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Merkmale des Verfahrens
Der Name sagt schon, dass in der Regel dicke Drähte verschweißt werden,
wobei sich die Dicke nach der Stärke des Grundwerkstoffes richtet.
Die zurzeit gebräuchlichen Drahtdurchmesser sind:
2,4; 3,2; 4,0; 4,8; 5,0 und 6 mm.
Häufig wird das Verfahren fälschlicherweise auch als Alu- Hochstrom-
Schweißen bezeichnet.
Wenn das Wort Hochstrom in keine Beziehung setzt, so mag die
Bezeichnung richtig sein, den es wird mit Stromstärken von 400 A und mehr
gearbeitet.
Bei der Betrachtung der spezifischen
Strombelastung fällt jedoch auf,
dass hier gegenüber der normalen MIG/MAG- Schweißung mit wesentlich
geringerer Stromdichte gearbeitet wird.
Zwei Beispiele sollen dies verdeutlichen:
Ein Draht mit 2,4 mm Durchmesser hat bei 400 A eine spez. Belastung
von ca. 90 A / mm,
ein 4,8 mm Draht, bei 750 A nur etwa 42 A / mm2.
Zum Vergleich:
Eine mit etwa 200 A belastete 1 mm Stahlelektrode weist eine spezifische
Strombelastung von etwa 285 A / mm2 auf.
Soweit bekannt ist, wird bei diesem Verfahren je nach Drahtdurchmesser und
entsprechender Fugenvorbereitung, Stromstärken zwischen 400 und 850 A
erreicht, teils liegen sie sogar noch darüber.
Die Schutzgasdurchflußmengen liegen zwischen 75 – 110 l/min!!
Stand der Entwicklung
Aus bisher bekannten Veröffentlichungen ist zu entnehmen, dass
Versuche mit Zusätzen von Sauerstoff, Wasserstoff oder Stickstoff zum Argon
oder die Verwendung von zusätzlichem Stützgas- oder Schleppdüsen bisher nicht
zum gewünschten Erfolg geführt haben.
Argon- Helium- Gemische mit 20 – 75% Heliumanteilen,
wobei die 75% überwiegen sind die am häufigsten verwendeten.
In fast allen Fällen werden konventionelle Maschinenbrenner in modifizierter
Form verwendet, die nicht immer den Anforderungen gerecht werden.
Zu vielen, aus der Literatur, bekannten Versuchen, das Aluminium- Dickdraht-
Schweißen zu einem einsatzfähigen Verfahren zu entwickeln, gehören auch die
folgenden Ausführungen.
Versuchsaufbau
Als Stromquelle stand eine 1100 A – Anlage (bei 55% ED) mit fallender
Kennlinie (ca.10 A auf 100 A) zur Verfügung.
Das Kernstück der Anlage, der Brenner, der für die Versuche benutzt wurde,
entstand durch Vorversuche.
Wichtige Voraussetzung für die Funktion des Brenners und als Sicherung gegen
Rückbrenner, ist eine gute Kühlung.
Wasserdurchflußmenge von 25 l/min sind ausreichend.
Die Beruhigung des Schutzgases nach Eintritt in den Brenner sowie der
laminare Gasstrom werden durch entsprechende Labyrinthe, Stauräume und
einen Diffuser erreicht.
Versuchsdurchführung
Einfluss der Schutzgase
Zunächst wurden unterschiedliche Schutzgaszusammensetzungen durch Schweißen
von Blindraupen geprüft.
Zur Einhaltung gleicher Randbedingungen blieben die Schweißgeschwindigkeit
mit
37 cm/min, die Gasdurchflußmenge mit 90 l/min, der Drahtdurchmesser mit 2,4
mm und die Ausgangstemperatur der Bleche konstant.
Spannung und Strom waren die Veränderlichen.
Ermittlung der Fugenform
Zur Ermittlung einer optimalen und möglichst für mehrere Blechstärken
einheitlichen Fugenform, wurden Öffnungswinkel bzw. Steghöhe variiert.
Ermittlung der mechanischen
Gütewerte
Die als geeignet erscheinenden Schweißparameter dienten zur
Herstellung von Stumpfnahtschweißproben und zur späteren Ermittlung der
mechanischen Gütewerte.
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Versuchsergebnis
Schutzgase
Schweißargon ist für die Dickdrahtschweißung nur begrenzt einsetzbar.
Die Unsicherheit durch den fingerförmigen Einbrand im Hinblick auf eine
einwandfreie Erfassung der Wurzel beim Gegenschweißen ist groß, da die
symmetrische Einbrandform der Wurzel in den meisten Fällen nicht gegeben ist.
Der Finger weicht fast immer von der Senkrechten ab (siehe
Bild 2).
Zusätze von Sauerstoff zum Argon wirkten sich zwar verbessernd in der
Einbrandtiefe und – form aus.
Sie erfüllten jedoch nicht die Erwartungen.
Beimengungen von 5% bis 10% Stickstoff bewirkten eine dreieckförmige, für den
Einbrand nahezu ideale Form. Das Auftreten von Poren, besonders in der Nahtüberhöhung war allerdings nicht zu vermeiden (siehe Bild2).
Als geeignete Gaskomponente in Verbindung mit Argon, erwies sich das Helium.
Die nachfolgende Tabelle 1 gibt Aufschluss über die Ergebnisse, die mit
drei verschiedenen hohen Helium- Gehalten ermittelt wurden.
Der mit Heliumzusätzen erreichbare günstige
Einbrand ist auf die gegenüber Reinargon wesentlich höhere
Ionisierungsenergie zurückzuführen, die zunächst dem Lichtbogen entzogen und
dann an das Werkstück wieder abgegeben wird.
Mit dem Argon- Helium- Gemisch 25/75 wurden die
Versuche fortgesetzt, in deren Verlauf Stickstoff 5% des Helium- Anteiles
ersetzte. Auch hier zeigte sich eine deutliche Verbesserung des Einbrandes,
die jedoch auf Kosten von Poren erkauft werden muss.
Es
blieb also, wie teils aus der Literatur schon bekannt ist, beim Argon-
Helium- Gemisch mit 25 Anteilen Argon und 75 Anteilen Helium.
Der Vorteil des Heliums ist neben der Einbrandform in der Porensicherheit zu
suchen.
Ab 75% Heliumzusatz verschwindet der für das Argon typische fingerförmige
Einbrand vollständig.
Der Nachteil besteht aus der geringen Wichte.
Das hat zur Folge, dass das Gas, wenn es nicht mit ausreichender Geschwindigkeit
aus der Gasdüse tritt, sofort nach oben entweicht und somit den Gasfluß in
Frage stellen kann.
Das bedeutet, dass mit Gasflußmengen von etwa 90 – 100 l/min gearbeitet
werden muss.
(Das ist auf Grund der
Gaseentwicklung heute, 2009, sicherlich bedeutend geringer)
Die Ursache des schwärzlichen Niederschlages auf der Nahtoberfläche
ist mit erhöhtem Einbrand von Legierungselementen durch den heißeren
Lichtbogen zu suchen.
Ein zusätzliches Stützgas, das den eigentlichen
Schutzgasmantel stabilisiert, könnte eine Verbesserung bringen. Versuche
darüber sind bekannt.
Fugenform
Im weiteren Verlauf der Untersuchungen bezüglich der Fugenform für die
Lage – Gegenlage – Schweißen, erwiesen sich Öffnungswinkel um 120° am
günstigsten, wobei sich Fugentiefe bzw. Steghöhe nach der Blechdicke und
Stromstärke richten.
Die Bearbeitung der Fugenkanten sollte durch Hobeln, Fräsen, Sägen oder
ähnliche Verfahren geschehen.
Plasmaschnitte sind nachträglich durch Spanabheben zu überarbeiten.
Vor dem Schweißen werden Öl- oder Fettreste mit Aceton beseitigt und die
Kanten mit einer V2A- Bürste von möglichen Oxidhäuten beseitigt.
Ein Anflämmen im Bereich der Naht ist in jedem Fall zu empfehlen.
Die optimale Spaltbreite darf etwa 1 mm betragen, andernfalls besteht die Gefahr
des Durchbrechens.
Das bedeutet eine exakte Ausführung der Fugenvorbereitung.
Um ein Verziehen der Teile während des Schweißens zu vermeiden, sind kräftige
Heftstellen notwendig, die vor dem Überschweißen bis auf den Fugengrund
ausgearbeitet werden müssen.
Die Stabilisierung des Lichtbogens und die volle Einbrandtiefe über die
gesamte Nahtlänge erreicht man durch die Verwendung von Anschweißblechen.
Ihre Oberflächen und der Grund der Fuge sollen auf einem Niveau liegen.
Andernfalls ist im Übergang zum Werkstück das Vorschweißblech tief
auszufugen.
Mechanische Gütewerte
Zur Ermittlung der mechanischen Gütewerte werden unter dem Schutzgas
Argon/ Helium – 25/75 Platten unterschiedlicher Dicke geschweißt.
Drahtdurchmesser und Fugentiefe richten sich nach den Plattendicken. Der
Fugenöffnungswinkel von 120° blieb in allen Fällen gleich. Das Ergebnis der
Werkstoffprüfung lag bei Abgabe des Manuskriptes noch nicht vor.
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3.5 Mechanisch- technologische Eigenschaften
von vier Schweißverbindungen
Zur Ermittlung der mechanischen
Eigenschaften wurden mit 75% Helium und 25% Argon vier Platten
unterschiedlicher Dicke geschweißt.
Der Öffnungswinkel von 120° blieb in allen Fällen gleich.
Die Verbindungen sind jeweils nur in 2 Lagen geschweißt
Trotz unterschiedlicher Drahtdurchmesser und Blechdicken sind keine
nennenswerten Unterschiede in der Schweißgeschwindigkeit festzustellen.
Die Dicke der Flachzug- und Faltproben betrug in keinem Falle mehr als 30 mm.
Bei Probe 15 und 6 wurde daher von der einen bzw. anderen Seite abgearbeitet.
Flachzug-. Falt- und Seitenbiegeproben sind ohne Nahtüberhöhung geprüft.
In
Tabelle 3
sind die mechanischen Gütewerte zusammengestellt.
Ein zusätzlicher Faltversuch zweier Prüfkörper der Proben Nr.15 mit einem
Biegedorndurchmesser von nur 3 x s und einer Stützweite von 230 mm ergab bis
zu einen Winkel von 140° keine Fehler.
Aus technischen Gründen konnte nicht weiter gebogen werden.
Die Untersuchungen bezüglich des
Abbrandes von Mangan und Magnesium sind aus Tabelle 4 zu ersehen. Die Werte lassen erkennen, dass
der Abbrand nur in dem Maße liegt, in dem die Drahtelektrode dem
Grundwerkstoff überlegiert ist.
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Wirtschaftlichkeitsvergleich
Zum Abschluss soll anhand eines Beispieles die Wirtschaftlichkeit des
Aluminium- Dickdrahtschweißens im Vergleich zum halbmaschinellen MIG- Pulsed
arc – Schweißen aufgezeigt werden.
Der Kostenrechnung liegen folgende Werte zugrunde:
Lohn + Lohnnebenkosten: 12,-- DM/h
(das waren noch (Preise)Zeiten !! – Anmerkung M. Schaumann)
Schutzgaskosten : 20,--DM/m3 für Ar + 75% He
Schutzgaskosten 8,--DM/m3 für Ar
Drahtkosten (AlMg4,5 Mn): 12,--DM/kg für Durchmesser 4,8
Drahtkosten 14,--DM/kg für Durchmesser 2,4
Dem Kostenvergleich sind in beiden Verfahren 100% Lichtbogenbrenndauer
zugrunde gelegt.
Bei genauer Betrachtung ergeben sich folgende
Faktoren:
Die hohe ED beim Aluminium- Dickdraht- Schweißen ist in der Praxis beim
halbmaschinellen Verfahren nicht zu erreichen.
Sie liegt hier sicher nicht höher als 40 – 50%.
Das heißt: die Lohn- und Lohnnebenkosten würden sich verdoppeln bzw.
verdreifachen.
Die Drahtkostenersparnis durch geringeres Nahtvolumen zugunsten
Alu- Dickdraht beträgt 6,50 / m- Naht.
Außerdem beträgt die Abschmelzleistung etwa das Dreifache.
Der Sicherheitsfaktor bezüglich des Schweißergebnisses liegt beim Dickdraht-
Schweißen höher, da menschliche Einflußfaktoren nahezu ausgeschaltet sind.
Die Anlage kann von einem angelernten Mann bedient werden.
Für das halbmaschinelle Pulsed arc – Verfahren ist ein Spezialist notwendig,
der jedoch nach gewisser Zeit Ermüdungserscheinungen zeigt.
Die Vorwärmtemperatur beim Handschweißen ist mit Sicherheit höher anzusetzen,
da die eingebrachte Wärmemenge gegenüber dem Dickdrahtverfahren wesentlich
geringer ist.
Aus den aufgezeigten Punkten ist zu erkennen, dass die Wirtschaftlichkeit des
Aluminium- Dickdraht- Verfahrens in der Praxis sehr viel höher liegt, als
hier angegeben. Ein echter Vergleich beider Verfahren lässt sich am
zweckmäßigsten durch Studien am Fertigungsteil ziehen.
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