<?page no="0"?> GEORG HOCHREITER Unterpulverschweißen in der Praxis <?page no="1"?> Georg Hochreiter Unterpulverschweißen in der Praxis <?page no="3"?> Unterpulverschweißen in der Praxis Georg Hochreiter Mit 103 Bildern und 30 Literaturstellen expertltJ1lver1ag <?page no="4"?> Die Deutsche Bibliothek- CIP-Einheitsaufnahme Hochreiter, Georg: Unterpulverschweissen in der Praxis / Georg Hochreiter. - Renningen-Malmsheim : expert-Ver! ., 1995 (Reihe Technik) ISBN 3-8169-1062-9 ISBN3-8169-1062-9 Bei der Erstellung des Buches wurde mit großer Sorgfalt vorgegangen; trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag und Autoren können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler sind Verlag und Autoren dankbar. © 1995 by expert verlag, 71272 Renningen-Malmsheim Alle Rechte vorbehalten Printed in Germany Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. <?page no="5"?> Vorwort Das Unterpulver-Schweißen hat sich in den vergangenen 50 Jahren zu einem leistungsfähigen und qualitativ hochwertigen Schweißverfahren entwickelt. Im Behälterbau, Reaktorbau, Schiffbau, Stahlbau und in der Großrohrfertigung ist das UP-Schweißen kaum durch ein anderes Schweißverfahren zu ersetzen. Durch die Weiterentwicklung der Schweißgeräte, der Schweißzusätze und Schweißpulver konnte eine weitere Steigerung von Qualität und Wirtschaftlichkeit vor allem in den letzten 20 Jahren erreicht werden. In zahlreichen Fachaufsätzen und in verschiedenen Firmenschriften wurde in der Vergangenheit auf das UP-Schweißen eingegangen. Es gibt aber leider keine umfassende, trotzdem kurze und bündige Zusammenstellung aller wichtigen Details zu diesem Thema. Dieses Buch soll vor allem den Schweißern und der Schweißaufsicht in der Fertigung, dem Meister und Techniker der Arbeitsvorbereitung, dem Konstrukteur, aber auch dem Ingenieur und dem Studierenden eine praxisnahe Hilfestellung für die Einarbeitung in dieses interessante Fachgebiet der Schweißtechnik geben. Es ist in erster Linie für die Praxis von einem Praktiker geschrieben. Das Buch ist so aufgebaut, daß es genügend Hintergrundwissen über das Unterpulverschweißen vermittelt, um die wichtigsten Zusammenhänge, die Einfluß auf das Schweißergebnis haben, zu verstehen und anwenden zu können. Auf der anderen Seite ist es aber bewußt kurz gehalten, um dem Leser nicht unnötig kostbare Zeit zu rauben. Der Schwerpunkt des Buches liegt beim Eindraht-Schweißen, es werden aber auch kurz Verfahrensvarianten und deren Vorteile aufgezeigt. Der Verfasser bedankt sich bei der Firma M. Glatt Maschinenbau GmbH, sowie den Firmen Messer Lincoln GmbH, ESAB GmbH, Thyssen Schweißtechnik GmbH und Lincoln Smitweld GmbH, die für die Realisierung dieses Projektes zahlreiches Bild- und Tabellenmaterial zur Verfügung gestellt haben. Besonderer Dank gilt H. Hermann Zentner von der Firma Messer Lincoln GmbH für die geleistete Unterstützung, sowie für das Korrekturlesen des Manuskriptes. Pullach, Februar 1995 Georg Hochreiter <?page no="6"?> Inhaltsverzeichnis Vorwort 1. Das Unterpulver-Schweißverfahren 1 1.1 Entwicklung des Verfahrens 1 1.2 Verfahrensprinzip 1 1.3 Vorteile des Verfahrens 3 1.4 Schwächen des Verfahrens 7 1.5 Aufbau und Funktion der UP-Anlage 8 1.6 Stromquellen zum UP-Schweißen 10 1.7 Schweißleitungen 10 1.8 Die äußere und innere Regelung 11 1.8.1 A (Delta)U - Regelung (äußere Regelung) 11 1.8.2 A (Delta) 1 - Regelung (innere Regelung) 12 2. Besonderheiten des UP-Schweißens 14 2.1 Einflüsse auf den Werkstoffübergang 14 2.2 Einflüsse auf die Lichtbogenstabilität 14 2.3 Blaswirkung 15 2.4 Wärmebilanz 16 2.5 Schlackenstrom 17 2.6 Freie Drahtlänge 18 2.7 Nahtformung und Primärkristallisation 18 2.8 Wärmeeinflußzone 19 2.9 Metallurgie des UP-Schweißens 20 2.10 Vorteile des Mehrlagenschweißens 23 3. Schweißzusatzwerkstoffe 24 3.1 Allgemeines 24 3.2 Technische Lieferbedingungen 24 3.2.1 Beschaffenheit der Drahtelektrode 24 <?page no="7"?> 3.2.2 Drahtdurchmesser 25 3.2.3 Spulung, Kennzeichnung, Verpackung 25 3.2.4 Ringgrößen und Ringgewichte 26 3.2.5 Abnahmeprüfungen und Zulassungen 27 3.3 Schweißzusätze nach DIN 8557 (EN 756) 27 3.3.1 Einteilung 27 3.3.2 Bezeichnung der Drahtelektroden 28 3.3.3 Bezeichnung des Schweißgutes 28 3.4 Schweißzusätze nach DIN 8556 29 3.4.1 Einteilung 29 3.4.2 Bezeichnung der Drahtelektroden 30 4. Schweißpulver 31 4.1 Aufgaben des Schweißpulvers 31 4.2 Anforderungen an das Schweißpulver 31 4.2.1 Pulver und Nahtoberfläche 31 4.2.2 Schlackenlöslichkeit 32 4.2.3 Materialeigenschaften 33 4.3 Arten von Schweißpulver 33 4.3.1 Neutrale Schweißpulver 33 4.3.2 Aktive Schweißpulver 34 4.3.3 Legierte Schweißpulver 35 4.3.4 Basizitätsgrad 35 4.4 Herstellung 36 4.4.1 Geschmolzene Schweißpulver 36 4.4.2 Agglomerierte Schweißpulver 36 4.5 Schweißeigenschaften 37 4.6 Körnung 39 4.7 Pulververbrauch 40 4.8 Lagerungs- und Trocknungsvorschriften 41 4.8.1 Lagerräume für Schweißpulver 41 4.8.2 Lagerfähigkeit des Schweißpulvers 41 4.8.3 Trocknung der Schweißpulver vor dem Einsatz 42 4.8.4 Pulverabsaugung und Wiedergebrauch 42 4.9 Technische Lieferbedingungen nach DIN 32 522 (EN 760) 43 5. Praxis des Unterpulverschweißens 46 5.1 Vorbereitung der Werkstücke 46 5.2 Schweißkantenvorbereitung 46 5.2.1 Zweck der Anfasung oder Nut 46 5.2.2 Einfluß des Steges und des Stirnflächenabstandes 47 <?page no="8"?> 5.2.3 5.2.4 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.7 5.8 5.9 5.9.1 5.9.2 5.10 6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.9.1 6.9.2 6.9.3 6.10 6.11 6.11.1 6.11.2 6.11.3 6.11.4 Art der Kantenvorbereitung Nahtreinigung Vorbereitung der Schweißung Wärmeführung Vorwärmung Zwischenlagentemperatur Wärmebehandlung nach dem Schweißen Wasserstoffarm glühen Auflegen des Werkstückes Neigung des Werkstückes Aufwärtsschweißung Abwärtsschweißung Waagrecht-Schweißung an senkrechter Wand (3-Uhr) Anstellen des Schweißdrahtes Fluchten des Drahtes mit der Naht Seitlicher Anstellwinkel (Neigung quer zur Naht) Anstellung des Drahtes in Nahtrichtung Stromübergang Kontaktdüsenabstand Masseanschluß und Schweißstromkreis Probleme Abhilfe Pulveraufschüttung und Körnung Einfluß der Parameter bei UP-Schweißung Stromstärke Strombelastbarkeit Stromdichte Abschmelzleistung Spannung Schweißgeschwindigkeit Streckenenergie Freie Drahtelektrodenlänge Stromart Wechselstrom (AC) Gleichstrom (DC) Polung Zusammenfassung der Einflüsse Einflüsse der Parameter auf die Nahtgeometrie Unlegierter Werkstoff Hochlegierter Werkstoff Draht- und Pulververbrauch bei hochlegiertem Werkstoff Einfluß des Pulvers und der Stromart 47 48 48 48 49 51 52 53 53 53 53 54 55 55 55 55 56 57 57 58 58 58 59 61 61 63 65 66 66 68 71 72 72 72 73 73 74 75 80 82 83 84 <?page no="9"?> 6.11.5 6.11.6 7. 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.3 7.3.1 7.3.2 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5 7.4.6 7.4.7 7.4.8 7.4.9 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5 7.5.6 7.5.7 7.5.8 7.5.9 7.6 7.7 8. 8.1 8.2 8.2.1 Draht- und Pulververbrauch bei verschiedenen Stromquellen 85 Übersicht der eingesetzten Schweißpulver 86 87 87 � 89 89 89 90 90 91 91 91 91 94 94 94 95 95 95 96 96 96 96 98 99 99 100 100 100 101 101 102 102 102 104 104 105 Fehler beim UP-Schweißen Vorbemerkung �� Einzelporen und Porenketten Reihenporen beim Schweißen in Einspannvorrichtungen Reihenporen in Nahtmitte Örtliche Porennester und Fächerporen Poren bei der Gegenlage Schlackeneinschlüsse Schlackeneinschlüsse und Schlackenanhäufungen Schlackenzeilen Risse Heißrisse längs zur Naht Heißrisse quer zur Naht Endkraterrisse, Risse in der Wurzellage Erstarrungsrisse, Lunkerrisse Spannungsrisse beim Einlagenschweißen Spannungsrisse beim Mehrlagenschweißen Korngrenzenrisse Kaltrisse Wasserstoffrisse Nahtformfehler Nahtüberhöhung zu groß Naht zu flach Rauhe Naht Ungleiche Nahtbreite Naht zu schmal Fischgräten und Gasabdrücke auf der Raupe Zu geringer Einbrand Zu hoher Einbrand, Schweißbad fällt durch Einbrandkerben Bindefehler Schwierige Schlackenentfernbarkeit Schweißnahtvorbereitung Richtlinien für die Fugenvorbereitung Badsicherungen UP-Schweißen gegen Unterlage 105 <?page no="10"?> 8.2.2 UP-Schweißen gegen Handlage 108 8.3 Einlagen-Technik 109 8.3.1 1-Naht 109 8.3.2 V-Naht 110 8.3.3 V-Naht 111 8.3.4 DV-Naht 112 8.4 Mehrlagen-Technik 115 8.4.1 Normale UP-Nahtformen 115 8.4.2 Viellagige Mehrlagen-Schweißung 115 8.4.3 Fugenabmessung beim Viellagen-Schweißen 117 8.5 Sonderfugenformen 118 8.5.1 Y-Naht, DU-Naht, HU-Naht, Doppel-HU-Naht 118 8.5.2 Yberlapp-Stoß auf Kupferunterlage 119 8.5.3 Uberlapp-Stoß mit Sicke 119 8.5.4 Ecknaht 119 8.5.5 Lochschweißung 121 8.5.6 Bördelnaht 121 8.6 Kehlnaht 122 8.6.1 Kehlnaht in waagrechter Position 122 8.6.2 Kehlnaht in horizontaler Position 122 8.6.3 Kehlnaht als Überlapp-Stoß 124 8.6.4 Kehlnaht als K-Naht in Wannenlage 124 8.7 Quernaht 126 9. Draht-Pulver-Kombinationen 129 9.1 Un- und niedriglegierte Stähle 129 9.2 Warmfeste Stähle 131 9.3 Hochlegierte Stähle 132 9.3.1 Allgemeines 132 9.3.2 Streckenenergie 135 9.3.3 DVS-Merkblatt 0917 für UP-Schweißen austenitischer Stähle 135 9.3.4 Draht-Pulver-Kombinationen 136 9.4 Schwarz-Weiß-Verbindung 138 9.4.1 Allgemeines 138 9.4.2 Versuchsaufbau 141 9.4.3 Besonderheiten der Schweißtechnologie 143 9.4.4 Draht-Pulver-Kombinationen 145 10. Wirtschaftlichkeit 147 10.1 Produktivität und Wirtschaftlichkeit 147 <?page no="11"?> 10.2 Kostenrechnung 148 10.3 Aufbau einer Kalkulation für das UP-Schweißen 151 10.3.1 Draht 151 10.3.2 Schweißpulver 154 10.3.3 Stromkosten 154 10.3.4 Sonstige Kalkulationswerte 155 10.3.5 Schlußfolgerung 155 11. Anwendungstechnik 156 11.1 Anwendungsbereiche 156 11.2 Verfahrensvarianten 156 11.2.1 Eindrahtschweißen 156 11.2.2 Paralleldrahtschweißen 157 11.2.3 Tandemschweißen 161 11.2.4 Heißdrahtschweißen 161 11.2.5 UP-Schweißen mit Bandelektroden 162 11.2.6 Leistungsvergleich 163 11.3 Hilfsmittel und Vorrichtungen 164 Literatur- und Quellenverzeichnis 171 Sachregister 173 <?page no="13"?> 1. Das Unterpulver-Schweißverfahren 1.1 Entwicklung des Verfahrens Das Unterpulverschweißen (kurz: UP-Schweißen) geht auf Patente der Union Carbide (USA) zurück. In den USA war das UP-Schweißen unter dem Namen „Unionmelt" bekannt. In Deutschland wurde es um 1934 eingeführt, der Durchbruch gelang aber erst nach 1940. Das Verfahren hieß damals "Elliraverfahren". Ziel der Entwicklung dieses Verfahrens war es, die Leistung gegenüber dem Handschweißen zu erhöhen. Der Lohnanteil der Herstellkosten sollte gesenkt werden. Zudem wollte man eine gleichmäßige und hohe Qualität der Schweißnaht erreichen. Zuerst versuchte man, mit Drahtelektroden von 8 bis 10 mm Durchmesser und Stromstärken von bis zu 2500 A hohe Abschmelzleistungen zu erzielen. Die Schweißnähte hatten aber sehr schlechte mechanische Gütewerte. Erst später erkannte man, daß derVorteil mehr in der höheren Schweißgeschwindigkeit gesehen werden sollte, als in der großen Einbringleistung. Durch Verbesserung der Schweißpulver, dem Übergang auf die Mehrlagentechnik und der Verwendung von Mehrdrahtsystemen anstelle einzelner dikker Drahtelektroden konnte die Qualität der Schweißung so verbessert werden, daß heutzutage sogar Stähle mit hohen Güteanforderungen UP-geschweißt werden. Das UP-Schweißen zählt zu den qualitativ hochwertigen und vor allem wirtschaftlichsten Schweißverfahren. Gerade im Zeitalter immer höherer Qualitätsforderungen wird dieses leistungsfähige Schweißverfahren mit seinen reproduzierbaren Schweißergebnissen bestehen können. 1.2 Verfahrensprinzip Im Bild 1.1 ist das Prinzip des UP-Schweißens dargestellt. Das UP-Schweißen ist ein verdecktes Lichtbogen-Schweißverfahren. Der Lichtbogen brennt unsichtbar unter einer Schicht körnigen Pulvers. Die kontinuierlich mechanisch zugeführte Drahtelektrode taucht in die Pulveraufschüttung ein. Zwischen dem 1 <?page no="14"?> Ende der Drahtelektrode und dem Werkstück brennt der Lichtbogen in einem mit Dämpfen und ionisierten Gasen gefüllten Hohlraum, der Kaverne. Elektrode Kontaktstück ---~; ; .; .; .: ,; .; .; .; ,; .; : i; ~ Pulvertrichter -----'"'· Kaverne mit angedeutetem Lichtbogen ---- _ Wärmeeinflußzone ____________ .,. ..... / Grundwerkstoff I ' bevorzugter ,' Tropfen- ' Obergang Schweißrichtung-----1- Bild 1.1 : UP-Schweißverfahren Draht~lektrode flüssige Schlacke Bild 1.2: UP-Schweißprozeß 2 nicht verschlacktes Schweißpulver feste Schlacke Schweißnahtquerschnitt erstarrtes Schweißgut <?page no="15"?> Die abgeschmolzene Drahtelektrode geht tropfenförmig durch die Kaverne über und bildet mit dem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff das Schmelzbad. Der Lichtbogen schmilzt einen Teil des Pulvers zu einer Schlacke. Diese flüssige Schlacke sowie das darüberliegende Pulver schützen das Schmelzbad vor der umgebenden Atmosphäre. Mit fortschreitendem Schweißen erstarrt das Schmelzbad unter der Schlakke und dem Pulver zur Schweißraupe. Die erstarrte Schlacke kann leicht entfernt werden. Nur ein Teil des Pulvers wird zu Schlacke. Der Rest kann abgesaugt werden, und wird dann wiederverwendet. Der gesamte UP- Schweißprozeß ist in Bild 1.2 zu ersehen. Die Kaverne ist gegen Luftzutritt von außen geschützt. Sie begrenzt und stabilisiert den Lichtbogen. Es sind höhere Strombelastungen der Drahtelektrode als beim offenem Lichtbogenschweißen möglich. Die Abschirmung der Schweißstelle durch Schlacke und Pulver bringt einen hohen thermischen Wirkungsgrad, wodurch hauptsächlich der Einbrand verstärkt wird. Die Aufschmelzung des Grundwerkstoffes sowie die Abschmelzung der Drahtelektrode im Vergleich zu anderen Schweißverfahren sind wesentlich höher. 1.3 Vorteile des Verfahrens Durch die das UP-Verfahren kennzeichnenden Eigenschaften - Schweißen unter Luftabschluß in der Kaverne - Ausnutzung der vollen Energie durch verdeckten Lichtbogen tiefer Einbrand bei hohen Stromstärken - Einsatz von dicken, blanken, dadurch günstigen Drahtelektroden ergeben sich folgende Vorteile : Keine Strahlen-, Lärm- und Rauchbelästigung Eine Belästigung des Bedienungsmannes durch Strahlung, Gase, Dämpfe und andere Schadstoffe findet nicht statt. Die Pulverabdeckung des Lichtbogens verhindert UV-Strahlen. Schweißrauche sind so gut wie nicht vorhanden. Die Umgebungsluft bleibt sauber. Absaugung und Filtration der Luft ist in der Regel nicht notwendig, höchstens in engen Räumen oder Behältern. Der Schweißprozeß ist geräuscharm, weil er unter der Pulverabdeckung stattfindet. Das UP-Verfahren hat einen hohen Stellenwert unter den umweltfreundlichen Schweißverfahren. 3 <?page no="16"?> Keine Gerätekühlung sowie Geräteschutz erforderlich Der Lichtbogen ist abgedeckt, es wird keine Wärme abgestrahlt, das Schweißgerät kann sich dadurch nicht aufheizen. Das erübrigt die Gerätekühlung und ermöglicht eine beliebige Annäherung an das Werkstück und einen ununterbrochenen Schweißbetrieb, über mehrere Stunden hinweg, und noch länger. Mitarbeiter und empfindliche Geräte im näheren Arbeitsbereich der UP-Anlage werden nicht durch Spritzer beeinflußt. Eine Schutzabschirmung ist nicht notwendig. Hohe Schweißstromwerte und hohe Abschmelzleistung Die Zuführung des Schweißstromes über die Kontaktbacken in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens läßt die Anwendung hoher Stromdichten zu. Bei Drähten mit Durchmessern von 1,6 bis 5 mm sind 100 bis 150 A/ mm2 durchaus üblich. Das ist für die Gleichmäßigkeit des Werkstoffüberganges im Lichtbogen von grundlegender Bedeutung. Man kann mit Schweißströmen bis 1200 A beim Eindraht, und noch höheren Stromstärken beim Mehrdrahtschweißen arbeiten. Hohe Einschaltdauer und hohe Schweißgeschwindigkeit Besonders bei langen und großvolumigen Schweißnähten sowie bei Mehrlagen-Rundnähten bietet das UP-Schweißen eine Einschaltdauer von bis zu 100 %, und das wenn möglich im Zweischichtbetrieb, bzw. rund um die Uhr. Es lassen sich sehr hohe Schweißgeschwindigkeiten erzielen, die um ein mehrfaches der sonst üblichen Verfahren E-Hand, MAG oder Fülldraht betragen. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit und günstige Lohnkosten aus. Abschirmung des Schmelzbades gegen die Atmosphäre Die UP-Schlacke bewirkt die vollkommene Abschirmung des Schmelzbades gegen die Atmosphäre. Sie gibt die Möglichkeit der Ausnutzung metallurgischer Beeinflussung der Schweißschmelze durch günstige Schlackenreaktionen, so daß sich hohe Qualitätsanforderungen erfüllen lassen. Über das eingesetzte Pulver wird die Schweißnaht durch den Zu- oder Abbrand von Legierungselementen beeinflußt. Diese metallurgischen Veränderungen hängen von der Schweißpulversorte, dem Schweißdraht und den Schweißparametern ab. · Gute Nahtformung Die viskose Schweißsehlacke ist Flußmittel, Strom- und Wärmeleiter und wirkt gleichzeitig nahtformend. UP-Nähte sind frei von Übergangskerben. In ihrer 4 <?page no="17"?> äußeren Form und ihrer Oberflächenbeschaffenheit sind sie anderen Schmelzschweißnähten überlegen. Es lassen sich sehr flache Raupen mit Nahtüberhöhungen von 0,5 bis 1 mm spielend herstellen. Der Übergang zum Grundwerkstoff ist sanft. Die Schlacke trägt zur Reduzierung einer Aufhärtung der Schweißnaht und der Wärmeeinflußzone wegen der langsamen Abkühlung bei. Die Schweißnaht wird durch die Wahl der Schweißparameter und der Fugenform beeinflußt. Hohe Röntgensicherheit Die UP-Schweißung bietet eine hohe Sicherheit gegen Schweißnahtfehler wie Einschlüsse, Poren und Bindefehler. Es entstehen in der Regel keine inneren Kerben, daher gibt es eine hohe Festigkeit der Naht im unbehandeltem Zustand, bei gleichbleibender Nahtgüte. Das Schweißgut zeigt nahezu immer bessere mechanische Gütewerte als der Grundwerkstoff. Niedriger Wasserstoffgehalt UP-Schweißgut ist niedrig wasserstoffhaltig, wenn entsprechende Schweißpulver und Schweißausführung verwendet werden. Es hat eine hohe Rißbeständigkeit und ist von hoher mechanischer Güte. Abnahmebedingungen werden erfüllt Mit standardisierten Verfahrensdaten werden Prüf- und Abnahmebedingungen ohne Schwierigkeiten erfüllt. Dies bestätigen zahlreiche bestandene Eignungsprüfungen für Draht-Pulver-Kombinationen von verschiedenen Zulassungsbehörden. Bedienungsfehler werden minimiert Die Schweißparameter werden über die Regeleinheit der UP-Anlage eingestellt. Sie bleiben aufgrund des Selbstregeleffektes von Stromquelle und Regeleinheit während des Schweißvorganges erhalten. Höhen- und Seitenschlitten ermöglichen genaues Positionieren der Drahtelektrode. Durch Fahrwerke können die UP-Schweißköpfe exakt entlang der Nahtfuge geführt werden, oder die zu schweißende Naht kann optimal unter dem UP- Gerät positioniert werden, z. B. unter Verwendung von Rollvorrichtungen. Menschliche Fehler sind somit weitgehend ausgeschlossen. Die Qualität wird reproduzierbar und gleichbleibend gut. Es muß nur mit den richtigen und durch Verfahrensprüfungen bestätigten Parametern gearbeitet werden. 5 <?page no="18"?> Hohe Lichtbogenstabilität Im Lichtbogen verdampfende Schlackenbestandteile stabilisieren den Lichtbogen und damit den Schweißprozeß. Dies wirkt sich vorteilhaft aus auf den Schweißablauf, den Werkstoffübergang, die Nahtformung und ermöglicht eine große Schweißleistung mit hohen Schweißgeschwindigkeiten. Geringer spezifischer Energiebedarf Durch den hohen thermischen Wirkungsgrad des Verfahrens ist ein geringer spezifischer Energiebedarf (J/ cm Naht) notwendig. Dies führt zu einem insgesamt geringeren Verzug gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren. Vor allem beim Kehlnahtschweißen ist der Winkelverzug kleiner, zudem werden die Kanten sicherer aufgeschmolzen. Die Anzahl der Lagen wird auf ein Minimum beschränkt, die Summe der Einzelschrumpfungen ist geringer. Kleines Nahtvolumen Durch die große Einbrandtiefe kann das Nahtvolumen durch Veränderung des Öffnungswinkels gegenüber der E-Hand- oder Schutzgasschweißung verringert werden. Dadurch ist weniger Schweißgut erforderlich. Bei Kehlnahtschweißungen können die exakten Einbrandtiefen entsprechend DIN 18800 zur Reduzierung des a-Maßes herangezogen werden. Kein Ausfugen der Gegenseite Beim Lage-Gegenlage-Schweißen unter Verwendung richtiger, erprobter Schweißtechnologien kann die Gegenlage in den meisten Fällen ohne Ausfugen geschweißt werden. Durch den konstanten Einbrand wird die vorher eingebrachte Lage sicher aufgeschmolzen, wenn Nahtvorbereitung und Schweißdaten den Anforderungen an die Schweißnaht entsprechen. Minimum an Nacharbeit Die glatte, spritzerfreie Nahtoberfläche macht Nacharbeiten wie Verputzen oder Verschleifen so gut wie überflüssig. Die Schlacke löst sich in den meisten Fällen von selbst ab. 6 <?page no="19"?> 1.4 Schwächen des Verfahrens Das Verfahren hat nicht nurVorteile und Stärken, es sollten auch seine Schwächen bzw. Nachteile herausgestellt werden: Ungünstige Raupengeometrie Durch große Raupen mit ungünstigem Verhältnis von Breite zur Tiefe kommt es zu einer grobstengeligen Kristallisation. Dies kann zu Seigerungen in der Nahtmitte, Lunkerbildung, ungünstiger Gußstruktur und zur Ansammlung von Desoxidationsprodukten im Ubergang führen. Dadurch werden schlechte Kerbschlagarbeitswerte erzielt. Bei höher gekehlten und unberuhigt vergossenen Stählen entsteht bei großem Nahtvolumen Heißrißgefahr. Durchbruchgefahr der Schmelze Bei ungenügender Badsicherung besteht Durchbruchgefahr für die Schmelze. Bei dünnen Blechen kann durch Ungenauigkeiten im Vorschubsystem ein Durchfallen eintreten. Das Verfahren verlangt ruckfrei laufende Drehvorrichtungen für das Werkstück. Auch die Drahtvorschubeinrichtung muß konstant laufen, und der Draht muß sauber gespult sein. Exakte Nahtvorbereitung Da das Schweißbad durch die Pulverüberdeckung nicht sichtbar ist und Korrekturen während des Schweißvorgangs nur begrenzt möglich sind, ist eine genaue Kantenvorbereitung notwendig. Das genaue Positionieren des Drahtes kann über Lichtpunktwerfer kontrolliert werden. Eingeschränkte Schweißpositionen Ohne zusätzliche Hilfseinrichtungen ist die Anwendung nur auf die Horizontal- und Wannenlage beschränkt. Ein Einsatz auf Baustellen ist möglich, bedingt allerdings kleinere Montagegeräte und ist nur im Stahlbau oder bei der Fertigung von großen Tanks angebracht. Hohe Investitionskosten Der Anschaffungspreis der Schweißanlage, der Vorrichtungen, der Drehvorrichtungen oder Drehtische, sowie der Pulvertrocknung und noch vieles mehr, sowie höhere Rüstzeiten und Nebenzeiten zwingen zu einer hohen Auslastung dieser automatischen Schweißanlage. Allgemein gilt, daß mit zunehmender Blechdicke und längeren Schweißnähten die Wirtschaftlichkeit des UP-Schweißens ansteigt, wobei in jedem Fall Stückzahl und Nahtlänge eine wesentliche Rolle spielen. 7 <?page no="20"?> Das Aussehen der Naht kann täuschen Die saubere, glatte Oberfläche der Schweißraupe kann über ihren tatsächlichen inneren Befund hinwegtäuschen. Einstellfehler können optisch nicht zuverlässig erkannt werden. Daher ist stichprobenweise zerstörungsfreie Prüfung der Schweißnähte bei abnahmepflichtigen Bauteilen unerläßlich. Ebenso müssen die Schweißparameter über Verfahrensprüfungen, die unter Fertigungsbedingungen geschweißt worden sind, bestätigt werden. Verträglichkeit mit anderem Schweißgut Die Wirtschaftlichkeit wird auch durch Ausbesserungsarbeiten oder Nacharbeiten beeinflußt. So sind Heftstellen, Schweißbadsicherungen, Wurzelnähte und Nähte, die als Abschluß- oder Gegenlage geschweißt sind, beim Überschweißen porengefährdet. Vor allem dann, wenn sie mit Stabelektroden geschweißt wurden, deren Schweißgut sich nicht mit dem UP-Schweißgut verträgt. Selbstverständlich muß die Schlacke der Stabelektrode vor dem Überschweißen entfernt werden. Vom MAG-Schweißen ist bekannt, daß dieses Schweißgut beim Überschweißen mit dem UP-Verfahren porenfreie Nähte ergibt. Die Raupen oder Heftstellen sollen aber auch hier vor dem Überschweißen gesäubert bzw. verschliffen werden. 1.5 Aufbau und Funktion der UP-Anlage Bild 1.3 zeigt den Aufbau einer UP-Anlage. Aufgrund der zahlreichen Varianten und Kombinationsmöglichkeiten besteht bei der nachfolgenden Aufzählung kein Anspruch auf Vollständigkeit. Es soll vielmehr das eigentliche Prinzip gezeigt werden. Zu jeder UP-Anlage gehören ein oder mehrere Schweißköpfe, ein Fahrwerk und eine oder mehrere Stromquellen. Der UP-Schweißkopf kann auf einem stationärem Geräteträger bzw. Ausleger montiert sein, oder auf einem transportablen Vorschubwagen, einem sogenannten Traktor. Die UP-Anlage besteht aus einem Vorschubmotor mit Getriebe, an dem die Vorschubrolle sitzt. Diese zieht die Drahtelektrode mit Hilfe der Gegendruckrolle von der Drahtspule ab, und schiebt sie in die Stromdüse oder Kontaktbacken. In den Kontaktbacken erfolgt der Stromübergang. Da die Drahtelektrode von der Spulung her eine Vorbiegung hat, wird sie vor den Kontaktbacken über 8 <?page no="21"?> B Bild 1.3: Aufbau einer UP-Anlage A = Vorschubmotor mit Getriebe B = Vorschubrollen C = Drahtrichtwerk D = Stromrohr E = Drahttrommel F = Pulverbehälter G = Pulverzuführung H = Pulvertrichter J = Regeleinheit K = Automatenträger ein Richtwerk geführt, um einen geraden Drahtelektrodenaustritt zu sichern. Schwänzelndes Austreten des Drahtes kann zu Schweißfehlern wie z. B. Bindefehlern oder Poren führen. Das Schweißpulver wird kontinuierlich entweder aus einem kleinen Vorratsbehälter am Schweißautomaten, oder über einen Zuführungsschlauch aus dem Pulverbehälter zur Schweißstelle gefördert. Aus dem Pulvertrichter wird das Pulver vor den Kontaktbacken aufgeschüttet. Dadurch wird die Schweißstelle abgedeckt. Die Pulverschütthöhe wird so gewählt, daß die Rotglut der Schlacke sichtbar ist, aber der Lichtbogen nicht durchblitzt. Der Pulvertrichter ist in der Höhe einstellbar. Dadurch kann die Schütthöhe eingestellt werden. Nicht aufgeschmolzenes Pulver wird über die Pulverabsaugung aufgesaugt, und dem Pulverbehälter zur Wiederverwendung zugeführt. 9 <?page no="22"?> Die UP-Anlage besteht ferner noch aus der Stromquelle, der Regeleinheit sowie den Verbindungs- und Massekabeln. Der Drahtvorschub und das Einhalten der gewünschten Schweißdaten wird über die Regeleinheit gesteuert. Die für den Prozess notwendige Energie kommt aus Gleich- oder Wechselstromquellen. Zusammen mit den Verbindungs- und Massekabeln bilden Schweißkopf, Regeleinheit, Fahrwerk oder Bauteilpositionsvorrichtung und Stromquelle die UP-Schweißanlage. 1.6 Stromquellen zum UP-Schweißen Die Stromquelle liefert die Energie für einen stabilen Schweißbetrieb. Es kann mit Gleichstrom oder Wechselstrom geschweißt werden. Minuspolung der Elektrode wird wegen des geringen Einbrandes nur bei der Auftragsschweißung eingesetzt. In der Regel wird mit Gleichstrom, Elektrode am Pluspol, geschweißt. Beim Mehrdrahtschweißen wird mit Wechselströmen oder einer Kombination von Gleich- und Wechselstrom gearbeitet. Bei Verwendung von Gleichstrom werden überwiegend Schweißgleichrichter eingesetzt. Diese können sowohl stark fallende oder konstante bis leicht fallende Kennlinien haben. Konstante Kennlinien werden auch als CP-Kennlinien (Constant Potential) bezeichnet. Wird mit Wechselstrom geschweißt, so kommen Schweißtransformatoren zum Einsatz. Bei der Auswahl der Stromquelle muß die hohe Einschaltdauer der Stromquelle bei diesem Verfahren berücksichtigt werden. Da mit UP-Anlagen gewöhnlich lange Nähte geschweißt werden, muß beachtet werden, daß die gewünschte Leistung bei einer Einschaltdauer von 100 % erbracht werden muß. Nur so läßt sich ohne Störungen mehrere Stunden in Folge schweißen. Bei Eindraht-UP-Anlagen sind in der Regel Stromstärken von 800 bis 1250 A vollkommend ausreichend. Erst bei Verarbeitung von dickeren Blechen und beim Mehrdrahtschweißen, z. B. im Schiffbau oder bei der Rohrfertigung, werden Stromquellen bis zu 2000 A erforderlich. 1.7 Schweißleitungen Steuerleitungen verbinden Stromquelle und Regeleinheit. Sie enthalten alle für die Fernverstellung der Stromquelle notwendigen Leitungen und übertragen die notwendigen Regelvorgänge. 10 <?page no="23"?> Die Werkstück- oder Masseleitungen verbinden die Stromquelle mit dem Werkstück. Die Anbringung der Masseleitung ist sorgfältig und an geeigneter Stelle am Bauteil vorzunehmen. Beim Befestigen der Masseleitung ist darauf zu achten, daß diese auf metallisch blankem Untergrund befestigt wird, damit kein unnötiger Spannungsabfall entsteht. Weiterhin soll sie weder am Schweißnahtanfang, noch am Schweißnahtende angebracht werden. Die Anbringung der Masse ist abhängig von der Geometrie des Werkstükkes. Die ideale Stelle muß wohl jeder Schweißer selbst ermitteln, entsprechend der jeweiligen Schweißaufgabe und eventueller Blaswirkung. Wechselstrom verringert die Neigung zur Blaswirkung. Masseanschlüsse an Vorrichtungen wie Längsnaht- oder Rundnahtvorrichtungen müssen sorgfältig die Ströme auf das Werkstück übertragen. Die Schweißstromleitung ist dieVerbindung der Stromquelle mit dem Schweißgerät, d. h. mit der Schweißstromübertragung, also den Stromkontaktbacken. Die Länge der Schweißleitungen kann vor allem bei Wechselstrom einen nennenswerten Spannungsabfall verursachen. In ungünstigen Fällen können bis zu 20 V Spannungsabfall auftreten. Dadurch senkt sich die maximal verfügbare Schweißstromstärke erheblich. Darum Schweißleitungen nie länger als nötig halten. Masse- oder Schweißleitungen sollen beim Schweißen nicht aufgewickelt sein, sondern in Schlingen am Boden ausgelegt werden. Dadurch wird keine Widerstandsspule geformt. 1.8 Die äußere und innere Regelung Eine Regeleinheit hat die Aufgabe, die eingestellten Strom- und Spannungwerte und damit die Lichtbogenlänge und die Abschmelzleistung während des Schweißens konstant zu halten. Dies geschieht je nach Kennlinie der verwendeten Stromquelle durch die äußere Regelung oder die innere Regelung. Bild 1.4 und 1.5 zeigen die Wirkungsweise der äußeren und inneren Regelung. 1.8.1 A (Delta} U-Regelung (äußere Regelung} Hierfür werden Stromquellen mit sogenannter fallender Kennlinie verwendet. Mit zunehmender Stromstärke nimmt die Spannung ab, welche die Strom- 11 <?page no="24"?> quelle liefert. Die Lichtbogenlänge wird über die Drahtvorschubgeschwindigkeit (mehr/ weniger Draht) eingestellt. Störungen im Drahtvorschub bzw. Änderungen der Fugengeometrie, z. B. durch größere Heftstellen, können leicht die Lichtbogenlänge verändern und zu evt. Fehlern in der Naht führen. Die Ursache dafür ist ein Anstieg oder ein Abfall der Lichtbogenspannung. Über die Veränderung der Lichtbogenspannung, angezeigt auf dem Voltmeter der Regeleinheit, wird der Lichtbogenansatz - oder der Wärmeeintrag am Werkstück eingestellt. Dabei gilt zu beachten, daß höhere Spannung einen breiteren Lichtbogenansatz am Werkstück bedeutet. Dies führt zu einem geringeren Einbrand mit Gefahr von Schlackeneinschlüssen oder Bindefehlern. 1.8.2 A (Delta) 1-Regelung (innere Regelung) Hier werden Stromquellen mit leicht fallender Charakteristik bzw. sogenannte CP-Stromquellen eingesetzt. Geringe Änderungen der Lichtbogenlänge bewirken einen schnellen Anstieg oder Abfall der Stromstärke. Dies beeinflußt die eingebrachte Energie, wodurch bei konstant bleibender, vorher eingestellter Drahtvorschubgeschwindigkeit die ursprüngliche Lichtbogenlänge sich automatisch wieder einstellt. Die innere Regelung ist schneller als die äußere Regelung. Sie wird deshalb bevorzugt beim Schweißen mit dünnen Drähten oder bei hohen Drahtvorschubgeschwindigkeiten eingesetzt. Einsatzgebiete sind dünne Bleche und Schweißaufgaben mit wenig Blaswirkungsgefahr. t: .U - Regelung (•.äußere •· Regelung) Bogenkennlinii! n Bild 3 Wirkungsweise der äußeren Regelung Bild 1.4: Wirkungsweise der dU (äußeren) Regelung 12 <?page no="25"?> : : , "' C : : , C li 0. V) A 1 - Regelung ( .. innere''Regelung) Lichtbogenk ennlin ien Stromstärke J Bild 4 Wirkungsweise der innerer, Regelung Bild 1.5: Wirkungsweise der dl (inneren) Regelung \Nerkstück 13 <?page no="26"?> 2. Besonderheiten des UP-Schweißens 2.1 Einflüsse auf den Werkstoffübergang Schweißstromstärke, Schweißspannung, Drahtelektrodendurchmesser, Polung und das Schweißpulver haben Einfluß auf den Werkstoffübergang. Drahtelektroden mit niedriger Strombelastung (A/ mm 2) ergeben einen grobtropfigen Werkstoffübergang. Grobtropfiger Ubergang sollte möglichst vermieden werden, denn eine lange Zeit derTropfenformung in der Lichtbogenkaverne bedeutet intensivere Reaktion zwischen Pulverschlacke und Drahtelektrode evt. Schweißnahtfehler wegen zu geringer Lichtbogenenergie am Werkstück - "Übersteuern" der Regeleinheit mit Gefahr von Stromstärkenänderungen Bei minusgepolter Drahtelektrode ist derWerkstoffübergang feintropfiger, und die Legierungsverluste der Drahtelektrode nehmen ab. In der Regel wird aber nur bei einer Auftragsschweißung mit Gleichstrom Minuspol (DC-) geschweißt. Der Einfluß der Schweißpulver ist auf den Werkstoffübergang mit entscheidend. Agglomerierte Pulver z. B. bilden eine größere Kaverne als Schmelzschweißpulver, und erfordern eine um ca. 2 Volt höhere Lichtbogenspannung. Basische Pulver leiten den Strom besser als saure Pulver, sie sind jedoch bei Wechselstrom auf deren Einsatzmöglichkeit zu überprüfen. 2.2 Einflüsse auf die Lichtbogenstabilität Der Lichtbogen brennt in der sogenannten Kaverne mit ihren Gasen und Dämpfen. Dort wird die elektrische Energie in der Plasmasäule, die sich aus dem verdampfenden Werkstoff-Zusatzwerkstoff-Schweißpulverschlacke formt, gebildet. Diese bewirkt die elektrische Leitfähigkeit und hat Anteil an der Wärmeübertragung zwischen Elektrode und Werkstück. Sie wirkt als Energieträger und erzeugt das Plasma. Neben dem Einfluß der Schweißstromstärke, Schweißspannung, Pulverschütthöhe und Drahteinspannlänge hat auch die Pulverfeuchtigkeit und die Ober- 14 <?page no="27"?> flächenbeschaffenheit der Bleche einen Einfluß auf Spannungsschwankungen, die sich negativ auf die Schweißergebnisse auswirken. Die Kaverne beeinflußt die Gefügeausbildung und die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Schweißgutes. Strom- und Spannungsschwankungen, die durch Druckänderungen in der Kaverne und durch Änderung des Tropfenübergangs entstehen, sind hörbar. Veränderungen der Bedingungen in der Lichtbogenkaverne sind daher hinsichtlich guter Schweißergebnisse zu minimieren. Dies bedeutet - Schütthöhe des Pulvers freie Drahtlänge richtiges Anstellen der Drahtelektrode richtige Schweißparameter sind möglichst immer genau einzuhalten. 2.3 Blaswirkung Die Schlackenkaverne dämpft den Einfluß der Blaswirkung, sie kann diese aber nicht verhindern. Der Lichtbogen wird in Richtung größerer magnetisierbarer Stoffanhäufung abgelenkt, z.B. bei großen Wandungen. Stärke und Richtung der Blaswirkung sind von der Werkstückgeometrie und Anordnung der Masse abhängig. Ein möglichst kurzer, steifer Lichtbogen ist unempfindlicher gegen Blaswirkung als ein langer Lichtbogen(= hohe Volt). Die Blaswirkung ist nicht meßbar, hat aber meist eine Richtung, sie wirkt vom Masseanschluß weg. Die Masse sollte deshalb am Nahtanfang, oder bei zylindrischen Rohrschüssen gegenüber dem Nahtanfang oder im Zentrum des Schußes angebracht werden. Schlechter, beweglicher Masseanschluß bei ungleichmäßiger, flächiger Auflage bewirkt einen unstabilen Lichtbogen und führt dadurch zu porigen Schweißnähten. Bläst der Lichtbogen seitlich weg, so bilden sich unsymmetrische innere Nahtformen oder auch Bindefehler. Beim Längsnahtschweißen ist ein An- und Auslaufblech am Nahtanfang und Nahtende unerlässlich. Die Bleche sollten nie zu klein gewählt sein, ansonsten gibt es Blaswirkung. Bei Forderungen nach Arbeitsproben, z. B. für den TÜV oder sonstigen Abnahmeorganisationen, sollten An- oder Auslaufbleche entsprechend den Ab- 15 <?page no="28"?> maßen der Proben gewählt werden. Die Nahtvorbereitung entspricht dem Werkstück. Beim UP-Schweißen mit 2 Lichtbögen ist die Blaswirkung besonders zu beachten. Dies ist in Bild 2.1 dargestellt. Gleichgepolte Lichtbögen ziehen sich an, ungleichgepolte Lichtbögen brennen voneinander weg. Die Blaswirkung läßt sich kleinhalten, wenn ein Gleichstrom- und ein Wechselstromlichtbogen benachbart betrieben werden. Dies wird beim UP-Tandemschweißen vielfach angewendet. (-) (-) Lichtbogen Werkstück Bild 2.1 : Blaswirkung zwischen benachbarten Lichtbögen Die Blaswirkung hat aber auch Vorzüge. Sie wird beim UP-Schweißen von Kehlnähten genutzt. Der Lichtbogen wird zum Stegblech hin abgelenkt, was ein Anlauten der Naht an die senkrechte Wand begünstigt. Das UP-Schweißen von Quernähten an senkrechter Wand ist nur durch Ausnutzen der Blaswirkung möglich. Bei mehrlagigen Nähten in tiefen Fugen sichert die Blaswirkung den seitlichen Einbrand. 2.4 Wärmebilanz Der Wirkungsgrad ist der Quotient aus der in das Werkstück eingebrachten Wärmemenge und der aufgewendeten elektrischen Energie. Beim Schweißen mit Stabelektrode ist der Wirkungsgrad ca. 25 %, beim UP-Schweißen dagegen liegt er zwischen 70 bis 85 %. Der Grund dafür sind zum einen die niedrigen Strahlungsverluste wegen der Schlacke, zum anderen der schnelle Schweißfortschritt, der die Gesamtverluste an die Umgebung mindert. Bild 2.2 vergleicht die Wärmebilanzen beim Schweißen mit umhüllter Stabelektrode und beim UP-Schweißen. 16 <?page no="29"?> 11= 0,68 100% 55% 100/ o E-Schweißen UP-Schweißen Bild 2.2: Wärmebilanzen beim UP-Schweißen Gegenüber der Stabelektrode gibt es nicht nur eine höhere Abschmelzleistung, sondern auch eine größere Aufschmelzleistung des Grundwerkstoffes. Der aufgeschmolzene Grundwerkstoffanteil ist ca. 2 mal größer als beim E-Hand-Schweißen. Er kann 50 bis 70 % betragen. 2.5 Schlackenstrom UP-Schweißpulver sind im festen oder Original-Zustand praktisch Nichtleiter. Im flüssigen Zustand werden sie elektrisch leitend und übertragen Energie. Dadurch ergeben sich die sanften Nahtübergänge von der Schweißnaht zum Grundwerkstoff. Der Schlackenstrom erwärmt die Nahtränder, meist werden sie sogar durch ihn angeschmolzen. Das begünstigt die Ausbildung kerbfreier Nahtübergänge. Zu große Schlackenströme können allerdings auch schädliche Wirkungen haben. Wird der angeschmolzene Bereich neben der Naht zu breit, ergibt sich eine große Nahtbreitung, die das Ergebnis von Biegeproben beeinträchtigen kann. Die Größe des Schlackenstromes hängt wesentlich von der Zusammensetzung des Pulvers ab. Schweißparameter, wie Schweißstrom, Lichtbogenspannung und Schweißgeschwindigkeit haben ebenfalls Einfluß auf den Schlackenstrom. 17 <?page no="30"?> 2.6 Freie Drahtlänge Der Schweißstrom wird durch Düsen oder Kontaktbacken auf die Drahtelektrode übertragen. Toleranzen des Drahtdurchmessers und unterschiedliche lichte Weite der Drahtelektrodenführung in der Stromdüse führen zu Stromübergängen in verschiedenen Abständen zum Lichtbogen. Dadurch ändert sich der Ohmsche Widerstand der Drahtelektrode, die unterschiedlich aufgeheizt wird ( l2R-Gesetz ). Auf einwandfreien, gleichmäßigen Stromübergang an den Kontaktstellen muß daher geachtet werden, um die Stabilität des Lichtbogens zu gewährleisten. Kontaktbacken oder Stromdüsen unterliegen einem Verschleiß, darum müssen sie regelmäßig gegen neue ausgetauscht werden. Außerdem sind die Masseanschlüsse für den Stromübergang mit entscheidend. Dies wird leider zu wenig beachtet! 2.7 Nahtformung und Primärkristallisation Die Einbrandtiefe zusammen mit der Nahtgeometrie, ist beim Lage-Gegenlage-Schweißen entscheidend, um eine einwandfreie Durchschweißung zu erzielen. Die Einbrandtiefe ist nur empirisch über Probeschweißungen, z. B. durch Verfahrensprüfungen, zu ermitteln. Als Erfahrungswert kann ca. 0,8 bis 1,0 mm Einbrandtiefe pro 100 A Schweißstrom bei Stumpfnähten ohne Nahtvorbereitung (1-Naht) angesetzt werden. Der Lichtbogen schmilzt den Grundwerkstoff durch die zugeführte Energie fortlaufend auf. Dem Schmelzbad wird damit genügend Wärme zugeführt, wie zum Schmelzen von Drahtelektrode, Grundwerkstoff und Schweißpulver erforderlich ist. Bei der Abkühlung des Schmelzbades bilden sich Kristallisationskeime für die Erstarrung. Die Rekristallisation erfolgt dabei von der Nahtflanke aus (oder dem Übergang Schweißgut zu Grundwerkstoff). Die Kristallisationsgeschwindigkeit ist an der Schmelzlinie klein, nimmt in Richtung auf die Schweißbadmitte zu und erreicht dort ihr Maximum. Im Schweißbad selbst sind günstige Bedingungen für die heterogene Keimbildung gegeben, weil arteigene und artfremde, wachstumsfähige Keime vorhanden sind. Arteigene Keime sind Kristallite des schon erstarrten Schweißgutes, artfremde Keime sind Verunreinigungen und Einschlüsse im Schmelzbad. Da die heterogene Erstarrung zur Schmelzbadmitte zunimmt, kann sich dort eine zweite Erstarrungsfront bilden. Diese Erstarrungsfront kann bei bestimmten 18 <?page no="31"?> Streckenenergien beobachtet werden. Sie kann auch zu Schweißnahtfehlern führen. 2.8 Wärmeeinflußzone In Bild 2.3 sind schematisch die entstandenen Gefüge bei verschiedenen Temperaturen in Verbindung mit dem Eisenkohlenstoff-Diagramm angeführt. Dicht an der Schmelzlinie beträgt die Schmelztemperatur des Stahles 1530 °C. Die Grobkorn- oder Überhitzungszone reicht bis zu einer Temperatur von ungefähr 1200 °C. Hier wächst das Austenitkorn zu Widmannstätt'schem Gefüge. Die Größe der Körner und die Abmessung der Grobkornzone hängt von der Höhe der Temperatur und der Dauer der Wärmeeinwirkung ab. Eine Feinkornzone bildet sich dort aus, wo der Grundwerkstoff etwas über die Ac3-Temperatur erhitzt wurde. Im anschließendem Gebiet mit Temperaturen zwischen Ac1 und Ac3 erfolgt unvollständige Umkristallisation. Durch die Wahl geeigneter Schweißparameter kann in der Wärmeeinflußzone unzulässige Grobkornbildung und Gefügeausbildung vermieden werden. Hierzu zählt auch die Vorwärmung der Bauteile entsprechend den zu schweißenden Grundwerkstoffen und Wanddicken. Schweißraupe --------------1500 --------t------unvollständige Schmelzung oc Überhitzung 1300 1200 unvoliständf"ge 800 Umkristallisation Rekristallisation 56cJ i ---- ~--- 1 "5> 400 I Cl '.g 300 J -2 g-__ 8: L~..! 4~~1.lil: l~~: : _~__J 2 iiJ 100 c-J"i 723 1 2 3 4 51 6 <ixi 2 3 j • • l Kohlenstoffgehalt% Wärmeeinflußzone (im Makroschliff erkennbar) Bild 2.3: Wärmeeinflußzone 19 <?page no="32"?> 2.9 Metallurgie des UP-Schweißens Beim UP-Schweißen laufen deutliche metallurgische Reaktionen zwischen dem flüssigen Metall des Grundwerkstoffes, den Tropfen der Drahtelektrode und dem zur Schlacke umgeschmolzenen Schweißpulver ab. Diese chemischen Reaktionen, also der Zubzw. Abbrand von Legierungselementen, hängen dabei vom Legierungsbild des Grundwerkstoffes, vom Legierungsgehalt der Elektrode, vom Pulvertyp und von den Schweißparametern ab. Beim Lichtbogenschweißen unter Pulverabdeckung finden die metallurgischen Reaktionen zwischen flüssigem Metall und der Pulverschlacke in drei räumlichen Bereichen statt. Wo die Tropfenreaktion, Aufmischung und Badreaktion stattfindet, ist in Bild 2.4 gezeigt. Die Zusammensetzung des Schweißgutes wird im wesentlichen durch die Tropfenreaktion in der Lichtbogenzone und durch die Aufmischung mit dem geschmolzenen Grundwerkstoff bestimmt. Die Badreaktion mit der Schlacke ist bei den meisten Schweißpulvern vernachlässigbar gering. Nur einige agglomerierte Pulver mit hohem Zusatz an Ferritlegierungen bewirken noch eine gewisse Reaktion. Die beiden Vorgänge, Tropfenreaktion und Aufmischung des Grundwerkstoffes, werden von mehreren Faktoren bestimmt. Die Tropfenreaktion ist die Reaktion zwischen Schweißpulver und Zusatzwerkstoff. Sie wird durch die Schweißparameter stark beeinflußt. Bereich der Badreaktion Drahtelektrode Bereich der Tropfenreaktion Bild 2.4: Metallurgisches Modell beim UP-Schweißen 20 <?page no="33"?> Die Aufmischung mit dem Grundwerkstoff hängt von der Menge des aufgeschmolzenen Grundwerkstoffes und diese wieder sehr von den Schweißparametern ab. Natürlich ist hierbei auch die Zusammensetzung des Grundwerkstoffes von großer Bedeutung. Alle diese Faktoren zusammen ergeben schließlich die Zusammensetzung des Schweißgutes. Das Bild 2.5 faßt die Faktoren und chemischen Reaktionen beim UP-Schweißen nochmals zusammen. Allgemeine Hinweise auf metallurgische Reaktionen Beim UP-Schweißen laufen die Reaktionen bei Verwendung von erschmolzenen Pulvern konstanter und weniger abhängig von den Schweißparametern ab, als bei agglomerierten Pulversorten. Schweißpulver 11 11 1 1 11 11 r 1 Schweißgut Schweißzusatz- Werkstoff J ◄---<( Schweißdaten ) , ___ ....,( Schweißdaten ) 1-•---<( Schweißdaten ) Bild 2.5: Faktoren und chemische Reaktionen beim UP-Schweißen 21 <?page no="34"?> Im wesentlichen haben die einzelnen Parametergrößen folgende Einflüsse: Stromstärke Je mehr Ampere, umso geringer ist der Zu- oder Abbrand an Legierungselementen feststellbar. Spannung Je höher die Lichtbogenspannung, desto größer ist auch der Zu- oder Abbrand der Legierungselemente während der Tropfenreaktion. Schweißgeschwindigkeit Bei Schweißgeschwindigkeiten von 30 cm/ min. bis 80 cm/ min. kann kein Einfluß bei der Tropfenreaktion Metall-Schlacke festgestellt werden. Die Schweißgeschwindigkeit, wie auch die Drahtanstellung zum Schweißbad, hat entscheidenden Einfluß auf die Aufmischung mit dem Grundwerkstoff. Art der Stromquelle Es kann kein Einfluß der Stromquellencharakteristik bei Gleichrichtern festgestellt werden. Sowohl bei fallender wie auch bei flacher Lichtbogenkennlinie bleiben die Zu- und Abbrände über das Pulver innerhalb der Analysentoleranzen. Drahtdurchmesser Bei gleicher spezifischer Stromdichte (A/ mm2) sind die Legierungsvektoren der Pulver nahezu identisch. Körnung Bei Schmelzpulvern und bei homogen aufgebauten Agglo-Pulvern ist ein Einfluß der Korngröße des Pulvers kaum festzustellen. Bei diesen Sorten sind die Ferrolegierungen gleichmäßig über das ganze Korn verteilt. Bei agglomerierten Pulvern mit hohen Ferrolegierungsanteilen (über 3,5 %) ist das Kornspektrum zu beachten. Pulvertrocknung Es ist keine Veränderung der Legierungsvektoren bei Trocknung bis maximal 450 °C feststellbar. Schweißprozeß Bei Tandem- oder Mehrdrahtschweißungen, wenn der Lichtbogen in einer Kaverne konzentriert ist, sind keine Unterschiede der Legierungsvektoren gegenüber Eindrahtwerten festzustellen. 22 <?page no="35"?> 2.1 O Vorteile des Mehrlagenschweißens Beim UP-Schweißen in einer Lage und mit einer Drahtelektrode ist im Schmelzbad ein Grundwerkstoffanteil von 60 bis 80 % enthalten. Dies kann zu einer Verschlechterung des Schweißgutes führen. Verunreinigungen aus dem Grundwerkstoff, wie Phosphor, Schwefel und Oxide setzen die Gütewerte der Schweißverbindung herab. Eine großvolumige Naht kristallisiert langsam und bildet Widmannstätt'sches Gefüge, das die Nahtgüte mindert. Diese Nachteile können durch Mehrlagenschweißung bei kleinerem Nahtvolumen vermieden werden. Dabei wird jede Lage mit geringeren Stromstärken bzw. Streckenenergien geschweißt. Das Volumen der einzelnen Lagen ist kleiner und dadurch kann die vorher gelegte Raupe bei richtigem Nahtaufbau durch die Folgelagen verfeinert und ganz oder teilweise vergütet werden. Bei Feinkornbaustählen oder rißempfindlichen Werkstoffen wird diese „Vergütungstechnik'' bewußt zur Verminderung des Wasserstoffanteiles im Decklagenbereich eingesetzt. Dadurch werden Gefahren wie Kaltrisse aufgrund von Wasserstoff, in der Schweißnaht oder in derWärmeeinflußzone, eingeschränkt. 23 <?page no="36"?> 3. Schweißzusatzwerkstoffe 3.1 Allgemeines Schweißzusätze sollen in Kombination mit dem Schweißpulver Schweißverbindungen ergeben, welche möglichst die gleichen Eigenschaften der Stähle, z. B. mechanisch-technologische Gütewerte, Kaltzähigkeit, Warmfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit usw. besitzen. 3.2 Technische Lieferbedingungen Drahtelektroden für unlegierte und niedriglegierte Stähle sind in DIN 8557 Teil 1 (EN 756) und solche für nichtrostende und hitzebeständige Stähle in DIN 8556 Teil 1 genormt. 3.2.1 Beschaffenheit der Drahtelektrode Die Oberfläche der UP-Drahtelektroden soll glatt und frei von Verunreinigungen wie Rost, Fett, Öl, Farbe und Oberflächenfehlern sein. Drahtelektroden werden durch Kaltziehen hergestellt. Sie besitzen als unlegierte und niedriglegierte Qualitäten fast immer eine verkupferte Oberfläche. Diese verbessert den Stromübergang in der Stromdüse bzw. im Kontaktbacken und vermindert die Reibung in den Zuführungselementen. Ein Korrosionsschutz geht von der Kupferschicht nicht aus, weil die Schicht porös ist. Neben diesen Elektroden gibt es auch verbronzte, vernickelte sowie auch blanke Drahtelektroden. Gerade für Schweißnähte, bei denen kein Kupfer ins Schweißgut gelangen darf, wie z. B. bei der Kerntechnik, finden diese Elektroden Anwendung. Damit bei blanken Drahtelektroden kein Rost ansetzt, sollten sie nicht zu lange gelagert werden. Ein Verschweißen sollte möglichst schnell erfolgen. Für Sonderfälle werden auch Bandelektroden bzw. Fülldrahtelektroden eingesetzt. 24 <?page no="37"?> 3.2.2 Drahtdurchmesser Die Durchmesser für Drahtelektroden nach DIN 8557 (EN 760) sind von 1,2 bis 8,0 mm genormt. Gebräuchliche Abmessungen sind 2,0 bis 5,0 mm, wobei der am meisten eingesetzte Durchmesser 3,0 mm beträgt. Der Durchmesser sollte an die Schweißaufgabe angepaßt werden. Einige genormte Durchmesser zeigt Tabelle 3.1 auf. Tabelle 3.1: Genormte Drahtdurchmesser Auszug nach DIN 8557 (EN 756) Nennmaß zul. Abweichung 1,6 ± 0,04 2,0 2,5 3,0 3,2 ± 0,06 4,0 5,0 6,0 nach DIN 8556 Nennmaß zul. Abweichung 1,6 +0,01 -0,04 2,0 +0,01 -0,05 2,4 2,5 3,0 +0,01 -0,05 3,2 4,0 +0,01 -0,08 5,0 Die Durchmesser für Drahtelektroden nach DIN 8556 sind von 1,2 bis 5,0 mm genormt. Bei austenitischen Chrom-Nickel-Stählen sollte der max. eingesetzte Drahtdurchmesser 4 mm, bei Schwarz-Weiß-Verbindungen 3,2 mm nicht überschreiten. Durch Einhaltung dieser Randbedingung werden qualitativ hochwertige Nähte erzeugt. Genormte Drahtdurchmesser zeigt Tabelle 3.1 auf. 3.2.3 Spulung, Kennzeichnung, Verpackung Die Spulung der Drahtelektroden ist für einen störungsfreien Schweißablauf sehr wichtig. Beim schlecht gespulten Ring kann es beim Abspulen leicht zu Stockungen und damit zu Schweißfehlern kommen. Jeder Ring soll einen durchgehenden Draht aus einer Schmelze enthalten. Durch eine zweckmäßige Verpackung sind die Ringe gegen Witterungseinflüße und Verunreinigung zu schützen. 25 <?page no="38"?> Die Ringe sind deutlich zu kennzeichnen und mit rißfesten Schildern zu versehen. Dies gilt grundsätzlich für alle Drahttypen. Die Drahtfestigkeit ist auch von Bedeutung. Zu harte Drähte sind beim Einführen in den Schweißkopf schwierig zu handhaben. Es ist auch schwierig, den Draht zu richten. Ein zu weicher Draht wird dagegen beim Durchgang durch Vorschub- und Richtrollen leicht geknickt. Der Drahtaustritt aus der Stromdüse ist dann nicht mehr geradlinig, sondern pendelnd. Eine außermittige Stellung des Drahtes verursacht unsymmetrischen Einbrand, der zu Nahtfehlern führen kann. Die Etiketten oder Schilder der Schweißdrähte / Schweißbänder müssen immer am Drahtring verbleiben, um deren Identität ständig nachweisen zu können und Verwechslung zu unterbinden. 3.2.4 Ringgrößen und Ringgewichte Die Drahtelektroden werden in Ringen mit rechteckiger Spulung und runder Spulung geliefert. Die verschiedenen Ringgrößen und Ringgewichte sind Tabelle 3.2 zu entnehmen. Tabelle 3.2: Ringgrößen und Ringgewichte Ring-Typ Draht-0 Ringgewicht Ringbreite lnnen-0 Außen-0 10 : 2: 2,0 10 50 220 350 20 2,0 20 70 280 420 25 2,0 25 100 300 450 50 2,0 50 100 300 600 100 3,0 100 100 600 800 In der Praxis sind vor allem Ringgewichte von 10, 20 und 25 kg üblich. 3.2.5 Abnahmeprüfungen Für Schweißzusätze und Schweißpulver für das UP-Schweißen sind Abnahmeprüfungen und Zulassungen erforderlich. In der Regel sollten im Behälter-, Apparate-, Rohrleitungs- und Stahlbau nur Draht-Pulver-Kombinationen eingesetzt werden, die eine VdTÜV-Zulassung haben. Die Hersteller stellen diese VdTÜV-Kennblätter auf Wunsch gerne zur Verfügung. Beim Schweißen im bauaufsichtlichen Bereich im Rahmen des Eignungsnachweises nach DIN 18800 Teil 7 bedarf es für die Draht-Pulver-Kombination einer Zulassung durch die Deutsche Bundesbahn. Die geforderte DB- Zulassung kann nicht durch eine VdTÜV-Zulassung ersetzt werden. Hierauf sollte bei der Beschaffung schon geachtet werden. 26 <?page no="39"?> 3.3 Drahtelektroden nach DIN 8557(EN 756) Die DIN 8557 - Schweißzusätze für das Unterpulverschweißen - (EN 756) gilt für Drahtelektroden von unlegierten und legierten Stählen, z. B. nach - DIN 17100 (alt) bzw. DIN EN 10025 - DIN 17155 - DIN 17172 - DIN 17175 - Feinkornbaustählen bis 500 N/ mm2 Mindeststreckgrenze für das Schweißgut von Draht-Pulver-Kombinationen. 3.3.1 Einteilung Die Drahtelektroden werden nach der chemischen Zusammensetzung eingeteilt, siehe hierzu Tabelle 3.3. Der Gehalt von Phospor und Schwefel ist jeweils ~ 0,025 % bzw. bei nickellegierten Typen ~ 0,015 %. Die zulässigen Verunreinigungen von Nickel, Chrom, Kupfer und Aluminium sind der DIN 8557 (EN 756) zu entnehmen. 3.3.2 Bezeichnung der Drahtelektroden Eine UP-Drahtelektrode wird demnach durch die Legierungsbestandteile definiert, z. B. S2Si oder S3Mo oder S2Ni2. - Der Buchstabe S bedeutet Schweißzusatz für UP-Schweißen. - Die folgende Zahl dividiert durch 2 ergibt den Mn-Gehalt. Tabelle 3.3: Chem. Zusammensetzung der Schweißzusätze nach DIN 8557 Name C S1 0,06/ 0,12 S2 0,07/ 0,15 S3 0,07/ 0,15 S4 0,08/ 0,16 S2Si 0,07/ 0,15 S2Mo 0,08/ 0,15 S3Mo 0,08/ 0,15 S4Mo 0,08/ 0,15 Name C S2Ni 0,07/ 0,15 S2Ni2 0,07/ 0,15 Si Mn ~0,15 0,35/ 0,60 ~0,15 0,80/ 1,20 0,05/ 0,25 1,30/ 1,70 0,05/ 0,25 1,75/ 2,25 0,80/ 1,20 0,80/ 1,20 0,05/ 0,25 0,80/ 1,20 0,05/ 0,25 1,30/ 1,70 0,05/ 0,25 1,75/ 2,25 Si Mn ~0,15 0,80/ 1,20 ~0,15 0,80/ 1,20 Mo 0,45/ 0,65 0,45/ 0,65 0,45/ 0,65 Ni 1,10/ 1,60 2,00/ 2,50 27 <?page no="40"?> - Der Zusatz Si gekennzeichnetet einen erhöhten Si-Gehalt. - Der Zusatz Mo bedeutet etwa 0,5 % Mo-Gehalt. - Der Zusatz Ni gibt den Nickelgehalt in Prozenten an. Beispiel: Drahtelektrode DIN 8557 (EN 756) - S2Si Drahtelektrode zum UP-Schweißen (S), mit 1 % Mn (2) und erhöhten Si- Gehalt (Si). 3.3.3 Bezeichnung des Schweißgutes Die Bezeichnung des Schweißgutes einer Draht-Pulver-Kombination setzt sich aus folgenden Teilen zusammen: der Benennung: Schweißgut der DIN-Hauptnummer bzw. EN-Nummer dem Kurzzeichen für das UP-Schweißen (UP) dem Kennzeichen für die Streckgrenze des Schweißgutes den Kennziffern für die Kerbschlagarbeit des Schweißgutes dem Kurzzeichen des Schweißzusatzes dem Kennbuchstaben für die Herstellung nach DIN 32 522 dem Kennzeichen für die chemische Zusammensetzung der Kennziffer für die Klasse des Pulvers den Kennziffern für Zuund/ oder Abbrand von Si und Mn Beispiel: Schweißgut DIN 8557 - UP Y46 54 S2 BAB 1 67 EN 756 - S 46 3 AB S2 Schweißgut für UP-Schweißen (UP), Mindeststreckgrenze 460 N/ mm2 (Y46), das eine Mindest-Kerbschlagarbeit von 28 J bei -40 °C und von 47 J bei -30 °C (54) erbringt, hergestellt mit Schweißzusatz S2 und dem Pulver der Sorte BAB, Klasse 1, das einen Zubrand an Silizium von 0,2 (6) und einen Zubrand an Mangan von 0,2 (7) ergibt. Genauere Informationen über Kurzzeichen und Kennziffern sind der DIN 8557 oder EN 756 zu entnehmen. 3.4 Dratitelektroden nach DIN 8556 Die DIN 8556 - Schweißzusätze für das Schweißen nichtrostender und hitzebeständiger Stähle gilt unter anderem für Schweißzusätze zum UP- Schweißen von nichtrostenden und hitzebeständigen Stählen. Diese Stähle sind erfaßt in: 28 <?page no="41"?> - DIN 17440 - DIN 17445 - SEW 400-73 - SEW 410-70 - SEW 470-73 - SEW 471-60 Nichtrostende Stähle Nichtrostender Stahlguß Nichtrostenden Walz- und Schmiedestähle Nichtrostender Stahlguß Hitzebeständige Walz- und Schmiedestähle Hitzebeständiger Stahlguß Alle Schweißzusätze nach DIN 8556 sind gegenüber dem zu verschweißenden, artgleichem Grundwerkstoff leicht überlegiert. 3.4.1 Einteilung Die Drahtelektroden für das UP-Schweißen werden nach der chemischen Zusammensetzung eingeteilt. Die chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 3.4 dargestellt. In der DIN 8556 sind noch weitere Schweißzusatzwerkstoffe aufgeführt, die entsprechend den Grundwerkstoffen legiert sind. Tabelle 3.4: Chem. Zusammensetzung der Schweißzusätze nach DIN 8556 Werkstoff-Nr. C ! , Cr 1.4316 0,025 18,0/ 21,0 1.4551 0,070 18,0/ 20,0 1.4430 0,025 17,0/ 19,0 1.4576 0,070 18,0/ 20,0 1.4332 0,025 23,0/ 25,0 1.4370 0,200 17,0/ 20,0 Mo 2,5/ 3,0 2,5/ 3,0 Ni 9,0/ 11,0 8,0/ 10,0 10,0/ 13,0 10,0/ 13,0 11,0/ 13,0 7,5/ 9,5 Bei den in der Tabelle 3.4 aufgeführten Schweißzusatzwerkstoffen kommen hauptsächlich zum Einsatz: - 1.4316 - 1.4430 - 1.4332 X 2 CrNi 19 9 X 2 CrNiMo 19 12 X 2 CrNi 2412 für 1.4301, 1.4541 für 1.4571, 1.4435 für Schwarz-Weiß-Verbindung Diesen unstabilisierten Schweißzusatzwerkstoffen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sollte grundsätzlich der Vorzug gegeben werden. Aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehaltes (nC) ist lnterkristalline Korrosion (IK) während des Schweißvorganges nicht zu erwarten. 29 <?page no="42"?> 3.4.2 Bezeichnung der Drahtelektroden Die Bezeichnung der Schweißzusätze setzt sich aus folgenden Teilen zusammen: der Benennung: Drahtelektrode dem Kennbuchstaben für das Schweißverfahren: UP dem Kurznamen für die chemische Zusammensetzung der DIN-Nummer Beispiel: Drahtelektrode UP X 5 CrNi 19 9 DIN 8556 Drahtelektrode zum UP-Schweißen, mit max. 0,06 % Kohlenstoff, 18 bis 20 % Chrom und 8,5 bis 10,5 % Nickel. Weitere Einzelheiten sind bei Bedarf der DIN 8556 zu entnehmen. 30 <?page no="43"?> 4. Schweißpulver 4.1 Aufgaben des Schweißpulvers UP-Schweißpulver haben für den Schweißprozeß eine wichtige Bedeutung. Es ist nicht richtig, daß das Pulver nur ein Schweißhilfsstoff ist, nein, das Pulver ist viel mehr. Die Hauptaufgabe der Schweißpulver ist es, den Lichtbogen, der beim Schweißen zwischen der Drahtelektrode und dem Grundwerkstoff entsteht, abzudecken und so das Schweißbad vor dem Einfluß der Atmosphäre, also der Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Feuchtigkeit, zu schützen. Das Schweißpulver hat ähnliche Aufgaben zu erfüllen wie die Umhüllungen der Stabelektroden. Das Pulver verbessert die Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke, dadurch ergibt sich ein besseres Zünden sowie ein stabilerer Lichtbogen. Das Pulver bildet eine Schlacke. Diese läßt sich zu einer haltbaren Kaverne aufblähen, die mit Schlacke, Gasen und Metalldämpfen gefüllt ist. In diesem Schutzgebilde erfolgt der Tropfenübergang der Drahtelektrode. Die Schlakke beeinflußt das Schweißgut metallurgisch. Sie formt die Raupe und sie verhindert eine schnelle Abkühlung der Naht. Von entscheidender Bedeutung ist der Einfluß des Pulvers auf die mechanischen Gütewerte und die Schweißeigenschaften, die durch die Zusammensetzung des Pulvers beeinflußt werden. Die Pulver erfüllen metallurgische Belange. 4.2 Anforderungen an das Schweißpulver 4.2.1 Pulver und Nahtoberfläche Der Einfluß auf die äußere Nahtform kann ein wichtiger Bewertungsfaktor für ein Schweißpulver sein. Er ist in hohem Maße von der Flußmittelwirkung und den Nahtformungseigenschaften abhängig. Das Pulver soll eine formgerechte Schweißraupe bilden. Entsprechend den nahtgeometrischen Erkenntnissen soll es eine gleichmäßige und glatte Oberfläche ohne Randkerben bilden. 31 <?page no="44"?> Saure Schweißpulver der Gruppe Calzium-Silikat (CS) bilden beim Schweißen eine hochviskose Schlacke und sind besonders geeignet für Schweißungen mit sehr hohen Stromstärken. Schweißpulver der Gruppe Mangan-Silikat (MS) bilden beim Schweißen mittelviskose Schlacken. Diese Schweißpulver sind universell einsetzbar, besonders bei Einlagennähten, an Behältern mit kleinem Durchmesser und bei der Teilefertigung. Basische Schweißpulver mit hohem Gehalt an Calzium-Oxid und Magnesium-Oxid bilden beim Schweißen eine niedrigviskose Schlacke. Diese Pulver sind meist nicht sehr hoch strombelastbar. Sie werden verwendet für Schweißungen mit hohen Anforderungen an die Kerbschlagarbeit, auch bei tiefen Temperaturen. Schweißpulver der aluminat-basischen Gruppe (AB) können wegen ihrer hervorragenden Schweißeigenschaften universell verwendet werden. Sie besitzen gute Schnellschweißeigenschaften und können wegen ihres basischen Charakters auch für Schweißungen mit hohen mechanischen Gütewertanforderungen eingesetzt werden. 4.2.2 Schlackenlöslichkeit Das Schweißpulver soll eine Schlacke bilden, die sich leicht löst. Dies ist ein nicht unbedeutender wirtschaftlicher Faktor. Die einzelnen Pulverarten zeigen hierin jedoch deutliche Unterschiede. Besonders gute Ablösungseigenschaften zeigen die Schlacken agglomerierter Pulver mit höheren Al 2 0 3- und MgO-Gehalten. Die gute Schlackenablösungseigenschaft rührt her von der raschen Verfestigung der Schlacke bei relativ hohen Temperaturen, wodurch die kohäsive Bindung zwischen Schlacke und Metall frühzeitig gesprengt wird. Die folgende Schrumpfung hebt die Schlacke von der Naht ab. Normalerweise ist es erwünscht, daß sich die Schlacke von selbst abhebt. Manchmal ist es aber auch von Nachteil, weil die Luft an die noch sehr heiße Nahtoberfläche herankommt und sie oxidiert. Demgegenüber erreichen die meisten Schlacken von Schmelzpulvern erst bei relativ tiefen Temperaturen eine für die Auflösung der Kohäsionsbindung ausreichende Festigkeit. Die Ablösung der Schlackendecke erfordert eine angemessene Abkühlung und meist einen äußeren Anstoß, eine Erschütterung des Werkstücks (Hammerschlag) oder einen leichten Stoß auf die Stirnfläche des Schlackenquerschnitts. 32 <?page no="45"?> 4.2.3 Materialeigenschaften - Das Pulver soll in Verbindung mit einer geeigneten Drahtelektrode ein Schweißbad mit den vorgeschriebenen mechanischen Eigenschaften bilden, wobei ein Abbrand möglichst vermieden werden soll und Legierungsvorgänge sich steuern lassen. - Die Bildung von Rissen und Poren im Schweißgut soll das Pulver verhindern, auch bei einer nur ungenügend vom Rost gereinigten Oberfläche des Werkstückes und beim Vorhandensein gewisser Verunreinigungen im Grundwerkstoff. - Der Lichtbogen soll ruhig brennen ohne erhebliche Schwankungen des Schweißstromes und der Schweißspannung. - Das Pulver soll beim Schweißen keine schädlichen Verbindungen und Gase in solchen Mengen freilassen, daß die Gesundheit des Schweißers gefährdet werden könnte. - Das Pulver darf nicht hygroskopisch sein, d. h. es darf keine Feuchtigkeit aufnehmen. - Das Pulver muß eine genügende Festigkeit der Körner aufweisen, so daß eine Zerkleinerung weitgehend unterbunden wird, und eine Wiederverwendung möglich ist. - Die Strombelastbarkeit des Pulvers sollte möglichst hoch, und der Verbrauch möglichst gering sein. 4.3 Arten von Schweißpulvern Es werden 3 verschiedene Schweißpulverarten für die UP-Schweißung eingesetzt: neutrale, aktive und legierte Pulver. Bei allen Schweißpulvern verändert sich der Pulververbrauch mit der Lichtbogenspannung. Höhere Lichtbogenspannung und die daraus resultierende Lichtbogenlänge beeinflussen den Verbrauch des Schweißpulvers. Wird also ein legiertes Pulver verwendet, so vergrößert sich der Zubrand von legierten Bestandteilen proportional zur Lichtbogenspannung. 4.3.1 Neutrale Schweißpulver Ein neutrales Pulver verhält sich bei Spannungsänderungen bzw. bei Änderung der Lichtbogenlänge chemisch neutral. Es zeigt sich kein nennenswerter Zu- oder Abbrand von Legierungsbestandteilen. Neutrale Pulver werden 33 <?page no="46"?> bevorzugt in der Mehrlagentechnik bzw. bei der Dickblechschweißung verwendet. Neutrale Pulver enthalten w~nige oder gar keine Legierungsbestandteile, die das Schmelzbad beruhigen und sie erhöhen somit die Rißanfälligkeit sowie die Porenbildung durch Verunreinigung z. B. bei Lage/ Gegenlage-Schweißungen. Neutrale Pulver gewährleisten nicht automatisch gute Kerbschlagzähigkeitswerte. Diese hängen von der Zusammensetzung des Schweißpulvers und der Drahtelektrode ab. Die chemische Analyse des reinen Schweißgutes ändert sich nicht durch Spannungsschwankungen. Dagegen verhält sich die Analyse des reinen Schweißgutes nicht gleich wie die verwendete Drahtelektrode. Verschiedene neutrale Pulver reagieren in der Lichtbogenwärme und setzen Sauerstoff frei. Dies bewirkt einen niedrigeren Kohlenstoffgehalt im Schweißgut als im Draht. Verschiedene neutrale Pulver beinhalten Mangan und Silizium. In der Wärme des Lichtbogens bewirken sie einen Zubrand von Mangan und Silizium, obwohl kein metallisches Mangan bzw. Silizium dem Pulver beigemischt wurde. Diese Vorgänge sind normal und unabhängig von der angewendeten Schweißspannung. Neben der chemischen Zusammensetzung des reinen Schweißgutes können sich bei Verwendung von neutralen Schweißpulvern die mechanischen Gütewerte durch unterschiedliche Einbrandtiefe, Wärmeeinbringung und Lagenzahl verändern. 4.3.2 Aktive Schweißpulver Aktive Schweißpulver enthalten Mangan und Silizium. Die Legierungsbestandteile werden bei der Herstellung zugegeben, um Riß- und Porenbildung zu verhindern, die durch Verunreinigungen oder die chemische Zusammensetzung der Bleche entstehen. Der Hauptanwendungsbereich der legierten Pulver ist die fehlerfreie Einlagenschweißung. Aktive Pulver beinhalten Legierungsbestandteile, die je nach Schweißspannung eine Aufmischung des Schweißgutes verursachen. Eine Erhöhung dieser Legierungsbestandteile bei der Mehrlagenschweißung ergibt eine höhere Festigkeit des Schweißgutes. Dies geschieht aber unter anderem auf Kosten der Kerbschlagzähigkeit. Darum muß die Lichtbogenspannung in der Mehrlagentechnik bei der Verwendung von aktiven Schweißpulvern enger überwacht werden, als bei den 34 <?page no="47"?> neutralen Pulvern. Aktive Pulver sollten in der Mehrlagentechnik bei Dicken über 25 mm nicht verwendet werden. 4.3.3 Legierte Schweißpulver Bei legierten Schweißpulvern werden dem reinen Schweißgut Legierungsbestandteile zulegiert. Es wird dabei mit niedriglegierter Drahtelektrode geschweißt. Hauptanwendungsbereich ist die Verbindungsschweißung von mittellegierten Stählen und die Hartauftragsschweißung. Da der Zubrand der Legierungsbestandteile von der Höhe der Lichtbogenspannung abhängt, ist es wichtig, die Empfehlungen des Herstellers zu beachten, damit die Legierungsbestandteile des Schweißgutes die beabsichtigten Werte erreichen. Legierte Pulver senken grundsätzlich die Kosten des Schweißgutes, weil mit einer billigen niedriglegierten Drahtelektrode und nicht mit einer teueren hochlegierten Drahtelektrode gearbeitet wird. Der Grad der Zulegierung kann durch Änderung der Lichtbogenspannung in beide Richtungen beeinflußt werden. 4.3.4 Basizitätsgrad UP-Schweißpulver werden nach ihrer Herstellungsart, ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrem metallurgischen Verhalten, und nach definierten Basizitätsgraden eingeteilt. Nach ihrem Basizitätsgrad werden die Schweißpulver in hochbasische, mittelbasische, neutrale und saure Pulver eingeteilt. Eine Zusammenstellung zeigt Tabelle 4.1. Tabelle 4.1 : Basizitätsgrad von Schweißpulvern Schweißpulver sauer neutral mittelbasich hochbasich Basizitätsgrad B ~ 0,9 > 0,9-1,3 > 1,3 - 2,0 > 2,0 Der Basizitätsgrad B wird üblicherweise nach Bonischewski angegeben. Je höher der Basizitätsgrad, umso basischer ist das Schweißpulver. Durch basische Pulver werden die Forderungen nach hohen, mechanischen Gütewerten einer Schweißverbindung erfüllt. 35 <?page no="48"?> 4.4 Herstellung der Schweißpulver Die verschiedenen Komponenten eines Pulvers müssen bei der Herstellung fest und dauerhaft miteinander verbunden werden. Man unterscheidet nach der Herstellart geschmolzene, gesinterte und agglomerierte Pulver. Gesinterte Pulver sind in Mitteleuropa nicht üblich. Sie werden hauptsächlich in Osteuropa eingesetzt. 4.4.1 Geschmolzene Schweißpulver Geschmolzene Pulver werden durch Aufschmelzen der Mineralien einer Schlacke im Elektroofen oder Kupolofen hergestellt. Die flüssige Schlacke wird in Wannen gegossen oder in Wasser granuliert, dann gemahlen und auf die gewünschte Korngröße gesiebt. Geschäumte Pulver, mit sehr niedrigem Schüttgewicht, entstehen, wenn während der Erstarrung Luft durch die flüssige Schlacke geblasen wird. Je nach Zusammensetzung und Erstarrungsgeschwindigkeit können geschmolzene Pulver glasig oder kristallin erstarren. Glasig erstarrte Pulver sind nicht feuchtigkeitsempfindlich. Geschmolzene Pulver sind schwerer als agglomerierte Pulver und haben darum einen höheren Verbrauch. Geschmolzene Pulver oder Schmelzpulver sind vollkommen homogen, hauptsächlich glasig und ausreagiert, d. h. die Reaktionen zwischen den einzelnen Rohstoffkomponenten haben während des Schmelzens stattgefunden, sind abgeschlossen und bilden Mehrstoffsysteme. Das Einbringen metallischer Bestandteile zur Desoxidation oder zum Auflegieren ist nicht möglich. Geschmolzene Pulver sind am wenigsten feuchtigkeitempfindlich, und ihr Feuchtigkeitsgehalt ist im Auslieferungszustand am geringsten. An der glasigen Oberfläche kann sich nur Kondensfeuchtigkeit ansetzen, die durch Trocknung bei 200 °C ± 50 °C leicht entfernt werden kann. Von Vorteil und für die Pulverförderung wichtig ist die hohe Abriebfestigkeit der Körner. Die Absaugleistung der Pulverförderanlage soll mindestens 2,5 1/ min. betragen. 4.4.2 Agglomerierte Schweißpulver Bei der Herstellung agglomerierter Pulver werden die feinvermahlenen Mineralien und pulverisierten Metalle mit Wasserglas als Bindemittel zusam- 36 <?page no="49"?> mengebracht und gebunden, daher auch die Bezeichnung BONDED FLUX. Unter Einfluß der Oberflächenspannung bilden sich feine Kügelchen, die beim Rollen auf dem Agglomerierteller ihre endgültige kugelige Form erhalten. Anschließend wird das Pulver getrocknet und erhält durch Glühen bei Temperaturen von 600 bis 900 °C seine Kornfestigkeit. Nach dem Aussieben auf die gewünschte Korngröße ist das Pulver fertig zum Gebrauch. Agglomerierte Pulver oder Agglopulver sind gewöhnlich feuchtigkeitsempfindlicher als geschmolzene Pulver. Ihre Herstellung ist teurer, jedoch ist der Verbrauch infolge des niedrigeren Schüttgewichtes geringer. Agglomerierte Schweißpulver haben ein heterogenes Korn und den Vorteil, daß die einzelnen Rohstoffe erst während des Schweißens reagieren. Durch Beigabe von metallischen Desoxidationsstoffen und Legierungselementen werden die chemischen Reaktionen und metallurgischen Veränderungen im Schweißbad verbessert. Das führt zu einer erhöhten und intensiveren Wärmeaktivität, die vorteilhaft zur Reinigung der flüssigen Schmelze sowie zur Schweißgeschwindigkeitserhöhung beiträgt. Durch Anhebung der Lichtbogenspannung um ca. 2 Volt gegenüber Schmelzpulver wird die günstige Wirkung auf Nahtformung und Schlackenlöslichkeit bei höherer Abschmelzleistung noch verstärkt. Agglomerierte Pulver sind in der Regel leichter als geschmolzene Pulver. Der spezifische Verbrauch ist kleiner als bei Schmelzpulver, die Feuchtigkeitsempfindlichkeit dafür aber größer, da sich das Wasser nicht nur in den porösen Körnern, sondern auch in den Hohlräumen festsetzen kann. In Atmosphären mit einer Luftfeuchtigkeit von über 60 % sollen solche Pulver nicht länger aufbewahrt werden. Pulver, bei denen das Wasser gebunden ist, sollen vor Benutzung bei 300 bis 400 °C nachgetrocknet werden. Von Nachteil ist auch die niedrige Abriebfestigkeit im Vergleich zu Schmelzpulvern. Bei der Auswahl von Absaugvorrichtungen bzw. deren Absaugkraft ist dies zu berücksichtigen, da sonst mehr Staub anfällt. 4.5 Schweißeigenschaften Der Verfahrensablauf beim UP-Schweißen wird in starken Maß von den physikalischen Eigenschaften der flüssigen Schlacke bestimmt. Analog dem E- Hand-Schweißen bestimmt deshalb der Typ des Pulvers seine schweißtechnischen Eigenschaften, entsprechend der Herstellungsart des Schweißpulvers (Agglo- oder Schmelzpulver). 37 <?page no="50"?> Tabelle 4.2: Kennzeichen für die ehern. Zusammensetzung von Pulvern Kennz. Hauptbestandteile Grenzen Pulvertyp MS MnO+SiO2 min. 50% Mangan-Silikat CaO min. 15 % CS CaO + MgO + SiO2 min. 15 % Kalzium-Silikat CaO min.15% AR Al2Oa+ TiO2 min. 40 % Aluminat-Rutil AB Al2 Oa + CaO + MgO min.40% Aluminatbasisch Al2Oa min.20% CaF2 max. 22 % FB CaO + MgO + MnO + CaF2 min. 50% Fluoridbasisch SiO2 max. 20% CaF2 min. 20 % z Andere Zusammensetzungen Tabelle 4.3: Eigenschaften von Schweißpulvern Eigenschaften MS es AR AB FB Strombelastbarkeit +++ +++ ++ ++ + Wechselstromschweißbarkeit +(+) ++ +++ ++ (+) Porensicherheit +++ ++ ++ ++ ++ Kehlnahtschweißbarkeit + ++ +++ ++ + Spaltüberbrückbarkeit + ++ +++ ++ ++ Schweißgeschwindigkeit ++ ++ +++ ++ + Schlackenentfernbarkeit + +++ +++ ++ ++ Nahtaussehen +++ +++ +++ ++ + Rißsicherheit + + + ++ +++ Mechan. Gütewerte + + + ++ +++ Legende: + = normal ++=gut +++ = sehr gut Tabelle 4.2 gibt eine Übersicht (Auszug) über die Kennzeichen für die chemische Zusammensetzung der Pulvertypen. Tabelle 4.3 zeigt die Eigenschaften der Pulver auf. 38 <?page no="51"?> Beim MS-Pulver sticht besonders die Strombelastbarkeit, die Porensicherheit und das gute Nahtaussehen hervor. Die Stärken des CS-Pulver liegen in der hohen Strombelastbarkeit, der guten Schlackenentfernbarkeit und dem feinschuppigen Nahtaussehen. Das AR-Pulver eignet sich besonders gut zum Kehlnahtschweißen. Es erlaubt hohe Schweißgeschwindigkeiten und es ergeben sich glatte Nähte. Die Spaltüberbrückbarkeit und die Schweißbarkeit mit Wechselstrom sind gut. Das AB-Pulver hat gute Allround-Eigenschaften. Die Vorteile des fluoridbasischen Pulvers liegen vor allem bei der hohen Rißsicherheit und den ausgezeichneten mechanisc.hen Gütewerten des Schweißgutes. 4.6 Körnung Die Körnung hat auf die chemisch-physikalischen Schweißeigenschaften und auf die mechanisch-technologischen Gütewerte des Schweißgutes einen deutlichen Einfluß. Darum werden bei den Schmelzpulvern mehrere Körnungen angeboten, um optimale Ergebnisse zu erhalten. Bei den agglomerierten Pulvern dagegen gibt es nur eine Körnung. Das Schweißgebiet ist dadurch eingeschränkt. Eine Hauptaufgabe des Pulvers ist die Abschirmung der Luft, also des Sauerstoffs, des Stickstoffs und der Luftfeuchtigkeit vom Schweißbad. Nur bei einer sehr dichten Packung der Körner ist eine fast vollständige Abschirmung möglich. Darum müssen neben den großen Körner auch feine und feinste Partikel, also Staub, vorhanden sein. Der Staub hat jedoch auch negative Einflüsse. Er bewirkt eine erhöhte Feuchtigkeitsaufnahme des Pulvers und damit erhöhten Wasserstoffgehalt im Schweißgut. Ein erhöhter Staubanteil führt auch zu einem höheren Pulververbrauch. Feine Körnungen ergeben ein höheres Schüttgewicht der Pulverabdeckung und eine glatte, kerbfreie Oberfläche der Schweißnaht. Die Schlacke wird dünnflüssiger, die Strombelastbarkeit höher, die Porenanfälligkeit ist bei hohen Stromstärken kleiner. Feine Körnungen werden beim Schweißen größerer Blechdicken und Platten, bei allen offenen Nahtformen, bei geringer Schweißgeschwindigkeit und bei Auftragsschweißungen mit Draht verwendet. 39 <?page no="52"?> Gröbere Schweißpulver lassen wegen des geringeren Strömungswiderstandes der Schüttung eine bessere und schnellere Ausgasung des Bades zu. Das ist vorteilhaft beim Schweißen auf rostigen Blechen oder verschmutzten Grundwerkstoffen. Es sind größere Schweißgeschwindigkeiten möglich, die Porensicherheit ist größer, die Strombelastbarkeit und damit der Verbrauch ist kleiner. Die Korngrößen werden nach DIN (EN) oder früher nach Tyler angegeben. Bei den Schweißpulvern hat sich die Bezeichnung nach DIN durchgesetzt. 4.7 Pulververbrauch Der Pulververbrauch ist ein wesentlicher Wirtschaftlichkeitsfaktor. Der Anteil der Pulverkosten kann genau so hoch werden, wie die Kosten für die Drahtelektrode. Der spezifische Verbrauch, das Verhältnis von Pulverzu Drahtelektrodenverbrauch (P/ D) beträgt üblicherweise 0,7 bis 1,3. Er kann aber auch noch höher steigen, wenn mit sehr hoher Schweißspannung gearbeitet wird. Der Pulververbrauch ist abhängig vom Pulvertyp, der Herstellart, der Körnung, der Stromstärke, der Spannung, der Schweißgeschwindigkeit, der Stromart und Polung, dem Drahtdurchmesser und vom Anstellwinkel der Drahtelektrode. DerVerbrauch ist höher bei Schmelz- und basischen Pulvern, bei feiner Körnung, bei niedrigem Strom, bei hoher Spannung, bei niedriger Geschwindigkeit, bei Wechselstrom und bei dicken Drähten. Den größten Einfluß aber haben Schweißspannung und Schweißgeschwindigkeit. Auch wenn bei feineren Pulvern der Verbrauch höher ist, so kann dies doch wirtschaftlich sein. Feine Pulver erlauben höhere Stromstärken, dadurch höhere Abschmelzleistung bzw. tieferen Einbrand. Somit werden Draht und Arbeitslohn gespart. Eine feinere Körnung ist auch vorteilhaft beim Auftragsschweißen, wenn eine breite und flache Naht gewünscht wird. Der Pulververbrauch wird durch die Abriebfestigkeit der Körner beeinflußt. Den geringsten Abrieb haben Schmelzpulver, den größeren Abrieb die agglomerierten Pulver. 40 <?page no="53"?> 4.8 Lagerungs- und Trocknungsvorschriften · 4.8.1 Lagerräume für Schweißpulver Die einzelnen Pulversorten sollen übersichtlich und gut zugänglich gelagert werden. Gute Übersicht vereinfacht die Lagerdispositon und ermöglicht die Entnahme des am längsten gelagerten Pulvers. Beim Transport sollen die Pulversäcke nicht beschädigt werden. Werden die Schweißpulver auf Paletten gelagert, so sollen nicht mehr als 3 Paletten übereinander gelagert werden. Sonst kann das unterste Pulver geschädigt werden. Die Lagerräume sollen sauber und trocken sein. Eine Überwachung der relativen Luftfeuchtigkeit ist bei basischen Pulvern vorteilhaft. Die Lagerraumtemperatur sollte zwischen 15 bis 30 °C liegen. Ist das Pulver in Fässer verpackt, so sind keine speziellen Bedingungen einzuhalten. Allerdings muß darauf geachtet werden, daß die Verpackung nicht rostet oder anderweitig beschädigt wird. 4.8.2 Lagerfähigkeit des Schweißpulvers Schweißpulver sind ohne Beeinträchtigung der chemischen und mechanischen Eigenschaften nur begrenzt lagerfähig. Wie lange Schweißpulver ohne Beeinträchtigung des Schweißergebnisses durch chemische Reaktionen und Zersetzungen gelagert werden können, ist von der Pulversorte, der Herstellungsart, der chemischen Zusammensetzung und der Verpackungsart abhängig. Schmelzpulver sind aufgrund ihrer homogenen, amorphen Struktur ohne Beeinträchtigung der Schweißeigenschaften nahezu unbegrenzt lagerfähig. Hochwertige Schmelzpulver für Spezialaufgaben sollten nicht über 5 Jahre gelagert werden. Bei längerer Lagerzeit oder bei Zweifel empfiehlt sich die Rücksprache mit dem Lieferanten. Agglomerierte Schweißpulver sind in Kunststoff-Ventilsäcken ca. 3 Jahre lagerfähig. Bei längerer Lagerzeit kann es zu einer Beeinträchtigung der Schweißeigenschaften kommen, darum wird auch hier Rücksprache mit dem Lieferanten empfohlen. Beschädigte Pulversäcke sind mit geeigneten Mittel abzudichten. Ausgelaufenes oder verschüttetes Schweißpulver ist zu vernichten. Ein Wiedereinfüllen kann durch Verschmutzungen des ausgelaufenen Pulvers sowie durch eventuelle Verwechslungen zu schwerwiegenden Schweißfehlern führen. 41 <?page no="54"?> 4.8.3 Trocknung der Schweißpulver vor dem Einsatz Während der Lagerung kann das Schweißpulver Feuchtigkeit aufnehmen. Die Pulver sind aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung je nach Sorte mehr oder weniger hygroskopisch. Bei qualitativ hochwertigen Schweißaufgaben und auch nach längerer Lagerzeit soll daher das Schweißpulver immer in geeigneten Trockenöfen vorgetrocknet werden. Um gleichmäßiges Durchtrocknen zu gewährleisten, soll die Pulverschütthöhe 3 bis 5 cm betragen. Das Rücktrocknen kann 3 bis 4 mal wiederholt werden. Rückgetrocknetes Pulver, als auch das Pulver, das während des Schweißens verbraucht wird, muß trocken gehalten werden, möglichst bei einerTemperatur, die 50-120 °C über der Umgebungstemperatur liegt. Es werden gemäß Tabelle 4.4 folgende Temperaturen und Zeiten empfohlen: Tabelle 4.4: Rücktrocknen von Schweißpulvern erschmolzene Pulver geschäumte Schmelzpulver agglomerierte Pulver 250 °c ± 50 °C mind.2 h 400 °C ± 100 °C mind.4 h 300 °C ± 50 °C mind.4 h Vorgetrocknetes Pulver soll möglichst bald verschweißt werden. Eine erneute Feuchtigkeitsaufnahme ist unbedingt zu vermeiden. 4.8.4 Pulverabsaugung und Wiedergebrauch Bei preßluftbetriebenen Anlagen ist trockene und ölfreie Druckluft eine unbedingte Voraussetzung für ein einwandfreies, nicht verschmutztes Schweißpulver. Wasser und 01 müssen durch entsprechende Vorrichtungen abgesondert werden. Nicht verschlacktes Pulver, abgesaugt von der Schweißnaht, muß von Schlakkenresten, Metallund/ oder anderen Verunreinigungen befreit werden. Das Pulveragglomerat soll nicht übermäßig durch den Sammel- oder Säuberungsvorgang in der Struktur geschädigt werden. Bei stark verrosteten und verzunderten Bauteilen empfiehlt sich der Einsatz eines Magnetabscheiders. Bei qualitativ hoch beanspruchten Schweißaufgaben soll dem rückgewonnenen Pulver stets Neupulver zugemischt werden. Eine Verwendung von Natur- und Kunststoffbürsten zum zusammenkehren der nicht verschlackten Pulverreste ist zu vermeiden. 42 <?page no="55"?> 4.9 Technische Lieferbedingungen nach DIN 32 522 (EN760) Die technischen Lieferbedingungen für Schweißpulver zum Unterpulverschweißen sind in DIN 32 522 Ausgabe April 1981 (EN 760) geregelt. Die Norm gilt für Schweißpulver zum UP-Schweißen von unlegierten, niedriglegierten und hochlegierten Stählen, sowie von Nickel und Nickellegierungen mit Draht- und Bandelektroden. Die Schweißpulver werden eingeteilt nach der Art der Herstellung, nach ihren chemischen Hauptbestandteilen und nach ihrer Verwendung in Klassen. Schweißpulver werden nach ihrer chemischen Zusammensetzung eingeteilt und nach ihrem mineralogischen Aufbau symbolisiert. Die Kennbuchstaben für die Herstellungsart sind: F B M (fused) (bonded) (mixed) erschmolzene Pulver agglomerierte Pulver Mischpulver Bei der Klasseneinteilung der Pulver sind die Klasse 1, 2, 5 und 6 von Bedeutung. Klasse 1: Pulver zum Schweißen unlegierter und niedriglegierter Stähle, wie allgemeine Baustähle, Feinkornbaustähle usw., die nur C, Si und Mn zubzw. abbrennen. Klasse 2: Pulver zum Schweißen unlegierter und niedriglegierter Stähle, wie allgemeine Baustähle, Feinkornbaustähle usw., die außer Zu- und Abbränden von C, Si und Mn weitere Legierungsbestandteile zubrennen. Klasse 5: Pulver mit chromhaltigen Bestandteilen, die dem Chromabbrand entgegenwirken, zum Schweißen von nichtrostenden und hitzebeständigen Chrom- und Chrom-Nickel-Stählen. Klasse 6 : Pulver ohne chromhaltige Bestandteile, zum Schweißen von nichtrostenden und hitzebeständigen Chrom- und Chrom-Nikkel-Stählen. Der Zuund/ oder Abbrand von Legierungselementen kennzeichnet das metallurgische Verhalten eines Schweißpulvers. Unter Zu- und Abbrand wird die Differenz zwischen der chemischen Zusammensetzung des reinen Schweißgutes und des Schweißzusatzwerkstoffes verstanden. Die Bedeutung der Kennziffern wird in Tabelle 4.5 erläutert. 43 <?page no="56"?> Tabelle 4.5: Kennziffern für das metallurgische Verhalten Kennziffer Gewichts-% über 0,7 Abbrand Zuund/ oder Abbrand Zubrand 1 23 4 5 6 7 8 9 über 0,5 bis 0,7 über 0,3 bis 0,5 über o, 1 bis 0,3 0 bis 0,1 über 0, 1 bis 0,3 über 0,3 bis 0,5 über 0,5 bis 0,7 über 0,7 Das Kennzeichen für die Stromart bedeutet: DC AC (direct current) (alternating current) Gleichstrom Wechselstrom Die Verwendbarkeit an Wechselstrom schließt in der Reget die an Gleichstrom ein. Die Strombelastbarkeit ist die höchste Stromstärke, bei der unter vorgegebenen Parametern sich das Nahtaussehen verschlechtert. Die Strombelastbarkeit wird bei einer Drahtelektrode mit 4 mm Durchmesser an Blechen über 20 mm ermittelt. Die Kennzahl multipliziert mit 100 ergibt die max. Stromstärke in Ampere. Die Kennbuchstaben für sonstige Eigenschaften bedeuten: S Pulver mit Schnellschweißeigenschaften K Kehtnahtpulver M Mehrdrahtpulver B Bandauftragpulver Pulver, die ein Schweißgut mit niedrigem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff ergeben, werden nach ihrem Wasserstoffgehalt im Schweißgut entsprechend Tabelle 4.6 gekennzeichnet. 44 <?page no="57"?> Tabelle 4.6: Kurzzeichen für diffusiblen Wasserstoff Kurzzeichen Diffusibler Wasserstoffgehalt in cm3/ 100 g Schweißgut HP5 HP7 HP10 HP15 max.5 max. 7 max.10 max.15 Bezeichnungsbeispiel Schweißpulver zum Schweißen un- und niedrigleg. Stähle Schweißpulver DIN 32 522(EN 760) - FMS 1 65 AC 8 SK Erschmolzenes Pulver (F) vom Mangan-Silikat-Typ (MS), zum Schweißen unlegierter und niedriglegierter Stähle, das außer C, Si und Mn keine anderen Legierungsbestandteile zu- oder abbrennt (Klasse 1), mit Zubrand an Silizium bis 0,3 Gew.-% (6) und neutralem Verhalten hinsichtlich des Mangangehaltes (5), geeignet für Gleich- und Wechselstrom (AC), strombelastbar bis 800 A, mit Schnellschweißeigenschaften (S), und guter Eignung für das Schweißen von Kehlnähten (K). Schweißpulver zum Schweißen legierter Stähle Schweißpulver DIN 32 522(EN 760) - BAB 6 6313 DC 7 B Agglomeriertes Pulver (8) vom aluminatbasischen Typ (AB) ohne chromhaltige Bestandteile zum Schweißen nichtrostender und hitzebeständiger Stähle (Klasse 6), mit Zubrand an Si bis 0,3 Gew.-%, Abbrand an Mn zwischen 0,3 bis 0,5 Gew.-% (3), Chromabbrand über 0,7 Gew.-% (1), Abbrand von Niob zwischen 0,3 bis 0,5 Gew.-% (3), geeignet für Gleichstrom (DC), strombelastbar bis 700 A (7), mit besonderer Eignung für das Bandauftragsschweißen (B). 45 <?page no="58"?> 5. Praxis des UP-Schweißens 5.1 Vorbereitung det Werkstücke Wichtige Faktoren für die Schweißdurchführung sind die Nahtform und die Kantenvorbereitung. Beide müssen so gewählt werden, daß die Naht in ihrer ganzen Länge gleichmäßig ausfällt. Nur dann lassen sich die Vorteile der automatischen UP-Schweißung ausnutzen. Der Schweißer kann zwar in einem engen Bereich Ungleichmäßigkeiten in der Schweißfuge ausgleichen. Auch stehen heute Schweißgeräte zur Verfügung, mit denen man ungleichmäßige Stöße schweißen kann. Dennoch lohnt sich immer der Zeitaufwand für eine gute Nahtvorbereitung, weil nur so mit geringem Aufwand schneller und sicherer gearbeitet werden kann. 5.2 Schweißkantenvorbereitung Qualität kann man nicht prüfen, Qualität muß man herstellen. Die Qualitätssicherung beim Schweißen beginnt bereits bei der Auswahl einer geeigneten Nahtvorbereitung. 5.2.1 Zweck der Anfasung oder Nut Die Anfasung beim UP-Schweißen soll nicht nur die Einbrandtiefe erhöhen, sondern sie soll vor allem die Nahtüberhöhung klein halten. Verschiedene Literaturstellen verlangen erst bei Blechdicken über 15 mm eine Kantenvorbereitung. Ein Anfasen wird in Abhängigkeit von der vorhandenen Stromquelle, der durchzuführenden Schweißaufgabe, der max. einzubringenden Streckenenergie, der max. zulässigen Nahtüberhöhung und vom Werkstoff, schon bei dünneren Blechen, bereits ab 8 mm bzw. ab 10 mm durchgeführt. Bei Kehlnähten in Wannenlage und in horizontaler Ausführung, bei denen eine vollständige Durchschweißung des Steges verlangt ist, ist eine Abschrä- 46 <?page no="59"?> gung des Stumpfstoßes angebracht, wenn die verlangte Einbrandtiefe mehr als 10 mm betragen muß. 5.2.2 Einfluß des Steges und des Stirnflächenabstandes Der Steg soll dick genug sein, damit man nicht durchbricht. Außerdem vermindert der Steg das einzubringende Nahtvolumen, und ist dadurch aus wirtschaftlicher Sicht von Bedeutung. Der Stirnflächenabstand bzw. Spalt wird beim UP-Schweißen auf maximal 0,8 mm begrenzt, um ein Durchrieseln des Schweißpulvers mit eventuellem Durchfallen des Schweißbades zu vermeiden. Wird ein größerer Spalt gewählt, so wird durch MAG- oder E-Hand-Schweißung eine Badsicherung vorgelegt. 5.2.3 Art der Kantenvorbereitung Brennschneiden kann von Hand, mit dem Fugenhobel oder mit einer Brennschneidmaschine erfolgen. Loser Zunder und Schlackenbärte müssen vor dem Zusammenheften und Schweißen beseitigt werden, um qualitativ gute Nähte herstellen zu können. Das Anfasen der Schweißstöße kann mittels spanabhebender Werkzeuge erfolgen. Vor der Kantenbearbeitung mit Scheren (für 1-Naht) muß starker Rost entfernt werden, damit er sich nicht in die Schnittkanten drückt. Da dieser Rost nicht abgebürstet werden kann, muß er vor dem Schweißen abgearbeitet werden. Werden bei der Kantenvorbereitung Schmierstoffe oder Fette verwendet, so sind die Bleche und vor allem die Nahtflanken sorgfältig zu reinigen, so daß keine Rückstände mehr vorhanden sind. Abmeißeln (Knabbern) und Schleifen von Hand sind Alternativen für die Kantenvorbereitung. Die Genauigkeit der Nahtvorbereitung, der Öffnungswinkel der Naht, hängt aber sehr stark von der Handfertigkeit des ausführenden Arbeiters ab. Seit einiger Zeit gibt es auch Schweißkantenfräsen, die sich über Vorschubrollen automatisch vorwärts bewegen. Hiermit werden sehr saubere Nahtflanken hergestellt. Schweißkanten können auch angeschmiedet, angewalzt oder angegossen sein. Natürlich müssen auch hier Rost und Zunder vollständig entfernt werden. 47 <?page no="60"?> 5.2.4 Nahtreinigung Die Sauberkeit der Naht ist eine Grundforderung. Vor allem müssen aus der Nahtfuge Verschmutzungen durch solche Stoffe entfernt werden, die in der Schweißhitze vergasen oder Wasserstoff abgeben. Solche Stoffe sind Öl, Fett, Schmiermittel, Wasser, Farbe, Rost und Zunder. Auch übermäßiger Zunder und Fettkreidestriche können zu Schweißfehlern führen. Peinliche Sauberkeit ist beim Dünnblechschweißen mit hohen Schweißgeschwindigkeiten notwendig. Arten der Reinigung - Kurz vor dem Schweißbeginn den Nahtbereich mit der Gas-Sauerstoff- Flamme frei von Oberflächenwasser und von Verunreinigungen machen. Flammstrahlen beseitigt Rost, Zunder und Feuchtigkeit. Der Gasbrenner kann dem UP-Schweißkopf vorgebaut werden. Schleifen entfernt Rost und Zunder. Die Schleifmaschine kann maschinell oder von Hand geführt werden. Der Schleifstaub muß anschließend abgesaugt oder abgeblasen werden. Die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen wie Schutzbrille und Mundfilter sind zu beachten. Drahtbürsten dienen zum Entfernen von leichtem Rost und Schmutz. Durch Bürsten lassen sich auch Schlackenreste und manche Farben entfernen. Für hochlegierte Stähle müssen die Drahtbürsten für den rostfreien Werkstoff geeignet sein. Farbe oder Rostprimer kann man auch durch Abschleifen entfernen. Wichtig ist vor allem, daß die Farbe im Bereich der Schweißzone restlos entfernt wird, da ansonsten nichtverschlacktes Schweißpulver verunreinigt ist, und beim Verschweißen aufgrund der Farbreste zu Poren führen kann. Strahlen mit Stahlkies oder Granulat entfernt sowohl starken Rost, als auch Walzzunder und Farbe zuverlässig. 5.3 Vorbereitung der Schweißung 5.3.1 Wärmeführung Gründe für eine richtige Wärmeführung beim Schweißen sind 48 Abbau von Schweißeigenspannungen Vermeidung von Aufhärtungen in der Wärmeeinflußzone Vermeidung von Rißbildungen Erzielung bestimmter Gefügeausbildungen in der WEZ <?page no="61"?> Unlegierte niedriggekohlte Baustähle erfordern im allgemeinen keine Wärmebehandlung. Dennoch wird sie gelegentlich angewendet, um Verzug zu vermindern oder um eine geringere Härte zu erhalten. Beim Schweißen hochgekohlter und legierter Stähle besteht beim UP-Schweißen die Gefahr, daß die Wärmeübergangszonen aufhärten. Der Temperatur-Zeit-Verlauf beim Schweißen setzt sich aus Vorwärmen, Arbeitstemperatur während des Schweißvorganges und dem Abkühlen zusammen. Unter Wärmeführung versteht man den gesamten Wärmezyklus wie Vorwärmen, Zwischenlagenwärme, Arbeitstemperatur und Wärmenachbehandlung während der Schweißdurchführung. - Vorwärmtemperatur Temperatur des Werkstückes vor dem Schweißen der ersten Raupe im Bereich der Schweißstelle - Zwischenlagentemperatur Temperatur des Werkstückes vor dem Schweißen der zweiten oder der weiteren Lagen im Bereich der momentanen Schweißstelle - Arbeitstemperatur Temperatur des Werkstückes während der Schweißarbeiten im Bereich von 4 x Blechdicke, max. 100 mm, beidseitig neben der Schweißfuge Die Arbeitstemperatur soll während des gesamten Schweißvorgangs, auch bei Unterbrechungen, nicht unter die Vorwärmtemperatur sinken. Zum Messen derTemperatur werden Meßkreide, Haftthermometer, Thermoelemente und auch berührungslose Meßgeräte eingesetzt. Der Abkühlvorgang hat einen Einfluß auf die Eigenschaften der Schweißverbindung. Die Zeit, in der die Schweißraupe und die Wärmeeinflußzone von 800 °C auf 500 °C abkühlen, wird mit t 815 bezeichnet. Die Ermittlung der Abkühlzeit t 815 wird ausführlich im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW 088 "Schweißen von Feinkornbaustählen" beschrieben. 5.3.2 Vorwärmung Beim Schweißen ist ein Vorwärmen in jedem Fall bei Werkstücktemperaturen unter 5 °C angebracht. Ansonsten richtet sich die Vorwärmtemperatur und -zeit nach dem Grundwerkstoff und der Wanddicke. 49 <?page no="62"?> Die Neigung eines Stahls zum Aufhärten beim Schweißen hängt von seiner Legierung ab. Wird das Werkstück vorgewärmt, so ist die Differenz zwischen Schweiß- und Werkstücktemperatur kleiner und damit die Neigung zum Aushärten geringer. Beim UP-Schweißen von aufhärtungsempfindlichen Stählen ist darauf zu achten, daß keine zu hohe Abkühlgeschwindigkeit im Umwandlungstemperaturbereich und damit Martensitbildung auftritt. Unter Umständen muß das Werkstück bis über die Martensitbildungstemperatur vorgewärmt werden. Die Arbeitstemperatur muß bis nach der Umwandlung der austenitischen Werkstoffbereiche in der Zwischenstufe oder der Perlitstufe gehalten werden. In verschiedenen Vorschriften wird auf das Vorwärmen hingewiesen, z. B. im Stahl-Eisen-Werkstoffblatt SEW 088, das beim Schweißen von Feinkornbaustählen zu beachten ist. Dort wird bei Überschreiten folgender Grenzdicken ein Vorwärmen gemäß Tabelle 5.1 empfohlen: Tabelle 5.1: Grenzdicke, ab der ein Vorwärmen notwendig ist 30mm 20mm 12mm 8mm bei Streckgrenze < 355 N/ mm2 bei Streckgrenze < 420 N/ mm2 bei Streckgrenze •< 590 N/ mm2 bei Streckgrenze > 590 N/ mm2 Die Höhe der Vorwärmtemperatur richtet sich nach der Werkstückdicke und der chemischen Zusammensetzung. Sie sollte zwischen 80 °C und 250 °C liegen, und sich über einen Bereich von etwa 100 mm beiderseits der Schweißfuge erstrecken. Als Richtwert für dieVorwärmtemperatur kann das Kohlenstoffäquivalent nach IIW-Version herangezogen werden, wobei die chemische Zusammensetzung des Stahls durch eine einzige, für das Härteverhalten maßgebende Zahl ausgedrückt wird. Das Kohlenstoffäquivalent errechnet sich nach empirischen Formeln. · Je größer der Wert ist, umso höher muß die Vorwärmtemperatur gewählt werden. Das Kohlenstoffäquivalent CE errechnet sich nach DIN EN 10 025 bzw. nach IIW-Version nach folgender Formel: CE = C + Mn/ 6 + (Cr+ Mo+ V)/ 5 + (Ni+ Cu)/ 15 Anhand des CE-Wertes werden folgende Vorwärmtemperaturen gemäß Tabelle 5.2 empfohlen: 50 <?page no="63"?> Tabelle 5.2: Vorwärmtemperaturen, abhängig vom Kohlenstoffäquivalent CE < 0,45 CE = 0,45 bis 0,80 CE > 0,80 < 100 °C > 100 °C bis 250 °C > 250 °C bis 350 °C Als Richtwerte für die Praxis wurden früher folgende Vorwärmtemperaturen, abhängig vom C-Gehalt, vom Werkstoff bzw. von der Blechdicke nach Tabelle 5.3 empfohlen, die auch heute noch angewendet werden können: Tabelle 5.3: Vorwärmtemperaturen, abhängig vom Kohlenstoffäquivalent unlegierte Stähle mit C > 0,25 bis 0,35 % Feinkornbaustähle-bis STE 355, s < 20 mm Feinkornbaustähle über STE 355 warmfeste legierte Stähle 15 Mo 3, s < 30 mm warmfeste legierte Stähle 15 Mo 3, s > 30 mm austenitische Stähle 100 - 200 °C 100 - 200 °c 100 - 300 °C keine 100-200 °C keine Grundsätzlich sind die Empfehlungen in den zum Werkstoff gehörenden DIN- Normen, Stahl-Eisen und Hersteller-Werkstoffblätter zu beachten. Detailierte Auskünfte über Vorwärmen beim Schweißen gibt auch SEW 086. Es kann auch sinnvoll sein, die geeigneteste Vorwärmtemperatur durch Versuche zu ermitteln. 5.3.3 Zwischenlagentemperatur Die Zwischenlagentemperatur ist beim UP-Schweißen besonders wichtig. Sie ist in erster Linie vom Grundwerkstoff bzw. von den Anforderungen an die Schweißnaht abhängig. Vor allem bei Mehrlagenschweißungen muß sie eingehalten werden, was bei dickwandigen Werkstücken nur durch ständiges Wärmen mittels Gasflamme erreicht werden kann. Als Faustregel kann· man sich nach der verlangten Kerbschlagzähigkeit bei entsprechender Temperatur richten. Im allgemeinen gilt gemäß Tabelle 5.4: Tabelle 5.4: Zwischenlagentemperatur, abhängig von der Kerbschlagarbeit Zwischenlagentemperatur Kerbschlagarbeit max. 250 °C max. 150 °C max. 100 °C für Raumtemperatur bei - 20 °C bei - 50 °C 51 <?page no="64"?> Bei unlegierten Stählen ist die Zwischenlagentemperatur relativ unkritisch. Ihr muß keine besondere Beachtung geschenkt werden, es sei denn, es ist wie zuvor beschrieben eine nachgewiesene Kerbschlagarbeit bei bestimmter Temperatur verlangt. Bei Feinkornbaustählen darf die Zwischenlagentemperatur nicht zu hoch sein, ebenso ist die Wärmeführung so zu gestalten, daß die Streckenenergie im brauchbaren Bereich liegt. Dazu sind die Stahl-Eisen-Werkstoffblätter für das Schweißen von Feinkornbaustählen zu beachten. Bei hochlegierten Stählen ist die Zwischenlagentemperatur auf 200 °C und bei Schwarz-Weiß-Verbindungen ist die Zwischenlagentemperatur auf max. 150 °C zu begrenzen, da sonst zu große Aufmischungen auftreten können. Zudem ist die Streckenenergie gegenüber der C-Stahl-Schweißung deutlich zu reduzieren. Angaben zur max. Streckenenergie werden unter Pkt. 6.6 gemacht. Nach SEW 086 werden für das Vorwärmen und für die Zwischenlagentemperatur bei Werkstückdicken > 30 mm folgende Empfehlungen gemäß Tabelle 5.5 gegeben: Tabelle 5.5: Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur nach SEW 086 Stahlsorte - 19 Mn 6 - Hll,15Mo3,17Mn4 St 35.8, St 37.8 - 19 Mn 5, 20 Mn 5 13 Cr Mo 44 - 10 Cr Mo 910 Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur 80 °C 100 °C 125 °C 200 °C 200 bis 250 °C 5.3.4 Wärmebehandlung nach dem Schweißen Beim UP-Schweißen ist die Nachbehandlung weniger für die Beseitigung der Aufhärtungen im Übergang erforderlich. Sie soll vielmehr innere Spannungszustände abbauen. Wärmebehandlungstemperatur und -dauer sind abhängig vom Werkstoff und vom Bauteil. Die Angaben hierüber können im allgemeinen den jeweiligen Normen, Vorschriften undWerkstoffblättern entnommen werden. Abhängig vom Werkstoff sind auch die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten zu wählen. Als Wärmenachbehandlung kommt das Spannungsarmglühen, das Normalglühen, das Normalisieren und Anlassen in Frage. 52 <?page no="65"?> 5.3.5 Wasserstoffarmglühen Über das Schweißpulver oder sonstige Wasserstoffträger kann diffusibler Wasserstoff in die Schweißzone gelangen, der die Schweißergebnisse wegen seiner unkalkulierbaren Reaktionen gefährden kann. Daher wird bei rißempfindlichen Werkstoffen wasserstoffarmgeglüht. Die Temperatur beträgt dabei ca. 250 bis 280 °C für 4 Stunden. Das gleiche erreicht man durch längeres Halten der Arbeitstemperatur von über 150 °C für mindestens 8 Stunden. 5.4 Auflegen des Werkstückes Bei allen Schweißungen sollte der Schweißstoß sauber zusammengefügt und so sicher in seiner Lage gehalten werden, daß der Verzug als Folge des Vorwärmens, Heftens, Einspannens usw. möglichst klein bleibt. leichtere Werkstücke, z.B. Bleche unter 4 mm, sollen gegebenenfalls festgespannt werden, z. B. in Längsnahtspannvorrichtungen, deren Spannbakken halten die Bleche in der richtigen Lage und führen die Wärme ab. Als Wurzelschutz können wassergekühlte Kupferunterlagen dienen. Wenn genügend sicher gespannt ist, ist Heften nicht erforderlich. 5.5 Neigung des Werkstückes Die meisten UP-Schweißarbeiten werden in waagrechter Lage ausgeführt. Manchmal ist es notwendig, mit geringer Neigung des Werkstücks zu schweißen. Die maximale Neigung beträgt 10 °, größere Neigungen können zu Schlackenvorlauf führen. Bei Schnellschweißung von Dünnblech erhält man bessere Ergebnisse beim Bergabschweißen oder bei stechener Drahtanstellung. Auch beim Schweißen von Rundnähten an Behältern wird in der Regel leicht fallend geschweißt, da sich die Naht schöner ausbildet. 5.5.1 Aufwärtsschweißung Die Aufwärtsschweißung ergibt einen tiefen und schmalen Einbrand und eine überhöhte Naht. Die Schwerkraft läßt das Schweißbad zurücklaufen. Der Werkstoff fließt nach der Nahtmitte, wo er sich anhäuft. Mit zunehmender Steigung wachsen Nahtüberhöhung und Einbrand. Die Breite der Naht nimmt ab. Der Grenzwinkel ist bei 6 ° bei Stromstärken von ca. 600 A. 53 <?page no="66"?> 5.5.2 Abwärtsschweißung Übertriebene Abwärtsschweißung verursacht eine breite Naht mit einer Mulde in der Mitte. Die entstehende Schweißschmelze hat erhöhte Tendenz zum Vorlaufen. Mit zunehmender Neigung vermindert sich der Einbrand des Lichtbogens. Bei der Rundnahtschweißung ist der ideale Anstellpunkt ca. die 11- Uhr-Position. Beim Schweißen von Rohr- und Behälteraußennähten können als Richtwerte für die Voreilung der Drahtelektrode folgende Werte gemäß Tabelle 5.6 angesetzt werden. Den Einfluß der Voreilung auf das Nahtaussehen zeigt Bild5.1. Tabelle 5.6: Voreilung der Drahtelektrode beim Rundnahtschweißen Durchmesser in mm 300 ... 500 500 ... 900 900 ... 1100 1100 ... 1250 1250 ... 1700 1700 ... 2000 > 2000 Bild 5.1: Wirkung der Voreilung 54 Voreilung in mm 25 35 40 50 60 70 80 a3 Einschluß <?page no="67"?> 5.5.3 Waagrecht-Schweißung an senkrechter Wand (3-Uhr) Eine seitliche Neigung des Drahtes ist möglich. Man kann sogar waagrecht an senkrechter Naht schweißen, wenn die Stromstärke entsprechend niedrig ist, so daß das Schmelzbad sofort erstarrt. Die zähflüssige Schlacke stützt sich dabei gegen eine Pulveraufschüttung ab, die während des Erstarrens ruhig liegen bleiben muß. 5.6 Anstellen des Schweißdrahtes Um die günstigste Stellung des Schweißdrahtes zu bestimmen, sind drei Faktoren zu berücksichtigen. 5.6.1 Fluchten des Drahtes mit der Naht Daß der Draht mit der Naht fluchtet, ist von auschlaggebender Bedeutung. Besonders bei hohen Schweißgeschwindigkeiten und bei Kehlnähten muß die Toleranz ± 1 mm eingehalten werden. Für diese Aufgabe können Fühlersteuerungen eingesetzt werden, die über mechanische, induktive oder kapazitive Abtastelemente den Draht entlang der Naht führen. In der Praxis findet man auch gelegentlich manuelle Steuerungen mit Hilfe eines Lichtpunktes, der zur Nahtmitte gerichtet ist. Die Steuerung des Schweißkopfes erfolgt dann manuell durch den Schweißer. Hier ist besonders die Aufmerksamkeit des Schweißers gefordert. Schon bei geringen Fluchtabweichungen von nur 1 bis 2 mm kann es unter Umständen schon zu Schweißfehlern kommen. Ebenso kann es bei Schwarzweiß-Verbindungen ungewollte Aufmischungsverhältnisse geben, die zu Martensitbildung und Rissen führen. Bei der Schwarz-Weiß-Verbindung wird der Lichtbogen zum schwarzen Material hingezogen. Dies führt zu einer einseitigen Naht, sowie zu ungleichmäßiger Aufmischung. Die Drahtelektrode muß mindestens um den Drahtelektrodendurchmesser aus der Nahtmitte heraus zum weißen Material angestellt werden. Exakte Anstellpositionen sind nur durch Schweißversuche zu ermitteln. Dabei ist zusätzlich die Blaswirkung zu beachten. Je mehr Raupen bei Mehrlagenschweißung geschweißt sind, um so weniger wird der Lichtbogen zum unlegierten Material abgelenkt. 5.6.2 Seitlicher Anstellwinkel (Neigung quer zur Naht) Gelegentlich wird der Draht bei Verbindungsschweißungen auch seitlich an- 55 <?page no="68"?> gestellt. Bei schwierigen Nähten kann auf diese Weise die Blaswirkung des Lichtbogens zum Werkstück hin ausgenutzt werden. Wichtig ist diese Anstellung des Drahtes bei Kehlnähten in horizontaler Schweißposition, und bei der 3-Uhr-Schweißung. 5.6.3 Anstellung des Drahtes in Nahtrichtung Bei hohen Schweißgeschwindigkeiten wird der Draht stechend angestellt, um über eine zusätzliche Breitung eine Geschwindigkeitserhöhung zu ermöglichen. Die schleppende Anstellung wird bei Rundnähten außen gewählt, um die Breitung der Naht zu verringern. Die Wirkung verschiedener Anstellungen bei Außen-Rundnähten wurde schon in Bild 5.1 gezeigt Besonders wichtig ist die richtige Anstellung des Drahtes beim Rundnahtschweißen. Die Schweißung erfolgt mit Vorlauf, d. h. die ,Schweißstelle wird vor den Totpunkt der Naht verlegt. Das flüssige Schweißbad wird so möglichst lange annähernd waagrecht gehalten. Das Schweißbad hat darum ausreichend Zeit, um in waagrechter Position zu erstarren. Der Schweißdraht kann zusätzlich so geneigt werden, daß er zurTangente in der Schweißstelle stechend, schleppend oder senkrecht steht. Die Nahtergebnisse reichen vom tiefen, spitzen Einbrand bis zum flachen, breiten Einbrand. Es gibt unterschiedliche Schweißaufgaben, bei denen jede der möglichen Formen erwünscht ist. Eine breite, flache Schweißnaht ist unsicher, denn der Einbrand geht stark zurück und es entstehen Schlackeneinschlüsse. Außerdem kommt es zu ungünstigen Kristallisationsbedingungen in der Naht, die keine guten mechanischen Gütewerte oder Zähigkeiten erwarten lassen. Bei zu kleinem Vorlauf läuft das Bad vor, es bildet sich eine schmale Naht mit Mittenkamm. Bei zu großem Vorlauf läuft das Bad zurück, und es entsteht eine breite Naht mit Mittenmulde. Auch die lnnenrundnaht wird mit Vorlauf geschweißt. Die Wirkungsweise ist hier umgekehrt. Bei großem Vorlauf läuft das Bad vor, bei zu kleinem Vorlauf läuft das Bad zurück. Das Aussehen der äußeren Nahtform läßt einen Rückschluß auf die Drahtanstellung zu. Die Drahtanstellung kann dann entsprechend korrigiert werden. 56 <?page no="69"?> 5.7 Stromübergang Die Stromdüse bzw. die Kontaktbacken müssen dicht am Draht anliegen. Sie müssen in einem guten Zustand sein, um sicheren Stromübergang zu gewährleisten. Schlechter Stromübergang führt zu Funken und Schmorstellen. Dies hat einen unregelmäßigen Drahttransport zur Folge. Dadurch bedingt gibt es Spannungsschwankungen, die zu wechselnd breiten Nähten mit unterschiedlichem Einbrand führen. Bei Stromdüsen wird in der Regel der lichte Durchmesser der Düse um 0,3 mm größer gebohrt als der Nenn-Drahtdurchmesser. An federnden Stromzuführungen soll der Kontaktdruck nicht größer gewählt werden, als es der sichere Stromübergang erfordert. Sonst wirkt die Stromzuführung als Bremse und stört die Drahtförderung. Angerostete Drahtelektroden sollten nicht verwendet werden. Sie neigen zu Kontaktschwierigkeiten und zu schlechtem Stromübergang. Außerdem kann der Rost auf der Drahtelektrode zu Schweißnahtfehlern führen. 5.8 Kontaktdüsenabstand Durch Vergrößerung des Düsenabstandes kann der Ohm'sehe Widerstand zur Erhitzung des langen freien Drahtendes und damit zur Erhöhung der Abschmelzleistung nutzbar gemacht werden. Zu großer Düsenabstand bringt aber folgende Nachteile mit sich: schnelle Abnutzung der Kupferbacken infolge Erhitzung unruhigen Schweißvorgang - Schwankungen der Raupenbreite und des Einbrandes grätige und rauhe Oberfläche der Raupe Die nachfolgend angegebenen Stromdüsenabstände gemäß Tabelle 5.7 sollten deshalb beim normalen UP-Schweißen nicht überschritten werden. Tabelle 5.7: Stromdüsenabstände Drahtdurchmesser in mm Düsenabstand in mm 2,0 20 2,5 25 3,0 30 > 4,0 40 Üblicherweise soll der Düsenabstand bei ferritischen Drahtelektroden 10 ... 12 d und nur bei hochlegierten Drahtelektroden 8 d betragen. 57 <?page no="70"?> 5.9 Masseanschluß und Schweißstromkreis 5.9.1 Probleme Dem Masseanschluß wurde schon oft zu wenig Beachtung geschenkt, da man glaubte, daß man beim UP-Schweißen ähnliche Verhältnisse wie beim Lichtbogenhandschweißen hat. Erst als sich herausstellte, daß der schlechte Massekontakt Ursache für rauhe, schmale und stark überhöhte Nähte sein kann, untersuchte man diese Störquelle genauer. Dabei stellte sich heraus, daß die magnetische Blaswirkung auch bei der Anwendung von Wechselstrom noch beachtlich groß ist. Der Lichtbogen wird auch hier grundsätzlich vom Stromanschluß weggeblasen. Dadurch wird der Einbrand bei seitlichem Masseanschluß schief. Das kann besonders bei DV-Nähten dazu führen, daß die Überdeckung der beiden Raupen trotz ausreichender Stromstärke in der Nahtmitte nicht ausreicht. 5.9.2 Abhilfe Die Masseanschlußstelle muß unbedingt metallisch blank sein, um die Übergangswiderstände klein zu halten, da diese die Schweißparameter beeinflußen. Die Masse ist an das zu schweißende Werkstück anzubringen, nicht an den Schweißtisch, oder an eine Vorrichtung. Denn sonst gibt es auch hier undefinierte Widerstände, die zu Spannungsschwankungen führen. Die Anschlußzwingen sollen gut angezogen sein. Die Kabelschuhe müssen einwandfrei mit dem Massekabel verbunden sein. Schraubverbindungen sind zu vermeiden, weil sie zu Spannungsschwankungen Anlaß geben, die meist zu schlechten Nähten führen. Beim Schweißen von dünnen Blechen, die gegen eine Kupferschiene gepreßt werden, kann es günstig sein, vom Masseanschluß weg zu schweißen, oder die Masseleitung an verschiedene Stellen gleichzeitig anzuschließen. Die zuletzt erwähnte Maßnahme ist vor allem dann zu empfehlen, wenn mit Gleichstrom am Plus-Pol geschweißt wird, da bei dieser Stromart die Blaswirkung am größsten ist. Bei langen Schweißnähten kann es vorkommen, daß sich während des Schweißablaufes die Stromstärke ändert. Dies geschieht, weil sich der Leiterkreis bei fortschreitendem Schweißvorgang ändert. 58 <?page no="71"?> Um das zu vermeiden, empfiehlt es sich, den Masseanschluß nicht nur am Nahtanfang, sondern an beiden Nahtenden am Werkstück anzubringen. Die Masseleitungen müssen ausreichende Querschnitte haben und gut isoliert sein, da sonst der Spannungsabfall zu groß wird. Masseleitungen sollten je 400 A einen Querschnitt von mindestens 100 mm2 bzw. je 500 A mindestens 120 mm2 haben. Die Schweißstromleitungen sollten möglichst eng zusammen und ohne Schleifen zur Schweißstelle geführt werden. Dies gilt besonders bei der Verwendung von Wechselstrom. In diesem Fall sollen zur Vermeidung von lnduktivverlusten Leitungen nicht um runde Metallgegenstände (z. B. die Stromquelle) gewickelt oder durch Löcher oder Bohrungen von Metallteilen ohne die isolierenden Kabeldurchlässe geführt werden. Die gesamte Kabellänge für Masse- und Stromleitungen sollte nicht länger als 40 m sein. 5.1 O Pulveraufschüttung und Körnung Das Pulver ist nicht nur Schutz für das Schweißbad, sondern es formt die Nahtoberfläche und insbesondere den Nahtübergang von der Schweißnaht zum Grundwerkstoff. Die Körnung des Pulvers übt dabei einen Einfluß auf den Einbrand und die Nahtbreite aus. Je gröber das Pulver, desto tiefer der Einbrand und desto schmaler die Naht. Die Schütthöhe soll stets nur so groß sein, daß der Lichtbogen nicht sichtbar wird. Mit größerem Abstand der Schweißdüse von· der Schweißfuge und höherer Schweißspannung, d. h. längerem Lichtbogen, nimmt der Pulververbrauch stark zu. Eine Spannungserhöhung um 1 Volt erhöht den Pulververbrauch um 10 % gegenüber dem Drahtverbrauch. Der Pulververbrauch ist außerdem noch von der Stromstärke, der Schweißgeschwindigkeit und der Neigung des Schweißdrahtes in Schweißrichtung abhängig. Diese Einflüsse sind aber geringer als die zuvor genannten Einflüsse. Bild 5.2 zeigt den Pulververbrauch in Abhängigkeit von der Schweißspannung. Bild 5.3 zeigt den Pulververbrauch in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit. Das Aussehen und die Güte der Schweißnaht, sowie der Schweißvorgang selbst werden durch die Breite und Höhe der Pulveraufschüttung beeinflußt. 59 <?page no="72"?> Pul ververbrauch tn ( g/ cm ) 26 28 30 32 34 36 Spannung in [ V ] Bild 5.2: Pulververbrauch in Abhängigkeit von der Spannung Pu\ververbrauch 1n ( g/ cm] Streubereich abhängig van Pulvers orte BIid 5,3 20 40 60 80 ! 00 120 Schweißgeschwindigkeit in [ cm/ mln, ] Bild 5.3: Pulververbrauch in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit Ist die Pulverauflage zu hoch, so ist eine rauhe Naht zu erwarten. Die während des Schweißens aufsteigenden Gase können nicht vollständig entweichen und die Oberfläche des Schmelzbades wird unregelmäßig. Ist die Pulveraufschüttung zu gering, so wird die Schweißzone nicht vollständig abgedeckt. Der Lichtbogen schlägt durch und spritzt. Die Naht sieht schlecht aus, es können Poren entstehen. Bei höheren Stromstärken sind größere Pulvermengen erforderlich. Eine z. B. durch Leitbleche seitlich beengte Pulveraufschüttung behindert die normale seitliche Ausbreitung des geschmolzenen Metalls und ergibt schmale, ungünstig überhöhte Schweißraupen. Beim Schweißpulver ist, abgesehen von der chemischen Zusammensetzung, die Körnung maßgebend für das Aussehen der Naht. Je feiner die Körnung ist, um so glatter wird die Naht, um so geringer ist auch der Pulververbrauch. Trotzdem wählt man die Pulver so grob, wie es die Raupenoberfläche zuläßt. Besonders bei großen Schweißgeschwindigkeiten und rostigen Blechen sollte grobes Pulver verwendet werden, da es leichter schmilzt, und Gase leichter durchläßt. Das flüssige Schweißbad erstarrt bei grobem Pulver schneller, aber ungleichmäßiger. Das feinere Pulver hält das Schmelzbad länger flüssig. Oberflächeneindrücke in der Schweißnaht werden durch den Gasdruck zwischen erstarrender Schweißsehlacke und teigigem Schweißbad verursacht und sind ein positives Merkmal von guter Nahtreinigung über die meist basische Pulverschlacke. Eine Reduzierung der oberflächlichen Gasabdrücke ist über höhere Stromstärke bei Verringerung der Pulverschütthöhe möglich (siehe Pkt. 7.5.6). 60 <?page no="73"?> 6. Einfluß der Parameter bei UP-Schweißung 6.1 Stromstärke Die Schweißstromstärke ist die wesentlichste und wichtigste Einstellgröße. Sie bestimmt überwiegend die Einbrandtiefe, die Abschmelzleistung und Nahtüberhöhung. Der Einbrand ist abhängig vom Lichtbogendruck und vom Metallübergang. Der Einbrand nimmt oberhalb der kritischen Stromdichte, beim Werkstoffübergang durch den Lichtbogen, zu. Die Drahtelektrode ist ausreichend mit Strom zu belasten, d. h. dünne Drähte mit hohen Stromstärken sind zu bevorzugen. Die Lichtbogenstabilität ist bei jedem Pulver von einer kritischen Stromdichte abhängig. Wird diese unterschritten, so wird der Schweißvorgang unruhig. Die Schweißraupe wird rauh und ungleichmäßig. Eine zu hohe Stromdichte hat aber auch die gleiche Wirkung wie eine zu niedrige Stromdichte. Für die Ausbildung der Breite und der Tiefe einer Schweißnaht ist eigentlich die Stromdichte und nicht die absolute Stromstärke verantwortlich. Wird mit verschiedenen Drahtdurchmessern bei konstanter Stromstärke geschweißt, so wird mit der dünneren Drahtelektrode eine tiefere, schmalere Naht entstehen. Mit der dickeren Drahtelektrode dagegen erhalten wir eine flachere und breitere Naht. Der Einbrand steigt mit zunehmender Stromstärke an. Das Verhältnis aufgeschmolzener Grundwerkstoff zu abgeschmolzener Drahtmenge bleibt für das übliche Eindrahtschweißen mit einem Verhältnis von 2: 1 praktisch konstant. Bild 6.1 zeigt den Einfluß der Schweißstromstärke auf die Einbrandtiefe und die Nahtgeometrie. Der erzielte Einbrand ist in etwa proportional der Stromstärke, wenn Schweißspannung, Schweißgeschwindigkeit und Drahtdurchmesser so gewählt werden, daß brauchbare Raupenformen entstehen. Im Bild 6.2 ist der Einfluß der verschieden hohen Stromstärken auf die Nahtform dargestellt. Bild 6.3 zeigt den Einfluß der Stromstärke auf die Raupenform auf. 61 <?page no="74"?> / 300 soo 600 A Bild 6.1: Einfluß der Stromstärke auf Nahtgeometrie und Einbrandtiefe / ,· ,/ / / "' / / . / / / ,' / / ,/ ,-· "/ '/ / / 300 soo '100 Soo II Bild 6.2: Einfluß verschieden hoher Stromstärken Bild 6.3: Einfluß der Stromstärke auf die Raupenform Der Einbrand steigt mit zunehmender Stromstärke an, aber auch die Nahtüberhöhung als Folge der höheren Abschmelzleistung. Bei den gewählten höchsten Stromstärken ist die Nahtüberhöhung zu groß. Für die überschlägige Berechnung der Einbrandtiefe, jedoch ohne Berücksichtigung von Pulversorte, Öffnungswinkel, Stirnflächenabstand und Schweißspannung, gilt angenähert: je mm Einbrand sind ca. 100 A erforderlich 62 , <?page no="75"?> Für die Ermittlung der Stromstärke dient folgendes Beispiel: Es soll ein 1 o mm dickes Blech als 1-Naht in Lage und Gegenlage geschweißt werden. Um eine sichere Durchschweißung zu gewährleisten, soll in Blechmitte eine Überschneidung beider Schweißraupen um ca. 2 mm erfolgen. Nach o.g. Formel sind also von beiden Seiten mindestens 6 mm aufzuschmelzen. Dazu wären je 600 A notwendig. Gewählt wird eine 4,0 mm Drahtelektrode. Diese wäre dann auch ideal mit ca. 150 A/ mm Drahtdurchmesser belastet. Um jedoch an Stellen mit größerem Luftspalt ein Durchfallen zu vermeiden, wird die erste Lage nur mit ca. 500 A geschweißt. Die Gegenlage wird dann mit ca. 650 A geschweißt. Dadurch wird ein sicheres Aufschmelzen von 12 mm Material erreicht. Die unsymmetrische Nahtausbildung hat keinen Einfluß auf die Nahtqualität. Bei schwierigeren Nahtgeometrien können genauere Ergebnisse jedoch nur über Versuche ermittelt werden, da diese Ergebnisse von vielen Parametern und Störgrößen abhängig sind. Aber auch die Pulversorte hat einen gewissen Einfluß auf den Einbrand. Bei Drahtdurchmessern von 1,6 mm und kleiner ist der Einfluß des Pulvers besonders stark. Die erzielten Einbrände schwanken z.T. um mehrere Millimeter, abhängig vom verwendeten Pulver bei ansonsten gleichen Parametern. Mit höherer Stromstärke und größerem Drahtdurchmesser nehmen Raupenbreite, Raupenüberhöhung und erschmolzene Schlackenmenge zu. Die Raupenbreite und der Pulververbrauch nehmen jedoch nur bis zu einem gewissen kritischen Wert zu. 6.2 Strombelastbarkeit Die max. Strombelastbarkeit der Drahtelektroden beim UP-Schweißen läßt sich nach folgender Faustformel errechnen: Strombelastbarkeit= 100 bis 250 x Durchmesser [Al Sie beträgt also bei einer 3 mm Drahtelektrode 300 bis 750 A, bei 4 mm Durchmesser 400 bis 1000 A usw. Als Anhaltswert ist pro mm Drahtdurchmesser eine Stromstärke von 130 A für hochlegierte Stähle und 150 A für un- und niedriglegierte Stähle zu wählen, um ein brauchbares Schweißergebnis zu erhalten. 63 <?page no="76"?> Es ergeben sich folgende ideale Mindest-Stromstärken gemäß Tabelle 6.1. Tabelle 6.1: Ideale Mindest-Stromstärken abhängig vom Drahtdurchmesser 2,4mm 2,5mm 3,0mm 3,2mm 4,0mm 310A-360A 325 A-375 A 390A-450A 415 A-480 A 520A-600A Bei hochlegierten Drahtelektroden nach DIN 8556 sind diese Werte um ca. 1 o bis 20 % zu reduzieren. Die Strombelastbarkeit und Abschmelzgeschwindigkeit von UP-Drähten zeigt Bild 6.4. Drohtvor-schubgeschwindigkeit in [ cm/ min ) 250 200 150 100 50 obere 4 0 Bey,stungs- ' / grenze " 5,0 Bild 6.4 "\ untere Belastungsgrenze 200 400 600 800 1000 1200 S: tromstlirke in [ A J Bild 6.4: Strombelastbarkeit von UP-Drähten Die höchstzulässige Schweißstromstärke ist beim Rundnahtschweißen durch den Werkstückdurchmesser begrenzt, wie aus Bild 6.5 zu ersehen ist. Bei zu großer Stromstärke entsteht eine schlechte unbrauchbare Naht. 64 <?page no="77"?> Durchmesser in [mm] 500 400 300 200 100 kleinster schwelßborer Durchmes~rer ist von vorh, Schweißvorrichtungen sehr stark abhängig Bild 6.5 200 300 400 500 600 700 Stromstärke max. in [ A ] Bild 6.5: Max. Stromstärke in Abhängigkeit vom Durchmesser 6.3 Stromdichte Die Stromdichte ist das Verhältnis von Stromstärke zum Querschnitt der Drahtelektrode. Mit zunehmender Stromdichte S bzw. dünner werdendem Elektrodendurchmesser bei gleicher Stromstärke und Spannung, steigt der Einbrand, die Nahtbreite nimmt dagegen ab. Da mit höherer Stromdichte mehr Zusatzwerkstoff abgeschmolzen wird, nimmt die Nahtüberhöhung, aber auch die Abschmelzleistung, etwas zu. Bild 6.6 zeigt den Einfluß der Stromdichte auf die Schweißnahtausbildung. 4,0 .3,2 3,0 2,5' / / / S= 3% Bild 6.6: Einfluß der Stromdichte auf die Nahtform Als Faustformel kann davon ausgegangen werden, daß eine etwa 4-fach höhere Stromdichte den Einbrand um das Doppelte erhöht, wobei die Nahtbreite auf die Hälfte zurückgeht. 65 <?page no="78"?> 6.4 Abschmelzleistung Die Abschmelzleistung ist ein bedeutender Faktor für die Wirtschaftlichkeit. Die Abschmelzleistung wird durch den „spezifischen Widerstand des Drahtes" und die „freie Drahtlänge", sowie durch den Drahtdurchmesser, der Stromart, der Polung und der Pulversorte beeinflußt. Die Abschmelzleistung beträgt als Faustregel bei normaler freier Drahtlänge etwa 13 g/ Ah . Bei einer Drahtelektrode von 3,2 mm wird bei 400 A ca. 5200 g pro Std. abgeschmolzen, bei 600 Aca. 7800 g pro Std. Dies bedeutet für die Praxis, daß eine 25 kg Drahtspule nach ca. 5 Std. bei 400 A verschweißt ist. Dieser Wert kann aber nur als grober Anhaltswert betrachtet werden, da dies ununterbrochenes Schweißen als Berechnungsgrundlage bedeuten würde. 6.5 Spannung Die Schweißspannung stellt den Potentialunterschied zwischen der Elektrodenspitze und der Oberfläche des Schweißbades dar. Sie ändert sich proportional zur Lichtbogenlänge. Die Spannung hat nur einen geringen Einfluß auf die Abschmelzleistung. Die Schweißspannung beeinflußt in erster Linie die Raupenbreite. Sie ist ein bestimmender Faktor für die Querschnittsform der Raupe. Sie ist aber auch von Bedeutung für die Einbrandtiefe. Eine Verringerung der Spannung um 1,5 V bewirkt eine um ca. 1 mm schmälere Raupe. Der Einbrand dagegen vergrößert sich um ca. 0,5 mm. Den Einfluß der Spannung auf Nahtgeometrie und Einbrandtiefe zeigt Bild 6.7 auf. Bild 6.8 zeigt den Einfluß der Spannung auf die Raupenform. 18 30 32 Bild 6.7: Einfluß der Spannung auf Nahtgeometrie und Einbrandtiefe 66 <?page no="79"?> Bild 6.8: Einfluß der Spannung auf die Raupenform Die Abschmelzleistung wird bei Spannungserhöhung um 1V nur um ca. 1 % größer, der aufgeschmolzene Grundwerkstoffanteil aber um 10 % höher. Dies ist für den Vermischungsgrad vor allem von Schwarz-Weiß-Verbindungen von Bedeutung. Die Raupenbreite soll mindestens das 1,2-fache der Einbrandtiefe betragen. Diese Geometrie ist anzustreben, da unterhalb diesem Wert Rißgefahr besteht. Die Schweißraupe wird dann auch rauh und überhöht. Das Verhältnis zwischen Nahtbreite und Einbrandtiefe, aber auch die Nahtüberhöhung läßt sich also über eine Spannungserhöhung deutlich beeinflussen. Die Schweißspannung läßt sich aus der Formel 1 = 4(d+1) x U überschlägig berechnen. Daraus ergibt sich für die Spannung U>l/ [4(d+1)][V] Bei einem Drahtdurchmesser von 3,2 mm und 415 A sollte die Spannung nicht unter 25 V liegen. Diese Formel sichert einen guten Nahtformkoeffizienten für rißfreie Nähte, bei günstigem Pulververbrauch und für ein Verhältnis von Nahtbreite zu Einbrandteife von mindestens 1,2. Den Einfluß der Lichtbogenspannung auf den Pulververbrauch wurde bereits in Bild 5.3 aufgezeigt. Je geringer die Spannung, desto geringer der Pulververbrauch. Durch 1 Volt Spannungserhöhung steigt der Pulververbrauch um ca. 1O % an. Dies bedeutet bei legierten Pulvern, daß ein höherer Zubrand von Legierungselementen stattfindet. Die Schweißspannung beeinflußt auch die Porenanfälligkeit der Schweißnaht. Im allgemeinen steigt diese mit zunehmender Lichtbogenspannung an. 67 <?page no="80"?> Zu hohe Schweißspannungen führen bei Kehlnähten zu Hohlraupen und Einbrandkerben. Zu niedrige Spannungen führen bei Kehl- und Stumpfnähten zu stark überhöhten, rauhen Nähten und zu schlechter Schlackenablösung. Bei Stumpfnähten wird die Spannung in der Regel zwischen 26 bis 33 V liegen, bei Kehlnähten ca. zwischen 26 und 30 V. Agglomerierte Pulver benötigen ca. 2 V mehr Spannung als Schmelzpulver. Da die Lichtbogenspannung für die Nahtbreite verantwortlich ist, muß beim Füllen von V-Fugen die Lichtbogenspannung von Lage zu Lage erhöht werden, um die Raupenbreite der geänderten Fugenbreite anzupassen. Dies gilt allerdings nur bis zu einem gewissen Grad. Denn wenn die Fuge eine bestimmte Breite erreicht hat, schweißt man zwei, später evt. auch drei Raupen nebeneinander. Gegebenenfalls muß dann die Lichtbogenspannung wieder gesenkt werden. Die Zunahme der Schweißspannung verlängert den kegelförmigen Lichtbogen. Bei gleicher Blechdicke ist bei einer 1-Naht der Stirnflächenabstand kleiner als die Öffnungsweite der V-Naht-Vorbereitung. Der Lichtbogen kann dadurch tiefer in die Fuge eindringen. Bei der V-Fuge ist daher die freie Drahtlänge und damit die Abschmelzleistung höher als bei der 1-Naht. 6.6 Schweißgeschwindigkeit Die Schweißgeschwindigkeit wirkt sich auf die gesamte Raupenform aus. Sie hat Einfluß auf die eingebrachte Streckenenergie, den Pulververbrauch, Einbrandkerben, Riß- und Porenbildung. Abhängig von der Art der Stromquelle, z. B. Gleichstrom mit flacher Kennlinie (CP) ändert sich auch die abgeschmolzene Drahtmenge je Raupenlängeneinheit. Bei Abnahme der Schweißgeschwindigkeit um 1O cm/ min. wird eine um 25 % größere Drahtmenge abgeschmolzen, und um ca. 15 % mehr Grundwerkstoff aufgeschmolzen. Steigt die Schweißgeschwindigkeit an, so wird die eingebrachte Streckenenergie niedriger wird die Abschmelzleistung geringer wird der Einbrand geringer 68 <?page no="81"?> Fällt die Schweißgeschwindigkeit ab, so wird die eingebrachte Streckenenergie größer wird die Abschmelzleistung größer wird der Einbrand tiefer Die Schweißgeschwindigkeit beeinflußt auch Breite, Höhe und Glätte der Schweißraupe. Alle drei Werte nehmen mit steigender Schweißgeschwindigkeit ab. Mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit wird die Anfälligkeit gegen Poren vergrößert, weil die Gase weniger Zeit haben, aus dem Schweißbad zu entweichen, bevor das Bad erstarrt. Der Einfluß der Schweißgeschwindigkeit und des Öffnungswinkels auf die Einbrandtiefe zeigt Bild 6.9. Die Einbrandtiefe hat bei etwa 50 cm/ min ihr Optimum. Bild 6.10 zeigt den Einfluß des Öffnungswinkels auf den Einbrand, und Bild 6.11 zeigt den Einfluß der Schweißgeschwindigkeit auf die Raupenform auf. Einbrand idealer Bereich J---k ~o 1 1 ~· 0 20 40 60 80 100 120cm/ min Bild6.9: Einfluß von Schweißgeschwindigkeit und Öffnungswinkel auf die Einbrandtiefe Bild 6.10: Einfluß des Öffnungswinkels auf den Einbrand 69 <?page no="82"?> Bild 6.11: Einfluß der Schweißgeschwindigkeit auf die Raupenform Bei Schweißgeschwindigkeiten unter 20 cm/ min. läuft das Schmelzbad vor, so daß der Lichtbogen auf der flüssigen Schmelze brennt, und nicht mehr in den Grundwerkstoff eindringt. Gleichzeitig wird die Gefahr von Schlackeneinschlüssen erhöht. Geringe Schweißgeschwindigkeiten in Verbindung mit hoher Schweißspannung können zu Rissen führen, die am Übergang der pilzartigen Erweiterung der Raupe, an den „Ohren" entstehen. Bild 6.12 zeigt solche Risse an den Ohren. Bild 6.12: Risse an den „Ohren" Bei hohen Schweißgeschwindigkeiten über 60 cm/ min. wird der Einbrand weniger, weil die Streckenenergie abnimmt. Bei extrem hohen Schweißgeschwindigkeiten bilden sich schmale, stark überwölbte Raupen, die starke Einbrandkerben aufweisen können. Eine stechend angeordnete Drahtelektrode sowie ein kurzer Lichtbogen vermindern die Gefahr dieser unverschweißten Randzonen. Raupenbreite und Nahtüberhöhung nehmen mit zunehmender Geschwindigkeit ab. Der Wärmeverlust und der Pulververbrauch werden geringer. Die Wärmeausnützung zum Schmelzen des Grundwerkstoffes ist also bei höheren Geschwindigkeiten besser. Bild 5.3 zeigte bereits die Abnahme des Pulververbrauch bei steigender Schweißgeschwindigkeit auf. Die maximale Schweißgeschwindigkeit ist abhängig vom Schweißpulver, von der Schweißspannung, von der Stromstärke und der Elektrodenanstellung. 70 <?page no="83"?> Eine Steigerung der Geschwihdigkeit bei gleicher Streckenenergie am gleichen Querschnitt bringt bessere mechanisch-technologische Gütewerte, da die Abkühlgeschwindigkeit ansteigt und ein Wärmestrom vermieden werden kann. Als Richtwert für das Schweißen unlegierter Stähle ist eine Schweißgeschwindigkeit von 50 cm/ min. zu empfehlen. Bei hochlegierten Werkstoffen sollte die Gechwindigkeit ca. 50 bis 70 cm/ min., bei Kehlnähten ca. 50 bis 60 cm/ min. betragen. 6.7 Streckenenergie Von der gewählten Schweißgeschwindigkeit ist die eingebrachte Streckenenergie (Wärmemenge je Längeneinheit der Naht) abhängig. Im Verhältnis, wie die Schweißgeschwindigkeit vermindert wird, erhöht sich die Streckenenergie. Die Streckenenergie errechnet sich aus der Lichtbogenspannung in V, der Schweißstromstärke in A, sowie der Schweißgeschwindigkeit in cm/ min. Sie wird wie folgt berechnet: E = U XI X 60/ v [J/ cm] Die Streckenenergie sollte bei folgenden Werten gemäß Tabelle 6.2 liegen: Tabelle 6.2: Streckenenergie bei verschiedenen Werkstoffen bei hochlegierten Stählen zwischen bei Feinkornbaustählen zwischen bei normalen Baustählen unter 10.000 und 15.000 J/ cm 15.000 und 21.000 J/ cm 36.000 J/ cm Daraus lassen sich folgende Beispiele anführen: - Werkstoff 1.4571 Blech 12 mm Drahtdurchmesser 3,0 mm U = 29 V 1 = 420 A v = 50 cm/ min. E = 14.616 J/ cm - Werkstoff STE 355 Blech 12 mm Drahtdurchmesser 4,0 mm U = 31 V 1 = 520 A v = 50 cm/ min. E = 19.344 J/ cm - Werkstoff ST 37-2 Blech 12 mm Drahtdurchmesser 4,0 mm U = 32 V 1= 750 A v = 50 cm/ min. E = 28.800 J/ cm 71 <?page no="84"?> 6.8 Freie Drahtelektrodenlänge Unter Pkt. 5.8 „Kontaktdüsenabstand" sind die einzuhaltenden Maximalabstände beschrieben. Die freie Drahtlänge hat aber nicht nur Einfluß auf die Abschmelzleistung, sondern sie beeinflußt auch den Einbrand. Der Einfluß der freien Drahtlänge ist bei Gleichstrom am größten. Bei zunehmendem Kontaktdüsenabstand wird die Abschmelzleistung zwar zunehmen, der Einbrand geht aber zurück. Bild 6.13 zeigt den Einfluß der freien Drahtlänge auf die Nahtausbildung. Eine Zunahme des Abstandes von 30 auf 45 mm verringert den Einbrand um ca. 15 %. Als Faustformel gilt hier, daß eine Zunahme des Abstandes um 1 mm den Einbrand um 1 % verringert. 30 60 mm Bild 6.13: Einfluß der freien Drahtlänge auf die Nahtausbildung 6.9 Stromart 6.9.1 Wechselstrom {AC) Wechselstrom ist vorzuziehen bei: hohen Stromstärken über 800 A hohen Stromdichten über 60 A/ mm2 bei starker Blaswirkung, z. B. bei Schweißungen in großen Spannvorrichtungen im Dauerbetrieb und beim Mehrdrahtschweißen Die Schweißtransformatoren sollen hohe Leerlaufspannungen haben, um das Zünden des Lichtbogens auch bei weniger geeigneten Schweißpulversorten zu ermöglichen. Als Nachteile des Wechselstromes ergeben sich: schlechte Zündeigenschaft, außer bei Hochfrequenzzündung geringere Lichtbogenstabilität 72 <?page no="85"?> größere Porenanfälligkeit, besonders bei hoher Geschwindigkeit höhere Wasserstoffgehalte im Schweißgut bei basischen Pulvern Als Vorteile des Wechselstromes ergeben sich: geringere Blaswirkung gegenüber Gleichstrom höhere Strombelastbarkeit des Pulvers höhere Schweißgeschwindigkeiten sind möglich höhere Abschmelzleistung ist möglich Diese Vorteile überwiegen gegenüber Gleichstrom bei Pluspolung. Bei Gleichstrom am Minuspol lassen sich noch höhere Werte erzielen. 6.9.2 Gleichstrom (DC) Gleichstrom wird überwiegend eingesetzt bei: - Stromstärken unter 900 A wenn die Blaswirkung nicht entscheidend stört Gleichstromquellen mit flacher Kennlinie lassen höchste Schweißgeschwindigkeiten zu. Vorteile des Gleichstromes bei Pluspolung sind konstanter, tiefer Einbrand beste Raupenoberfläche und -geometrie geringe Porenanfälligkeit bessere Zündeigenschaften stabile Lichtbogenlänge 6.9.3 Polung Bei Minuspolung ist der Einbrand am geringsten, die Abschmelzleistung am größsten, der Anteil des aufgeschmolzenen Grundwerkstoffes am wenigsten. Aus diesem Grunde wird die Minuspolung bei der Auftragsschweißung und zum Schweißen von Werkstoffen mit gegrenzter Schweißeignung eingesetzt. Das Verhältnis Pulverzu Drahtverbrauch ist am kleinsten und das Auflegieren durch das Pulver ist geringer. Bei Pluspolung ergibt sich der größte Einbrand, die idealste Raupenform, sowie eine optimale Nahtoberfläche. Den Einfluß der Stromart und der Polung zeigt Bild 6.14. 73 <?page no="86"?> + ".., Bild 6.14: Einfluß der Stromart und Polung 6.1 O Zusammenfassung der Einflüsse Parameter Nahtformfaktoren "zunehmend" Einbrandtiefe Nahtbreite Nahtüberhöhung Stromstärke A nimmt intensiv zu nimmt zu· nimmt intensiv zu Stromdichte nimmt zu nimmt ab nimmt zu A/ mm2 Spannung V nimmt ab nimmt zu nimmt ab Geschwindigkeit steigt an, bleibt nimmt intensiv ab nimmt ab bis 60 cm/ min. konstant, nimmt nimmt zu über 60 dann wieder ab Drahtdurchmesser nimmt intensiv ab nimmt intensiv zu nimmt ab Neigung Blech nimmt intensiv ab nimmt zu nimmt ab abwärts Neigung Blech nimmt intensiv zu nimmt ab nimmt intensiv zu aufwärts Neigung Draht nimmt intensiv ab nimmt zu nimmt ab stechend Düsenabstand nimmt gering ab nimmt zu nimmt ab bzw. zu Öffnungswinkel max. bei 60 ° nimmt zu nimmt intensiv ab Spaltbreite über6 mm nimmt zu nimmt intensiv ab nimmt intensiv zu Körnung Pulver nimmt gering ab nimmt gering zu nimmt gering ab mehr feines Korn 74 <?page no="87"?> Bild 6.15 zeigt dieVeränderung der Raupengeometrie bei Zunahme von Spannung, Stromstärke und Geschwindigkeit auf. u Badfläche R+S -- Bad breite B / Raupen höhe H "' Aufschmelztiefe T "' WEZ-Fläche / I 1 / 1 tt V 1 11. "' 1 1 starke Zunahme / Zunahme ohne Einflun "-._ Abnahme 1 starke Abnahme 1 ) ~-.-----,z Veränderung der Raupengeometrie bei Zunahme von U, I oder v Bild 6.15: Veränderung der Raupengeometrie bei Zunahme von Spannung, Stromstärke oder Schweißgeschwindigkeit 6.11 Einflüsse der Parameter auf die Nahtgeometrie Der Einsatz von teueren Schweißgeräten macht sich nur dann bezahlt, wenn Kenntnisse über die optimalen Einstellparameter vorhanden sind. Die ständige Weiterentwicklung von UP-Schweißgeräten machte eine langwierige Untersuchung über Einflüsse der Einstellparameter auf Nahtform und somit Nahtqualität bzw. Draht- und Pulververbrauch notwendig. Ziel der nachfolgend aufgezeigten Untersuchung war es, dem Praktiker die Auswirkungen der einzelnen Schweißparameter auf die Nahtform sowie den Verbrauch an Zusatzwerkstoffen zahlenmäßig und bildlich zu veranschaulichen. Stromstärke, Spannung, Schweißgeschwindigkeit, Drahtdurchmesser und Pulver sind Einflußfaktoren, denen eine besondere Bedeutung beigemessen werden muß, und die deshalb Grundlage der einzelnen Versuche waren. 75 <?page no="88"?> Ausgangsbasis für die Schweißparameter waren folgende Daten: unlegierter Werkstoff: hochlegierter Werkstoff: J = 600 A U = 29 V Draht-0 4,0 mm 1 = 420 A U = 29 V Draht-0 3,0 mm v = 50 cm/ min. Pulver LW 320 v = 50 cm/ min. Pulver LW 380 Jede der Einflußgrößen wurde während des Versuches variiert. Stromstärke Die Stromstärke ist für die Nahtgeometrie eine entscheidende Größe. Sie wirkt sich sehr stark auf die Einbrandtiefe aus, und ab einer Strombelastung von 175 A pro mm Drahtdurchmesser auch auf die Nahthöhe. Bei Versuchen führte eine Erhöhung der Stromstärke von 400 auf 800 A zu einer 4-fachen Vergrößerung des Schmelzbadvolumens. Spannung Die Spannung ist ein bestimmender Faktor für die Querschnittsfläche der Naht. Sie verändert sich bei der CP-Stromquelle in Abhängigkeit mit der Lichtbogenlänge. Bei kürzerer Lichtbogenlänge steigt die Spannung an, bei längerer Lichtbogenlänge sinkt sie ab. Die Spannung bewirkt bei Werten ab 33 V, die aber nur beim Auftragsschweißen angewandt werden sollen, eine starke Nahtbreitung. Dies ergibt einen pilzförmigen Nahtquerschnitt, der zu einer Beeinträchtigung der Biegewerte führen kann. Der Pulververbrauch und die entstehende Gasmenge in der Kaverne nehmen mit steigender Spannung zu. Es besteht auch ein direkter Zusammenhang zwischen der Entstehung von Poren sowie schlechtem Schlackenabgang und der Spannung. Eine zu kleine Spannung hat eine Überhöhung der Naht zur Folge. Schweißgeschwindigkeit Von der Schweißgeschwindigkeit ist vor allem die eingebrachte Streckenenergie abhängig. Im selben Verhältnis, wie die Schweißgeschwindigkeit erniedrigt wird, erhöht sich die Streckenenergie. Gerade bei niedrigen Schweißgeschwindigkeiten unter 20 cm/ min. wird dieser Zusammenhang durch die relativ große Wärmeeinflußzone (WEZ) deutlich sichtbar. 76 <?page no="89"?> Die Streckenenergie sollte in folgenden Bereichen liegen: hochlegierter Werkstoff - Feinkornbaustahl (nach Güte) unlegierter Werkstoff 10.000 bis 15.000 J/ cm 13.000 bis 21.000 J/ cm nicht über 36.000 J/ cm Einen großen Einfluß hat auch die Schweißgeschwindigkeit auf die Nahtbreite und bei extremen Werten auf die Nahthöhe. Die Schweißgeschwindigkeit kann nicht beliebig gesteigert werden, weil mit steigender Schweißgeschwindigkeit die Gase weniger Zeit haben, aus der Schmelze zu entweichen. Dadurch steigt die Porenanfälligkeit. Extrem niedrige Schweißgeschwindigkeiten haben einen starken Vorlauf der Schlacke mit Gefahr von Bindefehlern und deshalb eine Verminderung des Einbrandes zur Folge. Drahtdurchmesser Werden verschiedene Drahtdurchmesser mit konstanter Stromstärke und Spannung verschweißt, bedeutet dies eine Veränderung der Stromdichte. Größere Stromdichte ergibt einen höheren elektrischen Widerstand in der Drahtelektrode, dies führt zu Erwärmung des Drahtes und somit zu erhöhter Abschmelzleistung. Wird ein Draht mit 2,5 mm bei 600 A mit einer Stromdichte von 122 A/ mm2 gegenüber einem Draht mit 4,0 mm bei einer Stromdichte von 48 A/ mm2 verschweißt, so bedeutet dies eine 3-fach höhere Stromdichte, die eine um 1/ 3 höhere Abschmelzleistung bewirkt. Eine Stromdichte in dieser Höhe erzeugt sehr tiefen Einbrand und eine starke Nahtüberhöhung. Pulver Nicht unerheblich ist der Einfluß des Pulvers auf die Nahtgeometrie. Besonders beeindruckend ist dabei die Wirkung der Stromarten. Bei Pulver LW 380 und LW 610 kann das zu eklatanten Unterschieden der Einbrandtiefe bei Verwendung verschiedener Stromquellen kommen. Draht- und Pulververbrauch Das Draht-Pulver-Verhältnis gibt über die zu Schlacke erschmolzene Pulvermenge je abgeschmolzenes kg Draht Aufschluß. Der niedrigste Pulververbrauch wurde bei den agglomerierten Typen LW 610 und LW 642, sowie beim hochbasischen Pulver LW 330 festgestellt. 77 <?page no="90"?> Hochlegierte Stähle Im Prinzip gelten alle zuvor genannten Einflüsse der Schweißparameter auch für hochlegierte Stähle. Unterschiedlich im Vergleich zum unlegierten Werkstoff ist, daß keine wesentliche Nahtbreitung mit zunehmender Spannung festgestellt wurde. Außerdem wurde ein geringerer Pulververbrauch beim Typ LW 380 festgestellt. Zusammenfassung Es muß festgestellt werden, daß die empirisch ermittelten Werte, trotz gleicher Einstelldaten in verschiedenen Versuchen nicht identisch und nur innerhalb einer Toleranzbreite von mind. 5 % nach oben und nach unten reproduzierbar sind. Die nachfolgenden Tabellen sollen als Orientierungshilfe dienen, wenn auch nicht auf 1/ 10 mm oder Gramm genau, so ist doch die Tendenz zu erkennen, welchen Einfluß die einzelnen Parameter haben. Bild 6.16 zeigt das Nahtaussehen bei veränderter Schweißgeschwindigkeit, Bild 6.17 zeigt das Nahtaussehen bei verschiedenen Spannungen und Bild 6.18 zeigt den Einfluß der Stromstärke auf die Nahtausbildung. 1 10 1 lfS E -tO l .s - : 40 - ~ t ,. .50 60 10 ao Bild 6.16: Nahtaussehen bei verschiedenen Schweißgeschwindigkeiten 78 <?page no="91"?> i lfO f s b t h J1 Bild 6.17: Nahtaussehen bei verschiedenen Spannungen l 20 lfS E 10 E s ~ ----- 320 b - _., __; ..---ll h SlO Bild 6.18: Einfluß der Stromstärke auf die Nahtausbildung 79 <?page no="92"?> 6.11.1 Unlegierter Werkstoff Pulver LW 320, Draht S2 - 4,0 mm, Werkstoff St 37-2 Zwischenlagentemperatur ca. 150 °c Stromquelle mit fallender Kennlinie Tabelle 6.1: Schweißparameter und ihr Einfluß auf die Nahtgeometrie Daten Naht- Naht- WEZ- Einbrand- WEZ- Übergangs- Aufhöhe breite Breite Tiefe Tiefe Winkel mischung [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [0] [%] Einfluß der Stromstärke U=29V v = 50 cm/ min. 400A 2,5 16,2 18,2 2,6 3,6 20° 52 500A 2,1 20,4 22,4 3,9 4,8 20° 59 600A 2,6 20,2 22,2 6,3 7,3 20° 68 700A 3,3 18,3 20,0 8,3 9,3 30° 68 800A 5,0 16,6 20,0 11,3 12,5 50° 69 Einfluß der Spannung I=600A v = 50 cm/ min. 25V 2,6 18,0 19,4 5,5 6,4 25° 64 27V 2,4 20,0 22,4 6,0 7,1 23° 65 29V 2,4 21,0 22,8 6,3 7,3 23° 68 31 V 2,3 21,2 23,2 7,1 8,0 22° 70 33V 2,5 21,3 23,2 7,1 8,0 21° 73 35V 2,2 23,0 25,0 6,5 7,4 18° 71 Einfluß der Geschwindigkeit in cm/ min. I=600A U =29V 20 3,6 33,0 36,0 7,5 10,0 32° 56 35 2,7 26,3 27,9 7,5 8,9 25° 69 50 2,2 20,6 21,5 6,6 7,6 20° 65 65 2,2 18,5 19,3 6,0 7,0 18° . 69 80 2,0 16,0 17,6 5,0 6,3 15° 2 80 <?page no="93"?> Tabelle 6.2: Schweißparameter und ihr Einfluß auf die Nahtgeometrie Daten Naht- Naht- WEZ- Einbrand- WEZ- Übergangs- Aufhöhe breite Breite Tiefe Tiefe Winkel mischung [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [01 [%] Einfluß der Drahtdurchmessers I=600A U=29V v=50 cm/ min. 2,5 5,9 10,7 14,6 10,5 11,4 60° 61 3,0 3,8 14,5 17,6 8,2 9,8 35° 63 4,0 2,4 19, 1 20,7 6,4 7,7 22° 70 5,0 2,2 20,0 21,2 5,4 6,5 20° 62 6,0 2,2 21,0 23,5 4,5 6,3 20° 70 Einfluß der Stromart I=600A U=29V v=50 cm/ min. LG 2,4 20,0 22,6 5,7 6,8 22° 62 LCG 2,4 19,1 19, 1 4,8 6,0 22° 72 LT 2,4 16,5 19,7 5,6 7,0 22° 65 81 <?page no="94"?> 6.11.2 Hochlegierter Werkstoff Pulver LW 380, Draht L 308-UP - 3,0 mm, Werkstoff 1.4501 Zwischenlagentemperatur ca. 150 °C Stromquelle mit fallender Kennlinie Tabelle 6.3: Schweißparameter und ihr Einfluß auf die Nahtgeometrie Daten Naht- Naht- WEZ- Einbrand- WEZ- Übergangs- Aufhöhe breite Breite Tiefe Tiefe Winkel mischung [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [o] [%] Einfluß der Stromstärke U=29V v = 50 cm/ min. 320A 2,0 15,5 17,0 2,4 3,0 18° 51 420A 2,4 17,6 19,3 5,0 5,4 24° 53 520A 3,5 15,9 16,4 7,1 7,7 33° 63 Einfluß der Spannung 1= 420A v = 50 cm/ min. 27V 2,3 17, 1 18,8 3,8 4,3 21° 58 29V 2,5 17,3 19,3 4,3 4,8 23° 61 31 V 2,4 18,2 19,6 4,7 4,9 22° 59 33V 2,5 17,2 18, 1 5,7 6,0 24° 64 Einfluß der Geschwindigkeit in cm/ min. 1 = 420 A U =29V 40 2,7 19,5 21,5 4,7 5,3 25° 58 50 2,4 17,9 19,3 5,3 5,7 23° 63 60 2,3 15,0 16,2 4,1 4,5 22° 61 70 2,1 14,5 15,5 3,6 4,0 20° 61 80 1,8 13,3 14,5 3,4 3,7 17° 75 82 <?page no="95"?> 6.11.3 Draht- und Pulververbrauch bei hochlegiertem Werkstoff Tabelle 6.4: Draht- und Pulververbrauch in kg/ h Daten Draht- Pulver- Draht-Pulververbrauch verbrauch Verhältnis Einfluß der Stromstärke U =29V v = 50 cm/ min. 320A 5,18 4,58 1: 0,88 420A 7,25 4,99 1: 0,69 520A 9,35 5,25 1: 0,56 Einfluß der Spannung 1 = 420 A v = 50 cm/ min. 27V 6,90 4,41 1: 0,64 29V 6,93 5,22 1: 0,75 31 V 6,87 5,87 1: 0,85 33V 6,90 6,41 1: 0,93 Einfluß der Geschwindigkeit 1 =420A U =29V 40 6,84 4,66 1: 0,68 50 6,65 5,37 1 : 0,81 60. 6,56 5,47 1: 0,83 70 6,65 5,89 1 : 0,89 80 6,53 6,76 1: 0.88 83 <?page no="96"?> 6.11.4 Einfluß des Pulvers und der Stromart Draht S2 - 4,0 mm, Werkstoff St 37-2 Zwischenlagentemperatur ca. 150 °c Parameter: 1 = 600 A, U = 29 V, v = 50 cm/ min. Tabelle 6.5: Einfluß des Pulvers und der Stromart auf die Nahtgeometrie Pulver Naht- Naht- WEZ- Einbrand- WEZ- Übergangs- Aufhöhe breite Breite Tiefe Tiefe Winkel mischung . [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [o] [%] Stromquelle LG 1100-1 (DP-Charakteristik) fallende Kennlinie LW280 2,2 17,0 19,5 5,6 7,6 21° 67 LW320 2,4 19,0 21,6 5,4 7,4 25° 61 LW330 3,0 19,6 22,7 6,9 8,5 26° 67 LW380 2,5 18,5 21,2 7,3 8,4 21° 69 LW610 2,9 17,5 20,0 6,6 8,6 27° 65 LW642 2,4 19,2 22,0 7,2 8,7 22° 66 Stromquelle LCG 800-1 (CP-Charakteristik) konstante Kennlinie LW280 2,4 18,0 20,4 5,7 7,0 20° 63 LW320 2,9 19,6 23,0 5,4 6,9 27° 54 LW330 2,1 17,0 20,0 5,3 6,6 20° 65 LW380 2,5 15,2 19,4 7,0 8,2 25° 66 LW610 2,3 16,0 19,2 3,7 5,5 22° 50 LW642 2,4 18,4 21,7 6,0 7,6 22° 65 Stromquelle LT 1200-1 (Wechselstrom) LW280 2,2 16,7 20,0 5,4 6,6 18° 60 LW320 2,1 18,0 21,0 5,2 6,6 16° 68 LW330 3,3 16,7 20,0 4,9 6,3 31° 51 LW380 3,2 12,8 17,0 7,6 8,1 30° 71 LW610 2,7 18,5 21,6 5,1 6,8 25° 55 LW642 3,4 15,7 18,5 6,3 7,2 32° 56 84 <?page no="97"?> 6.11.5 Draht- und Pulververbrauch bei verschiedenen Stromquellen Draht S2 - 4,0 mm, Werkstoff St 37-2 Zwischenlagentemperatur ca. 150 °c Parameter: 1 = 600 A, U = 29 V, v = 50 cm/ min. Tabelle 6.6: Draht- und Pulververbrauch in kg/ h Pulver LW280 LW320 LW330 LW380 LW610 LW642 LW280 LW320 LW330 LW380 LW610 LW642 LW280 LW320 LW330 LW380 LW610 LW642 LCG 800-1 LG 1100-1 Drahtverbrauch in kg/ h 6,95 6,98 7,58 7,16 6,39 7,16 6,51 6,81 7,46 6,81 7,93 7,58 Pulververbrauch in kg/ h 7,84 8,85 6,07 6,70 7,61 5,86 8,14 7,89 5,91 6,86 6,39 5,54 Draht-Pulver-Verhältnis 1 : 1, 13 1 : 1,25 1 : 1,27 1 : 1,16 1: 0,80 1: 0,79 1: 0,94 1 : 1,01 1 : 1, 19 1 : 0,81 1: 0,82 1: 0,73 LT 1200-1 6,04 6,63 8,29 6,81 8,40 9,06 9,31 8,63 6,52 7,46 7,10 5,71 1 : 1,54 1 : 1,30 1: 0,79 1 : 1,10 1: 0,84 1: 0,63 85 <?page no="98"?> 6.11.6 Übersicht der eingesetzten Schweißpulver LW280 DIN 32 522 FCS 1 65 AC 9 M HPS Glasartig erschmolzenes Calzium-Silikat-Pulver mit leicht basischer Charakteristik zum Schweißen niedriglegierter und warmfester Stähle, besonders für dickwandige Bauteile, Schweißgut mit niedrigem Wasserstoffgehalt. LW320 DIN 32 522 FAB 1 58AC8 M Glasartig erschmolzenes aluminatbasisches Pulver zum Schweißen niedriglegierter Stähle, warmfester Stähle und von Feinkornbaustählen bis StE 500 mit kontrolliertem Wasserstoffgehalt von max. 5 ml/ 1 00g niedergeschmolzenes Metall. LW330 DIN 32 522 FFB 1 54 DC 10 Erschmolzenes fluoridbasisches Pulver zum Schweißen von warmfesten Stählen und Feinkornbaustählen bis StE 500, hochfeste Feinkornbaustähle wie N-AXTRA 70 und HY 80 sowie 20 MnMoNi 5 5. LW380 DIN 32 522 FCS 6 63346 DC 9 K Erschmolzenes Calzium-Silikat-Pulver zum Verbindungs- und Auftragsschweißen von warmfesten, nichtrostenden und hitzebeständigen Stählen sowie für Schwarz-Weiß-Verbindungen. LW610 DIN 32 522 BAR 1 76 AC 8 SK Agglomeriertes Aluminat-Rutil-Pulver zum Schweißen un- und niedriglegierter Stähle sowie warmfester Stähle bis 25 mm Dicke. LW642 DIN 32 522 BAB 1 75 AC 8 SKM Agglomeriertes aluminatbasisches Pulver zum Schweißen un- und niedriglegierter Stähle bis StE 355 sowie warmfester Stähle. 86 <?page no="99"?> 7. Fehler beim UP-Schweißen 7.1 Vorbemerkung UP-Schweißen ist ein sehr wirtschaftliches und qualitativ hochwertiges Schweißverfahren, wenn die Schweißparameter richtig gewählt werden, und geeignete Draht-Pulver-Kombinationen Anwendung finden. Es können aber auch bei der Anwendung Schweißfehler entstehen. Die Kenntnisse über die Entstehung und Vermeidung von Fehlern sollen Kosten und Ärger vermeiden helfen. Nachfolgend werden Fehler behandelt, die unmittelbar mit den gewählten Parametern bzw. mit dem Schweißprozeß zusammenhängen. Fehler, die aufgrund ungünstiger Draht-Pulver-Kombinationen entstehen, werden nicht behandelt. 7.2 Poren Porosität und Gaseinschlüsse können verursacht werden durch zu wenig, zu feines, zu feuchtes oder stickstoffhaltiges Pulver ungenügende Sauberkeit der Metalloberfläche verunreinigte oder unpassende Handgegenlage ungenügenden Einbrand bei Zweilagenschweißung ungünstige Nahtvorbereitung, z. B. zu großer Luftspalt zu hohe Spannung und zu hohe Schweißgeschwindigkeit zu wenig Desoxidationsmittel im Draht (Mn, Si, Al) schlecht desoxidierte Bleche - Gase, Verunreinigungen und Feuchtigkeit zu schnelles Erstarren des Schweißbades magnetische Blaswirkung Poren können vermieden werden durch Entfernen der Gasebildnerwie Wasserstoff im Rost, organischen Stoffen (Farben) usw., sowie durch Erhöhen der Schweißbadtemperatur. Auch das Reinigen und Trocknen des Schweißbereichs verhindert Poren. Die Bilder 7 .1 bis 7.4 zeigen typische Arten von Poren, die beim UP-Schweißen entstehen können. 87 <?page no="100"?> Bild 7.1: Poren durch feuchtes Pulver Bild7.2: Poren durch feuchte und rostige Bleche Bild 7.3: Poren infolge einer manuellen Schweißraupe Bild 7.4: Poren in Form eihes Gaskanals 88 <?page no="101"?> 7.2.1 Einzelporen und Porenketten Einzelporen und Porenketten in Nahtmitte, die von der Wurzel ausgehen und die Naht durchbrechen, werden verursacht durch Rost, Schmutz und Feuchtigkeit im Schweißbereich. Abhilfe - Schweißkanten und Schweißbereich von Rost, Schmutz, Öl und Feuchtigkeit säubern durch mechanische Bearbeitung - Nahtfuge und Blechoberfläche des Schweißbereichs abflämmen, dabei Rost und Wasserhaut beseitigen und Werkstück anwärmen bei unterkühlten Blechen unter 10 °C gegebenenfalls mit voreilendem Brenner anwärmen feuchte Schweißpulver trocknen, und nur mit warmen Pulvern schweißen - Schweißpulver trocken lagern bei mindestens 18 °C und einer max. Luftfeuchte von 60 %. feuchtigkeits- und rostunempfindliche Pulver verwenden - Schweißgeschwindigkeiten reduzieren soweit möglich, um ein größeres Schweißbad zu bekommen, das leichter ausgasen kann, bzw. ein Pulver mit Schnellschweißeigenschaften verwenden - Drahtelektroden mit höherem Si-Gehalt (z. B. S2Si) verwenden 7.2.2 Reihenporen beim Schweißen in Einspannvorrichtungen Reihenporen entstehen hauptsächlich durch die Blaswirkung. Abhilfe - Masseanschlüsse kontrollieren, evt. Masse aufteilen, der Lichtbogen soll nach vorne weg blasen, nicht auf das Bad - Unterlegschiene nicht als Masse benutzen - Schweißspannung und Pulverschütthöhe so klein wie möglich halten, wenn möglich, größeren Drahtdurchmesser verwenden - Wechselstrom anstelle von Gleichstrom einsetzen 7.2.3 Reihenporen in Nahtmitte Es gibt Reihenporen in der Nahtmitte, die von der Wurzel ausgehen, aber oft nicht zur Oberfläche durchdringen. Außerdem kommen Reihenporen vor, die durch E-Handgeschweißte Unterlagen sowie durch poröse MAG-Wurzelnähte entstehen können. 89 <?page no="102"?> Ursache ist hier oft die zu niedrige Temperatur des Schweißbades an der Stoßstelle, aber auch die Reaktionen mit der Schlacke der Elektrodenumhüllung. Ursache kann auch der zu geringe Einbrand in die unteren Schweißlagen sein, bzw. die Bildung von Kohlenmonoxid im Schweißgut. Abhilfe die Einbrandtiefe der UP-Schweißung in die von Hand geschweißte Badsicherung muß erhöht werden - Einbrand sollte mindestens 2,5 mm betragen, wenn nötig ist die Anzahl der Lagen der Handschweißung zu erhöhen - Auswahl geeigneter Elektrodenumhüllungen - Elektroden vortrocknen - MAG-Schweißung ist der E-Hand-Schweißung vorzuziehen, weil durch MAG keine gasebildenden Schlacken im Spalt zurückbleiben wenn nur E-Hand-Schweißung möglich ist, Spalt sauber und rückstandsfrei ausfugen niedrige Schweißgeschwindigkeit, damit Bad ausgasen kann 7.2.4 Örtliche Porennester und Fächerporen Örtliche Porennester und Fächerporen an der Oberfläche entstehen infolge der Einwirkung der Umgebungsatmosphäre durch nicht ausreichende Pulverabdeckung, wenn der Lichtbogen durchschlägt, bzw. bei Störungen in der Pulverförderung. Abhilfe - Pulverschütthöhe vergrößern, Pulverförderschwierigkeiten beseitigen und auf gleichmäßige Pulverförderung achten 7 .2.5 Poren bei der Gegenlage Poren bei der Gegenlage entstehen durch unzureichenden Einbrand, durch die im Spalt verbleibenden Gase, bzw. bei mangelhafter Bindung Abhilfe höhere Stromstärke wählen, langsamer schweißen, bzw. kleineren Drahtdurchmesser einsetzen, um eine höhere Stromdichte zu bekommen beiTandem-Schweißung eine Drahtelektrode mit Gleichstrom Pluspol und die andere mit Wechselstrom verschweißen 90 <?page no="103"?> 7.3 Schlackeneinschlüsse 7.3.1 Schlackeneinschlüsse und Schlackenanhäufungen Schlackeneinschlüsse entstehen durch nicht aufgeschmolzenes Pulver oder Umhüllung, bzw. durch Walzzunder. Schlackenanhäufung entsteht durch vorgelaufene Schlacke. Abhilfe die Parameter sind so zu wählen, daß der Lichtbogen stets das Pulver bzw. die Umhüllungsreste sowie vorhandene Verunreinigungsreste erfaßt der Einbrand des Lichtbogen darf nicht durch Vorlaufen des Bades bzw. durch Blaswirkung vermindert werden leicht Bergaufschweißen, bei Rundnähten wenigerVoreilung, bzw. schneller schweißen, um den Einbrand zu erhöhen 7.3.2 Schlackenzeilen Schlackenzeilen werden verursacht durch falsche Raupenanordnung beim Mehrlagenschweißen. Außerdem, wenn die Wurzellage nicht richtig durchgeschweißt wurde. Bei steilen Fugen und bei Kehlnähten kann die Schlacke zudem eingeklemmt werden. Abhilfe - Winkel und Kerben zwischen den einzelnen Lagen vermeiden bei Kehlnähten ist, wenn möglich, in Wannenlage zu schweißen bei Stumpfnähten Spannung erhöhen, Stromstärke und Schweißgeschwindigkeit senken bei schmalen Fugen niedrigere Spannung wählen, evt. auch Stromstärke reduzieren bei Tandem-Schweißung an beiden Drähten Spannung erhöhen 7.4 Risse Risse im Schweißgut können verursacht werden durch: mangelhafte Heftstellen oder zu großen Spalt zu niedrige Spannung, zu hohen Strom, zu großen Einbrand falsch gepolte Elektrode (+Pol}, falsche Neigung der Elektrode ungeeignete Draht-Pulver-Kombinationen (Mn < 1,7 x Si} 91 <?page no="104"?> falsche Schweißfolge schlechte Spannvorrichtung zu geringe Vorwärmung schlechten Masseanschluß zu hohe Aufmischung mit dem Grundwerkstoff Die Bilder 7.5 bis 7.11 zeigen typische Risse im UP-Schweißgut. Bild 7.5: Warmrisse in der Stumpfnaht Bild 7.6: Risse in einer Kehlnaht Bild 7.7: Längsriß in einer Kehlnaht Bild 7.8: Riß durch verunreinigten Grundwerkstoff 92 <?page no="105"?> Bild 7.9: Heißrisse bei austenitischem Werkstoff Bild 7.10: Erstarrungsriß in der ersten Gegenlage a: ungünstige- Raupt-nform b: günstige Raupenform _E__ > 1 t Bild 7.11: Kristallisation bei verschiedenen Raupenformen 93 <?page no="106"?> 7.4.1 Heißrisse längs zur Naht Heißrisse längs in Nahtmitte oder längs der Kristallisationsfront haben ihre Ursache in einer falschen Nahtgeometrie. Ebenso können Aufmischungen oder Entmischungen dafür verantwortlich sein. Sie können auch entstehen durch Bewegung der Bleche beim Erstarren des Schweißbads. Abhilfe die Bleche sind gut zu heften, während des Schweißens ist jede Bewegung und Erschütterung zu vermeiden zu hohe Aufmischung bei Grundwerkstoffen mit Schwefel-Seigerungen vermeiden, z. B. durch Mehrlagenschweißung - Nahtform ändern, Breite zu Tiefe mindestens 1,2: 1 sowie Verhältnis Mn/ Si größer 2: 1, Mo-legierten Zusatz verwenden pilzförmige Nahtquerschnitte vermeiden, bei Kehlnähten hohle Naht und zu großen Abstand zwischen den Blechen vermeiden - Schweißgeschwindigkeit verringern, um größeres Bad zu erhalten, damit das Bad nicht so rasch abgekühlt wird 7.4.2 Heißrisse quer zur Naht Heißrisse quer zu Naht entstehen durch Aufhärtung und Spannungen. Abhilfe der Legierungsgehalt, besonders der Mn- und C-Gehalt des Schweißguts ist zu hoch, evt. falsche Draht-Pulver-Kombination wenn möglich, eine niedriger legierte Elektrode verwenden, bzw. ein Pulver, dessen Zubrand niedriger ist - Zwischenlagentemperatur und Vorwärmung erhöhen äußere Spannungen oder Erschütterungen, die die Schweißnaht während der Erstarrung auf Zug belasten, vermeiden - Schweißgeschwindigkeit und Schweißspannung erniedrigen 7.4.3 Endkraterrisse, Risse in der Wurzellage Endkraterrisse und Risse in der Wurzellage entstehen durch Spannungen und mangelhafte Haftung der Bleche. Abhilfe - Wurzel mehr öffnen durch größeren Öffnungswinkel 94 <?page no="107"?> bereits beim Heften vorwärmen und Heftstellen vergrößern bei Rohr- und Behälterschüssen vor dem Ende unterbrechen und in Gegenrichtung fertigschweißen - Krater auffüllen, durch Anhalten ohne Stromabschaltung 7.4.4 Erstarrungsrisse, Lunkerrisse Erstarrungsrisse bzw. Lunkerrisse entstehen durch eine ungünstige Nahtform, und zu hohe Stromstärke im Verhältnis zur Spannung. Sie können auch durch niedrigschmelzende Phasen im Schweißgut verursacht werden. Dies ist vor allem bei höherem Kohlenstoffgehalt und bei austenitischem CrNi- Stahl der Fall. Abhilfe höhere Spannung, niedrigere Stromstärke wählen - Drahtelektrode stechend anstellen und schneller schweißen - Verhältnis Breite zu Tiefe der Raupe größer als 3: 2 wählen - Fugenöffnungswinkel vergrößern - Mangan-Silikat-Pulver benutzen 7.4.5 Spannungsrisse beim Einlageschweißen Abhilfe - Spannungsrisse beim Einlagenschweißen können durch Vorwärmen vermieden werden. Feuchtigkeit am Werkstück bzw. im Schweißpulver muß beseitigt werden 7.4.6 Spannungsrisse beim Mehrlagenschweißen Abhilfe - Spannungsrisse beim Mehrlagenschweißen können vermieden werden, indem man die Draht-Pulver-Kombination der Festigkeit des Grundwerkstoffes anpaßt und das Auflegieren durch Elemente des Grundwerkstoffes mitberücksichtigt - Vorwärmung und Zwischenlagentemperatur sind passend zum Schweißgut und zur Dicke des Querschnittes zu wählen die Abkühlung soll langsam erfolgen, evt. sind die geschweißten Teile noch aus der Schweißwärme heraus auf Spannungsarmglühtemperatur langsam aufzuheizen 95 <?page no="108"?> 7.4.7 Korngrenzenrisse Korngrenzenrisse entstehen durch Spannungen und grobstengeliges Gefüge im Schweißgut. Abhilfe durch Wahl einer geeigneten Nahtform mit Verhältnis Breite zu Tiefe größer 3: 2 durch die Mehrlagenschweißung kann man gute Ergebnisse erzielen 7.4.8 Kaltrisse Kaltrisse entstehen meist durch Aufhärtung des Schweißgutes bzw. derWärmeinflußzone. Abhilfe - Vorwärmung, kleinere Drahtdurchmesser, langsamer Schweißen - Abkühlgeschwindigkeit herabsetzen - Draht-Pulver-Kombination wählen, die Schweißgut mit erhöhtem Formänderungsvermögen ergibt - Wasserstoffarmglühen bei 250 °C / 2h, um Wasserstoffgehalt zu reduzieren 7.4.9 Wasserstoffrisse Wasserstoffrisse entstehen durch Feuchtigkeit. Abhilfe die Pulver sind zu trocknen, die Fugenkanten und Umgebung der Schweißnaht ist abzuflämmen, bei Kehlnähten ist der Wurzelspalt zu verkleinern 7.5 Nahtformfehler Mangelhafte Nahtoberfläche kann entstehen durch: falschen Masseanschluß, verschmutzte Kontaktbacken rutschenden oder unregelmäßigen Drahtvorschub zu hohe Pulverlage, zu grobes Pulver, feuchtes Pulver oder Blech falsche Schweißgeschwindigkeit, falschen Strom und Spannung zu großen Luftspalt, falsche Nahtvorbereitung ungünstige Gegenlage 96 <?page no="109"?> Die Bilder 7.12 bis 7 .15 zeigen typische Nahtformfehler. Die Bilder 7.16 und 7.17 dagegen zeigen sauber geschweißte UP-Nähte. Bild 7.12: Einfluß zu hoher Pulveraufschüttung Bild 7.13: Nicht durchgeschweißte UP-Naht 97 <?page no="110"?> Bild 7.14: Nicht durchgeschweißte Naht Bild 7.15: Nicht durchgeschweißte 1-Naht Bild 7 .16: Fehlerfreie Lage-Gegenlage-Schweißung Blech 20 mm 7.5.1 Nahtüberhöhung zu groß Eine zu große Nahtüberhöhung entsteht häufig, wenn die Breitenwirkung des Lichtbogens zu gering ist, und wenn ein zu geringer Spalt bei einseitiger 1-Naht gewählt wurde. 98 <?page no="111"?> Bild 7.17: Fehlerfreie Mehrlagen-Schweißung Blech 20 mm Abhilfe durch mehr Spannung, weniger Strom und höhere Schweißgeschwindigkeit wird die Naht flacher durch Wahl einer Kantenvorbereitung mit Fugenöffnungswinkel von 60° oder größer wird die Naht flacher durch einen größeren Drahtdurchmesser wird die Nahtüberhöhung geringer 7.5.2 Naht zu flach Wenn zuwenig Schweißgut eingebracht wird, ist die Naht zu flach, bzw. sie wird hohl. Abhilfe durch mehr Strom, weniger Spannung und kleinere Schweißgeschwindigkeit ergibt sich eine höhere Naht durch kleineren Fugenöffnungswinkel läßt sich eine Naht mit leichter Überhöhung erzielen 7.5.3 Rauhe Naht Eine rauhe Naht wird verursacht durch die Lichtbogenwirkung, den Masseanschluß sowie durch Pulverfeuchtigkeit. 99 <?page no="112"?> Abhilfe - Kontrolle und saubere Befestigung des Masseanschlußes die Verwendung von feinerem und trockenem Pulver - Reduzierung der Pulverschütthöhe - Verwendung einer größeren Drahtelektrode 7.5.4 Ungleiche Nahtbreite Ungleiche Nahtbreite entsteht durch schlechten Stromkontakt, wenn der Drahtvorschub nicht konstant erfolgt, oder durch ruckartigen Werkstücktransport auf der Rollvorrichtung. Abhilfe die Drahtförderung muß durch richtiges Einstellen der Richt- und Förderrollen optimiert werden die Stromzuführung und der Masseanschluß sind zu überprüfen und wenn nötig zu verbessern die Abschmelzgeschwindigkeit des Schweißdrahtes muß innerhalb des Regelbereichs der Drahtförderung liegen, damit die Spannung regelbar bleibt der Antrieb des Fahrwerks bzw. der Rollvorrichtung muß ruckfrei laufen 7.5.5 Naht zu schmal Eine zu schmale Naht wird durch einen schlechten Massekontakt, durch zu hohe Joul'sche Wärme, und durch die Lichtbogenwirkung verursacht. Abhilfe der Masseanschluß ist zu verbessern die Spannung ist zu erhöhen man sollte langsamer schweißen notfalls die freie Drahtlänge verkleinern 7.5.6 Fischgräten und Gasabdrücke auf der Raupe Fischgräten und Gasabdrücke auf der Raupe entstehen in erster Linie durch feuchtes Pulver, aber auch bei basischen Pulvern oder bei Pulvern mit zu feiner Körnung. Die Gasabdrücke haben keinen Einfluß auf die Güte und Festigkeit der Schweißnaht. 100 <?page no="113"?> Abhilfe das Schweißpulver muß getrocknet werden, evt. ist das Blech vorzuwärmen die Pulverschütthöhe ist zu reduzieren, die Stromstärke zu erhöhen, damit die Pulverschlacke länger flüssig und durchlässig für die Gase bleibt 7.5.7 Zu geringer Einbrand Zu geringer Einbrand ist von der Lichtbogenwirkung abhängig. Unregelmäßigkeiten der Durchschweißung können verursacht werden durch: schlechte Nahtvorbereitung, schlecht positioniertes Werkstück ungünstige Wahl von Schweißstrom und Schweißspannung rutschenden Drahtvorschub, schlechte Drahtführung schlechten Masseanschluß falsche Pulverkörnung schlechte Heftstellen Abhilfe die Stromstärke ist zu erhöhen bei Stumpf- und Kehlnähten die Spannung erniedrigen - Drahtelektrode an Pluspol verschweißen freie Drahtlänge verkürzen - Fugenöffnungswinkel vergrößern schleppend schweißen, bei Rundnähten geringere Voreilung kleineren Drahtdurchmesser verwenden schneller schweißen, wenn Geschwindigkeit unter 20 cm/ min. 7.5.8 Zu hoher Einbrand, Schweißbad fällt durch Zu hoher Einbrand mit Durchfallen des Schweißbads hängt von der Lichtbogenwirkung und der Nahtvorbereitung ab. Abhilfe - Spannung erhöhen, dadurch wird Einbrand vermindert - Stromstärke verringern - Schweißgeschwindigkeit erhöhen stechend schweißen, bei Rundnähten mit mehr Voreilung 101 <?page no="114"?> - Öffungswinkel verkleinern größeren Steg wählen oder Luftspalt verkleinern ungleichmäßige Nahtvorbereitung korrigieren - Wurzellagen verstärken 7.5.9 Einbrandkerben Einbrandkerben entstehen durch einen ungeeigneten Drahtabstand und falsche Drahtanstellung, bzw. wenn zu wenig Schweißgut abgeschmolzen wird. Abhilfe bei Kehlnähten Drahtabstand zum senkrechten Blech vergrößern Abstand sollte ca. halben Drahtdurchmesser betragen - Drahtanstellung korrigieren - Spannung und Stromstärke senken - Schweißgeschwindigkeit verkleinern größeren Drahtdurchmesser, feineres Pulver wählen 7.6 Bindefehler Bindefehler in Form von Flankenbzw. Lagebindefehler kommen beim UP- Schweißen sehr selten vor. Andere Bindefehler können entstehen durch eine Kaltschweißstelle, durch vorgelaufenes Schweißgut, durch nichtaufgeschmolzenes Pulver oder durch die Blaswirkung des Lichtbogens. Abhilfe bei Flankenbindefehler, bergaufschweißen, Voreilung erhöhen bei Fehler im Wurzelbereich, Einbrand erhöhen und Masseanschluß optimieren, so daß der Lichtbogen in Schweißrichtung bläst auf genaue Nahtführung achten, Lichtpunktwerfer oder Fühler genau justieren 7.7 Schwierige Schlackenentfernbarkeit Stahl und Schweißpulverschlacke haben stark unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und verschiedenartige Erstarrungstemperaturen. 102 <?page no="115"?> Eine schwer zu entfernende Schlacke hängt von der Pulversorte ab. Außerdem kann eine ungünstige Nahtform, und ungünstige Schweißparameter Ursache dafür sein. Abhilfe - Schlacke vollkommen erkalten lassen - Fügenöffnungswinkel vergrößern - Schweißgeschwindigkeit erhöhen mit weniger Strom und weniger Spannung schweißen, d. h. Schweißparameter optimieren bei Kehlnähten Anstellung des Schweißdrahtes verändern - Schlacke stoßartig entfernen 103 <?page no="116"?> 8. Schweißnahtvorbereitung Beim UP-Schweißen werden als Verbindungsarten eingesetzt: - Stumpfstoß - Überlappstoß - Kehlnahtstoß - Ecknahtstoß Neben diesen Stoßarten gibt es noch einige weitere Arten, auf die hier jedoch nicht im einzelnen eingegangen wird. 8.1 Richtlinien für die Fugenvorbereitung Richtlinien für die Schweißnahtvorbereitung beim UP-Schweißen sind in DIN 8551 Teil 4 genormt. Die Fugenformen gelten für durch UP-Schweißen angeschlossene Querschnitte. Als Werkstoffe kommen unlegierte, niedriglegierte und hochlegierte Werkstoffe in Betracht. Bei hochlegierten Stählen ist es günstiger, den Fugenöffnungswinkel zu vergrößern, da aufgrund der höheren Abschmelzleistung sonst zu große Nahtüberhöhungen entstehen können. Als Schweißzusatzwerkstoffe kommen solche nach DIN 8557 für un- und niedriglegierte Stähle, nach DIN 8575 für warmfeste Stähle in Frage. Für hochlegierte Stähle werden Zusatzwerkstoffe nach DIN 8556 eingesetzt. Die Schweißnähte werden einseitig oder beidseitig mit Gleich- oder Wechselstrom geschweißt. Als Schweißpositionen werden nur die waagrechte (PA), die horizontale (PB) und die Quer-Position (PC) angewendet. Bei Kehlnähten kommen nur die waagrechte (PA) und horizontale (PB) Position zur Anwendung. 104 <?page no="117"?> 8.2 Badsicherungen Beim UP-Schweißen wird hauptsächlich der Stumpfstoß und die Kehlnaht angewendet. Der Stumpfstoß wird unterteilt in: einseitig geschweißt gegen Unterlage einseitig geschweißt gegen Handschweißung - Lage-/ Gegenlageschweißung einlagig - Lage-/ Gegenlageschweißung mehrlagig - Mehrdrahtschweißung Je nach Wanddicke verwendet man 1-, V-, Y-, DV-, DY- und U-Nahtformen. Die jeweilige Nahtform soll die Einhaltung der zulässigen Nahtüberhöhung sowie eine einwandfreie Durchschweißung ermöglichen. Kehlnähte werden grundsätzlich ohne Badsicherung in Wannenlage (PA) oder in horizontaler Lage (PB) geschweißt. In PA-Position werden größere a-Maße erzielt als in PB-Position. In PB-Position können a-Maße von max. 6 mm in einer Lage geschweißt werden. Überlappnähte können nur in horizontaler Position (PB) geschweißt werden. Ecknähte werden in der Regel in waagrechter Position (PA) geschweißt. 8.2.1 UP-Schweißen gegen Unterlage Beim UP-Schweißen unterscheidet man zwischen anschmelzender und nichtanschmelzender Unterlage. Anschmelzende Unterlage Ein Flacheisen, das einfach unter den Stoß gelegt wird, kann eine einfache anschmelzende Unterlage sein. Diese muß nicht durchgehend angeschweißt sein. Wenn es aus Gründen des Korrosionsschutzes vertretbar ist, reicht es auch aus, das Flacheisen gut anzuheften. Bild 8.1 zeigt eine V-Nahtvorbereitung mit anschmelzender Unterlage. Die Nahtform wird auch als Dreiblechstoß bezeichnet, wenn anstelle des Flacheisens ein Bauteil (Profil) mit angeschweißt wird. Diese Nahtformen finden im Behälter-, Apparate- und Silobau jedoch kaum Anwendung. Gerade bei statisch hoch belasteten oder dynamisch belasteten Schweißnähten muß die angeheftete und angeschweißte Unterlage wieder abgearbeitet werden, da an diesen Stellen der Kraftfluß gestört ist, bzw. hier sind in der Regel gefährliche Kerben vorhanden. Ein Abarbeiten der Unterlage ist meistens unwirtschaftlich. 105 <?page no="118"?> Flacheisen-Unterlage Bild 8.1: V-Nahtvorbereitung mit anschmelzender Unterlage Nicht anschmelzende Unterlagen Dies sind Kupferunterlagen, Schweißpulverunterlagen und Kupferschienen mit Schweißpulverauflage. - Kupferschienen Kupferschienen haben unterschiedliche Nutformen. Sie werden je nach geforderter Wurzelausbildung und Unternahtoberfläche eingesetzt. Um eine gleichmäßige, glatte Oberfläche der Unterraupe zu erhalten, muß die Kupferschiene sehr gut am zu schweißenden Werkstück anliegen. Die Parameter sind so zu wählen, daß die Naht voll und vor allem kerbfrei durchgeschweißt wird. Mit 1-Stoß gegen Kupferschiene lassen sich sichere Durchschweißungen nur bis ca. 8 mm Blechdicke erreichen. Bei mehr als 6 mm wird eine V-Naht gegen Kupferschiene empfohlen. Bild 8.2 zeigt die Nahtform des 1-Stoßes gegen Kupferschiene. Wassergekühlte Kupferschienen erfordern eine konstante Wassertemperatur. Wechselnde Wärmeableitung kann zu verschiedenen Gefügeausbildungen, Aufhärtungen, Rissen und Lunkerbildung führen. Bei zu großem Spalt und zu tiefem Einbrand kann durch Anschmelzen der Kupferschiene Lötbrüchigkeit und damit Querrisse in der Wurzel entstehen. Eine Verschmelzung mit Stahl findet nicht statt, wenn die Kontaktstellentemperatur kleiner als 1000 °C ist. 106 <?page no="119"?> ~ Cu-Unterlage Bild 8.2: 1-Stoß beim Schweißen gegen Kupferschiene Die Einseiten-Schweißung verursacht bzw. benötigt bei steigenden Blechdicken ein ansteigendes Füllvolumen. Dadurch ergeben sich ungünstige Verhältnisse der Nahtbreite zur Nahthöhe. Diese ungünstige Erstarrung führt zu Schweißfehlern, wie Warmrissen oder Seigerungen. Abhilfe kann hier das Mehrdraht-Verfahren schaffen. Bei der Eindraht-Schweißung wird aus diesem Grunde schon bei geringen Bleckdicken auf die Zweiseiten-Schweißung (Lage und Gegenlage) übergegangen. - Pulverunterlagen und Pulverkissen Pulverunterlagen und Pulverkissen dienen auch als Badsicherung. Das Pulver wird auf oder in ein Profil geschüttet, das Werkstück wird dann durch das Eigengewicht dagegengedrückt. Der richtige Anpreßdruck ist wichtig für die Nahtform. Ist der Anpreßdruck zu gering, wird die Naht überhöht und damit unbrauchbar. Bei zu hohem Anpreßdruck erhält man eine hohle Raupe, die evt. nachgeschweißt werden muß. Besonders wichtig ist auch die Auswahl eines geeigneten Pulvers, das vor allem die richtige Korngröße haben muß. Erfolgreiche Durchschweißungen sind jedoch nur bei dünnen Blechen und bei niedrigen Stromstärken möglich. Mit steigender Stromstärke wird eine exaktere Nahtvorbereitung erforderlich, zudem muß die Schweißführung genauer erfolgen. Die Unterraupe bildet sich jedoch kaum mehr gleichmäßig aus. Aus diesem Grunde ist diese Art der Badsicherung seltener. 107 <?page no="120"?> Bild 8.3 zeigt verschiedene Arten von Schweißbadsicherungen mit Kupferschienen und Pulverunterlagen. Bild 8.3: Arten von Schweißbadsicherungen 8.2.2 UP-Schweißen gegen Handlage Wenn das UP-Schweißen in Lage und Gegenlage nicht möglich, unsicher oder unwirtschaftlich ist, so wird UP nur von einer Seite geschweißt. Die zuerst geschweißte Lage wird mit E-Hand-Schweißung oder mit MAG- Schweißung vorgeschweißt, um für die Gegenlage (UP-Schweißung) eine geschlossene Unterlage zu schaffen. Der Stoß der Handgegenschweißung ist unbedingt mit Spalt auszuführen, damit es zu keinen Rissen kommt. Die Handschweißung soll nicht nur einen sauberen Abschluß, sondern auch eine ausreichende Abstützung für die UP- Naht ergeben. Sie muß deshalb immer eine Mindestdicke aufweisen. Wird nur eine einzige Lage als Badsicherung geschweißt, so muß diese mindestens 3 bis 4 mm tief sein. Ansonsten besteht für das Durchschweißen bis zur Handlage keine ausreichende Sicherheit. Aus Angst vor Durchfallen wird dann mangelhaft geschweißt. Die Folge ist eine nicht durchgeschweißte Naht oder Poren. Bei V-Nähten ist eine dickere Badsicherung vorzulegen, als bei 1-Nähten. Dies ist notwendig, da bei der V-Naht der Einbrand tiefer ist. Ist ausreichend vorgelegt, kann mit ordentlichen Parametern gegengeschweißt werden. Zu beachten ist, daß der Spalt, der für die Handschweißung erforderlich ist, das Nahtvolumen vergrößert. Dadurch kann der Öffungswinkel in Abhängigkeit vom Werkstoff unter Umständen reduziert werden. Beispiele für eine Stumpfnaht mit Gegenschweißung von Hand zeigt Bild 8.4 auf. 108 <?page no="121"?> A 1,5-3 - Handlage Bild 8.4: Stumpfnaht mit Gegenschweißung von Hand 8.3 Einlagen-Technik 8.3.1 1-Naht Die 1-Naht wird beidseitig, in der Regel, einlagig geschweißt. Man spricht hier von Lage und Gegenlage. Besonders bei dünnen Blechen besteht Gefahr, daß die Naht durchfällt. Darum muß die Fuge möglichst ohne Spalt geheftet werden. Schon ein geringer Spalt von mehr als 0,5 bis 0,8 mm kann ein Durchbrechen des Schweißlichtbogens verursachen.Vor allem der Gleichstrom-Lichtbogen mit seinem tiefen Einbrand ist für Durchfallen sehr geeignet. Der Wechselstrom-Lichtbogen ist weniger spaltempfindlich, dafür ergeben sich mit ihm ungünstigere Nahtformen. Im Stromstärkebereich unter 500 A wird die Gleichstrom-Schweißung am Pluspol bevorzugt. Bei der Gleichstrom-Schweißung können Pulver mit guter Spaltüberbrückung von Vorteil sein. Bei dünnen Querschnitten wird die erste Lage mit niedrigem Strom geschweißt. Allerdings sollten auch hier mindestens 3 bis 4 mm Einbrand vorgelegt werden. Die Gegenlage wird dann mit höheren Stromstärken so geschweißt, daß die Lage sicher aufgeschmolzen wird. Eine ausreichende Nahtüberschneidung von mindestens 2 mm ist anzustreben. Ansonsten treten nicht durchgeschweißte Querschnitte bzw. Poren auf. 109 <?page no="122"?> Mit zunehmender Wanddicke wächst die Nahtüberhöhung der Gegenlage ungünstig an. Um dies zu vermeiden, wird die Naht vor dem Schweißen der Gegenlage ausgefugt. Dadurch wird das Durchschweißen erleichert, die Gefahr des Durchfallens nimmt jedoch zu. Das Lage-Gegenlage-Schweißen mit 1-Naht hat seine Anwendungsgrenzen vor allem in der zul. Nahtüberhöhung, sowie in der max. Streckenenergie. Aus diesem Grunde sollten zahlreiche Tabellenwerte, die in der Vergangenheit veröffentlicht wurden, mit Vorsicht angewendet werden. Die 1-Naht sollte max. für Wanddicken bis ca. 10 mm angewendet werden, bei hochlegierten Stählen bis max. 8 mm. Bild 8.5 zeigt die 1-Naht mit Lagenaufbau. Tabelle 8.1 gibt Parameter für die ! -Naht-Schweißung bei unlegierten Stählen wieder. Tabelle 8.1: Parameter für ! -Naht-Schweißung bei unlegierten Stählen Dicke Lage Strom Spannung Geschwind. Draht Streckenenergie [mm] [A] [V] [cm/ min] [mm] [J/ cm] 4 1 250 32 70-80 2,0 6.860 2 280 31 70-80 2,0 7.440 5 1 280 32 70-80 2,0 7.680 2 340 31 70-80 2,0 9.030 6 1 350 32 70-80 2,5 9.600 2 400 31 70-80 2,5 10.630 8 1 450 32 70- 80 3,0 12.340 2 550 33 70-80 3,0 15.560 10 1 500 33 70-80 3,0 13.710 2 600 34 60-70 3,0 20.400 8.3.2 V-Naht V-Nähte werden in der Regel nur in Verbindung mit einer angeschmolzenen Badsicherung eingesetzt. Diese Nahtformen sind jedoch in der Praxis weniger üblich, vor allem nicht im Behälter-, Apparate- und Silobau. V-Nähte zählen zu den Sonderformen. Die V-Naht mit anschmelzender Unterlage wurde bereits in Bild 8.1 aufgezeigt. 110 <?page no="123"?> wenn nötig mit Fugenhobler ausfugen 2.Lage s 1.Lage t Bild 8.5: 1-Naht mit Lagenaufbau 8.3.3 V-Naht Die V-Naht ist die typische Naht für Lage-Gegenlage-Schweißung. Die Fase ist auf der Behälterinnenseite, die 1-Naht außen. V-Nähte werden ab 4 mm bis zu max. 12 mm eingesetzt. Die V-Naht wird innen meistens mit Handlage (E-Hand oder MAG) gefüllt, und dient in erster Linie als Badsicherung. Bei größerer Anfasung innen, bzw. auch bei Spaltungenauigkeiten, kann oder muß nachfolgend eine Decklage mit UP geschweißt werden, oder aber die Naht wird von Hand fertig geschweißt. Die Gegenlage von außen mit UP-Schweißung wird bis zu Steghöhen von 4 bis 5 mm ohne Ausfugen geschweißt. Ein Ausfugen verringert auch hier wieder die Nahtüberhöhung, und erleichtert zusätzlich eine saubere Durchschweißung. Bei Steghöhen von 6 bis 7 mm ohne Ausfugen erhält man eine stark überhöhte Schweißraupe. Aus diesem Grunde sollte ab 10 mm Blechdicke auch bei unlegiertem Stahl von der V-Naht auf die DV-Naht übergegangen werden. Es zeigt sich wieder, daß die V-Naht für hochlegierte Stähle nur bis max. 8 mm geeignet ist, da ansonsten eine zu hohe Streckenenergie eingebracht wird. 111 <?page no="124"?> Tabelle 8.2: Parameter für V-Naht-Schweißung bei unlegierten Stählen Dicke Maßa Strom Spannung Geschwind. Draht Streckenenergie [mm] [A] [V] [cm/ min] [mm] [J/ cm] 4 3 320 32 70- 80 2,5 8.780 5 3 350 32 70-80 2,5 9.600 6 3 380 32 70-80 2,5 10.420 8 4 500 33 60-70 3,0 16.500 10 5 600 33 50- 60 3,0 23.760 12 5 700 34 50- 60 4,0 28.560 Bild 8.6 zeigt die V-Naht mit Lagenaufbau. Tabelle 8.2 gibt Parameter für die V-Naht-Schweißung von unlegierten Stählen an. 8.3.4 DV-Naht Die Doppel-V-Naht wird auch 2/ 3 DV-Naht genannt. Die kleine V-Naht ist auf der Behälterinnenseite, die große V-Naht ist außen. DV-Nähte werden für Blechdicken von 10 bis 30 mm eingesetzt. Bei DV-Nähten über 12 mm wird in der Regel schon in 2 oder mehreren Lagen geschweißt. Darum ist die DV-Naht eher der Mehrlagen-Schweißung zuzuordnen als der Einlagen-Schweißung. Bei Blechdicken ab 25 mm ist eine U-Naht außen unter Umständen schon wirtschaftlicher, wenn die Möglichkeit einer solchen Kantenvorbereitung besteht. Die DV-Naht wird innen meistens mit Handlage (E-Hand oder MAG) mit einer Lage gefüllt, die in erster Linie als Badsicherung dient. Die Decklage und wenn nötig, auch die Füllage, wird dann mit UP-Schweißung mittels Traktor oder Innenarm aufgebracht. Die Gegenlage von außen mit UP-Schweißen wird mehrlagig mit oder ohne Ausfugen geschweißt. Ein Ausfugen erleichtert auch hier eine saubere Durchschweißung und sorgt dafür, daß die Nahtüberhöhung nicht zu hoch wird. Es zeigt sich wieder, daß diese Nahtform in Einlagentechnik für hochlegierte Stähle nur bedingt geeignet ist, da ansonsten eine zu hohe Streckenenergie eingebracht wird. Bild 8.6 zeigt die DV-Naht mit Lagenaufbau. Tabelle 8.3 gibt Parameter für die DV-Naht-Schweißung von unlegierten Stählen an. 112 <?page no="125"?> 2.Lage lT wenn nötig mit Fugenhobler ausfugen Bild 8.6: V-Naht mit Lagenaufbau Die aufgeführten Tabellenwerte in Tabelle 8.1 bis 8.3 gelten für unlegierte Stähle. Die Streckenenergie wurde jeweils mit der niedrigen Geschwindigkeit ermittelt. Die Anzahl der Lagen ist in der Praxis abhängig von der Größe des Luftspalts beim Heften, sowie von den bei den Füllagen ausgeführten Schleifarbeiten. Es ist generell zu sagen, daß bei hochlegierten Stählen vorzugsweise mit Drahtdurchmessern von 3,2 mm und nur in seltenen Fällen bzw. bei den Decklagen mit Drahtdurchmesser von 4,0 mm gearbeitet werden soll. Da die Abschmelzleistung bei hochlegierten Stählen höher ist als bei unlegierten Stählen, sind die Stromstärken gegenüber unlegiertem Stahl um ca. 10 bis 15 % zu reduzieren. Die Schweißgeschwindigkeit ist um 10 bis 20 % zu erhöhen, damit die eingebrachte Streckenenergie innerhalb der für den Werkstoff einzuhaltenden Grenzen bleibt. Bei vielen Schweißaufgaben werden die zu gewährleistenden mechanischtechnologischen Gütewerte im Schweißgut und in der Wärmeeinflußzone nur dann erreicht, wenn in Mehrlagen-Technik gearbeitet wird. Bei der Mehrlagen-Technik werden z.T. noch optimiertere Nahtformen angewendet. 113 <?page no="126"?> Tabelle 8.3: Parameter für DV-Naht-Schweißung bei unlegierten Stählen Dicke Lage Maß a Strom Spannung Geschwind. Draht Streckenenergie [mm] [mm] [A] [V] [cm/ min] [mm] [J/ cm] 8 1 4 320 31 60-70 2,5 9.920 2 400 32 50 -60 2,5 15.360 10 1 4 380 31 60-70 3,0 11.780 2 450 32 50-60 3,0 17.280 12 1 4 380 31 60-70 3,0 11.780 2 450 31 60-70 3,0 13.950 3 550 32 50-60 4,0 21.120 15 1 5 450 32 50-60 3,0 17.280 2 550 32 50-60 4,0 21.120 3 600 33 50-60 4,0 23.760 18 1 6 450 32 50-60 3,0 17.280 2 550 33 50-60 4,0 21.780 3 550 31 50-60 4,0 20.460 4 550 32 50-60 4,0 21.120 5 620 34 50-60 4,0 25.300 20 1 6 450 32 50-60 3,0 17.280 2 550 33 50-60 4,0 21.780 3 550 31 50 - 60 4,0 20.460 4 550 32 50-60 4,0 21.120 5 550 33 50-60 4,0 21.780 6 650 34 50-60 4,0 26.520 22 1 7 450 32 50-60 3,0 17.280 2 550 33 50-60 4,0 21.780 3 550 31 50-60 4,0 20.460 4 550 32 50 - 60 4,0 21.120 5 550 33 50-60 4,0 21.780 6 650 33 50-60 4,0 25.740 7 650 33 50-60 4,0 25.740 114 <?page no="127"?> 8.4 Mehrlagen-Technik Bei der UP-Mehrlagen-Technik steht die Sicherheit und die Qualität der Schweißnaht im Vordergrund. Die Mehrlagen-Technik ist nicht so wirtschaftlich wie die Einlagen-Technik. Durch höhere Lagenzahl steigt die Querspannung und damit auch der Verzug. Bei Mehrlagen-Schweißungen sind insbesondere beim Schweißen derWurzelnaht Maßnahmen gegen Nahtrisse zu treffen, wie sie von der Handschweißung her bekannt sind. Dies bedeutet, die Wurzel mit Spalt auszuführen, und wenn nötig, das Werkstück vorzuwärmen. 8.4.1 Normale UP-Nahtformen Aus Gründen der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit möchte man die normalen UP-Schweißfugen, wie DV-, Y- und DY-Naht, auch für mehrlagige Nähte verwenden. Hierbei treten häufig Schwierigkeiten auf. Es sind mangelhafte Durchschweißung des Steges, Risse in derWurzelnaht an der zweiten Seite und schlechte Entfernbarkeit der Schweißsehlacke. Normale Y- und DY-Nahtvorbereitungen sind in den Stegabmessungen auf hohe Stromstärken eingestellt, die zum einen den Fugenquerschnitt füllen, zum anderen den Steg sicher aufschmelzen. Wird mit geringen Stromstärken geschweißt, erzielt der Lichtbogen nicht die gleiche Tiefenwirkung, der Einbrand bei der Wurzelschweißung wird vermindert. Dadurch ergibt sich bei der Gegenlage zum Durchschweißen des Steges eine äußerst ungünstige Nahtform, bei der das Verhältnis von Breite zu Tiefe erheblich kleiner als 1: 1,2 ist. Die häufige Folge davon sind Risse. Auch bei der ersten Wurzellage besteht schon Rissgefahr. Für die Mehrlagen-Schweißung ist die Stegdicke normaler UP-Stöße zu verringern. In V-förmigen Anfasungen setzt sich außerdem, wenn die Füllung durch die Wurzellage den Oberrand der Fuge nicht benetzt, sehr leicht Schlakke fest. Dies kann verhindert werden, in dem die Nahtbreite begrenzt wird. Dies wird erreicht durch Schweißen mit verminderter Spannung, aber auch durch die Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit. 8.4.2 Viellagige Mehrlagen-Schweißung Die Grundformen der UP-Mehrlagen-Schweißfugen zeigt Bild 8.7. Die Auswahl der geeigneten Schweißfugen ist stets an die Schweißaufgabe anzupassen. Es wäre falsch zu sagen, es muß von dieser bis zu jenerWanddicke genau mit dieser Fugenform geschweißt werden. 115 <?page no="128"?> t s H 6-10 ~ Bild8.7: Grundformen der UP- Mehrlagen-Schweißung Die richtige Fugenform muß einzig und allein die verantwortliche Schweißaufsicht des Herstellers festlegen. Die richtige Fugenform in Verbindung mit den gewählten Parametern wird in der Verfahrensprüfung z. B. nach AD-HP 2/ 1 bzw. bei fortlaufenden Arbeitsprüfungen nach AD-HP 5/ 2 bestätigt. Die Wahl der Schweißfugenform hängt auch ab von den zur Verfügung stehenden Geräten zur Schweißkantenbearbeitung. Tulpenformen z. B. können nur durch Drehen an Rundnähten, bzw. etwas aufwendiger durch Hobeln und Fräsen hergestellt werden. Die Durchschweißung des Steges kann bei U- und DU-Nähten durch eine zusätzliche V-Anfasung erleichtert werden. Ein richtig gewählter Steg braucht vor der UP-Gegenlage nicht ausgefugt zu werden, da er sicher aufgeschmolzen werden kann. Das Ausfugen der Naht wird dadurch erschwert, wenn zuerst außen geschweißt wird. Gerade bei dicken und schweren Bauteilen kann es von Vorteil sein, wenn abwechselnd außen und innen geschweißt wird. Wird nämlich zuerst die innenliegende Nahthälfte geschweißt, kann das Eigengewicht an der Schweißstelle Zugspannungen bewirken, die im erstarrenden Schweißgut Warmrisse quer zur Naht hervorrufen können. 116 <?page no="129"?> 8.4.3 Fugenabmessung beim Viellagen-Schweißen Die Fugenformen für das Viellagen-Schweißen können den Sonderformen zugeordnet werden. Von wesentlicher Bedeutung ist der Nahtgrund bei der Viellagen-Schweißung. Bei der U-Naht wird er meist halbkreisförmig mit Radius > 8 mm ausgebildet. Die Flanken schließen sich an den Radius an. Bei der Steilflankennaht fehlt der halbkreisförmige Abschluß. Der Wurzelspalt von mindestens 16 mm Breite entspricht in etwa der U-Naht-Breite am Nahtgrund. Bei der Mehrdraht-Schweißung soll der Nahtgrund um 2 bis 4 mm weiter geöffnet werden. Alternativ kann auch in den ersten Lagen nur mit Eindraht- Schweißung gearbeitet werden. Für Nahttiefen bis 70 mm haben sich Flankenöffnungswinkel von 16 bis 20° als ausreichend erwiesen. Bei dickeren Querschnitten werden zwecks Verringerung des Nahtvolumens Öffnungswinkel von 7 bis 10° gewählt. Bei sehr großen Dicken wird an der Nahtwurzel der größere Winkel, darüber der kleinere Winkel gewählt. Die Nahtfuge wird deshalb geöffnet, um keinen Kurzschluß zwischen dem stromführenden Kontaktstück und der Flanke zu bekommen. Die Drahtelektrode muß der Nahtflanke bis auf 1 x Drahtdurchmesser angenähert werden können, und die freie Drahtlänge soll nicht mehr als 35 mm betragen. Der Öffnungswinkel der Nahtfuge ist somit von der Ausbildung der Stromzuführung und des Kontaktstückes abhängig. Der Einbrand in die Nahtflanken wird durch die magnetische Blaswirkung des Lichtbogens gesichert. Die Drahtelektrode muß aber in richtigem Abstand zur Nahtflanke geführt werden. Die Anstellung des UP-Lichtbogens gegen die Nahtflanke kann unterbleiben. Dies erleichert die Einstellung des Schweißgerätes beim Wechsel von einer Nahtflanke zur anderen erheblich. Die Führung des Lichtbogens muß bei der Mehrlagen-Technik mit großer Genauigkeit erfolgen. Dies setzt höchste Präzision der Maschine und des Werkstückes, und ein sorgfältiges Richten der Drahtelektrode voraus. Richtungsabweichungen müssen rechtzeitig angezeigt werden, die Korrektur muß rasch und präzise erfolgen. Über Vorrichtungen, Abtastern und Steuerungen wird der einmal eingestellte Abstand konstant gehalten, wodurch ein stets gleichbleibender Einbrand gesichert wird. UP-Viellagennähte lassen sich heute genauso sicher und qualitativ hochwertig wie UP-Einlagennähte herstellen. Nach den heutigen Erfahrungen lassen sich Blechdicken bis 600 mm und mehr einwandfrei mit Hilfe der UP- Viellagen-Technik herstellen. 117 <?page no="130"?> 8.5 Sonderfugenformen Neben den zuvor erwähnten, häufig vorkommenden Nahtformen gibt es noch zahlreiche Sonderformen, die vor allem bei der Verarbeitung dickerer Bleche und Querschnitte zur Anwendung kommen. Hier ist es wirtschaftlich, eine teuere Nahtvorbereitung zu wählen, weil dadurch das Nahtvolumen doch erheblich vermindert werden kann. 8.5.1 U-Naht, DU-Naht, HU-Naht, Doppel-HU-Naht Als Sonderformen sind die U-Naht, die DU-Naht, die HU-Naht und die Doppel-HU-Naht zu erwähnen. Diese Nahtformen werden in Bild 8.8 aufgezeigt. Diese Nahtformen lassen sich nur mit geeigneten Nahtvorbereitungsmaschinen herstellen. Diese Nahtvorbereitung ist jedoch sehr kostenintensiv, und sollte nur bei dickeren Querschnitten, also über 25 bis 30 mm angewendet werden. Die zu wählenden Parameter lassen sich von denen für V-Nähte und DV- Nähte ableiten, es empfiehlt sich aber immer, die für den Betrieb idealen Parameter mittels abgelegter Verfahrensprüfungen zu bestätigen . .... 5,-bol Fugenfol"II cljß , ... Steg Flanken,. stand höhe ..... 1) Schnitt 2) Grad b Jl C h . y ijJ 5 bis 6 U-r,laht bis 1,5 bb - ~· 10 10 b - X fjJ 5 bi, 6 über Doppelbis bis u-Naht 15 1,5 10 7 ~-- ~· ~~ y 5 bis 5 HU-Naht bis 1,5 bis - ~12 15 10 ,- Bild8.8: U-, DU-, HU-, D-HU-Naht Doppel- K 1j] 5 bis bb 6 - ~12 HU-Naht 10 1,5 .J, '.J,_.- 118 <?page no="131"?> 8.5.2 Überlapp-Stoß auf Kupferunterlage Der tiefe Einbrand des UP-Lichtbogens macht das Schweißen von Überlappungen bis zu größeren Wanddicken möglich. Diese Nahtform wird aber wegen des ungünstigen Kraftflußes wenig angewendet. Die Nahtform ist in Bild 8.9 dargestellt. Bild 8.9: Überlappstoß auf Kupferunterlage 8.5.3 Überlapp-Stoß mit Sicke Der Überlapp-Stoß mit Sicke findet vor allem beim Schweißen von Rundnähten kleiner Behälter Anwendung (Propangasflaschen usw.). Die Schweißung wird aus Sicherheitsgründen in zwei Lagen ausgeführt. Bild 8.10 zeigt die Nahtvorbereitung des Überlapp-Stoßes mit Sicke. 8.5.4 Ecknaht Die Grundformen der Ecknähte sind in Bild 8.11 dargestellt. Die stumpfgestoßene Ecknaht in Lage und Gegenlage (Bild 8.11 A) ist bis zu 14 mm Blechdicke möglich. Bei dickeren Querschnitten sind die Flanken abzuschrägen. Die Steghöhe ist dabei so zu wählen, daß die Naht nicht durchbrechen kann. Beim Schweißen der Gegenlage kann auf der Außenseite eine Kupferschiene angelegt werden, um bei größeren Schweißbädern eine Überhitzung und ein Durchbrechen nach außen zu verhindern. Die Nahtform von Außen-Ecknähten zeigt Bild 8.11 C und D. Die Anordnung C verlangt ein gutes Aufliegen der Bleche, da bei zu großem Spalt die Schweißnaht durchfällt. 119 <?page no="132"?> 30°-45° --- ~ ~~...,__~~~~C')~ ......... -~ "o . S=2-5 # ' C\I s +0,5 0 öo -0 +I 0 Bild 8_1o: Überlappstoß mit Sicke Bild 8.11: Ecknähte 120 <?page no="133"?> 8.5.5 Lochschweißung Die Lochschweißung findet vor allem im Schiffbau Anwendung. Der Lochdurchmesser sollte größer sein als die Dicke des Oberbleches, nur so brennt der Lichtbogen stabil zwischen Unterblech und Drahtelektrode. Das Loch soll aber auch nicht zu groß sein, da sonst die Drahtelektrode während des Schweißvorganges bewegt werden muß, um eine saubere Verschweißung zu erhalten. Bei dünnen Blechen kann auf ein Loch verzichtet werden, wenn die Stromstärke so groß gewählt wird, daß durch das Oberblech durchgestochen wird. Bild 8.12 zeigt die Nahtform einer Lochschweißung. --d(/ )--- Bild 8.12: Lochschweißung 8.5.6 Bördelnaht Die Bördelnaht wird in der Praxis selten eingesetzt. Sie wird nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Die aufgezählten Nahtformen erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Denn die Nahtform soll immer an das Bauteil angepaßt werden, und so ist es durchaus denkbar, daß in der Praxis eine Vielzahl von Nahtvarianten bereits heute schon Anwendung finden und in Zukunft noch finden werden. 121 <?page no="134"?> 8.6 Kehlnaht Grundsätzlich können Kehlnähte nur waagrecht und horizontal UP-geschweißt werden. Die Schweißung ist also auf die Position PA und PB beschränkt. Das max. erreichbare a-Maß beträgt 6 mm bei der Einlagenschweißung und PB-Position. Größere a-Maße müssen in Mehrlagentechnik hergestellt. 8.6.1 Kehlnaht in waagrechter Position Bild 8.13 zeigt die Nahtform der Kehlnaht in Wannenlage. Die Schweißspannung wird relativ niedrig gewählt, um seitliche Einbrandkerben zu vermeiden. Beim Schweißen in Wannenlage lassen sich große a-Maße erzielen. Allerdings ist auch hier zu zulässige Streckenenergie sowie die max. Strombelastbarkeit des Pulvers bei Eindraht-Schweißung zu beachten. a Bild 8.13: Kehlnaht in Wannenlage Tabelle 8.4 zeigt Richtwerte für das Schweißen von Kehlnähten in Wannenlage auf. Bei hochlegierten Stählen ist wiederum die relativ hohe Streckenenergie zu beachten. 8.6.2 Kehlnaht in horizontaler Position Bild 8.14 zeigt die Anstellung der Drahtelektrode bei Kehlnähten in horizontaler Position. Der Anstellwinkel und der Abstand der Drahtelektrode vom Eckpunkt ist besonders für die Nahtausbildung wichtig. 122 <?page no="135"?> 0°-25° Bild 8.14: Kehlnaht in horizontaler Position Tabelle 8.4: Parameter für Kehlnähte, PA-Position, bei unlegierten Stählen a-Maß Strom Spannung Geschwindigkeit Draht Streckenenergie [mm] [A] [V] [cm/ min] [mm] [J/ cm] 3 500 26 70- 90 3,0 11.140 4 600 27 70- 90 4,0 13.890 5 650 27 60- 80 4,0 17.550 6 800 29 50-60 4,0 27.840 8 950 31 40- 50 5,0 44.175 Der Lichtbogen wird durch die magnetische Blaswirkung zum Steg hin abgelenkt. Aus diesem Grunde sollte die Elektrode nicht zu nah am Steg, und vor allem nicht unter 45° zum Steg geneigt sein. Die Drahtelektrode sollte in 123 <?page no="136"?> etwa entsprechend dem Drahtdurchmesser vom Eckpunkt entfernt angestellt werden. Als idealer Anstellwinkel hat sich ein Bereich von 65 bis 75° bewährt. Die Schweißspannung wird relativ niedrig gewählt, damit keine seitlichen Einbrandkerben entstehen. Bei allen Kehlnahtschweißungen ist eine ausgezeichnete Schlackenablösung erforderlich. Aus diesem Grunde sollten Pulver benutzt werden, die eine selbstlösende Schlacke haben, und gemäß DIN 32 522 (EN 760) für die Kehlnahtschweißung geeignet sind. Tabelle 8.5: Parameter für Kehlnähte, PB-Position, bei unlegierten Stählen a-Maß Strom Spannung Geschwindigkeit Draht Streckenenergie [mm] [A] [V] [cm/ min] [mm] [J/ cm] 3 450 26 70- 90 3,0 10.000 4 500 27 60-80 3,0 13.500 5 550 28 50-70 4,0 18.500 6 650 28 50-60 4,0 21.800 Die Tabelle 8.5 gibt Richtwerte für das Schweißen von Kehlnähten in PB- Position (horizontal) an. Bei den hochlegierten Stählen ist die Streckenenergie zu beachten. Diese kann wiederum durch um ca. 10 % niedrigere Stromstärken und um 10 % höhere Schweißgeschwindigkeiten gesenkt werden. Es kann dadurch notwendig sein, bereits schon bei einem a-Maß von 5 mm oder mehr zweilagig zu schweißen. 8.6.3 Kehlnaht als Überlapp-Stoß Die Schweißparameter der Tabelle 8.5 können sowohl beim Schweißen einer Kehlnaht sowie auch beim Überlapp-Stoß angewandt werden. Den Überlapp-Stoß zeigt Bild 8.15. 8.6.4 Kehlnaht als K-Naht in Wannenlage Beim K-Stoß muß· die Gegenseite immer gut geheftet werden. Das Stegblech sollte, wenn es dicker ist als 10 mm, generell angefast werden, damit die Wurzel sauber durchgeschweißt wird. 124 <?page no="137"?> Schweißdraht falsch richtig Bild 8.15: Kehlnaht als Überlappstoß d 2 bedingt Die Drahtelektrode ist mit ca. 50 bis 70° Neigung anzustellen. Der Drahtabstand vom Eckpunkt soll ca. 3 mm betragen, als Richtwert gilt auch hier wieder der Drahtdurchmesser. Über Probeschweißungen sollte auch hier die sichere Durchschweißung der Wurzel nachgewiesen werden. Bild 8.16 zeigt die K-Naht in Wannenlage. Bild 8.16: K-Naht in Wannenlage 125 <?page no="138"?> 8.7 Quernaht UP-Schweißen findet normalerweise nur in waagrechter und horizontaler Position Anwendung. Eine Sonderform bildet das Quernahtschweißen, also in Position quer (PC). Dieses Verfahren wird hauptsächlich im Großbehälterbau auf Baustellen bzw. beim Schiffbau angewendet. Unter Großbehälterbau sind hauptsächlich Tanks gemeint, die Durchmesser von mehr als 10 m bis zu 30 m und mehr haben. Der kleinste noch schweißbare Durchmesser beträgt ca. 9 bis 10 m, die kleinste Blechdicke 6 mm. Die Tankschweißanlage arbeitet mit einem Schweißkorb oder einem Schweißkorbpaar (bei gleichzeitiger Innen- und Außenschweißung). Dazu gehört noch ein ausschwenkbares Pulverband mit Pulverzuführung, eine Stromquelle, und der Antrieb für das Fahren an der oberen Kante des Tankmantels. Die Naht wird je nach Blechdicke als Stumpfnaht oder als K-Naht geschweißt. In der Regel wird ein Spalt von 2 bis 3 mm angestrebt. Die K-Naht hat einen Öffnungswinkel von 45°, wobei das obere Blech angefast wird. Da bei den Großtanks die Wanddicken von unten nach oben stetig abnehmen, sind unterschiedliche Wanddicken zu verschweißen. Die Anordnung des Stoßes erfolgt so, daß der Außendurchmesser bündig ausgeführt wird. Bis 8 mm Blechdicke wird keine Fase angebracht. Bis zu 12 mm kann in je einer Lage geschweißt werden, darüber hinaus sind zwei oder mehr Lagen erforderlich. Es wird überwiegend ein Drahtdurchmesser von 2,5 bzw. 3 mm eingesetzt. Die Drahtanstellung beträgt 10° bis 18° zur Waagrechten. Tabelle 8.6: Richtwerte für Quernahtschweißung im Tankbau Dicke Lage Strom Spannung Geschwin- Draht 1. Seite 2. Seite 1. Seite 2. Seite digkeit [mm] [A] [Al [V] [V] [cm/ min] [mm] 7 450 350 28 28 100 3,0 10 500 400 28 28 85 3,0 13 550 450 28 28 75 3,0 16 1 600 450 28 28 70 3,0 2 350 350 28 28 100 3,0 126 <?page no="139"?> Der Aufbau der Lagen erfolgt von unten nach oben. Auf den unteren.Raupen wird aufgebaut, die oberste Lage wird mit niedrigem Strom geschweißt, um einen sauberen Nahtübergang zu erhalten, und um ein Wegsacken des Schweißbades zu verhindern. Tabelle 8.6 zeigt Parameter für das Quernahtschweißen im Tankbau auf. Im Bild 8.17 und Bild 8.18 werden mögliche Nahtvorbereitungen dargestellt. s 1/ 3 1/ 3 s $ 10mm s > 10mm Bild 8.17: Symmetrische Quernaht Bild 8.18: Unsymmetrische Quernaht - EE ('\I II) Li 127 <?page no="140"?> Die genauen und wirtschaftlichen Parameter sind abhängig vom zu verarbeitenden Werkstoff zu ermitteln und zu optimieren. Aufgrund der großen Durchmesser werden bei den Tank oftmals auch Feinkornbaustähle mit höheren Streckgrenzen eingesetzt, da sich bei der Statik dann dünnere Wanddicken ergeben. Gerade bei diesen Werkstoffen sind die Parameter zu optimieren, damit eine geeignete Streckenenergie eingebracht wird, und die Abkühlzeit t 815 im richtigen Bereich liegt. Es wäre falsch, für solche anspruchsvolle Schweißaufgaben hier verbindliche Parameter anzugeben. Im Schiffbau wird hauptsächlich die versetzte K-Naht angewendet. Innen wird 3 mm bis max. 8 mm angefast, der Rest ist außen. Dabei wird innen immer von Hand geschweißt. Der Öffnungswinkel beträgt wie beim Tankbau 45°, der Anstellwinkel des Drahtes ca. 30°. Das Quernahtschweißen findet in der Praxis seltener Anwendung. Wirtschaftlich eingesetzt werden kann es nur bei sehr langen Schweißnähten, und bei wiederkehrenden Nahtformen. Aus diesem Grunde hat dieses Verfahren in den letzten Jahren Konkurrenz durch das Fülldrahtschweißen, auch mit Schweißpulverabdeckung, erhalten. Hiermit kann vor allem in Zwangslagen, eine qualitativ hochwertige Naht mit sehr guten mechanisch-technologischen Eigenschaften bei hohen Abschmelzleistungen erzielt werden. 128 <?page no="141"?> 9. Draht-Pulver-Kombinationen Auf dem Markt gibt es von verschiedenen Herstellern zahlreiche Draht-Pulver-Kombinationen, die die erforderlichen VdTÜVbzw. Bundesbahn-Zulassungen aufweisen. Je nach Anwendungsfall und Werkstoff kann die gleiche Schweißaufgabe mit verschiedenen Draht-Pulver-Kombinationen gelöst werden. Um eine sichere Draht-Pulver-Kombination auszuwählen und einzusetzen, bietet es sich an, sich bei den technischen Beratungsstellen der Hersteller informieren zu lassen. Nur so können wirtschaftliche und qualitativ hervorragende Schweißnähte erzielt werden. Die nachfolgend als Beispiele aufgeführten Draht-Pulver-Kombinationen erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Außerdem ist im Einzelfall zu prüfen, ob sie für den vorliegenden Anwendungsfall geeignet sind. Aus den jeweiligen Zulassungen geht hervor, für welche Werkstoffe, bis zu welchen Wanddicken und bis zu welcher niedrigsten und höchsten Betriebstemperatur die Draht-Pulver-Kombination zugelassen ist. 9.1 Un- und niedriglegierte Stähle Zu dieser Werkstoffgruppe gehören in der Praxis folgende Stähle: Allgemeine Baustähle RST 37-2 ST 44-2 ST 52-3 Rohrstähle ST 37.0 ST 35.8 ST 52.4 Kesselbaustähle H II 17 Mn 4 19 Mn5 129 <?page no="142"?> Es können z. B. nach Tabelle 9.1 eingesetzt werden: Tabelle 9.1: Draht-Pulver-Kombinationen für unlegierte Baustähle Drahtelektrode Schweißpulver Art der Schweißung nach DIN 8557 nach DIN 32 522 S2 Uniflux 01 Oerlikon Lage-Gegenlage BAR 1 97 AC 10 SKM S2 Lincoln 860 Lage-Gegenlage und BAB 1 67 AC 9 KM HP5 Mehrlagenschweißung S2 LW 610 Messer Lincoln Lage-Gegenlage und BAR 1 76 AC 8 SK Mehrlagenschweißung S2 LW 642 Messer Lincoln Lage-Gegenlage und BAB 1 75 AC 8 SKM Mehrlagenschweißung S2 UV 350 Thyssen Lage-Gegenlage und BAB 1 67 AC 8 SK Mehrlagenschweißung S2 UV 400 Thyssen Lage-Gegenlage und BAB 167 AC8 Mehrlagenschweißung Uniflux D1 ist ein agglomeriertes Schweißpulver mit hohem Zubrand an Silizium und Mangan, ist deshalb für die Mehrlagenschweißung weniger geeignet. Uniflux 01 eignet sich besonders für dünne Bleche und Kehlnähte bei hohen Schweißgeschwindigkeiten, wobei sehr saubere und glatte Nähte erzielt werden. Lincoln 860 ist ein agglomeriertes neutral eingestelltes aluminatbasisches Schweißpulver, das universell eingesetzt werden kann. Es eignet sich für die Lage-Gegenlage-Technik sowie für die Mehrlagen-Technik und zeichnet sich durch hohe Kerbschlagarbeitswerte und geringe Rißanfälligkeit aus. LW610 ist ein agglomeriertes Aluminat-Rutil-Schweißpulver. Es zeichnet sich durch gutes Nahtformungsvermögen und sehr gute Schlackenablösung aus. Es eignet sich besonders für dünne Bleche bis max. 25 mm, für hohe Schweißgeschwindigkeiten und für Kehlnähte. LW642 ist ein agglomeriertes aluminatbasisches Schweißpulver. Es zeichnet sich aus durch guten Schlackenabgang und ist geeignet für hohe Schweißgeschwindigkeiten, sowie für Stumpf- und Kehlnähte. 130 <?page no="143"?> UV350 ist ein agglomeriertes aluminatbasisches Schweißpulver. Es zeichnet sich aus durch geringen Silizium- und mittleren Manganzubrand und ist geeignet für hohe Schweißgeschwindigkeiten, sowie für Stumpf- und Kehlnähte. UV400 ist ein agglomeriertes aluminatbasisches Schweißpulver. Es zeichnet sich aus durch geringen Silizium- und mittleren Manganzubrand und ist bei guten technologischen Eigenschaften universell einsetzbar. 9.2 Warmfeste Stähle Zu dieser Werkstoffgruppe gehören in der Praxis folgende Kesselbaustähle: - 15 Mo 3 - 13 CrMo 4 4 Es können z. B. folgende Draht-Pulver-Kombinationen nach Tabelle 9.2 eingesetzt werden, wobei jeweils das gleiche Pulver, jedoch entsprechend dem Grundwerkstoff eine andere Drahtelektrode verwendet wird. Grundwerkstoff 15 Mo3 13 CrMo 4 4 Drahtelektrode S 2 Mo nach DIN 8557 S 2 CrMo 1 nach DIN 8575 Für andere Grundwerkstoffe empfiehlt sich auf jeden Fall die Beratung durch den Spezialisten des Herstellers. Tabelle 9.2: Draht-Pulver-Kombinationen für 15 Mo 3 bzw. 13 CrMo 4 4 Drahtelektrode S2Mo S 2 Cr Mo 1 S2 Mo S 2 Cr Mo 1 Schweißpulver nach DIN 32 522 LW 320 Messer Lincoln FAB 1 58 AC 8 M bzw. FAB 1 58 AC 8 HP 5 UV 420 TTR Thyssen FFB 1 65 DC 8 Art der Schweißung Wanddickenbereich Lage-Gegenlage und Mehrlagenschweißung unbegrenzt Lage-Gegenlage und Mehrlagenschweißung unbegrenzt Bei diesen warmfesten Stählen ist schon zu beachten, daß beim Schweißen entsprechend dem Grundwerkstoff und der Dicke vorgewärmt werden muß. 131 <?page no="144"?> Ebenso ist in der Regel eine Wärmenachbehandlung (Spannungsarmglühen) erforderlich. Aus diesem Grunde sollte mit diesen Werkstoffen nicht experimentiert werden, sondern man sollte sich entsprechenden Rat bei den Spezialisten der Herstellerfirmen holen. UV 420TTR ist ein agglomeriertes fluoridbasisches Schweißpulver, verhält sich metallurgisch neutral und hat einen hohen Reinheitsgrad. Es lassen sich höchste Zähigkeitsanforderungen auch bei tiefen Temperaturen erreichen. 9.3 Hochlegierte Stähle Die wichtigsten Stahlsorten dieser Werkstoffgruppe sind die austenitischen Stähle: - 1.4301 - 1.4541 - 1.4435 - 1. 4306 - 1. 4571 - 1. 4436 Bevor mögliche Draht-Pulver-Kombinationen genannt werden, wird kurz auf die Besonderheiten bei der Verarbeitung dieser Stähle gegenüber unlegierten Stählen eingegangen. 9.3.1 Allgemeines Hochlegierte Stähle, rost- und säurebeständige austenitische Chrom-Nickel- Stähle lassen sich in vielen Fällen sehr gut UP-Schweißen. In der Regel versucht man, artgleiches Schweißgut zu erhalten, was eine genaue Abstimmung von Grundwerkstoff, Draht, Schweißpulver und Schweißtechnologie erfordert. Das Schweißgut soll folgende Legierungsmerkmale aufweisen: - C-Gehalt: : ; ; 0,03 % bei unstabilisierten Qualitäten C-Nb-Verhältnis min. 1: 10 bei stabilisierten Qualitäten o-Ferrit-Gehalt zwischen 3 % und 10 % Mn-Gehalt zwischen 1,0 und 2 % Si-Gehalt nicht wesentlich über 1 % P- und S-Gehalt sehr niedrig, kleiner als 0,025 % Fe-Gehalt unwesentlich über dem des Grundwerkstoffes An die Schweißverbindung werden folgende Anforderungen gestellt: - Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion - Warmrißfreiheit weitgehend cr-phasenfreies Gefüge 132 <?page no="145"?> Die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion (IK) wird über einen niedrigen C-Gehalt (ELC-Qualität) oder über die Stabilisierung durch Nb, Ta und/ oder Ti erreicht. Da Ti im Lichtbogen stark abbrennt, werden Ti-stabilisierte Bleche mit Nb-stabilisierten Drähten verschweißt. Beim Schweißen ist zu beachten, daß bei der Glühung nicht nur die Temperatur (nicht über 650 °C), sondern auch die Glühdauer eine Rolle spielt, deshalb soll die zuletzt geschweißt Raupe wenn möglich, auf der Innenseite des Behälters liegen, da sie keiner thermischen Beanspruchung mehr ausgesetzt ist. Die Warmrißsicherheit wird über einen gezielten ö-Ferrit-Gehalt angestrebt. Ferrit verfeinert das Gefüge und verhindert Ausscheidung an den Korngrenzen und löst den Schwefel. Der zu erwartende Ferrit-Gehalt kann aus dem Schaeffler-Diagramm gemäß Bild 9.1 und Bild 9.2 ermittelt werden. Das De-Lang-Diagramm nach Bild 9.3 berücksichtigt zusätzlich den Stickstoff als starken Austenitbildner und bringt damit verbesserte Werte. Die versprödende cr-Phase ist weitgehend zu vermeiden. Sie tritt bei hohen Ferrit-Gehalten, vor allem über 10 % und ungünstigen Glühungen auf. Das Schweißpulver soll einen guten Schlackenabgang haben, einen möglichst niedrigen Si-Zubrand und es soll den Chromabbrand weitgehend redu- 30 V / 28 „v V ,)7 26"'- 1 " / v / V C 24 "-.._ Austenit . ~· V '~ d·" / [/ 22 '·,i-.. V~,. / V d J . 20 'i--... V V 1.ß1 V ~ ~ r--... L.c 17-"· 18 t7 1/ V : P, l'---.. l'---.. Thi r-G rade I'-. ./ ' 16 ~ r---. 1/ '6-J V"' Jv ~o/ ~ - " 14 ' A>M ' .✓.: [/ _ 1/ I/ "' J.....--"' ij "- "-- „ A+F e,f_lo ~ 12 'r--..... V v Jv ~ ,l K. ~ V' il- 10 r---... / , r; '.,. 1/ I>< / ,..,. 1.--""" ~·~ 1 J ~ 1.-: : : : : ! 8 Martensil / ~"'..,l/ A·IM+F ~ t"' t-z 6 \ .,[/ ........ .... t"' " i...-- ,_.. .. ~ 4 F\ ,v Mff "'b-- ,_.. Ferrit 2 i7 _i_; .. i...- M ; \ 0 16 18 20 26 28 30 32 34 36 38 40 0 2 4 ' 6 8 10 12 14 22 24 Chrom-Äquivalent ~ %Cr + %Mo + 1,5x%Si + 0,5x%Nb + 2x¾Ti - ~ Bild 9.1: Schaeffler-Diagramm 133 <?page no="146"?> Gebiet 1 Kornwachstum über nso•c 30 28 26 i24 1\.. ~~ ~~ Gebiet 2 härterißonfällig unter 400'C -.! ! ~22 ö ~20 -.! ! °,c 18 0 715 z ~\~ ~1• ~~ ]12 Gebiet 3 g 10 Sigma-Versprödung ·5 nach Temp. Beanspr. ,: [ 8 zw. SOOu.OOJ'C , " '- '' ~~ 1ii ~ 4 6 \ F 2 + M " "~ "- " ' I', A+M "- " '' 'C ., 1\.. Mar-tensi 1 ~,- ~ 1 1/ ' 17 1 1.1 l,U 17 - - . l ·..; .y_y/ _". ' «t ,_" d\•/ . ~I " ~/ ~) --1- 4 1,r; ,., 7 .... Austenit 1, 3 R>: )r-~ _" " / ~ "_ + F ,/ " 1„ 1\.. ; , -~" " " '' L,' " ', I.; ' ~ \' ,ooj• ... " .11> i.. V A+M+i ., ..... ' ,_ ,.... - 1- 1 M+F 1,1<5 Ferrit ,_ "-'L'- ·- I<' ~ Gebiet 4 heillrinanfällig über 1250'C 0 2 6 8 m R K IB IB ~ n U ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Chrom-Äquivalent- 0 / , Cr+'/ , Mo+ 1,5x¾ Si+0,Sx¾ Nb Bild 9.2: Schaeffler-Diagramm mit Bereichen, in denen Fehler auftreten 21 20 ~ 19 WRC ti ' ~ 18 g 17 . 9. ~ 16 ~ 15 ~ 14 ,. • ~ 13 ~ 12 z 11 10 16 17 18 19 20 22 23 24 Chromium Equivalent ..,. a..oCr + 00... Mo 1- 1.5x 0 ~Si + 0.5x~oCb (Nb) Bild 9.3: Delong-Diagramm 134 Austenite Plus Ferrite 25 26 27 <?page no="147"?> zieren bzw. kompensieren. Durch niedrig Si-haltige Drähte kann einem Si- Zubrand begegnet werden. Pulver der Klasse 5 brennen Chrom zu, während Pulver der Klasse 6 sich eher neutral verhalten. Man verwendet grundsätzlich artgleiche oder überlegierte Drahtelektroden für beide Pulversorten nach DIN 8559. Bei der Schweißtechnologie müssen einige Besonderheiten berücksichtigt werden. Die Abschmelzleistung liegt um ca. 30 bis 50 % höher als bei unlegierten Drähten, bedingt duch den höheren elektrischen Widerstand und die dadurch erfolgende Erwärmung bzw. Vorwärmung des Drahtes. Deshalb ist schon bei dünnen Blechdicken ab 8 mm eine Anfasung erforderlich, wenn die zulässige Nahtüberhöhung eingehalten werden soll. Der Einbrand ist tiefer als bei unlegierten Werkstoffen, besonders bei niedrigen Schweißgeschwindigkeiten. Dies kann eine andere Art bzw. eine bessere Nahtvorbereitung erfordern. Der Verzug beim Schweißen ist größer, bedingt durch den größeren Ausdehnungskoeffizienten von hochlegiertem Werkstoff. Ebenso ist beim Heften mehr Luft zu lassen, da die Fuge besser und enger zusammenschrumpft. 9.3.2 Streckenenergie Um den Werkstoff durch eine zu hohe Streckenenergie nicht zu schädigen, sollte die max. eingebrachte Streckenenergie nicht über 15.000 J/ cm liegen. Dies läßt sich nur durch Mehrlagenschweißung mit ca. 10 bis 20 % niedriger Stromstärke und ca. 10 bis 20 % höherer Schweißgeschwindigkeit gegenüber unlegiertem Werkstoff erreichen. Der max. eingesetzte Drahtelektrodendurchmesser sollte 4 mm nicht überschreiten. 9.3.3 DVS-Merkblatt 0917für UP-Schweißen austenitischer Stähle In jedem Fall sollte das o.g. DVS-Merkblatt beachtet werden. Die wichtigsten Erkenntnisse daraus werden nachfolgend kurz zusammengefaßt: Drahtelektroden sind nach DIN 8556 Teil 1 genormt. In der Regel finden artgleiche Drahtelektroden Anwendung, selten artfremde. Schweißpulver sinä in DIN 32 522 genormt, wobei die Pulver der Klasse 5 und 6 Anwendung finden. Es werden sowohl agglomerierte Pulver als auch Schmelzpulver angeboten. Deltaferrithaltige Schweißzusätze lassen sich heißrißfrei verschweißen, was bei deltaferritfreien Zusätzen nicht immer der Fall ist. 135 <?page no="148"?> Vollaustenitische Schweißzusätze bedürfen dagegen trotz Optimierung der chemischen Zusammensetzung (niedriger $-Gehalt, niedriger Si-Gehalt und hoher Mn-Gehalt) einer ausgefeilten Schweißtechnologie. Bei einer Schweißverbindung wird die Rißfreiheit gefordert. Bei austenitischen Schweißnähten besteht die Gefahr von Heißrißbildungen im Form von Erstarrungs- und Wiederaufschmelzungsrissen. Gefährdet ist besonders ein Schweißgut, das primär austenitisch erstarrt. Die Thier-Gerade im Schaeffler-Diagramm stellt die Grenze zwischen primär-austenitischer und primärferritischer Erstarrung dar. Bei den Verarbeitungshinweisen wird wieder auf die höhere Ausdehnung, die niedrigere Wärme- und elekrische Leitfähigkeit, die größere Heißrißneigung bei austenitisch erstarrendem Schweißgut, und auf die erhöhte Ausscheidungsneigung hingewiesen. 1-Stöße werden nur bis 7 bis 8 mm Wanddicke angewendet. Darüber hinaus ist eine Nahtvorbereitung als V-Naht oder DV-Naht zu wählen. Gegenüber den unlegierten Stählen kann ein größerer Nahtöffnungswinkel von Vorteil sein. Es ist unbedingt auf eine günstige Raupenform zu achten, dies bedeutet, daß das Verhältnis von Breite zu Tiefe größer als 1,0, besser noch größer als 1,2 sein sollte. Die Schweißparameter sollten wie zuvor schon erwähnt so gewählt werden, daß die eingebrachte Streckenenergie nicht zu hoch wird. Der Drahtdurchmesser soll 4 mm nicht überschreiten. Bei der Wärmeführung ist zu beachten, daß Zwischenlagentemperaturen über 200 °C vermieden werden sollen. Bei voll-austenitischem Schweißgut soll der max. Drahtdurchmesser 3 mm nicht überschreiten. Die Zwischenlagentemperatur sollte kleiner als 150 °C sein. 9.3.4 Draht-Pulver-Kombinationen Tabelle 9.3 zeigt Beispiele für mögliche Draht-Pulver-Kombinationen auf, wobei auch hier nach Möglichkeit die Spezialisten der Hersteller zu Rate gezogen werden sollten. Für die nachfolgend genannten Werkstoffe werden folgende unterschiedliche Drahtelektroden empfohlen, wobei das Pulver das gleiche bleiben kann. 1.4301, 1.4306, 1.4541 1.4571, 1.4436, 1.4435 136 - X 2 CrNi 19 9 - 1.4316 - X 2 CrNiMo 1912 - 1.4430 <?page no="149"?> Tabelle 9.3: Draht-Pulver-Kombinationen für austenitische Stähle Drahtelektrode Schweißpulver Art der Schweißung nach DIN 8556 nach DIN 32 522 X 2 CrNi 19 9 LW 380 Messer Lincoln Lage-Gegenlage und X 2 CrNiMo 1912 FCS 6 63346 DC 9 K Mehrlagenschweißung X2 CrNi 19 9 P 2000 Lincoln Smitweld Lage-Gegenlage und X 2 CrNiMo 1912 BAB 6 6435 AC 6 Mehrlagenschweißung X2 CrNi 19 9 OP 87 Oerlikon Lage-Gegenlage und X 2 CrNiMo 19 12 BCS 5 99545 AC 10 KMB Mehrlagenschweißung X2 CrNi 19 9 Marathon 431 Thyssen Lage-Gegenlage und X2 CrNiMo 1912 BFB 6 6445 AC 9 K Mehrlagenschweißung LW380 ist ein erschmolzenes Calzium-Silikat-Schweißpulver zum Verbindungs- und Auftragsschweißen von warmfesten, nichtrostenden und hitzebeständigen Stählen sowie für Schwarz-Weiß-Verbindungen. Das Pulver ist auch für das Verschweißen von 5 % Cr- oder 12 % CrMo-Stähle verwendbar. Das Pulver zeichnet sich durch gute Schlackenlöslichkeit, auch bei engen Fugen, aus. P2000 ist ein agglomeriertes aluminat-basisches Schweißpulver zum Verbindungsschweißen nichtrostender austenitischer Stähle, von Nickelbasislegierungen und von Duplex-Stählen. Aufgrund des relativ niedrigen Si-Gehaltes erhält man sehr hohe Kerbschlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen. Das Pulver zeichnet sich durch gute Schlackenlöslichkeit, auch bei engen Fugen, aus. OP87 ist ein agglomeriertes Schweißpulver für das Verbindungsschweißen und Bandplattieren mit Cr-, CrNi- und CrNiMo-Zusätzen. Das Pulver eignet sich sehr gut für Lage-Gegenlage-Schweißungen. Es enthält eine Chromstütze, und brennt dadurch Chrom zu. Marathon 431 ist ein erschmolzenes fluoridbasisches Schweißpulver zum Schweißen von CrNi(Mo)-Stählen. Es ergeben sich glatte und feine Nähte ohne Schlackenreste. Das Pulver zeichnet sich durch gute Schlackenentfernbarkeit und gute Kehlnahtschweißeigenschaften aus. 137 <?page no="150"?> 9.4 Schwarz-Weiß-Verbindung Unter Schwarz-Weiß-Verbindung versteht man die Verbindung von un- oder niedriglegierten ferritischen Stählen (schwarz) mit hochlegierten austenitischen Stählen (weiß). Durch die große Aufmischung beim UP-Schweißen wurde in der Vergangenheit der Einsatz für artverschiedene Schweißverbindungen trotz hoher Leistung kaum in Erwägung gezogen. In den letzten Jahren wurden jedoch Draht-Pulver-Kombinationen entwikkelt, die bei richtiger Schweißtechnologie mit großem Erfolg eingesetzt werden können. 9.4.1 Allgemeines Die Wahl der Drahtelektrode kann die metallurgischen und mechanischen Eigenschaften der artverschiedenen Schweißverbindung erheblich beeinflussen. Um den Einsatz des richtigen Zusatzwerkstoffes zu ermöglichen, werden einige der wichtigsten Probleme, die während oder nach dem Schweißen entstehen können, kurz behandelt. Aufmischung Das Schweißgut einer artverschiedenen Schweißung enthält außer dem Zusatzwerkstoff auch aufgeschmolzenen Grundwerkstoff. Die Aufmischung wird bestimmt durch die Volumenmenge der beiden Grundwerkstoffe im Schweißgut, die im wesentlichen von der Nahtvorbereitung, Schweißdurchführung, Schweißverfahren und Schweißparameter abhängig sind. Sie kann bis zu 60 bis 80 % betragen. Anhand des Schaeffler-Diagrammes gemäß Bild 9.1 ist es möglich, die entstehenden Gefügezustände im Schweißgut zu berechnen. Durch das zwangsläufige Vermischen mit beiden Grundwerkstoffen wird vom Zusatzwerkstoff ein hoher Grad von metallurgischerVerträglichkeit gefordert. Grundsätzlich werden beim Schweißen artverschiedenerVerbindungen hochlegierte Zusatzwerkstoffe verwendet. Die Aufhärtung durch Martensitbildung wird im wesentlichen von der Volumenmenge des niedriglegierten ferritischen Grundwerkstoffes im Schweißgut bestimmt. Bild 9.4 zeigt beim Einsatz verschiedener hochlegierter Zusatzwerkstoffe die Martensitbildung auf der unlegierten Seite der artverschiedenen Verbindungen, wo die metallurgische Verträglichkeit am größten sein muß. 138 <?page no="151"?> Ca., CU > : J er : ru 1 E 0 ,_ u 1 a., .: : ,c. u z a., EE : J t/ ) 5()--.---,-,---1. -----~ 45 -+-_-+-_M_a_rt+-! ! '15_1! _~_01+-f-~_._5 ____ 9~5 ~-----, / t / ' •--,----'"-30Cr/ 10Ni . 1 ' 40"....---1,<--~-+-'---------j ___ : _ __. 24Cr / 13 Ni: ' 1 ! ! ) i i 35-+----+---------#---------< 6 10 / . ! j 20 : io 40 60 70 Anteil an unlegiertem Stahl in% Bild 9.4: Martensitanteile in Prozent Man kann erkennen, daß die Summe vom Cr- und Ni-Äquivalent um so größer sein muß, je größer der Anteil des niedriglegierten ferritischen Werkstoffes im Schweißgut ist, um einen Martensitanteil von 5 Vol.-% im Schweißgut nicht zu überschreiten. Da die Härte des Martensits im wesentlichen vom C-Gehalt abhängt, ist eine größere Menge an Martensit bei niedrigem C-Gehalt durchaus akzeptabel. Aus diesem Grunde wurde die Grenzlinie für 95 Vol.-% Martensit auch angegeben. Wenn die Hochtemperatureigenschaften einer artverschiedenen Schweißverbindung betrachtet werden, muß berücksichtigt werden, daß unter hohen Betriebstemperaturen im hochlegierten Schweißgut nach längerer Zeit die Sigmaphase sowohl aus dem reinen Austenit als auch aus dem Deltaferrit gebildet werden kann. Die Bildung der cr-Phase aus dem 8-Ferrit erfolgt dabei schneller, jedoch ist der Anteil im Schweißgut hauptsächlich bedingt durch die Elemente Chrom, Molybdän und Vanadin, welche im Chromäquivalent aufgeführt sind. Die 139 <?page no="152"?> maximale Höhe des Chromäquivalents im Schweißgut wird in der Regel vom Anteil des hochlegierten Grundwerkstoffes bestimmt. ! ' Bei dickwandigen Mehrlagenschweißungen ist jedoch zu berücksichtigen, daß der Zusatzwerkstoff die Höhe des Chromäquivalents in den Decklagen weitgehend bestimmt, die unter Umständen höher sein kann, als die des hochlegierten Grundwerkstoffes. Um die Neigung zur Bildung der Sigmaphase zu unterdrücken, können die hochlegierten Zusatzwerkstoffe mit hoher Aufnahmefähigkeit für eine artverschiedene Verbindung nur dann eingesetzt werden, wenn auch der Anteil des niedriglegierten Grundwerkstoffes im Schweißgut groß genug ist, um das Chromäquivalent auf eine sichere Seite herabzusetzen. · Kohlenstoffdiffusion Bei einer erforderlichen Wärmenachbehandlung oder bei erhöhten Betriebstemperaturen > 300 °C kann es durch Kohlenstoffdiffusion zu einer Ausscheidung von Karbiden auf der Austenitseite kommen, wenn die Löslichkeitsgrenze überschritten wird. In solchen Fällen sollte dann ein hochnickelhaltiges Schweißgut erzielt werden, da Nickel die Einwanderung von Kohlenstoff unterbindet. Dazu sollte ein Nickelbasis-Zusatzwerkstoff vom Typ NiCr 15 Fe verwendet werden. 30 V / 28 V V ,...,v / 26 1 V V ,...,v I'--.. «,fb\~~ 1 C 24 . Austenll V i~ "" c: l" / V 22 VP,<5·•/ "' .... , V d ~ + 20 ...... i--.... V v.zi. " V 1~ 18 r--..._ f-.-__ ~ 7 t: 7' p "L ·l; ; r r-- "' Thi r-G, rade 1, / ' 16 .......... I"--... ~ 6-~ V.,. / ! <51/ ~ A.~. M. ~ " 14 ....... AtM ....... ~ V l-.A ,- 3 ~c • ., N: 1...--"" 1 i ..... : -... .. A+F _ ~ 12 'r--.... ~ ,r ,__j .... .,./ ~.-- ~ ~ 10 V ><.. / 1/ " .... 1'. _.,. ...-- ! i ~ / .,. ,<: ff'",..--: . 8 Martensil ...... ."' V/ V A-IM·•F > i..--lfck, ,; ,p_, 11-t ...--~ .Q - / z "11. ~- " ....... ---- "" ~ i-- / '--"'" 4 F„ V "i>- .i 'RS 31- M<F Ferrit 2 V 1-- - M \ 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 i Chrom-Aquivalent ·- %Cr f %Mo -t 1,Sx¾SI • 0.5x%Nb • 2x%Ti Bild 9.5: Gefügearten bei einer Schwarz-Weiß-Verbindung 140 <?page no="153"?> Ausdehnungskoeffizient Durch das unterschiedliche Verhalten bei Wärmedehnung der artverschiedenen Stähle werden die thermischen Spannungen noch verstärkt. Hinsichtlich des Zusatzwerkstoffes sollte angestrebt werden, daß der Ausdehnungskoeffizient des Schweißgutes entweder in der Mitte zwischen denen der beiden Grundwerkstoffe liegt, oder daß der Ausdehnungskoeffizient dem Wert des unlegierten Stahles, der die Spannungen schlechter abbauen kann, gleicht. Grundsätzlich sollte darauf geachtet werden, daß artverschiedene Schweißungen nicht in Zonen liegen, die einer Temperaturwechselbeanspruchung unterliegen. 9.4.2 Versuchsaufbau Folgende artverschiedene Schweißungen wurden mit den beiden Grundwerkstoffen RST 37-2 und X 10 CrNiTi 18 9 durchgeführt, wobei die Zusatzwerkstoffe in Anbetracht der Aufmischung je nach Schweißaufgabe gewählt wurden. - Aufgabe 1 Dünnblechbereich 6 mm, Nahtvorbereitung 1-Stoß, Draht-Pulver-Kombination 30 Cr 10 Ni mit 0 2,4 mm und LW 380. Schweißdaten: 1. Seite 350 A, DC (+), 34 V, 60 cm/ min. 2. Seite 400 A, DC (+), 34 V, 60 cm/ min. Bild 9.5 zeigt anhand des Schaeffler-Diagrammes die entstehenden Gefügearten. - Aufgabe 2 MittlererWandstärkebereich 20 mm, Nahtvorbereitung X-Naht, symmetrisch mit 90° Öffnungswinkel, Draht-Pulver-Kombination Wurzel WIG 30 Cr 10 Ni, UP mit 18 8 Mn 6 mit LW 380 Schweißdaten: 400 A, DC (+), 60 cm/ min. erste Lage 1. Seite 50 cm/ min. Die Wurzel wurde vor dem Schweißen der zweiten Seite ausgeschliffen. Die DV-Naht wurde gewählt, um eine geringe Aufmischung zu erzielen. Die Wurzellage wurde wegen der bei WIG höheren Aufmischung mit dem hochlegiertem Draht 30 Cr 10 Ni geschweißt. Bild 9.6 zeigt die gemessenen Härtewerte. - Aufgabe3 Alternativlösung zu Aufgabe 2, wobei Nahtvorbereitung V-Naht mit 70° Öffnungswinkel gewählt wurde. Auf der unlegierten Seite wurde eine Pufferlage mit dem Impuls-Lichtbogen-Verfahren geschweißt. Wegen der hohen Aufmischung wurde die Pufferlage, die Wurzel und die Gegenlage mit dem Draht 141 <?page no="154"?> Bild 9.6: Härtewerte einer Schwarz-Weiß-Verbindung 20 X10CrNiTi 18 9 Bild 9.7: Härtewerte einer Schwarz-Weiß-Verbindung mit Pufferlagen 142 <?page no="155"?> 24 Cr 13 Ni geschweißt. Die UP-Füllagen wurden mit dem Draht 18 Cr 8 Ni geschweißt. Schweißdaten: 400 A, DC (+), 32 V, 50 cm/ min. erste Lage 40 cm/ min. Nach dem Schweißen der 1. Seite wurde auf der zweiten Seite 4 mm ausgeschliffen und von Hand gegengeschweißt. Die gemessenen Härtewerte in der Pufferlage zeigen, daß die Aufmischung innerhalb einer sicheren Grenze liegen (siehe Bild 9.7). - Aufgabe 4 Kehlnaht in Normallage, Wandstärke 6 mm, keine Anfasung. Es wurden 2 Schweißungen durchgeführt, einmal mit Draht 30 Cr 1O Ni und zum zweitenmal mit Draht 24 Cr 13 Ni. In beiden Fällen waren die Schweißdaten gleich. Schweißdaten: 400 A, DC (+), 30 V, 40 cm/ min. Im Vergleich von Bild 9.8 mit Bild 9.9 wird ersichtlich, daß der Draht 24/ 13 hoch genug legiert ist, um diese Art von Schweißung einwandfrei durchführen zu können. 9.4.3 Besonderheiten der Schweißtechnologie Gegenüber den unlegierten Stählen oder den hochlegierten Stählen sind bei der Schwarz-Weiß-Verbindung einige Besonderheiten zu beachten: der max. Drahtdurchmesser sollte 3 mm nicht überschreiten die Stromstärke ist ca. 10 bis 20 % niedriger zu wählen als bei unlegierten Stählen die Schweißgeschwindigkeit sollte nicht unter 50 cm/ min. liegen, in etwa 10 bis 20 % höher als bei unlegierten Stählen die max. Zwischenlagentemperatur soll 150 °C nicht übersteigen aufgrund der Blaswirkung des Lichtbogens, bedingt durch magnetisches schwarzes Material und unmagnetisches weißes Material ist die Drahtelektrode um ca. 1 x Drahtdurchmesser entsprechend zum weißen Material hin versetzt anzustellen. bei genau mittiger Drahtanstellung wird zuviel schwarzes Material aufgeschmolzen, was Martensitbildung zur Folge hat die ideale Drahtanstellung ist durch Schweißversuche zu ermitteln, wobei es immer günstiger ist, wenn weniger schwarzes als weißes Material aufgeschmolzen wird 143 <?page no="156"?> Bild 9.8: Kehlnaht 1 als Schwarz-Weiß-Verbindung Bild 9.9: Kehlnaht 2 als Schwarz-Weiß-Verbindung 144 <?page no="157"?> Die Schwarz-Weiß-Verbindung läßt sich sicher und qualitativ schweißen, wenn vorgenannte Gesichtspunkte berücksichtigt werden, die entsprechenden Parameter gewählt werden, und richtige Draht-Pulver-Kombinationen ausgewählt werden. 9.4.4 Draht-Pulver-Kombinationen Tabelle 9.4 zeigt Beispiele für mögliche Draht-Pulver-Kombinationen auf, wobei auch hier nach Möglichkeit die Spezialisten der Hersteller zu Rate gezogen werden sollten. Für die nachfolgend genannten Werkstoffe werden folgende unterschiedliche Drahtelektroden empfohlen, wobei das Pulver das gleiche bleiben kann. 1. 4301, 1. 4306, 1. 4541 mit RST 37-2, H II, 15 Mo 3 1.4571, 1.4436, 1.4435 Tabelle 9.4: Draht-Pulver-Kombinationen für Schwarz-Weiß-Verbindung Drahtelektrode nach DIN 8556 X 2 CrNi 2412 X2 CrNi 2412 X2 CrNi 2412 P 2000 S Schweißpulver Art der Schweißung nach DIN 32 522 LW 380 Messer Lincoln Lage-Gegenlage und FCS 6 63346 DC 9 K Mehrlagenschweißung P 2000 S Lincoln Smitweld Lage-Gegenlage und BAB 5 6495 AC 6 Mehrlagenschweißung Marathon 431 Thyssen Lage-Gegenlage und BFB 6 6445 AC 9 K Mehrlagenschweißung ist ein agglomeriertes aluminat-basisches Schweißpulver zum Verbindungsschweißen von Schwarz-Weiß-Verbindungen, sowie für die Pufferlage von CrNi-Plattierungen auf unlegiertem Werkstoff. Das Pulver wird bevorzugt eingesetzt, wenn hohe Ferritgehalte im Schweißgut gefordert sind, bzw. wenn Heißrisse vermieden werden sollen. Es stellt sich ein Chromzubrand von 2 bis 3,5 %, abhängig von den Schweißparametern ein. Bild 9.10 zeigt den Makroschliff einer sauberen Schwarz-Weiß-Verbindung. 145 <?page no="158"?> Bild 9.10: Makroschliff einer Schwarz-Weiß-Verbindung 146 <?page no="159"?> 10. Wirtschaftlichkeit Für den Einsatz eines Schweißverfahrens in der Praxis ist nicht nur die Technik und die Qualität entscheidend. Es kommt vielmehr darauf an, ob das Schweißverfahren auch wirtschaftlich ist. Allein die technischen Vorteile bedeuten noch keine Wirtschaftlichkeit. Eine Wirtschaftlichkeitsberechnung kann auf verschiedene Art und Weise gemacht werden. Häufige Fehler sind dabei unzureichende Erfassung von Kostenfaktoren - Verwendung ungeeigneter Kalkulationsmethoden - Unklarheit über die tatsächliche Abhängigkeit einzelner Teilkosten von Produktmengen oder Zeit Eine falsche Wirtschaftlichkeitsberechnung führt zu Fehlentscheidungen, die das Unternehmensziel gefährden können. Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen sind immer subjektiv und anwendungsbezogen, auf die jeweilige Schweißaufgabe abgestimmt. Allgemeine Regeln sind daher nur als Anregung und Entscheidungshilfe anzusehen. 10.1 Produktivität und Wirtschaftlichkeit Durch die hohe Abschmelzleistung ergibt sich eine hohe Arbeitsproduktivität, d. h. je Arbeitskraft und Arbeitsstunde werden viel Schweißdraht abgeschmolzen, und somit viele Meter Schweißnaht hergestellt. Produktivität Produktivität = Menge der erstellten Leistung oder erzeugten Güter Menge eines dafür eingesetzten Produktionsfaktors = mengenmäßige Ergiebigkeit Wirtschaftlichkeit = Ertrag der betrieblichen Leistung Kosten der dafür erforderlichen Produktionsfaktoren Wirtschaftlichkeit = wertmäßige Ergiebigkeit der Kombination von Produktionsfaktoren (ökonomisches Prinzip) 147 <?page no="160"?> Ein Fertigungsbetrieb soll in erster Linie wirtschaftlich arbeiten. Eine hohe Produktivität steht nicht für Wirtschaftlichkeit. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die Kosten gesenkt werden. Dazu muß man aber die Kosten kennen. 10.2 Kostenrechnung In vielen Unternehmen des Maschinen- und Apparatebaues ist die Zuschlagskalkulation üblich. Dies bedeutet, daß alle nicht direkt verrechenbaren Kosten nach bestimmten Verteilungsschlüsseln umgelegt werden. Diese einfache Methode liefert als Vollkostenkalkulation zur Ermittlung der Stückherstellkosten eine brauchbare Grundlage für eine Preisvorstellung, mehr aber nicht. Die Zuschlagskalkulation versagt aber bei einigen wichtigen Entscheidungen, z.B. im Fall der Auslastung mit Aufträgen zu „schlechten Preisen" beim Wirtschaftlichkeitsvergleich zweier Fertigungsverfahren bei einer Investitionsrechnung Verfahrensvergleiche dürfen nicht mit den Zahlen der Zuschlagskalkulation, sondern müssen als analytischer Kostenvergleich entsprechend Bild 10.1 nlchtprodukllons• Restferllgungagebunden Gemeinkosten produkllona• gebunden sonstige Maschinenkosten Instandhaltung Energie Raumkosten Kelkulatorlsche Zinsen Kalkulatorische Abschreibung Lohnnebenkosten Fertigungslöhne Fertigungsstoffe Verfahren 148 A echte .Einsparung· B IX) C * ] C ., C i ., : : E Bild 10.1 : Analytischer Kostenvergleich <?page no="161"?> durchgeführt werden, wenn sie echte Einsparungen aufzeigen sollen. Einzel~ heiten dazu sind in einem DVS-Fachbuch ausführlich beschrieben worden. Tabelle 10.1: Formblatt UP-Kostenberechnung Formblatt UP-Kostenberechnung für eine Schweißaufgabe 1. Fertigungsstoffe Drahtkosten Nahtquerschnitt aus Tafel oder Hilfsberechnung.................. ___ cm 2 Drahtverbrauch aus Nahtlänge, Nahtquerschnitt, Artgewicht und Ausbringen ................................................. ................... ___ kg Preis der Drahtelektrode ............ ........................ ............ ...... __ DM/ kg Drahtkosten aus Drahtverbrauch und Drahtpreis................. ___ DM Pu/ verkosten Pulververbrauch ................................................................... Preis des Pulvers ................................................................. Pulverkosten ........................................................................ Stromkosten Verbrauchte elektr. Arbeit aus Schweißstrom, Lichtbogen- __ kg __ DM/ kg __ DM spannung, Schweißzeit, Wirkungsgrad der Stromquelle ..... ___ kWh Stromkosten bei Arbeitspreis ___ DM/ kWh ............. ...... ___ DM Beschaffungs- und Lagerkosten (anteilsmäßig) .................. . *** Summe Fertigungsstoffe .............................................. 2. Arbeitskosten Reine Schweißzeit ........................... Neben-, Verteil-, Rüstzeiten ............ . Gesamtzeit ....................................... min. min. min. Brutto-Stundenlohn .... .. ........ ............ ___ DM/ h Lohnnebenkosten............................. ___ % Gesamtstundensatz ............................................................. __ DM ___ DM ___ h __ DM/ h *** Arbeitskosten aus Gesamtzeit und Gesamtstundensatz DM --- 149 <?page no="162"?> 3. Maschinenkosten Kalkulatorische Abschreibung Kapitaleinsatz................................... ___ DM kalkulatorische Nutzungsdauer ........ ___ Jahre Einsatzstunden pro Jahr ............ ...... ___ h kalkulatorische Abschreibung je Nutzungsstunde .. .. .... ... ..... ___ DM/ h Kalkulatorische Verzinsung Zinssatz............................................ ___ % auf 1/ 2 x Kapitaleinsatz.................... ___ DM kalkulatorische Verzinsung je Nutzungsstunde ..... .. ...... . .. .. .. ___ DM/ h Raumkosten Maschinen- und Bedienungsfläche .. ___ m2 jährliche Raumkosten nach BAB ...... ___ DM/ m2 Raumkosten je Nutzungsstunde ..... ... ...... ..... .. .. ... .. .. ... ... ... ... ___ DM/ h Energiekosten Kosten Leerlaufzeit Stromquelle .... .. ___ DM Kosten für Hilfseinrichtungen ........... ___ DM Energiekosten je Nutzungsstunde ....... ...... .. ..... ............ ....... ___ DM/ h Instandhaltungskosten Ersatz- und Verschleißteile ..... .. ....... ___ DM Arbeitskosten ................................... ___ DM Instandhaltungskosten je Nutzungsstunde .......................... __ DM/ h Maschinenkostensatz........................................................... DM/ h *** Gesamtzeit (aus Abschnitt „2. Arbeitskosten") ....... ......... ___ h *** Gesamtmaschinenkosten ...... .. ... ......... .. ................... .... .. ___ DM 4. Gesamtkosten Fertigunsstoffe ................................. Arbeitskosten ................................... Maschinenkosten ............................. ___ DM __ DM __ DM Gesamtkosten der Schweißaufgabe .. .. ........ . .. .. . .. .. ..... .. ....... DM 150 <?page no="163"?> Ein Formblatt für einen analytischen Kostenvergleich für das UP-Schweißen ist in Tabelle 10.1 wiedergegeben. Entscheidend bei einer Vergleichsrechnung ist es, die Fixkosten in ihrer tatsächlichen Höhe zu berücksichtigen. Zu den Fixkosten gehören auf der Seite der Maschinenkosten die Kapitalkosten, kalkulatorische Abschreibung und kalkulatorische Verzinsung. Je höher die Kapitalkosten, desto mehr beeinflussen sie die Vergleichsrechnung. Der Fehler wird umso größer, wenn diese Kosten falsch behandelt werden. 10.3 Aufbau einer Kalkulation für das UP-Schweißen Den Aufbau einer Kalkulation für das UP-Schweißen zeigt das in Bild 10.1 dargestellte Schema. Der vorgeschlagene Weg ist in dem Formblatt „UP- Kostenrechnung" gemäß Tabelle 10.1 zusammengefaßt. Die einzelnen Kostenfaktoren, die speziell das Schweißen betreffen, werden nachfolgend aufgeführt und bewertet. 10.3.1 Draht Die Drahtkosten ergeben sich aus der erforderlichen Drahtmenge und dem tatsächlich bezahlten Preis für die Drahtelektrode. Die Ausbringung darf mit nahezu 100 % angesetzt werden, da keine Spritzverluste auftreten. Die nicht verwertbare Restlänge jeder Drahtspule ist vernachlässigbar klein. Für die Ermittlung der erforderlichen Drahtmenge und der damit identischen Menge des abgeschmolzenen Schweißgutes gibt es zwei Möglichkeiten: - Berechnung aus Nahtquerschnitt und Nahtlänge Der Nahtquerschnitt wird Tabellen entnommen oder aus der Nahtgeometrie errechnet (siehe Bild 10.2). Wichtig ist es dabei, den Spalt, die Nahtüberhöhung und den Wurzeldurchhang richtig anzusetzen. - Ermittlung durch Probeschweißung Das erforderliche Drahtgewicht wird entweder direkt gewogen (vor und nach der Probeschweißung) oder aus den Schweißparametern errechnet. Für eine 1-Naht liefert eine Faustformel gute Werte: F = 0,03 x Stromstärke (A) / Schweißgeschwindigkeit (cm/ min) [cm 3 ] 151 <?page no="164"?> 1nTabelle 10.2 wird die abgeschmolzene Drahtmenge abhänQig vom Drahtelektrodendurchmesser und der Schweißstromstärke dargestellt. Uberschlägig kann dabei die Abschmelzleistung nach folgender Formel berechnet werden: Schweißgut = 0, 18 ... 0,22 x Stromstärke (A) [g/ min.] Tabelle 10.2: Abschmelzleistung beim UP-Schweißen - 100 % Einschaltdauer Stromstärke [A] Gewicht [g/ min.] 300 350 400 450 500 550 600 IIU&J--6 -,~ 3,2mm 60 70 80 90 100 115 130 Bild 10.2: Nahtquerschnitte 152 4,0mm 70 75 85 95 105 lg1,! >"•0,13 IQ 10"=0,176 19 15"=0,262 lg 20"=0.364 l92! ; b„O,C66 lg3D"=0.577 lg35"=0.70 lgC0"=0.639 lgC5"-=1.0 Abschmelzleistung [kg/ h] 3,2mm 4,0mm 3,6 4,2 4,8 4,2 5,4 4,5 6,0 5,1 6,9 5,7 7,8 6,3 <?page no="165"?> Die Werte der Tabelle gelten als überschlägige Werte und können in der Praxis unterschiedlich ausfallen. Für Kalkulationszwecke jedoch sind diese Werte ausreichend genau, da eine Kalkulation immer auf Annahmen beruht. Die Toleranzen der Schweißfuge haben den größten Einfluß auf das einzubringende Schweißgut. Dabei fällt wiederum auf, daß die dünnere Drahtelektrode bei gleicher Stromstärke aufgrund der höheren Stromdichte eine größere Abschmelzleistung erbringt. Diese hohe Abschmelzleistung ist nicht immer von Vorteil, da sich bei dünnen Elektroden eher schlanke, überhöhte Nahtoberflächen ausbilden. Bild 10.3 zeigt die Drahtvorschubgeschwindigkeit beim UP-Schweißen in Abhängigkeit vom verwendeten Drahtdurchmesser und der Schweißstromstärke auf. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit multipliziert mit dem Drahtvolumen pro cm Draht ergibt die abgeschmolzene Drahtmenge pro Minute. In Tabelle 10.3 ist ein Bereich aus Bild 10.3 ausgewertet. 400 cm/ 360 340 320 300 .., 280 ] 260 : s' 240 °i 220 ~ 200 8, 180 _g 160 ,: E 140 l: 120 e 0 100 80 60 40 .. t J ' I _ B B stls min- E E,-E: E: J - ,; i-J t, - ..: - .._..,., / I I I I I I I lSl ' J / I ~7.. I I I J '1'~/ , I I 1/ ISI' I J s' 1 ". , I I I I ~3/ ~ lt',. J , / I / ~ -~, $,L I ~ / -9-; ; ~ J. / I / / / _". Y. / / / / _v ." V" V_".- ".. . - - --..P - ~ - 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 A 2000 Stromstärke Bild 10.3: Drahtvorschubgeschwindigkeit beim UP-Schweißen 153 <?page no="166"?> Tabelle 10.3: Abschmelzleistung beim UP-Schweißen - 100 % Einschaltdauer Draht Volumen Schweißgut [kg/ h] abhängig von der Stromstärke [Al [mm] [cm3/ cm] 200 300 400 500 600 2,0 0,031 2,04 3,06 4,67 2,5 0,049 3,23 4,62 6,46 3,0 0,071 3,34 4,68 6,35 8,03 4,0 0,126 4,45 5,93 7,71 5,0 0,196 4,62 5,54 Vergleicht man die Tabellen 10.2 und 10.3, so ergeben sich etwas abweichende Abschmelzleistungen. Für Kalkulationszwecke sind jedoch diese Werte ausreichend. Man erkennt wiederum, daß ein größerer Drahtdurchmesser bei gleicher Stromstärke keine Vorteile hinsichtlich der Abschmelzleistung bringt. 10.3.2 Schweißpulver Anhand des abgeschmolzenen Drahtes wird im Verhältnis dazu der Pulververbrauch ermittelt. Das Draht-Pulver-Verhältnis hängt ab von der Art und dem Schüttgewicht des Pulvers, und von den Schweißbedingungen. Bei Einsatz von Schmelzpulvern ist der Pulververbrauch höher als bei agglomerierten Pulvern. Im Kapitel 6.11 wurde der Pulververbrauch verschiedener Pulvertypen ermittelt und dargestellt. In Tabelle 10.4 werden Anhaltswerte zusammengefaßt angegeben. Tabelle 10.4: Draht-Pulver-Verhältnis beim UP-Schweißen agglomerierte Pulver Schmelzpulver Faustregel für Kalkulation 1: 0,8 bis 1,0 1: 1,0 bis 1,3 1: 2 Für Kalkulationszwecke sollte man sich an die Faustregel halten, daß der Pulververbrauch ca. doppelt so hoch ist wie der Drahtverbrauch. Es läßt sich nicht vermeiden, daß Pulver verschüttet wird oder auf den Boden fällt, bzw. daß das Pulver nicht vollständig abgesaugt wird. Aus diesem Grunde sollte man nicht über Nachkommastellen nachdenken, sondern diese auf der sicheren Seite liegende Faustformel verwenden. 10.3.3 Stromkosten Die Stromkosten werden aus der Lichtbogenspannung, dem Schweißstrom, der Schweißzeit und dem Wirkungsgrad der Stromquelle errechnet. Der Wir- 154 <?page no="167"?> kungsgrad kann im Mittel mit 0,7 angenommen werden, d. h. dem Netz ist die 1.43-fache elektrische Arbeit zu entnehmen. Elektr. Arbeit = 1,43 x 0,001 x U x I x t [KWh] 10.3.4 Sonstige Kalkulationswerte Sonstige für die Kalkulation relevante Kosten werden betriebsspezifisch unterschiedlich ermittelt und verrechnet. Viele Werte können dem Betriebsabrechnungsbogen (BAB) entnommen werden. Aus diesem Grunde sollen an dieser Stelle nur einige Anmerkungen gemacht werden. - Arbeitskosten Die Ermittlung der Arbeitskosten muß auf Zeitaufnahmen der Fertigung gestützt sein. Dabei sind alle erforderlichen Nebenzeiten, sowie anteilige Rüstzeiten, Verteilzeiten und Erholungszeiten zu berücksichtigen. Hier sei auf das REFA-Schrifttum verwiesen. Zahlreiche in der Vergangenheit veröffentlichte Tabellen über Schweißzeiten sind gerade für Kalkulationszwecke mit Vorsicht zu genießen. Die notwendigen wichtigen Nebenzeiten wie Schleifen, Verputzen und Prüfen kommen häufig zu kurz. - Maschinenkosten Für UP-Schweißanlagen kann im Einschichtbetrieb aufgrund der in den letzten Jahren ausgereiften Technik eine kalkulatorische Nutzungsdauer von 8 bis 10 Jahren angesetzt werden. - Energiekosten Hierunter fallen unter anderem Kosten für Strom im Leerlauf und für Druckluft zur Pulverförderung. 10.3.5 Schlußfolgerung Der Vergleich zweier Schweißverfahren hinsichtlich derWirtschaftlichkeit wird von Betrieb zu Betrieb unterschiedlich gehandhabt. Es läßt sich aber feststellen, daß das UP-Schweißen bei langen, gut zugänglichen Schweißnähten in waagrechter Position bzw. beim Schweißen auf der Drehvorrichtung mit jedem anderen Schweißverfahren konkurrieren kann. Der hohen Abschmelzleistung und der niedrigen Schweißzeit pro Meter Naht stehen gegenüber dem E-Hand und MAG-Schweißen höhere Investitionskosten entgegen. Die Wirtschaftlichkeitberechnung kann und wird nachweisen, ab wann es sich lohnt, in das UP-Schweißen zu investieren. 155 <?page no="168"?> 11. Anwendungstechnik 11.1 Anwendungsbereiche Das UP-Schweißen wird eingesetzt im Silobau, Kessel- und Behälterbau in der Rohrfertigung für Rund-, Längs-, Innen-, Außen-, Spiralrohr-, Flossenrohr-Schweißungen · im Tankbau für Flachbodentanks, Lagertanks, Kleintanks im Fahrzeugbau für Fahrgestelle, Kastenträger, Felgen, Bremsbacken, Achsrohre, Hinterachsbrücken im Stahlbau, Brückenbau und Kranbau für Träger, Holme usw. neben vielen anderen Anwendungen an Pumpen, Rollen, Gelenkwellen und bei Reparaturen von Verschleißteilen wie Walzen, Kettengliedern, Kettenrollen usw. im Schiffbau wobei diese Aufzählung keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt. 11.2 Verfahrensvarianten Neben dem Eindrahtschweißen, bei dem nur ein Draht stromführend als Drahtelektrode abgeschmolzen wird, gibt es eine Reihe von Verfahrensvarianten, mit denen in der Regel Leistungssteigerungen verbunden sind. Tafel 11.1 zeigt einen Überblick über die wichtigsten Varianten. Die Bilder 11.1 bis 11.9 zeigen das Prinzip der unterschiedlichen Verfahrensvarianten auf. 11.2.1 Eindrahtschweißen Das Eindrahtverfahren kann als teilmechanisches oder vollmechanisches Verfahren angewendet werden. Beim teilmechanischen Verfahren führt der Schweißer den Schweißkopf von Hand. Draht und Pulver werden durch ein Schlauchpaket selbsttätig zugeführt. 156 <?page no="169"?> Tafel 11.1: Varianten des UP-Schweißens Variante Merkmale Vorteile Eindraht eine Drahtelektrode gegenüber herkömmlichen eine Stromquelle Schweißverfahren eine hohe eine Regelung Abschmelzleistung Paralleldraht zwei Drahtelektroden hohe Abschmelzleistung eine Stromquelle gute Spaltüberbrückbarkeit eine Regelung hohe Schweißgeschwindigkeit Tandem zwei Drahtelektroden hohe Abschmelzleistung zwei Stromquellen hohe Schweißgeschwindigkeit zwei Regelungen günstige Nahtgeometrie bessere mechan. Gütewerte Heißdraht lichtbogentrag. Elektrode hohe Abschmelzleistung lichtbogenlose Elektrode geringes Wärmeeinbringen zwei Stromquellen bessere mechan. Gütewerte zwei Regelungen Bandelektrode bandförmige Elektrode Verbindungsschweißung: eine Stromquelle gute Spaltüberbrückbarkeit eine Regelung Auftragsschweißung: hohe Plattierungsleistung geringe Vermischung glatte Oberfläche Die Anwendung dieses Verfahrens wird dadurch erschwert, daß der Schweißer wegen der Pulveraufschüttung den Schweißprozeß nicht direkt beobachten kann. Das teilmechanische Verfahren wird in der BRD kaum angewendet. In den meisten Fällen überwiegt in Europa das vollmechanische UP-Schweißen-Eindrahtschweißen, bei dem auch die Schweißfortschrittsgeschwindigkeit mechanisch abläuft. 11.2.2 Paralleldrahtschweißen Beim Doppel- oder Paralleldrahtschweißen werden zwei, meist dünnere Drahtelektroden, z.B. 2 x 2,5 mm, an einer Stromquelle und mit der gleichen Zuführungs- und Regeleinheit abgeschmolzen. Neben einer höheren Abschmelzleistung ergeben sich einige weitere Vorteile. 157 <?page no="170"?> 1 Netz 2 Schweißstromquelle 3 Drahtvorschubgetriebe 4 Elektroden 5 Schweißstromkontakt 6 Schweißlichtbogen 2 ; -: ; 2 7 Werkstück 8 Kaltzusatz (Draht oder Granulat) 9 Schweißpulveraufschüttung a Eindraht (u. U. mit Drahtkorn/ Stahlkies) b Doppeldraht Bild 11.1: Eindrahtschweißen Bild 11.2: Paralleldrahtschweißen L.i d a Tandem (ein Schmelzbad) b Tandem (zwei Schmelzbäder) 1 Netz 4 Elektroden 7 Werkstück 2 Schweißstromquellen 3 Drahtvorschubgetriebe 5 Schweißstromkontakt 6 Schweißlichtbogen 8 Schweißpulveraufschüttung 9 Heißdraht Bild 11.3: Tandemschweißen (ein Schmelzbad) 158 Bild 11.4: Tandemschweißen (zwei Schmelzbäder) <?page no="171"?> a Eindraht mit einem Heißdraht b Tandem mit zwei Heißdrähten c Band-Auftragschweißen 1 Netz 4 Elektroden Bild 11.5: Eindrahtschweißen mit einem Heißdraht Bild 11.6: Tandemschweißen mit zwei Heißdrähten Bild 11.7: Band- Auftragsschweißen 7 Werkstück 2 Schweißstromquelle 3 Drahtvorschubgetriebe 5 Schweißstromkontakt 6 Schweißlichtbogen 8 Schweißpulveraufschüttung 9 Heißdraht 159 <?page no="172"?> Bild 11 .8: Anwendungspalette teilmechanisch Bild 11.9: Anwendungspalette vollmechanisch Bei hintereinanderlaufenden Drähten entsteht ein längeres Schmelzbad, das langsamer erstarrt und somit bessere Ausgasungsbedingungen bietet. Es sind deshalb beim Doppeldrahtschweißen höhere Geschwindigkeiten möglich. Durch seitliches Versetzen der Drahtelektroden kann man die zwei Lichtbögen gezielt auf die Fugenflanken richten. Die Gefahr des Durchfallens wird dadurch geringer und die Spaltüberbrückbarkeit wird vor allem bei dünneren Werkstücken besser. 160 <?page no="173"?> 11.2.3 Tandemschweißen BeimTandem- und Mehrdrahtschweißen besitzt jede Elektrode eine eigene Energieversorgung, d. h. eine eigene Stromquelle, Vorschub- und Regeleinheit. Dies bringt gegenüber dem Eindrahtschweißen eine Reihe von Vorteilen mit sich. Mit der ersten Elektrode wird meist durch hohe Stromstärke die notwendige Einbrandtiefe erreicht. Die letzte Elektrode, mit niedrigerer Stromstärke und höherer Lichtbogenspannung betrieben, sorgt für die notwendige Breitung und glättet die Nahtoberfläche. Die höhere Abschmelzleistung des Verfahrens kann besonders gut in höhere Schweißgeschwindigkeit umgesetzt werden. Wegen der Aufteilung der Energie auf mehrere Drähte entsteht eine feinere Kristallisation, verbunden mit besseren mechanischen Gütewerten des Schweißgutes. Neben dem Tandemschweißen werden Mehrdrahtsysteme mit drei und vier Drahtelektroden betriebsmäßig eingesetzt. Der Abstand der Drahtelektroden beträgt ca. 15 bis 100 mm. Bei den engen Abständen, bei denen die Lichtbögen in einer gemeinsamen Kaverne brennen, kann es vor allem in tiefen Fugen zu einer gegenseitigen Beeinflussung der sich um die Elektroden aufbauenden Magnetfelder kommen. Die Verwendung von Gleichstrom an zwei benachbarten Köpfen ist dann nicht möglich. Beim Tandemschweißen in einer Kaverne wird deshalb gewöhnlich am ersten Kopf Gleichstrom und am zweiten Kopf Wechselstrom verwendet, oder beide Schweißköpfe arbeiten mit Wechselstrom in bestimmter Phasenanordnung. Beim 3-Draht-Schweißen in der Rohrfertigung überwiegt die Verwendung von Wechselstrom, wobei die Drahtelektroden jeweils 90 oder 120° phasenverschoben angeschlossen sind. Bild 11.10 zeigt eine Tandemschweißmaschine. 11.2.4 Heißdrahtschweißen Eine weitere Variante des UP-Schweißens ist das Heißdrahtschweißen. Es wird außer der lichtbogentragenden Elektrode noch ein zweiter stromführender Draht zugeführt. Dieser ist an eine zweite Stromquelle angeschlossen. Im Kontakt mit dem Werkstück durch Widerstandserwärmung wird er bis auf Rotglut vorgewärmt. Diese zweite Elektrode schmilzt erst im Lichtbogenbereich endgültig auf, wobei sie die hierzu notwendige Energie dem Lichtbogen entzieht. 161 <?page no="174"?> Bild 11.10: UP-Tandemschweißgerät Da die Heißdrahterwärmung wesentlich verlustloser vor sich geht, kann mit relativ geringer elektrischer Leistung eine große Abschmelzleistung erreicht werden. Das UP-Heißdrahtschweißen bietet also eine hohe Abschmelzleistung bei geringem Wärmeeinbringen. Darin liegt der besondere Vorteil dieses Verfahrens. 11.2.5 UP-Schweißen mit Bandelektrode Das UP-Schweißen mit Bandelektrode kann sowohl zum Verbindungsschweißen, wie auch zum Auftragsschweißen eingesetzt werden. Beim Verbindungsschweißen bringt es ähnliche Vorteile wie das Doppeldrahtschweißen, d. h. mit in Längsrichtung angestellter Bandelektrode verlängert sich das Schmelzbad und es sind höhere Schweißgeschwindigkeiten möglich. Beim Schweißen mit quer zur Schweißrichtung angestellter Bandelektrode erhält man einen geringeren Einbrand und eine bessere Spaltüberbrückbarkeit. 162 <?page no="175"?> Der Schwerpunkt des Einsatzes des UP-Bandschweißens liegt aber eindeutig auf dem Gebiet des Auftragsschweißens. Hier kommt das Verfahren vornehmlich zum Einsatz beim großflächigen Plattieren mit hochlegierten Werkstoffen. Standardabmessungen der Bänder sind 60 x 0,5 mm, jedoch werden mit dem Ziel der Leistungssteigerung auch Bandelektroden von 90 und 120 mm Breite verwendet. Geschweißt wird ausschließlich mit Gleichstrom, wobei der Pluspol gewöhnlich an der Elektrode liegt. Beim Auftragen von Nickel.und Nickellegierungen ist auch schon wegen der geringeren Einbrandtiefe Minuspolung genutzt worden. Allerdings ist der Schweißablauf dabei instabiler. Die Abschmelzleistung ist von der Elektrodenform weitgehend unabhängig. An der Bandkante brennen einer oder mehrere Lichtbögen gleichzeitig, die dem jeweiligen Abbrand folgend an der Bandkante hin und her pendeln. Durch diese Pendelung wird die Einbrandtiefe stark reduziert. Dadurch wird die Aufmischung klein gehalten. Beim UP-Bandschweißen kann man Aufmischungsgrade von weniger als 20 % erwarten. · Bei Verwendung etwas überlegierter Bandelektroden ist es sogar möglich, korrosionsbeständige Schichten in Dicken zwischen etwa 3,5 bis 5 mm in einer Lage aufzubringen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Bandelektroden ist die glatte, kerbfreie Oberfläche der Auftragung, die es in vielen Fällen erlaubt, auf eine mechanische Bearbeitung zu verzichten. Bild 11.11 zeigt das UP-Schweißen mit Bandelektrode Neuerdings wird an Stelle des Lichtbogen-Auftragschweißen mit Bandelektrode das Elektrosehlacke-Auftragsschweißen mit Bandelektrode eingesetzt. Bei diesem Widerstandsschmelzschweißen wird wie beim Elektrosehlacke- Verbindungsschweißen die erforderliche Schmelztemperatur und Joul'sche Wärme durch das Aufschmelzen eines Schweißpulvers erzeugt, dessen flüssige Schlacke elektrisch leitend wird und die Bandelektrode abschmilzt. 11.2.6 Leistungsvergleich In Bild 11.12 wird ein Vergleich der Abschmelzleistungen der verschiedenen Verfahrensvarianten des UP-Schweißens gezeigt. Schon das Eindrahtschweißen liegt im mittleren und oberen Stromstärkebereich über dem manuellen Schweißen mit Stabelektroden oder mit MAG- Schweißen. 163 <?page no="176"?> Bild 11.11: UP-Schweißen mit Bandelektrode Das Heißdrahtschweißen führt schon bis zu Abschmelzleistungen von 25 kg/ h. Die gleiche Abschmelzleistung erzielt man in etwa mit dem Doppeldrahtschweißen, während das Tandemschweißen bereits bis zu 38 kg/ h erbringen kann. Beim 3- oder 4-Drahtschweißen werden noch höhere Abschmelzleistungen erzielt. Verfahrenstechnische Grenzen bestehen darin, daß diese leistungsstarken Verfahrensvarianten nicht in allen Anwendungsfällen nutzbar sind. Bei Rundnähten an kleineren Behältern kann wegen der Länge des Schmelzbades evt. schon das Tandemschweißen problematisch werden. Bei der Fertigung längsnahtgeschweißter Großrohre wird dagegen die 3- oder 4-Drahtschweißung eingesetzt. 11.3 Hilfsmittel und Vorrichtungen Um das UP-Schweißen noch wirtschaftlicher zu machen, bedient man sich nachfolgend genannter Hilfsmittel und Vorrichtungen. 164 <?page no="177"?> Bild 11.13: Längsnaht-Schweißvorrichtung mit Stromquelle - Längsnaht-Spannvorrichtungen werden zum Spannen von ebenen Blechen, zylindrischen und anders geformten Mänteln und Rohren für das Schweißen von Längsnähten eingesetzt. - Drehtische dienen zum Drehen von Bauteilen bei durchgehenden bzw. unterbrochenen Schweißnähten an Rundteilen aller Art. - Roll- oder Drehvorrichtungen verwendet man zum Drehen von Behältern, Silo, Kesseln und Rohren für das Schweißen von Rundnähten, aber auch zum Positionieren bei Längsnähten. - Automatenträger finden vor allem im Großbehälterbau Anwendung, wobei der Automatenträger in der Regel auf einem Gleis montiert wird, und somit auch parallel zum Behälter verfahrbar ist. Die Bilder 11.13 bis 11.22 zeigen einige der zuvor genannten Hilfsmittel und Vorrichtungen auf. 165 <?page no="178"?> 100 2 kg/ h .c '"' ... ""O 80 C! : l ·q; I 70 .... N .c + Cl) "' ... C ""O E .a 60 C! : l CJl ·q; ""O ·q; I C -; : ; ; 50 "' Q) + E .c 40 0 CJl ..c <( 30 20 10 0 11! ! : : : ; ___...L.... __ ..L.. __ _._ __ _,1 ___ i._ __ .J._ __ ..J 0 500 1000 1500 2000 2500 A 3500 Schweißstromstärke Bild 11.12: Leistungsvergleich der Verfahrensvarianten Bild 11.14: Drehtisch 166 <?page no="179"?> Bild 11.15: Drehvorrichtung Bild 11.16: Automatenträger mit UP-Aufsatz 167 <?page no="180"?> Bild 11.17: Stromquellen Bild 11.18: Praxis-Beispiel UP-geschweißter Behälter (Werkfoto Fa. M. Glatt Maschinenbau GmbH, Abensberg) ... 168 <?page no="181"?> ... Bild 11.19: Praxis-Beispiel UP-geschweißter Behälter (Werkfoto Fa. M. Glatt Maschinenbau GmbH, Abensberg) Bild 11.20: UP-Eindrahtschweißen 169 <?page no="182"?> ... ..... 0 Bild 11.21: UP-Doppeldraht-Schweißgerät Bild 11.22: UP-Traktor bei Kehlnahtschweißung <?page no="183"?> Literatur- und Quellenverzeichnis DIN 8551 Teil 4, Schweißnahtvorbereitung, Fugenformen an Stahl, Unter-Pulver-Schweißen, 1976. 2 DIN 8556Teil 1, Schweißzusätze für das Schweißen nichtrostender und hitzebeständiger Stähle, Bezeichnung, Technische Lieferbedingungen, 1976. 3 DIN 8557Teil 1 (prEN 756), Schweißzusätze für das Unterpulverschweißen, Verbindungsschweißen von unlegierten und legierten Stählen, Bezeichnung, Technische Lieferbedingungen, 1981. 4 DIN 8575 Teil 1, Schweißzusatzwerkstoffe zum Lichtbogenschweißen warmfester Stähle, Bezeichnung, Verwendung, Technische Lieferbedingungen, 1981. 5 DIN 32522 (prEN 760), Schweißpulver zum Unterpulverschweißen, Bezeichnung, Technische Lieferbedingungen, 1981. 6 Müller, Wolff, Handbuch des Unterpulverschweißens, Teil I und 11, 1983. 7 Müller, Wolff, Handbuch des Unterpulverschweißens, Teil III, 1978. 8 N,N, UP-Handbuch, Messer Griesheim GmbH, 1976. 9 Merkblatt 374, Unterpulverschweißen, Beratungsstelle für Stahlverwendung, 1981. 10 N,N, Schweißpulver und Drahtelektroden, Oerlikon Elektrodenfabrik Eisenberg GmbH, 1985. 11 H. Zentner, Unterpulver-Schweißen von Schwarz-Weiß-Verbindungen. 12 H. Zentner, Einflüsse von Schweißdaten und Schweißzusatzwerkstoffen auf die Nahtgeometrie beim UP-Schweißen. 13 N,N, Arbeitsmappe Zusatzwerkstoffe für UP-Schweißen, Messer Griesheim GmbH. 14 N,N, Handbuch Schweißzusatzwerkstoffe, Messer Griesheim GmbH, 1989. 15 N,N, Handbuch Schweißzusätze und Hilfsstoffe, Lincoln Smitweld GmbH, 1992. 16 DVS-Merkblatt 0917, Unterpulverschweißen austenitischer Stähle, 1986. 17 DVS-Merkblatt 0914, Verarbeitung und Lagerung von Schweißpulvern für das Unterpulver- und das Elektroschlackeschweißen, 1985. 18 DVS-Merkblatt 0918, Unterpulverschweißen von Feinkornbaustählen, 1988. 171 <?page no="184"?> 19 DVS-Merkblatt 0928, Unterpulverschweißen von Austenit-Ferrit-Verbindungen, 1991. 20 DVS-Merkblatt 0940, Unterpulver-Auftragschweißen mit Bandelektrode, 1991. 21 G. Hauck, Wie werden Schweißpulver richtig getrocknet, Praktiker 3/ 85. 22 N,N, Ausgewählte Schweißzusatzwerkstoffe für Schwarz-Weiß-Verbindungen, Messer Griesheim GmbH. 23 N,N, UP-Schweißen, Smitweld Gesellschaft für Schweißtechnik mbH, 1985. 24 N,N, Das Unterpulver-Schweißverfahren, Lincoln Electric, 1986. 25 N,N, Praxis des Unterpulverschweißens, Thyssen Draht AG. 26 N,N, Anleitung zum Unterpulverschweißen, ESAB. 27 SEW 088, Schweißgeeignete Feinkornbaustähle, Richtlinien für die Verarbeitung, besonders für das Schmelzschweißen. 28 SEW 088 Beiblatt, Schweißgeeignete Feinkornbaustähle, Richtlinien für die Verarbeitung, besonders für das Schmelzschweißen, Ermittlung der Abkühlzeit t 815 zur Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen. 29 SEW 086, Unlegierte und legierte warmfeste ferritische Stähle, Vorwärmen beim Schweißen. 30 G. Aichele, Kalkulation und Wirtschaftlichkeit beim Schweißen. Anmerkung: Bedingt durch die europäische Normung kann es möglich sein, daß die zitierten DIN- Normen bzw. EN-Entwürfe zur Zeit der Drucklegung bereits überholt sind. Dies wirkt sich jedoch kaum auf die sinngemäße Anwendung dieses Fachbuches aus. 172 <?page no="185"?> Sachregister An- oder Auslaufblech 15 Arbeitskosten 155 Aufmischung 20, 138 Auftragsschweißens 163 Ausbringung 151 Ausdehnungskoeffizient 141 Automatenträger 165 Badsicherung 108 De-Long-Diagramm 133 Drehtisch 165 Durchfallen 108 Einbrandtiefe 61 Einschaltdauer 4 Einstellparameter 75 Ferrit-Gehalt 133 Kennlinie -fallende 10 konstante 10 Kohlenstoffdiffusion 140 Kontaktbacke 8 Korrosion, interkristalline 133 Kupferschiene 106 Lage-Gegenlage-Schweißen 18 Längsnaht-Spannvorrichtung 165 Martensitbildung 138 Maschinenkosten 155 Masseleitung 11 Minuspolung 73 Nahtbreite 67 Nahtquerschnitt 151 Oberflächeneindruck 60 Pluspolung 73 Pulverkissen 107 Pulverschütthöhe 42 Pulverunterlagen 107 Regeleinheit 10 Roll- oder Drehvorrichtung 165 Rücktrocknen 42 Schaeffler-Diagramm 133 Sigmaphase 139 Steilflankennaht 117 Steuerleitung 10 Stromdüse 8 Tankschweißanlage 126 Tropfenreaktion 20 Unterlagen anschmelzende 105 nicht anschmelzende 106 Vollkostenkalkulation 148 Voreilung 54 Wasserstoffgehalt, diffusibler 45 Zuschlagskalkulation 148 173 <?page no="186"?> Betriebsleiter/ Prokurist Unsere Produkte Georg Hochreiter Einfahrwinden Rohrleitungen Silos aus der Praxis Behälter Wärmetauscher Dosieranlagen Mischer Förderanlagen Schüttschichtfilter Kolonnen Zyklone Montagen für die Praxis Michael Glatt • Maschinenbau GmbH Industriestraße 2, 93326 Abensberg Telefon (0 94 43) 9114-0, Telefax (0 94 43) 9114-99 Entry winsches Pipelines Silos Tanks Heat exchangers Dosing equipment Mixers Conveyor systems Granular bed filter Columns Cyclons Installations <?page no="187"?> ISBN 978-3-8169-1062-6 Das Buch vermittelt praxisbezogenes Wissen über die Unterpulverschweißtechnik, informiert über die Besonderheiten des UP-Schweißens, gibt einen Überblick über die Schweißzusatzstoffe und Schweißpulver, bringt Anregungen für die Wahl der richtigen Schweißparameter, ist als Lehr- und Arbeitsbuch wertvoll und dient als Nachschlagewerk für Schweißaufsichtspersonen.