Schweißtechnik
Lichtbogenschweißen
Der Lichtbogen brennt zwischen einer Elektrode und dem Werkstück. Das Werkstück wird durch den Lichtbogen, der durch Anlegen eines Gleichstromes oder Wechselstromes entsteht, erhitzt und aufgeschmolzen.
Schutzgasschweißen
Beim Schutzgasschweißen schützt das Gas die Schweißstelle vor den Einwirkungen der atmosphärischen Luft. Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Schutzgase sind die Ionisierungsenergie, die Wärmeleitfähigkeit und das chemische Reaktionsverhalten.
Die Ionisierungsenergie ist die Energiemenge, die nötig ist, um ein Elektron von einem Atom zu lösen und damit den Lichtbogen elektrisch leitfähig zu machen. Ist die Ionisierungsenergie gering, lässt sich der Lichtbogen leicht zünden und brennt stabil. Die Ionisierungsenergie, die verbraucht wird, um ein Elektron herauszulösen, wird am Werkstück durch Rekombination mit einem Elektron freigesetzt. Diese Energie steht dann für den Schweißprozess zur Verfügung. Gase, die aufgrund ihrer geringen Ionisierungsenergie einen stabilen Lichtbogen erzeugen, übertragen auf der anderen Seite die Energie nicht so gut auf das Werkstück.
Ein anderer Mechanismus der Energieübertragung ist die Wärmeleitung, die selbstverständlich von der Wärmeleitfähigkeit der Gase abhängt. Das chemische Verhalten der Gase unterteilt sich aus schweißtechnischer Sicht in inert, oxidierend oder reduzierend. Bei oxidierenden Gasen entsteht ein Abbrand von Legierungselementen, der jedoch bei richtiger Gaseauswahl in der Regel zu vernachlässigen ist.
Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen Metall- und Wolfram-Schutzgasschweißen. Beim Metall-Schutzgasschweißen (MSG-Schweißen) werden abschmelzende Drahtelektroden als Zusatzwerkstoff verwendet. Das Verfahren unterscheidet sich nach Art des verwendeten Gases in MAG- (Metall-Aktivgas) und MIG- (Metall-Inertgas) Schweißen. Im Gegensatz zur abschmelzenden Elektrode beim Metall-Schutzgasschweißen wird beim Wolfram-Schutzgasschweißen mit einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode gearbeitet. Dieses Verfahren wird ebenfalls in zwei Arten unterteilt: in WIG- (Wolfram-Inertgas) Schweißen und WP- (Wolfram-Plasma) Schweißen.
MAG und MIG – gleiches Verfahrensprinzip.
Das Verfahrensprinzip ist für das MAG- und das MIG-Schweißen identisch. Der Lichtbogen brennt zwischen einer Drahtelektrode und dem Werkstück. Die aufgespulte Drahtelektrode bildet den Schweißzusatz. Sie wird durch ein Drahtvorschubgerät dem Werkstück zugeführt. Durch Widerstands- und Lichtbogenerwärmung schmilzt sie ab. Das Schutzgas strömt aus einer die Elektrode umgebenden Düse und schützt so den Lichtbogen und das Schmelzbad vor der atmosphärischen Luft. Gebräuchliche Drahtelektroden haben einen Durchmesser von 0,8 – 1,6 mm.
Metall-Aktivgas-Schweißen.
Beim MAG-Schweißen kommen aktive Gase zum Einsatz, die eine chemische Reaktion im Schweißgut bewirken. Dabei kann es sich sowohl um Kohlendioxid (MAGC) als auch um Mischgase (MAGM) handeln. Das MAGC-Verfahren ist jedoch mit großem Spritzerauswurf und eingeschränkter Schweißleistung verbunden. In der Praxis durchgesetzt hat sich deshalb das MAGM-Verfahren. Dabei werden Mischgase eingesetzt, die aus Argon-Kohlenstoffdioxid, Argon-Sauerstoff oder Argon-Kohlenstoffdioxid-Sauerstoff bestehen und Zumischungen von Helium enthalten können. Mit dem MAGM-Verfahren lassen sich sowohl niedrig- als auch hochlegierte Stähle verschweißen. Das Verfahren zeichnet sich durch sehr hohe Abschmelzleistung aus.
Metall-Inertgas-Schweißen
Beim MIG-Schweißen werden die Edelgase Argon und Helium und deren Gemische verwendet. Diese reagieren nicht mit den Grund- und Zusatzwerkstoffen. Deshalb wird das Verfahren vorzugsweise beim Schweißen von Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Titan und anderen Nichteisenmetallen eingesetzt.
MSG-Hochleistungsschweißen.
Eine weitere Form des MSG-Schweißens ist das MSG-Hochleistungsschweißen. Dieser Begriff ist ab einem Drahtvorschub von 15 Metern pro Minute gebräuchlich. Das MSG-Hochleistungsschweißen ist Resultat der Weiterentwicklung von Stromquellen und Schutzgasgemischen: So werden Abschmelzleistungen erreicht, die mit etwa 20 kg/h rund doppelt so hoch liegen wie bisher üblich.
Eine der häufigsten Verfahrensvarianten ist das Tandemschweißen in Verbindung mit heliumhaltigen Schutzgasen. Hierbei werden, gesteuert durch separate Stromquellen, zwei Drähte mit einem Brenner abgeschmolzen. Im Ergebnis erreicht das Tandemschweißen außergewöhnlich hohe Abschmelzleistungen sowie – abhängig von der Materialstärke – Schweißgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Minute. Das Tandem-Schweißen eignet sich für unlegierte Stähle, aber auch für Aluminium und Alu-Legierungen. Als Schutzgasgemisch hat sich beim MSG-Hochleistungsschweißen von unlegierten Stählen Sagox® He 30/8 besonders bewährt – ein von der Westfalen AG entwickeltes Dreikomponentengas aus Argon, Kohlendioxid und Helium.
MSG-Wechselstromschweißen.
Noch relativ neu ist das MSG-Wechselstromschweißen, das insbesondere beim Schweißen dünner Bleche hervorragende Ergebnisse erzielt: Durch den Wechsel in den negativen Strombereich wird mehr Energie zum Aufschmelzen der Drahtelektrode genutzt. So kann im Vergleich zum Gleichstromschweißen mehr Draht bei gleicher Stromstärke abgeschmolzen werden. Das verhindert das Durchbrennen bei dünnen Werkstoffen. Eingesetzt wird das Wechselstromschweißen sowohl für un- und hochlegierte Stähle als auch für Aluminium. Perfekt abgestimmte Schutzgase wirken auch hier optimierend – zum Beispiel Argon He® 11 für die Bearbeitung von Aluminium und seinen Legierungen.
Wolfram-Inertgas-Schweißen.
Beim WIG-Schweißen brennt der Lichtbogen zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück. Ein inertes Gas umgibt die Elektrode und schützt Elektrode sowie Werkstück vor der Luft. Als inerte Gase werden Argon und Helium sowie deren Gasgemische eingesetzt. Aufgrund ihrer Eigenschaften gehen sie keine chemischen Verbindungen ein. Im Lichtbogen wird der manuell oder mechanisch zugeführte Schweißzusatz abgeschmolzen. Mit diesem Verfahren lassen sich nahezu alle Metalle verbinden.
Wolfram-Plasma-Schweißen.
Unter einem Plasma versteht man ein Gas, das aus neutralen Teilchen (Atome, Moleküle) sowie aus Ionen und freien Elektroden besteht und dadurch elektrisch leitfähig ist. Die zum Aufbau eines Plasmas notwendigen Ladungsträger liefert das Plasmagas (meist Argon). In der Schweißtechnik wird von WP-Schweißen gesprochen, wenn ein Lichtbogen zwischen einer Wolframelektrode und einem Werkstück brennt und durch eine Düse eingeschnürt wird. Wesentlich ist, dass durch die Lichtbogenbündelung und die Plasmaströmung eine hohe Energiedichte erreicht wird. Zur Abschirmung der Schweißstelle gegenüber der Atmosphäre ist jedoch zusätzlich ein Schutzgas erforderlich. Bei niedriglegierten Stählen handelt es sich dabei meist um Argon. Bei hochlegierten, austenitischen Stählen können aber auch Argon-Wasserstoff-Gemische zum Einsatz kommen. Argon-Helium-Gemische werden auch häufig bei Nichteisenmetallen eingesetzt. Das WP-Schweißen zeichnet sich durch hohe Verfahrenssicherheit aus. Es wird deshalb häufig für mechanisierte Verfahren genutzt. In Verbindung mit der so genannten Stichlochtechnik können bis zu acht Millimeter in einer Lage ohne Nahtvorbereitung geschweißt werden. Das erhöht die Schweißleistung deutlich.
Formieren – Wurzelschutz bei Schutzgasschweißen.
Formieren bezeichnet das Umspülen der Schweißnahtwurzel und der Wärmeeinflußzone mit Schutzgasen. Aufgabe der Gase ist es, die sauerstoffhaltige Atmosphäre zu verdrängen und eine hochwertige Oberfläche zu erzielen. Dazu werden inerte Gase wie Argon oder reaktionsträge Gase wie Stickstoff sowie Gemische aus Stickstoff und Wasserstoff (Formiergase nach DIN EN 14175) oder Argon und Wasserstoff eingesetzt. Die Wahl des Schutzgases hängt ab von den Werkstoffen, den Bauteilformen, der Art der Gaszuführung und den Schweißbedingungen. Besonders vielseitig kann Argon 4.6/4.8 zum Formieren genutzt werden. Im Prinzip kann sich bei jedem Schutzgas-Schweißverfahren die Notwendigkeit des Formierens ergeben. In der Praxis findet es jedoch überwiegend beim WIG-Schweißen Anwendung.