Beschreibung
P 875 – MSG-Dickdrahtschweißen von unlegierten Stählen
Innerhalb des Projektes wurden grundlegende Untersuchungen zum MSG-Schweißen mit „dicken” Drahtelektroden bis zu 4 mm durchgeführt. Die Versuchsschweißungen zur Untersuchung des Prozesses erfolgten mit Massivdrahtelektroden auf einem rohrförmigen Probekörper aus niedrig legiertem Stahl als Auftragsraupen mit der CV- und CC-Charakteristik.
Bei den Schweißungen wurden die Strom- und Spannungswerte aufgezeichnet sowie synchronisierte Hochgeschwindigkeitsaufnahmen durchgeführt. Diese dienten der Betrachtung und Beurteilung von Tropfenentstehung, -ablösung und der Lichtbogenausbildung.
Die Auswertung der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigte, dass eine schweißleistungsabhängige Einteilung, wie vom MSG-Schweißen mit Drahtdurchmesser bis 1,6 mm bekannt ist, in Kurz-, Übergangs- und Sprühlichtbogen mit Drahtdurchmessern > 3 mm nicht möglich ist. Ein sehr kurzer Lichtbogen, der unterhalb der Blechoberfläche brennt, erwies sich in allen Leistungsbereichen als vorteilhaft. Die Spritzerbildung ist dadurch reduziert. Bei langen Lichtbögen, die aus der Blechoberfläche heraustreten, wird das Schweißgut aus dem Bereich der Fügezone verdrängt und es kommt zum Schneideffekt.
Weiterhin konnte festgestellt werden, dass prinzipiellbeide Stromquellenkennlinien verwendbar sind. Beim Vergleich der Kennlinien wird mit der CC-Kennlinie ein wesentlich stabilerer Prozess erzeugt. Außerdem ist die Spritzerbildung geringer als bei Verwendung der CV-Kennlinie. Bei jeder Tropfenablösung ändert sich die Lichtbogenlänge, die durch die Regelung der Stromquelle ausgeglichen wird. Eine ΔU-Regelung verursacht eine Spannungsänderung, die sich auf eine spritzerarme Tropfenablösung positiv auswirkt. Hingegen verursacht die ΔI-Regelung bei einer Lichtbogenlängenänderung durch die Tropfenablösung Stromschwankungen von bis zu 400 A, was dazu führt, dass der Tropfen regelrecht weggesprengt wird. Für die Verbindungsschweißungen wurde deshalb mit der CC-Kennlinie gearbeitet.
Durch Zumischung von 30 % Ar ins CO2 konnte nochmals die Spritzerbildung reduziert werden. Höhere Anteile an Ar waren nicht zielführend. Aufgrund der kurzen, unterhalb der Blechoberflächen brennenden Lichtbögen ist das Lichtbogenplasma metalldampfdominiert. Es bestimmt die Einbrandform und die Tropfenablösung. Durch die Änderung der Streckenenergie kann der Einbrand beeinflusst werden. Bei gleicher Schweißleistung lassen sich mit Reduzierung des Drahtdurchmessers Einbrand und Abschmelzleistung steigern. Ursache dafür ist die höhere Stromdichte. Als Faustregel gilt: Drahtdurchmesser mal 200 ist die einstellbare Schweißstromstärke, bei der ein stabiler Prozess und akzeptable Schweißnähte erzeugt werden (3,2 mm Draht entspricht etwa 640 A). Dadurch sind Abschmelzleistungen von über 8 kg/h erreichbar.
Verbindungsschweißungen wurden an Blechen mit den Dicken 12, 15 und 20 mm durchgeführt. Dazu wurde eine 4,0 mm Elektrode der Güte G3Si1 eingesetzt. Da keine weiteren Drahtgüten zur Verfügung standen, wurde in Abstimmung mit dem pbA auf Schweißungen mit den Werkstoffen S460M und S690QL verzichtet. Dafür wurde ein erhöhter Arbeitsaufwand für die Prozessanalyse und -beurteilung betrieben.
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 Poren im Nahtinneren entstanden sind. Im Projekt konnten trotzdem porenfreie Nähte erzeugt werden.
Zur Ermittlung der mechanisch-technologischen Gütewerte wurden Härtemessungen, Zugversuche und Kerbschlagbiegeversuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten hervorragende Eigenschaften des Schweißgutes. Die Härtespitzen im Bereich der Wärmeeinflusszone an der Schmelzlinie erreichten Maximalwerte von 326 HV10. Darüber hinaus erwies sich die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes als weitaus besser als die des Grundwerkstoffes. Bei den Zugversuchen der Verbindungsschweißungen erfolgte der Bruch mit einer Ausnahme im Grundwerkstoff. Die Ursache für das Versagen in der Fügezone lag an einem Porennest am Nahtende, welches durch Prozessinstabilitäten entstand.
Im Vergleich mit dem UP-Schweißen ist in Bezug aufdie Nahtausbildung festzustellen, 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 Dickdrahtschweißen aufgrund der sehr kurz einzustellenden Lichtbögen nicht realisiert werden. Die Nahtbreite ist nur geringfügig über die Schweißgeschwindigkeit instellbar. Des Weiteren muss erwähnt werden, dass das MSG-Dickdrahtschweißen im Gegensatz zum UPSchweißen ein sehr sensibler Prozess ist, bei dem kleinste Prozessinstabilitäten, wie diskontinuierliche Drahtförderung und Stockungen in der Schweißbewegung, zu Poren und –nestern führen. Eine kontinuierliche Förderung des Drahtes und der Schweißbewegung ist daher zwingend erforderlich. Zum derzeitigen Standpunkt kann nicht von einer robusten MSGDickdraht-Technologie gesprochen werden. Dazu muss das verwendete Drahtfördersystem grundlegend überarbeitet werden.
Abschließend lässt sich sagen, dass bei Einhaltung aller prozessbedingten Besonderheiten das MSG-Dickdrahtschweißen verfahrenssicher durchgeführt werden kann. Die Untersuchungen zeigten, dass die Lage-Gegenlagetechnik empfehlenswert ist. Schweißungen an 20 mm Blechen konnten mit Schweißgeschwindigkeiten von 90 cm/min prozesssicher ausgeführt werden.
Das IGF-Vorhaben 16938 BR der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der Technischen Universität Chemnitz am Institut für
Autoren:
R. Agsten, S. Brumm
Veröffentlichung:
2015
