen.

Wahlweise können beim Metallschutzgasschweißen auch Fülldrähte, auch Röhrchendrähte genannt, eingesetzt werden (mit Aktivgasschweißen EN ISO 4063: Prozess 136, mit Inertgas EN ISO 4063: Prozess 137). Diese können im Inneren mit einem Schlackebildner und ggf. Legierungszusätzen versehen sein. Sie dienen dem gleichen Zweck wie die Umhüllungen der Stabelektrode. Einerseits tragen die Inhaltsstoffe zum Schweißvolumen bei, andererseits bilden sie eine Schlacke auf der Schweißraupe und schützen die Naht vor Oxidation. Letzteres ist vor allem bei dem Schweißen von Edelstählen wichtig, da die Oxidation, das „Anlaufen“ der Naht auch nach dem Weiterführen des Brenners und damit dem Weiterführen der Schutzgasglocke verhindert werden muss.[1][2]

Lichtbogenarten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Schweißlichtbogen

In Abhängigkeit von den zu verschweißenden Werkstoffen sowie deren Blechdicke oder Wandstärke können durch geeignete Parameterwahl unterschiedliche Lichtbogenarten eingestellt werden. Im unteren Leistungsbereich wird der Kurzlichtbogen eingesetzt, bei dem sich Kurzschluss und frei brennender Lichtbogen abwechseln. Im oberen Leistungsbereich wird der Sprühlichtbogen eingesetzt. Der abschmelzende Zusatzwerkstoff wird kurzschlussfrei abgeschmolzen. Durch spezielle Regelung kann ein sehr fokussierter stabiler Lichtbogen mit besonders hohem Lichtbogendruck erzeugt werden. Es gibt einen Zwischenbereich zwischen kurzschlussbehaftetem und kurzschlussfreiem Werkstoffübergang. Man spricht von einem Übergangslichtbogen. Er sollte wegen seines stochastischen Charakters vermieden werden. Beim Impulslichtbogen wird ein Grundstrom mit erhöhten Stromimpulsen überlagert. Der Werkstoffübergang lässt sich steuern. Durch den Wechselstromlichtbogen lässt sich der Wärmeeintrag in das Werkstück und die Elektrode beeinflussen und Oxide auf der Oberfläche von Aluminium und seinen Legierungen werden aufgebrochen.

Metallschutzgasschweißen mit erhöhter Abschmelzleistung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Geschwindigkeit beim Schweißen und damit die Produktivität kann erhöht werden, wenn die sogenannte Abschmelzleistung, d. h. die Menge abgeschmolzenen Materials je Zeiteinheit, gesteigert wird. Dafür haben sich zwei Verfahrensweisen als wirksam erwiesen:

  • paralleler Einsatz mehrerer Schweißdrähte (Mehrdrahtschweißen)
  • Einsatz spezieller Schutzgaskombinationen, Fülldrähte und Schweißparameter (Varianten des T.I.M.E.-Schweißens)

Mehrdrahtschweißen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es sind zwei Verfahrensarten zu unterscheiden:

Beim Doppeldrahtverfahren werden zwei Drahtelektroden durch ein gemeinsames Kontaktrohr geführt. Es entstehen zwei Lichtbögen, die durch eine Stromquelle erzeugt werden. Deswegen können sie nicht unabhängig voneinander gesteuert werden. Mehrdrahtverfahren werden oft auch als Unterpulverschweißen eingesetzt.[3]

Das Tandemverfahren ist die Weiterentwicklung des Doppeldrahtverfahrens. Beim Tandemverfahren brennen zwei elektrisch unabhängige Lichtbögen in einem gemeinsamen Schmelzbad. Die hohe Abschmelzleistung zweier Drähte kann in Schweißgeschwindigkeit oder Volumenfüllung umgesetzt werden. Die elektrische Trennung der Drahtelektroden erlaubt unterschiedliche Prozesskombinationen. Zum einen können die elektrischen Parameter unabhängig voneinander gewählt werden, zum anderen können unterschiedliche Drahtdurchmesser und -werkstoffe eingesetzt werden. Dadurch eröffnen sich neue Kombinationsmöglichkeiten und Abschmelzleistungen bis zu 25 kg/h.

Varianten des T.I.M.E.-Schweißens[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Durch die Wahl geeigneter Schutzgaskombinationen, Fülldrähte und Schweißparameter kann die Abschmelzleistung deutlich erhöht werden, ohne die Schweißnahtqualität negativ zu beeinflussen. Das MAG-Verfahren kann auf der Grundlage einer 4-Komponentengasmischung (Ar, He, CO2, O2) und hoher Drahtvorschubgeschwindigkeit (bis zu 50 m/min) bei Anwendung eines längeren freien Drahtendes (bis zu 35 mm) auf eine Abschmelzleistung bis zu 27 kg/h gebracht werden.[4] Auf dieser Basis sind mehrere Verfahrensvarianten mit den Bezeichnungen T.I.M.E. (Transferred Ionized Molten Energy), RapidProcessing, RapidArc, RapidMelt, LINFAST auf dem Markt, zu deren Durchführung entsprechende Stromquellen und Drahtvorschubgeräte entwickelt worden sind.[5] Weitere Untersuchungen zum Einfluss von Gaskombinationen auf die Abschmelzleistung führten zu abweichenden Varianten für Gaszusammensetzung.[6]

Der T.I.M.E.-Prozess kann auch mit der Mehrdrahtschweißung kombiniert werden (TimeTwin-Schweißprozess) mit zwei Stromquellen und getrenntem Schweißpotential für jeweils einen der beiden Schweißdrähte.

Metallschutzgasschweißen mit reduziertem Wärmeeintrag[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Cold Metal Transfer – CMT[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: CMT-Schweißen

ColdArc-Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Werkstoffübergang (schematisch) und Strom- und Spannungsverlauf beim coldArc-Prozess nach[7]

Das ColdArc-Verfahren ist eine Variante des MIG/MAG-Prozesses mit dem Kurzlichtbogen, bei dem durch Steuerung des Schweißstroms der Werkstoffübergang bei geringerem Wärmeeintrag in das Grundmaterial erreicht wird. Die Grundidee besteht darin, beim Schweißen mit dem Kurzlichtbogen die Stromspitze während des Tropfenkurzschlusses zu reduzieren und das erneute Aufschmelzen des Drahtes durch einen Aufschmelzstromimpuls zu unterstützen. Danach wird der Strom auf ein sehr niedriges Niveau abgesenkt und damit der Energieeintrag minimiert. Der Aufschmelzimpuls erzeugt eine gleichbleibend große schmelzflüssige Kuppe auf den zugeführten Draht und ermöglicht, in den Phasen zwischen den Kurzschlüssen mit extrem niedrigen Stromstärken zu arbeiten.[7]

Wolfram-Inertgasschweißen (WIG)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Wolfram-Inertgasschweißen
WIG-Schweißen

Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen Bez. USA: Tungsten Inert-Gaswelding (TIG) oder Gas Tungsten Arc Welding (GTAW), EN ISO 4063: Prozess 141) ist ein Schweißverfahren bei dem der elektrische Lichtbogen zwischen dem Werkstück und einer Elektrode aus Wolfram brennt. Wegen des hohen Schmelzpunktes von Wolfram, schmilzt die Elektrode dabei im Gegensatz zu anderen Lichtbogenverfahren nicht ab. Der Zusatzwerkstoff wird in Form von Drähten oder Stäben in den Lichtbogen gehalten und so geschmolzen. Außerdem schmilzt der Lichtbogen wie bei allen Lichtbogenverfahren den Grundwerkstoff. Damit die Schmelze nicht mit der Umgebungsluft reagiert werden Schutzgase verwendet, die inert sind, also keine chemischen Reaktionen mit den beteiligten Werkstoffen eingehen. Häufig handelt es sich um Argon oder Helium. Mit dem WIG-Schweißen sind besonders hohe Nahtqualitäten zu erreichen, es ist aber etwas langsamer als das verwandte Metall-Inertgas-Schweißen (mit abschmelzender Drahtelektrode).

Orbitalschweißen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Orbitalschweißen

Orbitalschweißen ist ein vollmechanisches Schutzgasschweißverfahren WIG oder MSG, bei dem der Lichtbogen maschinell ohne Unterbrechung 360 Grad um Rohre oder andere Rundkörper herumgeführt wird. Das Orbitalschweißverfahren kommt vorzugsweise im Rohrleitungsbau zur Anwendung, wo unter kontrollierbaren Bedingungen gleichbleibend hohe Nahtqualitäten erzielt werden müssen. Hauptanwendungsgebiete sind der Pipelinebau sowie der Rohrleitungs- und Apparatebau in der Nahrungsmittel-, chemischen-, und pharmazeutischen Industrie. Schweißbar sind alle Werkstoffe, die auch mit den entsprechenden Verfahren WIG oder MSG fügbar sind.

Plasmaschweißen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Plasmaschweißen
Verfahrensprinzip

Beim Plasmaschweißen (Plasma-Metall-Inertgasschweißen, EN ISO 4063: Prozess 15) dient ein Plasma als Wärmequelle. Plasma ist ein durch einen Lichtbogen hocherhitztes, elektrisch leitendes Gas. Im Plasmabrenner wird durch Hochfrequenzimpulse das durchströmende Plasmagas (Argon) ionisiert und ein Hilfslichtbogen (Pilotlichtbogen) gezündet. Dieser brennt zwischen der negativ gepolten Wolframelektrode und der als Düse ausgebildeten Anode und ionisiert die Gassäule zwischen Düse und plusgepoltem Werkstück. Ein berührungsloses Zünden des Lichtbogens ist dadurch möglich. Als Plasmagas sind Gasgemische aus Argon und Wasserstoff bzw. Argon und Helium gebräuchlich, welche die Schmelze vor Oxidation schützen und den Lichtbogen stabilisieren. Die geringfügigen Beimischungen von Helium oder Wasserstoff verstärken den Einbrand und erhöhen dadurch die Schweißgeschwindigkeit.[8] Die Einengung des Plasmas durch die wassergekühlte Kupferdüse zu einer fast zylindrischen Gassäule ergibt eine höhere Energiekonzentration als beim WIG-Schweißen, wodurch höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich sind. Der Verzug und die Spannungen sind daher geringer als beim WIG-Schweißen. Durch den noch bei geringsten Stromstärken (weniger als 1 A) stabil brennenden Plasmalichtbogen und die Unempfindlichkeit bei Abstandänderungen der Düse zum Werkstück wird das Verfahren auch in der Mikroschweißtechnik eingesetzt. Mit dem Mikroplasmaschweißverfahren (Schweißstrombereich 0,5–15 A) können Bleche mit 0,1 mm noch geschweißt werden. Das Plasma-Stichloch- oder -Schlüsselloch-Schweißen wird ab einer Blechdicke von 3 mm eingesetzt und kann in Abhängigkeit vom zu verschweißenden Werkstoff bis zu einer Dicke von 10 mm für das einlagige Schweißen ohne Nahtvorbereitung angewendet werden. Hauptanwendungsgebiete sind der Behälter- und Apparatebau, der Rohrleitungsbau und die Raumfahrt.[9]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Fachgruppe für die schweißtechnische Ingenieurausbildung: Fügetechnik Schweißtechnik. 6., überarb. Auflage. DVS Verlag, Düsseldorf 2004, ISBN 3-87155-786-2.
  • U. Dilthey, A. Brandenburg: Schweißtechnische Fertigungsverfahren. Band 3: Gestaltung und Festigkeit von Schweißkonstruktionen. 2. Auflage. Springer Verlag, 2001, ISBN 3-540-62661-1.
  • U. Dilthey (Hrsg.): Laserstrahlschweißen – Prozesse, Werkstoffe, Fertigung, Prüfung. DVS-Verlag, Düsseldorf 2000, ISBN 3-87155-906-7.
  • K.-J. Matthes, E. Richter: Schweißtechnik. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2002, ISBN 3-446-40568-2.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Schweißen – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Schutzgasschweißen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Birgit Awiszus: Grundlagen der Fertigungstechnik. Hansa-Verlag, ISBN 978-3-446-41757-1 (Abschnitt: Metallschutzgasschweißen (MSG). eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Ulrich Dilthey: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1: Schweiß- und Schneidtechnologien. Springer Verlag, 2006, ISBN 3-540-21673-1 (Abschnitt: Metallschutzgasschweissen (MSG). eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3. Deutscher Verband für Schweißen und Verwandte Verfahren e. V. (2000), DVS-Merkblatt 0915: Unterpulver-Mehrdrahtschweißen
  4. J. G. Church, H. Imaizumi: T.I.M.E. process. IIW/IIS Doc. XII-1199-90, 1990.
  5. St. Trube, E. Miklos,: Hochleistungsschweißen mit dem LlNFAST-Konzept, Linde AG, BERICHTE AUS TECHNIK UND WISSENSCHAFT 77/1998
  6. M. Subana, J. Tusekb: Dependence of melting rate in MIG/MAG welding on the type of shielding gas used. In: Journal of Materials Processing Technology. 119, 2001, S. 185–192.
  7. a b S.-F. Goecke: Energiereduziertes Lichtbogen-Fügeverfahren für wärmeempfindliche Werkstoffe, EWM HIGHTEC WELDING GmbH (2005)
  8. Plasmaschweißen: Ein produktives Hochleistungsschweißverfahren, PDF, Zusammenfassende Darstellung des Verfahrens
  9. Gerd Witt u. a.: Taschenbuch der Fertigungstechnik. Carl Hanser Verlag, ISBN 3-446-22540-4 (Abschnitt: Plasmaschweißen. eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).