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Kurzzusammenfassung

Im durchgeführten Forschungsvorhaben wurde die Gestaltung des Kennlinienver-

laufes für das MSG-Schweißen mit Fülldrähten vorgenommen und deren Schweiß-

rauchemissionsrate untersucht.

Zunächst wurden die vom projektbegleitenden Ausschuss zur Verfügung gestellten

Fülldrahtelektroden analysiert. Dabei fand eine Untersuchung der geometrischen

sowie physikalischen Eigenschaften statt. Dies diente zur Gewinnung von Material-

kennwerten für die weitere energetische Prozessbetrachtung.

Im Anschluss erfolgte die analytische Bestimmung von Impulsenergien. Ziel dieser

Arbeiten war die Ermittlung von Energieanteilen zur Aufschmelzung separiert für

Mantel und Füllung. Als Grundlage diente die Annahme, dass das zugeführte Draht-

volumen dem abgeschmolzenen Drahtvolumen entspricht. Dabei wurde das Tropfen-

volumen als Funktion der Impulsfrequenz bestimmt. Im weiteren Verlauf sind die

Masseanteile für Mantel und Füllung im Tropfen berechnet worden. Die Berechnung

der Abschmelzenergie für Mantel und Füllung im Tropfen schloss sich als nächster

Schritt an. Im Ergebnis zeigte sich, dass circa dreiviertel der benötigten Energie zum

Aufschmelzen des Mantels erforderlich ist.

Die Gestaltung des Impulsverlaufes wurde im Anschluss durchgeführt. Als erstes

wurde die Schweißleistung des Sprühlichtbogens energetisch in Grund- und Puls-

phase aufgeteilt. Dabei sollte ein Ein-Tropfen-Pro-Impuls Übergang erzielt werden,

verbunden mit einem kurzschlussfreien Lichtbogen. Im weiteren Schritt erfolgte die

Verteilung von Energieanteilen in der Pulsphase zur separaten Behandlung von Man-

tel und Füllung. Innerhalb dieser Untersuchungen zeigten die Fülldrahtelektroden

gänzlich unterschiedliche Ergebnisse. Während bei Metallpulverelektroden gute Re-

sultate in Hinblick auf das Abschmelzverhalten erzielt worden sind, konnte bei rutil

und basisch gefüllten Elektroden lediglich eine geringfügige Verbesserung erreicht

werden.

Im Anschluss fanden Untersuchungen zur entstehenden Schweißrauchemissionsrate

statt. Hierbei wurde die für jeden Fülldraht am Besten erscheinende Parameterkom-

bination gewählt. Es wurde festgestellt, dass das verbesserte Abschmelzverhalten des

Metallpulverfülldrahtes zu einer drastischen Reduzierung der Emissionsrate führt.

Hingegen ist im Allgemeinen bei rutil und basisch gefüllten Elektroden und im Be-

sonderen mit einer Kennlinie, welche eine überstehende Füllungslanze verhindert,

eine Erhöhung der FER zu verzeichnen.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Inhaltsverzeichnis i

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ii

Abbildungsverzeichnis v

Tabellenverzeichnis vi

Kurzzeichenverzeichnis vii

1 Einleitung 1

2 Stand der Wissenschaft und Technik 3

2.1 Metall-Schutzgas-Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Fülldrahtelektroden zum MSG-Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Gefahren beim MSG-Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 Schweißrauchemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Geräte und Messtechnik 16

3.1 Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2 Schweißgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3 Betrachtung des Werkstoffübergangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4 Bestimmung der Schweißrauchemissionsrate . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4.1 Anlagentechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4.2 Messung des filtergebundenen Schweißrauches . . . . . . . . . 19

3.5 Fehlerbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4 Eigenschaftsbestimmungen an Fülldrahtelektroden 22

4.1 Bestimmung geometrischer und gravimetrischer Eigenschaften . . . . 22

4.2 Bestimmung physikalischer Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5 Bemessung von Impulseigenschaften 34

5.1 Bestimmung von Impulsenergien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.2 Definition der Tropfengröße und Tropfenfrequenz . . . . . . . . . . . 35

6 Gestaltung des Impulsverlaufes 37

6.1 Ausgangsuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.2 Vorgehensweise zur Veränderung der Impulsenergien . . . . . . . . . . 40

6.3 Ergebnisse der Impulsgestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

6.3.1 Niedrig legierte Fülldrahtelektroden . . . . . . . . . . . . . . . 44

6.3.2 Hochlegierte Fülldrahtelektroden . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Inhaltsverzeichnis ii

6.4 Übertragung auf andere Drahttypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7 Emissionsmessungen 60

7.1 Ausgangsuntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

7.2 Emissionsmessung unter Nutzung von Impulstechnik . . . . . . . . . 61

8 Zusammenfassung und Diskussion 65

9 Verwendung der Zuwendungen 68

9.1 Einsatz von wissenschaftlich-technischen Personal . . . . . . . . . . . 68

9.2 Erläuterung der Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten

Arbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

10 Transfermaßnahmen 69

10.1 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft . . . . . . . . . . . . . . 69

10.2 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nut-

zens der erzielten Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres inno-

vativen Beitrags und ihrer industriellen Anwendungsmöglichkeiten . . 70

Literaturverzeichnis 71

Abbildungsverzeichnis iii

Abbildungsverzeichnis

2.1 Hauptgruppen der Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Hauptgruppen des Fügens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.3 Einteilung der Schmelzschweißprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.4 Einteilung der Schutzgasschweißprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.5 MSG-Schemata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.6 Einfluss des Stromkontaktrohrabstandes . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.7 Kräfte am Lichtbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.8 Fülldrahtformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Emissionskammer und Radialventilator Head VT500 . . . . . . . . . 18

3.3 GUI der Entwicklungssoftware LabView . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.4 Feinwaage Kern EMB 100-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.1 Darstellung des Flächenverhaeltnisses der Füllung am Gesamtdurch-

messer für niedriglegierte Fülldrahtelektroden . . . . . . . . . . . . . 23

4.2 Querschliffprobe am Fülldraht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3 Darstellung der Dichte von niedriglegierten Fülldrahtelektroden . . . 25

4.4 Darstellung der Füllungsdichte von niedriglegierten FD . . . . . . . . 25

4.5 Darstellung der Masseanteile von niedriglegierten FD . . . . . . . . . 26

4.6 Darstellung der spezifischen el. Leitfähigkeit niedriglegierter FD . . . 27

4.7 Darstellung der spezifischen el. Leitfähigkeit der Füllung niedrigle-

gierter FD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.8 Darstellung der spezifischen el. Leitfähigkeit von Mantel und Füllung

niedriglegierter FD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.9 Versuchsstand zur Ermittlung der Wärmekapazität . . . . . . . . . . 29

4.10 Darstellung der Wärmekapazität von niedriglegierten Fülldrahtelek-

troden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.11 Darstellung der Wärmekapazität der Füllung niedriglegierter Fülldraht-

elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4.12 Darstellung der Wärmekapazität von Mantel und Füllung niedrigle-

gierter Fülldrahtelektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.13 Darstellung der Schmelztemperaturen der Füllung von niedriglegier-

ten Fülldrahtelektroden im Vergleich mit dem Mantelmaterial . . . . 33

5.1 Darstellung von Impulsleistung und Impulsenergie . . . . . . . . . . . 34

6.1 Sprühlichtbogen Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.2 Standard-Puls Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Abbildungsverzeichnis iv

6.3 Strom- und Spannungsverlauf Standard-Puls . . . . . . . . . . . . . . 38

6.4 Schematischer Verlauf einer Pulsperiode . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.5 Bewertungsmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.6 festgelegte Impulsform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.7 Impulsform Schritt 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41



6.10 Stromplateauformen (Auszug) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6.11 Sprühlichtbogen Metallpulver-FD 7 m/min . . . . . . . . . . . . . . . 44

6.12 Impulslichtbogen Metallpulver-FD 7 m/min . . . . . . . . . . . . . . 45

6.13 Sprühlichtbogen Metallpulver-FD 10 m/min . . . . . . . . . . . . . . 45

6.14 Impulslichtbogen Metallpulver-FD 10 m/min . . . . . . . . . . . . . . 46

6.15 Sprühlichtbogen Rutiler-FD 7 m/min . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.16 Impulslichtbogen Rutiler-FD 7 m/min . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6.17 Sprühlichtbogen Rutiler-FD 10 m/min . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6.18 Impulslichtbogen Rutiler-FD 10 m/min . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6.19 Impulslichtbogen Rutiler-FD ohne Lanze 7 m/min . . . . . . . . . . . 49

6.20 Impulslichtbogen Rutiler-FD ohne Lanze 10 m/min . . . . . . . . . . 49

6.21 Sprühlichtbogen Basischer-FD 7 m/min . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.22 Impulslichtbogen Basischer-FD 7 m/min . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6.23 Sprühlichtbogen Basischer-FD 10 m/min . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.24 Impulslichtbogen Basischer-FD 10 m/min . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.25 Impulslichtbogen Basischer-FD ohne Lanze 7 m/min . . . . . . . . . 52

6.26 Impulslichtbogen Basischer-FD ohne Lanze 10 m/min . . . . . . . . . 52

6.27 Sprühlichtbogen Rutiler-FD hochlegiert 7 m/min . . . . . . . . . . . 53

6.28 Impulslichtbogen Rutiler-FD hochlegiert 7 m/min . . . . . . . . . . . 53

6.29 Sprühlichtbogen Rutiler-FD hochlegiert 10 m/min . . . . . . . . . . . 54

6.30 Impulslichtbogen Rutiler-FD hochlegiert 10 m/min . . . . . . . . . . 54

6.31 Sprühlichtbogen Basischer-FD hochlegiert 7 m/min . . . . . . . . . . 55

6.32 Impulslichtbogen Basischer-FD hochlegiert 7 m/min . . . . . . . . . . 56

6.33 Sprühlichtbogen Basischer-FD hochlegiert 10 m/min . . . . . . . . . 56

6.34 Impulslichtbogen Basischer-FD hochlegiert 10 m/min . . . . . . . . . 57

6.35 Sprühlichtbogen Basischer-FD formgeschlossen 7 m/min . . . . . . . 57

6.36 Impulslichtbogen Basischer-FD formgeschlossen 7 m/min . . . . . . . 58

6.37 Sprühlichtbogen Basischer-FD formgeschlossen 10 m/min . . . . . . . 58

6.38 Impulslichtbogen Basischer-FD formgeschlossen 10 m/min . . . . . . 59

7.1 Emissionsraten im Sprühlichtbogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Abbildungsverzeichnis v

7.2 Emissionsraten mit Standard-Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.3 Emissionsraten mit modifiziertem Puls . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

7.4 Emissionsraten mit modifiziertem Puls ohne Lanze . . . . . . . . . . 62

8.1 Berechnete Energieanteile zum Abschmelzen von Mantel und Füllung 66

Tabellenverzeichnis vi

Tabellenverzeichnis

2.1 Fülldrahttypen-Teil1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2 Fülldrahtzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Gefahren beim Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Übersicht Emissionsraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.1 Werkstoffübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2 Übersicht Fehlerbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1 Darstellung der niedriglegierten Fülldrahtelektroden . . . . . . . . . . 22

5.1 Tropfenenergien niedriglegierter Fülldrähte . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.2 berechnete Frequenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.1 Beispielwerte einer festgelegten Impulsform basischer FD . . . . . . . 40

6.2 Einstellwertebereiche der Fuelldraehte im Schritt 2 . . . . . . . . . . 41

6.3 Einstellwertebereiche der Fülldraehte im Schritt 3 . . . . . . . . . . . 42

6.4 Einstellwertebereiche der Fülldraehte im Schritt 4 . . . . . . . . . . . 43

6.5 Schweißleistung rutiler FD ohne Füllungslanze . . . . . . . . . . . . . 48

6.6 Schweißleistung basischer FD ohne Füllungslanze . . . . . . . . . . . 51

7.1 Schweißrauchemission bei 7 m/min Drahtvorschub . . . . . . . . . . . 63

7.2 Schweißrauchemission bei 10 m/min Drahtvorschub . . . . . . . . . . 64

8.1 Vergleich der Schweißleistung von Sprühlichtbogen und Impuls ohne

Lanze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

10.1 Bereits durchgeführte Transfermaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . 69

10.2 Geplante Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit . . . . . . . . 69

Kurzzeichenverzeichnis vii

Kurzzeichenverzeichnis

AD [mm2] Querschnittsfläche der Drahtelektrode

AM [mm2] Fläche des Mantels

BFG basisch formgeschlossen

BHL basisch hochlegiert

cD [J/K · g] Wärmekpazität des Drahtes

cF [J/K · g] Wärmekpazität der Füllung

cM [J/K · g] Wärmekpazität des Mantels

cW [J/K · g] Wärmekpazität des Wassers

FD Fülldraht

FER [mg/s] Fume Emission Rate

f [Hz] Frequenz

GUI Graphical User Interface

I [A] Stromstärke

IG [A] Grundstrom

IP [A] Impulsstrom

Iab [A/ms] Stromabfallgeschwindigkeit

Ian [A/ms] Stromanstiegsgeschwindigkeit

LB Lichtbogen

LBH Lichtbogenhand

l [mm] Drahtlänge

MAG Metall-Aktivgas

MIG Metall-Inertgas

MSG Metall-Schutzgas

m [g] Masse

mD [g] Masse des Drahtes

mF [g] Masse der Füllung

mM [g] Masse des Mantels

mW [g] Masse des Wassers

PP [W] Pulsleistung

PS [W] Schweißleistung

PLB Pulslichtbogen

QTr [J] Abschmelzenergie des Tropfens

QP [J] Impulsenergie

QPmin [J] minimal benötigte Impulsenergiemenge

QTrF [J] Abschmelzenergie der Füllung je Tropfen

QTrM [J] Abschmelzenergie des Mantels je Tropfen

Kurzzeichenverzeichnis viii

R [Ω] Widerstand

RHL rutil hochlegiert

r [mm] Drahtradius

SLB Sprühlichtbogen

TEnd [°C] Endtemperatur

TF [°C] Schmelztemperatur

TRaum [°C] Raumtemperatur

TSied [°C] Siedetemperatur

TStart [°C] Starttemperatur

tP [ms] Impulsdauer

tSchweiß [s] Schweißzeit

U [V] Spannung

VTr [mm3] Tropfenvolumen

vD [m/min] Drahtvorschub

WIG Wolfram-Inertgas

K [S/m] spezifische elektrische Leitfähigkeit

∆hS [J] Schmelzenthalpie

∆mFilter [mg] Massendifferenz des Filters

λA Flächenverhältnis

ρ [g/cm3] Dichte

ρ [Ωmm2/m] spezifischer elektrischer Widerstand

Einleitung 1

1 Einleitung

Der Arbeits- und Gesundheitsschutz des schweißtechnischen Personals vor entste-

henden Schadstoffemissionen erfährt zunehmend eine größere Bedeutung. Die An-

forderungen an den Arbeitsschutz steigen. Daher sind Unternehmen häufig gezwun-

gen, in kostenintensive Schutzmaßnahmen zu investieren. Sowohl für persönliche

Schutzausrüstungen als auch für Arbeitsplatzabsaugungen sind teils enorme finan-

zielle Mittel erforderlich. Durch den Gesetzgeber kommt es zu einer weiteren Ver-

schärfung. Dieser forciert eine Absenkung des Staubgrenzwertes für lungengängige

Partikel (A-Fraktion) von 3 mg/m3 auf 1, 25 mg/m3 basierend auf einer mittleren

Dichte von 2, 5 g/cm3. Schweißrauchpartikel sind zu 90 % kleiner als 10 µm und wer-

den somit der A-Fraktion zugeordnet. Infolgedessen stehen Unternehmen vor neuen

Herausforderungen in Bezug auf den Gesundheitsschutz ihrer Mitarbeiter.

Nicht nur durch neue, verbesserte Lüftungstechnik ist es möglich den Schutz schweiß-

technischen Personals zu erhöhen. Auch Anpassungen und Veränderungen des Schw-

eißprozesses selbst, haben Potenzial entstehende Emissionen zu reduzieren. Die Nut-

zung von Impulstechnik stellt hierbei einen bedeutenden Ausgangspunkt dar.

Fülldrahtelektroden beim Metall-Schutzgas-Schweißen emittieren große Mengen an

Schweißrauch, liefern jedoch sehr gute mechanisch-technologische Gütewerte der

Schweißverbindung. Um die spezifischen Vorteile der Fülldrahtelektroden nutzen

zu können, jedoch der gesteigerten Schweißrauchentstehung zu begegnen, bietet der

Einsatz der Impulstechnik enormes Potenzial. Bis zu 50 % beträgt die Emissions-

reduzierung beim MSG-Massivdrahtschweißen unter Einsatz von Impulstechnik. Je-

doch ist eine Übertragung der Ergebnisse auf gefüllte Elektroden aufgrund deren

Geometrie und deren spezifischen elektrischen, chemischen und physikalischen Ei-

genschaften nicht möglich. Ziel des Vorhabens ist es, das Abschmelzverhalten von

Fülldrahtelektroden zu optimieren, verbunden mit dem Bestreben, die Schweißrau-

chemission deutlich zu senken. Dem prognostizierten Reduktionspotenzial liegen da-

bei drei Hypothesen zugrunde:

1. Reduzierung der Prozessenergie durch Impulstechnik

2. kurzzeitige Einwirkung hoher Schweißleistung auf die Elektrode

3. geringere Tropfenoberfläche für Verdampfungseffekte

Die Verwendung von Impulsen bei Fülldrahtelektroden führt jedoch häufig zu einer

undefinierten Tropfenablösung. Um diesen undefinierten Lichtbogenzuständen be-

gegnen zu können ist es notwendig, Mantel und Füllung getrennt zu behandeln. Für

Einleitung 2

die Gestaltung dieses Impulses ist es nun zunächst erforderlich, geometrische sowie

physikalische Kennwerte zu ermitteln, welche die Grundlage zur Bestimmung von

Impulsenergien legen und in der Gestaltung der Energieführung des Abschmelzim-

pulses münden.

Stand der Wissenschaft und Technik 3

2 Stand der Wissenschaft und Technik

2.1 Metall-Schutzgas-Schweißen

Im Bereich der Fertigungsverfahren werden gegenwärtig verschiedene Hauptgrup-

pen definiert. Das Fügen ist nach DIN 8580 in der Hauptgruppe 4 der Einteilung

positioniert, Abbildung 2.1:

Abbildung 2.1: Hauptgruppen der Fertigungsverfahren [1]

Neben Hauptgruppe 5, dem Beschichten, ist es durch ein Vermehren des Zusam-

menhalts gekennzeichnet. Die wesentlichen Verfahren des Fügens sind in Abb 2.2.

dargestellt.

Abbildung 2.2: Hauptgruppen des Fügens [1]

DIN 1910-100 definiert Schweißen mit folgendem Wortlaut:

Schweißen ist ein Fügeprozess, bei dem zwei oder mehr Teile verbunden wer-

den, wobei eine Kontinuität der Werkstoffe der zu verbindenden Teile hergestellt

wird unter Anwendung von Wärme oder Kraft oder beiden und mit oder ohne

Schweißzusatzwerkstoff. [2]

Schmelzschweißprozesse gliedern sich neben dem Pressschweißen der sechsten Grup-

pe von Hauptgruppe 4 unter. Das in dieser Abschlussarbeit im Fokus stehende Ver-

fahren des Schutzgasschweißens ist in Abbildung 2.3 und der weiteren Aufteilung in

Abbildung 2.4 ersichtlich. Entsprechend DIN EN ISO 4063 trägt das Verfahren des

Metall-Aktivgasschweißens mit Fülldrahtelektroden die Nummer 136.


Abbildung 2.3: Einteilung der Schmelzschweißprozesse [1]

Abbildung 2.4: Einteilung der Schutzgasschweißprozesse [1]


Bei demMSG-Schweißen handelt es sich um ein Verfahren mit einer endlos abschmel-

zenden Drahtelektrode und einer Schutzgasabdeckung. Der schemenhafte Aufbau ist

in Abb. 2.5 dargestellt. Dabei kann dieses Verfahren sowohl teilmechanisch, vollme-

chanisch als auch automatisiert realisiert werden. Im Verlauf der letzten Jahrzehnte

erfreut sich dieses Verfahren immer größerer Beliebtheit. Betrachtet man den Ver-

brauch von Schweißzusatzwerkstoff, so fallen 70 % allein auf das MSG-Schweißen.

Anwendung findet es beispielsweise im Stahlbau, Schiffbau oder Behälterbau. [12]

Abbildung 2.5: MSG-Schemata [10]

Drahtförderung [12]

Beim MSG-Schweißen wird die Drahtförderung über ein mehrere Meter langes Schl-

auchpaket realisiert. Durch dieses gelangt der Draht von der Spule hin zum Strom-

kontaktrohr im Brenner. Eine gleichmäßige Förderung ist für ein gutes Schweißer-

gebnis zwingend notwendig, da es sonst zu Kurzschlüssen oder einem Zurückbrennen

bis zum Stromkontaktrohr kommen kann.

Schutzgas [12]

Der Prozess des Metall-Schutzgasschweißens ist durch die Nutzung von Schutzga-

sen gekennzeichnet. Diese sind erforderlich, um den Werkstoffübergang im Licht-

bogen, das Schweißbad und eventuell die Rückseite der Naht vor Oxidation und

unerwünschter Gasaufnahme aus der Luft zu schützen. Die Zusammensetzung des

Schutzgases kann dabei gänzlich unterschiedlich ausfallen und richtet sich nach

Werkstoff, Prozessvariante und Anforderungen an das Raupenprofil. Sie selbst sind

unterschiedlich gute Wärmeleiter bei hohen Temperaturen. Der Verdampfungspunkt


bildet eine wichtige Größe, da sich etwa jener an der abschmelzenden Drahtelektrode

einstellt. Das Schutzgas wird aufgrund dessen mit zunehmender Lichtbogenleistung

stärker mit Metalldampf vermengt. Metalldampf verbessert die Leitfähigkeit in der

Lichtbogensäule. Auf die Tropfenablösung übt die Oberflächenspannung einen star-

ken Einfluss aus. Die Tendenz zu großen Tropfen besteht besonders bei metallisch

blanken Drahtoberflächen (Entstehung bei Verwendung von inerten Schutzgasen),

da diese eine sehr hohe Oberflächenspannung besitzen. Die Beimengung von Sauer-

stoff durch O2- oder CO2-Zusätze bewirkt die Entstehung von Oxidinseln auf den

angeschmolzenen Tropfen. Es kommt zu einer Reduzierung der Oberflächenspannung

und infolge dessen zu einer Bildung von vielen kleinen Tropfen.

Einfluss der Lichtbogenspannung [12]

Die Länge des Lichtbogens wird durch die Lichtbogenspannung bestimmt. Eben-

so wirkt sie auf die Raupenbreite und Metalldampfmenge. Ein langer Lichtbogen,

also eine hohe LB-Spannung, lässt flache und breite Raupen entstehen. Zugleich

können Legierungselemente stärker abgebrannt werden und die Entstehung von

Rauch nimmt zu. Schmale, stark überhöhte Nähte bilden sich bei geringen Span-

nungen, verbunden mit der Gefahr von Kurzschlüssen.

Einfluss der Drahtgeschwindigkeit [12]

Bei Betrachtung der Drahtgeschwindigkeit lässt sich eine direkt proportionale Ab-

hängigkeit zur Abschmelzleistung sowie ein fast lineares Verhältnis zur Schweißstrom-

stärke erkennen. Nimmt die Drahtgeschwindigkeit zu, erhöht sich die Abschmelzlei-

stung, die Stromstärke sowie die Einbrandtiefe. Mit Hilfe einer Spannungsanpassung

lässt sich die Lichtbogenlänge bei Veränderung der Drahtgeschwindigkeit konstant

halten.

Einfluss des Stromkontaktrohrabstandes [12]

Der Abstand zwischen Werkstückoberfläche und Stromkontaktrohrende wird als

Stromkontaktrohrabstand definiert. Im unteren Strombereich beträgt der Abstand

etwa 10 - 15 mm und im oberen Strombereich 15 - 20 mm um eine thermische

Entlastung von Gasdüse und Stromkontaktrohr zu erreichen. Nachfolgend sind die

Einflüsse des Stromkontaktrohrabstandes abgebildet.


Abbildung 2.6: Einfluss des Stromkontaktrohrabstandes [12]

Kräfte am Lichtbogen [12]

Beim Schweißen existieren im Lichtbogen verschiedene Wirkmechanismen, welche

den Werkstoffübergang beeinflussen. Zu nennen ist hierbei die Pinchkraft. Sie ist eine

elektromagnetische Kraft, welche im Quadrat zur Schweißstromstärke zunimmt und

im Quadrat zur Querschnittsfläche abnimmt. Wirkung erzielt jene aufgrund ihrer

geringen Kraft jedoch nur, wenn das Drahtende teigig oder flüssig ist. Bei geringen

Stromstärken reicht die Pinchkraft nicht aus, um bei der Bildung des Tropfens aus-

reichend mitzuwirken. Hierbei bildet die Schwerkraft und die Oberflächenspannung

die wichtigsten Einflüsse. Bei hohen Stromstärken kann die Pinchkraft hingegen das

flüssige Drahtende einschnüren und kleine Tropfen ablösen.


Abbildung 2.7: Kräfte am Lichtbogen [12]

Lichtbogenformen [12]

Beim MSG-Schweißen lassen sich fünf Lichtbogenübergangsformen differenzieren.

Maßgeblichen Einfluss auf deren Bildung hat die Drahtvorschubgeschwindigkeit

(Stromstärke).

1. Kurzlichtbogen

- Werkstoffübergang während Kurzschlussphase

- Kurzschlussphase und Brennphase im Wechsel

2. Übergangslichtbogen

- Werkstoffübergang mit und ohne Kurzschlussbildung

- unregelmäßiger Tropfenübergang

- keine Anwendung in der Praxis → Nutzung Impulslichtbogen

3. Impulslichtbogen

- Werkstoffübergang sehr regelmäßig

- Tropfenablösung immer kurzschlussfrei (unterstützendeWirkung der Stro-

mimpulse auf Pinchkraft)


- Idealfall: ein Tropfen pro Impuls

4. Sprühlichtbogen

- Werkstoffübergang durch sehr hohe Stromdichte an Drahtelektrode ohne

Kurzschlussbildung (kleine Tropfen)

5. Rotierender Lichtbogen

- Werkstoffübergang durch rotierende Tropfenkette nahezu ohne Kurschlussbil-

dung (Stromdichte erfuhr weitere Erhöhung)

Beim Schweißen mit Impulslichtbogen kommt ein pulsierender Gleichstrom mit ein-

stellbarer Frequenz zur Anwendung. Als Grundstrom bezeichnet man den unteren

Pegel, als Impulsstrom den oberen Pegel. Dabei erzielt man einen im Rhythmus

der Pulsfrequenz gesteuerten Tropfenübergang. Die Grundstromphase sorgt für ein

Flüssighalten des Elektrodenendes und Schweißbades. Erst die Pulsphase führt auf-

grund der ansteigenden Lorenzkraft (Pinch-Effekt) zu einer Tropfenablösung. Neben

einem regelmäßigen Werkstoffübergang zeichnet sich diese Lichtbogenform durch ei-

ne geringere Wärmeeinbringung aus. [13]

2.2 Fülldrahtelektroden zum MSG-Schweißen

Das Verfahren des Metall-Schutzgas-Schweißens wurde bereits in der ersten Hälfte

des 20. Jahrhunderts angewandt. Gegenwärtig werden bei diesem Verfahren neben

der Verwendung von Massivdrahtelektroden, Fülldrahtelektroden verstärkt einge-

setzt. Gefüllte Elektroden können, ähnlich der Elektroden beim E-Handschweißen,

den Prozess und das Schweißergebnis positiv beeinflussen. Der Aufbau von Fülldraht-

elektroden ist gekennzeichnet durch einen Stahlmantel, welcher im Inneren mit einer

Füllung in Pulverform versehen ist und mineralische sowie metallische Komponen-

ten besitzt. Ihre guten Verarbeitungseigenschaften sowie eine hoheWirtschaftlichkeit

sprechen für einen Gebrauch dieses Elektrodentyps. Weitere technologische Vorteile

sind [4]:

- hohe Abschmelzleistung

- nahezu spritzerfreier Prozess

- stabile Lichtbogenausbildung

- besseres Aufschmelzverhalten und dadurch erhöhte Flankenanbindung


Fülldrähte lassen sich nach verschiedenen Merkmalen einteilen [5]:

1. Herstellungsart

2. Schutzart

3. Typ

1.Herstellungsart

Der Elektrodenmantel kann sowohl nahtlos, als auch formgeschlossen ausgeprägt

sein. Abbildung 2.8 zeigt diese Herstellungsarten im Vergleich.

Abbildung 2.8: Fülldrahtformen [5]

2.Schutzart

Fülldrähte können anhand ihrer Schutzart untergliedert werden. Dabei erfolgt eine

Unterteilung in Fülldrähte mit Gasschutz und selbstschützende Elektroden, dass

heißt, Elektroden welche ohne Schutzgas eingesetzt werden.

3.Typ

Entsprechend der Zusammensetzung lässt sich eine Einordnung in Füllungstypen

vornehmen. In der Norm DIN EN ISO 17632:2016-05 ist eine Differenzierung vorzu-

finden. Dabei erfolgt eine Klassifizierung in acht verschiedene Typen für das Schwei-

ßen von unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen. Die Normung für andere Werk-

stoffe ist in weiteren Normen zu finden.


Tabelle 2.1: Fülldrahttypen [6]

Fülldraht-Typ Eigenschaften

R-Typ

- rutile Elektrode- feintropfiger Werkstoffübergang- geringe Spritzerwerte

P-Typ

- rutile Elektrode- feintropfiger Werkstoffübergang- schnell erstarrende Schlacke

B-Typ- basische Elektrode- grobtropfiger Werkstoffübergang

M-Typ- Metallpulverlektrode (Metalllegierung, Eisenpulver)- feintropfiger Werkstoffübergang- hohe Abschmelzleistung

V-Typ- Selbstschützende Elektrode- rutil oder flouridbasisch- grob- bis feintropfiger Werkstoffübergang

W-Typ

- ohne Schutzgas- flouridbasisch- Eisenpulver enthalten- grob- bis feintropfiger Werkstoffübergang

Y-Typ- ohne Schutzgas- flouridbasisch- feintropfiger Werkstoffübergang

Z-Typ - Sonstige


Jeder dieser Typen besitzt spezifische Vor- und Nachteile, welche auf der Zusammen-

setzung des Pulvers beruhen. So gelten rutil und basisch gefüllte Drähte als Schlacke-

bildner. Bei Metallpulver als Füllung wird hingegen keine Schlacke gebildet, dadurch

steigt die Gefahr von Aufhärtungen und äußeren Einflüssen, Demgegenüber steht

jedoch eine höhere Ausbringung und damit eine höhere Produktivität. Die nachfol-

gende Tabelle 2.2 zeigt die chemischen Hauptbestandteile der drei Haupttypen.

Tabelle 2.2: Fülldrahtzusammensetzung [5]

Füllungstyp Chemische Hauptbestandteile

Rutil

- T iO2

+ SiO2, FeMn

+ Mikrolegierungselemente

Basisch- CaF2

+ CaO,MgO

Metallpulver

- Fe

+ FeMn, FeSi

+ Lichtbogenstabilisatoren

Das Verhältnis der Füllungsmasse zur Gesamtmasse der Elektrode wird als Füllgrad

bezeichnet. Dieser wird in Prozent angegeben und nach DVS-Merkblatt 0941-1 in

drei Stufen eingeteilt. Folgende Gleichung liegt der Berechnung zu Grunde [5].

F üllgrad =Masse F üllung in g

Masse F ülldraht in g· 100(%) (2.1)

Die Ausbringung der Fülldrahtelektroden wird durch das Verhältnis der Masse des

eingebrachten Schweißgutes und der Masse des abgeschmolzenen Schweißzusatzes

beschrieben [5].


niedrig 25 %

Ausbringung =Masse eingebrachtes Schweißgut in g

Masse abgeschmolzener Schweißzusatz in g· 100(%) (2.2)

Bei der Verarbeitung dieser Drähte entscheidet man sich heutzutage vorzugsweise

für die Nutzung des Sprühlichtbogens, denn die Verwendung von Impulsen führte

bislang zu undefinierten Tropfenablösungen. Eine getrennte Behandlung von Mantel

und Füllung findet bisher nicht statt, könnte aber die Möglichkeit bieten, undefi-

nierte Lichtbogenzustände zu beseitigen und den inhomogenen Aufbau, verbunden

mit einem Eigenschaftssprung, zu überwinden.

2.3 Gefahren beim MSG-Schweißen

Das Schweißen ist durch zahlreiche Gefahren gekennzeichnet. Sowohl elektr. Strom,

Wärme als auch Strahlung, Gase und Lärm sind als potenzielle Gefährdungen hierbei

zu nennen [1]. Manche von ihnen treten in ihren Wirkungen auf das Leben und die

Gesundheit des Schweißers unmittelbar in Erscheinung, andere hingegen besitzen

eine langfristig schädigende Wirkung. Die nachfolgende Tabelle 2.3 zeigt hierzu einen

Überblick.

Vorschriften und Regelwerke in Bezug auf den Gesundheits- und Arbeitsschutz sind

deswegen zwingend zu beachten. Die Technischen Regeln für Gefahrstoffe (TRGS)

geben den Umgang mit Gefahrstoffen einschließlich deren Einstufung wieder. Für

Tätigkeiten der schweißtechnischen Praxis wie Schweißen oder Schneiden an metalli-

schen Werkstoffen, bei denen gas- und partikelförmige Gefahrstoffe entstehen können

liegt die TRGS 528 vor [3]. Schweißrauche stellen eine Gefährdung dar, welche lang-

fristige Schäden hervorrufen können. Mit Hilfe der Schweißrauchemissionsrate lassen

sich Aussagen über das Gefährdungspotenzial des verfahrensspezifischen Rauches

treffen.


Tabelle 2.3: Gefahren beim Schweißen

Gefährdung Einfluss

- Strom- Wärme unmittelbar

- UV-Strahlung

mittelbar (zeitlicher Verzug von wenigen Stunden)→ Schweißerbräune→ Verblitzen

- Gase- Lärm

langfristig (zeitlicher Verzug von Jahren)→ Schweißerlunge→ Hörschädigung

2.4 Schweißrauchemission

Beim Schweißen metallischer Werkstoffe enstehen neben UV-Strahlung und Wärme-

strahlung auch langfristig schädigende Gefährdungen. Hierzu zählt die Emission von

Schweißrauch. Dieser enthält alveolengängigen Staub, welcher beim Einatmen bis in

die Lungenbläschen vordringen kann. Zum Schutz der Gesundheit wurde durch den

Gesetzgeber eine Grenzwertabsenkung von 3 mg/m3 auf 1, 25 mg/m3 forciert. In

Abhängigkeit des Schweißverfahrens enstehen unterschiedlich hohe Emissionsraten.

Diese sind in der TRGS 528 in einer Übersicht, Tabelle 2.4, dargestellt.

Tabelle 2.4: Übersicht Emissionsraten [3]

VerfahrenEmissionsratein mg/s

Gefährdungsklasse der Verfahren

Atemwegs-und lungen-belastendeStoffe

Toxischeoder toxischirritativeStoffe

Krebs-erzeugendeStoffe

Gasschweißen


Das in diesem Forschungsprojekt im Fokus stehende Verfahren MSG-Fülldraht wird

dabei einer sehr hohen Gefährdungsklasse zugeordnet. Die entsprechend zugehörige

Emissionsrate beträgt 6 bis 25 mg/s. Jedoch sind auch Messungen von 25 bis

110mg/s anderen Schriften zu entnehmen [7]. Diese Aussage wird durch [8] gestützt,

denn hier sind Messwerte von 2,3-fach höheren Schweißrauchkonzentrationen bei

Fülldraht-Schweißen im Vergleich zu MSG-Massivdraht ermittelt worden.

Die Ursachen höherer Exposition sind vielfältig und nicht pauschal zu postulie-

ren. Sie lassen sich in zwei Haupteinflussbereiche untergliedern, welche hardware-

seitig und softwareseitig orientiert sind. Auf Seiten der Hardware befindet sich der

Fülldraht mit seinen Gestaltungsfaktoren Querschnitt, Füllgrad und Fülltyp. Dem-

gegenüber seht die Prozessparametrisierung, welche den softwareseitigen Einfluss

beschreibt. Bei Betrachtung der Herstellungsart weisen vor allem nahtlose Elektro-

den Vorteile auf. Eine Unempfindlichkeit gegen Feuchtigkeitsaufnahme, eine gute

Formstabilität sowie das Ausbleiben von torsionalen Spannungen führen zu einem

stabilen Lichtbogen, welcher als Schweißrauchreduzierend angesehen wird [9]. In

Abhängigkeit des Füllungstyps wurden die größten Unterschiede im Emissionsver-

halten festgestellt. So ist [15] zu entnehmen, dass metallpulvergefüllte Elektroden

eine zwei- bis dreifache Menge an Schweißrauch im Vergleich zu rutilen Fülldrähten

emittieren. [16] beschreibt zudem deine direkte Proportionalität zwischen Füllgrad

und Emissionsaufkommen. Bei Betrachtung des Einflusses der Prozessparametrisie-

rung auf die Schweißrauchemissionsrate ist in [17] eine Steigerung der Emissionsrate

bei steigender Schweißleistung zu entnehmen, wohingegen in [18] das Gegenteil, eine

Reduzierung der FER mit zunehmender Leistung, propagiert wird. Die Verwendung

von CO2 im Schutzgas ist ebenso mit einer Steigerung der Emissionsrate verbunden.

[17] beschreibt den Anstieg der Emissionsrate bei steigenden CO2-Anteilen.

Geräte und Messtechnik 16

3 Geräte und Messtechnik

3.1 Werkstoffe

Für den Grundwerkstoff wurde ein niedriglegierter Baustahl S235JR (1.0038) ver-

wendet. Die nachfolgende Tabelle 3.1 zeigt die zur Verfügung gestellten Zusatzwerk-

stoffe.

Tabelle 3.1: Werkstoffübersicht

Legierungstyp FüllungstypHandels-bezeichnung

Normbezeichnung

Durch-messerin mm

Niedriglegiert Massiv G4Si1 G 4 Si 1 1,2

Niedriglegiert

Metallpulver

Robofil M71 T46 6 M M 1 H5 1,2

MegafilMF710M

T46 6 M M21 1H5

1,2

MegafilMF710M

T46 6 M M21 1H5

1,0

Rutil

Robofil R71 T46 2 P M 1 H5 1,2

Megafil MF713R T46 4 P M21 1H5

1,2

Megafil MF713R T46 4 P M21 1H5

1,0

Basisch

Robofil B71 T46 6 B M 3 H5 1,2

Megafil MF731B T46 6 B M21 3H5

1,2

Megafil MF731B T46 6 B M21 3H5

1,6

OK Tubrod T42 3 B M 2 H5 1,2/1,6

Hochlegiert

RutilTi 52-FD T46 4 P M 1 H10 1,0/1,2/-

1,6

BasischKb 52 T-FD T46 4 B M21 3

H51,2/1,6

3.2 Schweißgeräte

Mit Hilfe einer Rohrschweißanlage konnte die Bewegung des Werkstückes realisiert

werden. Dabei erfolgte gleichzeitig eine rotatorische sowie translatorische Bewegung.


Dies ermöglichte es, den Brenner fest zu positionieren und somit Hochgeschwin-

digkeitsaufnahmen durchführen zu können. Ebenso sind mit dieser Anlagentechnik

größere Schweißnahtlängen umsetzbar. Für die Schweißversuche kam eine Schweiß-

stromquelle des Typs S8 Pulse XT der Firma Lorch zum Einsatz. Als Brenner diente

ein wassergekühlter Schweißbrenner Lorch MW 5900.

3.3 Betrachtung des Werkstoffübergangs

Um den Einfluss des Pulses auf den Werkstoffübergang gefüllter Drahtelektroden

sowie deren Emissionsverhalten zu betrachten, ist es notwendig mit einer Hochge-

schwindigkeitskamera den Prozess genau zu analysieren. Für die Untersuchungen

wurde die Hochgeschwindigkeitskamera Phantom 370 verwendet. Analysiert wur-

den die Lichtbogenausbildung, die Tropfenablösevorgänge und die sich einstellenden

Lichtbogenlängen, denn diese weisen einen signifikanten Einfluss auf das Emissi-

onsverhalten auf. Der Versuchsaufbau dieser Untersuchungen ist in Abbildung 3.1

dargestellt.

Abbildung 3.1: Versuchsaufbau

Um bestmögliche Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zu erreichen, ist es erforderlich,

dass der Schweißbrenner eine ruhende Position aufweist. Für die Beurteilung der

Lichtbogenlänge ist es darüber hinaus notwendig, die vom Lichtbogen abgegebene

Strahlung zu überblenden. Dazu wurde der Prozess zusätzlich mit einem monochro-

matischen Laserlicht der Wellenlänge 810 nm beleuchtet und das Kameraobjektiv


mit wellenlängenselektiven Filtern ausgestattet. Diese Überblendung wurde durch

die Verwendung eines Faserlasers des Typs Cavitar erzielt.

3.4 Bestimmung der Schweißrauchemissionsrate

3.4.1 Anlagentechnik

Für die Bestimmung der Schweißrauchemissionsrate wurde eine Schweißrauchemissi-

onskammer verwendet. Der Aufbau dieser Anlage basiert auf den normativen Emp-

fehlungen der DIN EN ISO 15011-1:2010. Die Messkammer besitzt eine rotations-

symmetrische, nach untenhin geöffnete Bauweise, welche es ermöglicht, ein rotie-

rendes Prüfstück (Rohr) zu nutzen. Darüber hinaus findet eine Flüssigkeitskühlung

des Prüfstücks statt. Der verwendete Schweißbrenner ist direkt darüber in Positi-

on PA angebracht. Im weiteren Verlauf der Anlage befindet sich eine Filtereinrich-

tung. Durch diesen Aufbau wird sichergestellt, dass der gesamte Abgasvolumenstrom

durch den Filter hindurch geleitet wird. Die Anlage ist mit einem Volumenstrom-

sensor sowie einem Differenzdrucksensor ausgestattet. Um reproduzierbare Abgas-

volumenströme zu generieren und eine normativ geforderte Absaugleistung von 3

m3/min zu realisieren, wird ein Radialventilator des Typs Head VT500 zu der zen-

tralen Absauganlage hinzukommend eingesetzt.

Abbildung 3.2: Emissionskammer [14] und Radialventilator Head VT500


3.4.2 Messung des filtergebundenen Schweißrauches

Für die Bestimmung der entstehenden Schweißrauchemissionen wurde ein automa-

tisierter Prüfvorgang realisiert. Die Automatisierung hilft dabei zugleich, mögliche

systematische Fehler gering zu halten. Mit Hilfe der Entwicklungssoftware LabView

wurde eine den Anforderungen entsprechende Steuerung und Regelung entwickelt.

Die nachfolgende Abbildung 3.3 zeigt das GUI der entworfenen Software.

Abbildung 3.3: GUI der Entwicklungssoftware LabView

In diese Maske werden diverse Prüfparameter eingetragen. Zum einen umfasst dies

ein breites Spektrum an Versuchsbezeichnungen. Zum anderen eine Schwellwertdefi-

nition. Sie stellt ein Abbruchkriterium dar und ist nach DIN EN ISO 15011-1:2010 als

Schweiß- bzw. Prüfzeit definiert, bei der erstmals Rauch aus der Kammer austritt. Da

dies jedoch erheblich von dem Beobachter, als auch von den Umgebungsbedingun-

gen abhängt, ist eine Schweißzeit von 20 s festgelegt worden. Vergleichend wurden

Werte ermittelt, bei denen der Schweißprozess bei Unterschreiten eines Mindestvo-

lumenstromes von 0, 6 m3/min abgeschaltet wurde. In Vorbereitung des Versuches

muss zunächst die Masse des unbenutzten Filters ermittelt werden. Dies erfolgte mit

der Feinwaage des Typs Kern EMB 100-3, Abbildung 3.4.

Nach dem Einlegen des Filters startet der Prüfprozess mit einer Vorlaufphase des Ra-

dialventilators. Dies dient zur Realisierung einer gleichmäßigen, homogenen Strömung

in der Prüfkammer. Im Anschluss beginnt der Schweißprozess, bei dem zeitgleich eine

Aufnahme der elektrischen Parameter erfolgt. Ist der zuvor definierte Schwellwert

erreicht, stoppt der Schweißprozess und eine Nachlaufphase des Radialventilators


schließt sich an. Damit wird die Kammer vollständig von noch vorhandenem Rauch

befreit. Nach Beendigung des Prüfprozesses folgt die Entnahme des Filters und

die Bestimmung dessen Gewichtes. Mit Hilfe der Schweißzeit ist es nun möglich die

Schweißrauchemissionsrate des Versuches zu berechnen. Dies erfolgte nach Gleichung

3.1.

Abbildung 3.4: Feinwaage Kern EMB 100-3

FER =∆mFiltertSchweiß

(3.1)

3.5 Fehlerbetrachtung

Messungen physikalischer Größen sind aufgrund verschiedener Ursachen mit Fehlern

behaftet. Die Messwerte xi einer physikalischen Größe weichen vom wahren Wert x

ab. Diese Abweichungen setzen sich aus systematischen, als auch zufälligen Fehlern

zusammen. Systematische Fehler weisen bei Messwiederholungen unter identischen

Bedingungen einen konstanten Wert auf. Sie lassen sich durch Wiederholungsmes-

sungen nicht eliminieren und treten in gleicher Größe und mit gleichem Vorzeichen

in Erscheinung. Zufällige Fehler sind hingegen statistisch schwankende Messfehler.

Sie liegen in einem Streubereich um einen Mittelwert herum verteilt vor. Betrag und

Vorzeichen sind different. Ein Maß für zufällige Fehler stellt die Standardabweichung

dar, welche die Streuung der Werte um ihren Mittelwert beschreibt.

Bei den Versuchen zur Schweißrauchemissionsmessung wird die FER durch zwei

systematische Fehler beeinflusst. Diese sind:


- Abweichung der Feinwaage

- Abweichung der Schweißzeit

Laut Herstellerdatenblatt besitzt die verwendete Feinwaage der Firma Kern eine

Linearität von 5 mg. Die Aufnahme der Schweißzeit erfolgt mit einer Frequenz von

100.000 Hz und einer daraus resultierenden absoluten Abweichung von 0,01 ms.

Tabelle 3.2 zeigt hierzu einen Überblick der absoluten und relativen Fehler für die

systematischen Fehlergrößen Feinwaage und Schweißzeit.

Tabelle 3.2: Übersicht Fehlerbetrachtung

Arith. Mittelwert absoluter Fehler relativer Fehler

Feinwaage 4,262 g 0,005 g 0,117 %

Schweißzeit 18,65 s 0,00001 s 0,0000536 %

Zur Berechnung des systematischen Gesamtfehlers wurde Gleichung 3.3 genutzt,

welche aus der partiellen Integration von Gleichung 3.2 entstand. Der systematische

Fehler der Feinwaage ist hierbei zweimal eingeflossen, da die Filter sowohl im leeren,

als auch im mit Rauch aufgenommenen Zustand gewogen werden.

∆FERsys =

∣

∣

∣

∣

δFER

δtSchweiß

∣

∣

∣

∣

·∆tSchweiß + 2 ·

∣

∣

∣

∣

δFER

δm

∣

∣

∣

∣

·∆m (3.2)

∆FERsys =

∣

∣

∣

∣

m

t2Schweiß

∣

∣

∣

∣

·∆tSchweiß + 2 ·

∣

∣

∣

∣

1

tSchweiß

∣

∣

∣

∣

·∆m (3.3)

∆FERsys = 0, 0005363 mg/s (3.4)

Für die Standardabweichung ∆FERzuf ergab sich im Mittel ein Wert von σ =

0, 2354 mg/s. Der Gesamtfehler wurde nach Gleichung 3.5 berechnet.

∆FER = ∆FERsys +∆FERzuf = 0, 2359363 mg/s (3.5)

Somit ergibt sich ein Gesamtfehler der Schweißrauchmessung von ∆FER = 0, 2mg/s.

Eigenschaftsbestimmungen an Fülldrahtelektroden 22

4 Eigenschaftsbestimmungen an Fülldrahtelektroden

4.1 Bestimmung geometrischer und gravimetrischer

Eigenschaften

Zunächst wurden für die Untersuchung von Fülldrahtelektroden sowohl geometri-

sche, als auch physikalische Kennwerte charakterisiert. Für die Gestaltung der Ener-

gieführung des Impulses sind diese Kennwerte von besonderer Bedeutung.

Die grundlegenden Untersuchungen wurden an nahtlosen Fülldrahtelektroden durch-

geführt. Diese weisen nur einen Eigenschaftssprung über den Querschnitt (Übergang

Mantel-Füllung) auf, während formgeschlossene Elektroden zusätzlich variierende

Mantelgeometrien besitzen. Da der Querschnitt des Mantels bei nahtlosen Fülldraht-

elektroden gleichmäßig ist, erfolgt somit der Energiefluss im Querschnitt und das an-

schließende Abschmelzen im Lichtbogen symmetrisch. Es sind drei unterschiedliche

Füllungstypen selektiert und von verschiedenen Herstellern zur Verfügung gestellt

worden. Es handelte sich dabei um Drahtelektroden mit rutiler, basischer und Me-

tallpulverfüllung. Die Drahtdurchmesser betragen 1,0 mm, 1,2 mm und 1,6 mm.

Nachfolgende Tabelle zeigt eine Übersicht der bereitgestellten niedriglegierten Füll-

drahtelektroden (Tabelle 4.1).

Tabelle 4.1: Darstellung der niedriglegierten Fülldrahtelektroden

HerstellerDurchmesser in mm

1,0 1,2 1,6

A

Draht 1 - R

Draht 2 - B

Draht 3 - M

B

Draht 4 - R

Draht 5 - B

Draht 6 - M

C

Draht 7 - R

Draht 8 - B

Draht 9 - M

Für die Bestimmung des Flächenverhältnisses zwischen Mantel und Füllung wur-

den metallographische Untersuchungen an Querschliffproben der zuvor ausgewählten

Fülldrahtproben erstellt. Anhand dieser Ergebnisse konnte festgestellt werden, dass

das Flächenverhältnis (Gleichung 4.1) von Füllung zum Gesamtdurchmesser bei


Drähten mit Metallpulverfüllung am kleinsten ist. Sowohl rutil, als auch basisch

gefüllte Drähte besitzen ein höheres Verhältnis und damit einen größeren Füllungsan-

teil. Das folgende Diagramm (Abbildung 4.1) liefert eine Übersicht über die Flächen-

verhältnisse der Fülldrahtelektroden. Zur Bestimmung des Verhältnisses zwischen

Füllungsfläche und Gesamtquerschnitt wurde Gleichung 4.1 verwendet:

λA =AF üllAgesamt

(4.1)

Abbildung 4.1: Darstellung des Flächenverhaeltnisses der Füllung am Gesamtdurch-messer für niedriglegierte Fülldrahtelektroden

Zur statistisch abgesicherten Bestimmung dieses Kennwertes wurde der Mantel in

Bezug auf seine Dicke an 4 Punkten der Probe vermessen. Abbildung 4.2 zeigt

exemplarisch die Vermessung eines basisch gefüllten Drahtes.


Abbildung 4.2: Querschliffprobe am Fülldraht

Um eine Konstanz über die Drahtlänge zu belegen, wurden die Vermessungen zusätzlich

an drei Drahtabschnitten im Abstand von 100 mm durchgeführt. Dabei konnte fest-

gestellt werden, dass die Dicke des Mantels im Durchschnitt um 4,6 Prozent ab-

weicht.

Dichtebestimmung:

Die Dichteermittlung der Drähte erfolgte mit Hilfe der Gleichung 4.2.

ρ =m

π · r2 · l(4.2)

Dazu wurden Drahtstücke mit einer definierten Länge von l = 1500 mm angefertigt

und mit einer Feinstwaage deren Masse bestimmt. Zur statistischen Absicherung

wurde dies je Fülldraht an mindestens drei Segementen durchgeführt. Das Ergebnis

dieser Dichtebestimmung zeigt das nachfolgende Diagramm.

In Abbildung 4.3 ist deutlich zu erkennen, dass die Fülldrähte mit Metallpulver

eine deutlich größere Dichte aufweisen, als rutil oder basisch gefüllte Elektroden

(beide Füllungstypen sind durch ein Verhältniswert zum Massivdraht von 88 % ge-

kennzeichnet). Das Dichteniveau der Metallpulverfülldrähte befindet sich mit einem

Verhältniswert von 96 % annähernd auf dem des Massivdrahtes (G4Si1), welcher

als Referenzdraht diente. Auch bei Betrachtung der Füllungsdichte sind die bei Me-

tallpulverelektroden aus den Messungen berechneten Werte erwartungsgemäß am

höchsten, Abbildung 4.4. Die daraus resultierenden Masseverhältnisse der Fülldrahtelektroden

sind in nachfolgender Abbildung 4.5 ersichtlich und zeigen, dass über 80 % der

Drahtmasse durch den Mantel hervorgerufen wird.


Abbildung 4.3: Darstellung der Dichte von niedriglegierten Fülldrahtelektroden

Abbildung 4.4: Darstellung der Füllungsdichte von niedriglegierten FD


Abbildung 4.5: Darstellung der Masseanteile von niedriglegierten FD

4.2 Bestimmung physikalischer Eigenschaften

spezifische elektrische Leitfähigkeit:

Die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der unterschiedlichen Fülldrähte stell-

te einen weiteren Punkt dar. Es wurde dazu ein Versuchsstand zur Heißdrahterwärm-

ung der Fülldrähte aufgebaut. Hierfür wurde der Fülldraht mit Hilfe eines externen

Drahtvorschubsystems konstant mit 2,55 m/min bewegt und durch zwei Kontaktie-

rungspunkte gefördert. Mit Hilfe einer externen Stromquelle konnten Vorwärmleist-

ungen bis zu 500 W übertragen werden. Die Stromstärke wurde hierfür auf einem

Niveau von ca. 65 A eingestellt und die sich einstellende Spannung gemessen. Der

Abstand zwischen beiden Kontaktierungspunkten beträgt 60 mm. Anhand eines

Massivdrahtes, welcher als Referenzdraht diente, konnten Rückschlüsse auf das Wi-

derstandsverhalten der unterschiedlichen Fülldrähte (Tabelle 4.1) gezogen werden.

Dies erfolgte mit Hilfe von Gleichung 4.3. Zur statistischen Absicherung wurden die

Versuche mindestens drei mal wiederholt. Ziel war es eine Standardabweichung von

unter 3 % sicher zu stellen.

R =U

I(4.3)

Die Berechnung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit erfolgte mit der Gleichung

4.4:


K =1

ρ(4.4)

Dazu wurde der spezifische elektrische Widerstand ρ nach folgender Gleichung 4.5

berechnet:

ρ =R ·A

l(4.5)

A - Querschnittsfläche des Massivdrahtes in mm2

l - Kontaktierungsabstand der Heissdrahterwärmung(l = 60 mm)

Die so ermittelten Werte der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit sind im nachste-

henden Diagramm (Abbildung 4.6) erfasst.

So zeigten alle Fülldrähte eine höhere elektrische Leitfähigkeit als der Massivdraht.

Die Gruppe der basischen Fülldrähte erreichte die größten Werte. Dabei markierte

der basische Draht des Herstellers 3 das Maximum. Jedoch ist hier zu beachten,

dass es sich bei diesem Draht um jenen mit 1,6 mm Durchmesser handelt. Durch

den größeren Querschnitt ist es dem Draht möglich, den Strom besser zu leiten. Im

Gegensatz hierzu zeigten die beiden Fülldrähte mit einem Durchmesser von 1,0 mm

eine erwartungsgemäß geringere Leitfähigkeit. Infolge dessen wird für ein Abschmel-

zen der Elektrode mehr Energie benötigt. Die elektrische Leitfähigkeit der Füllung

ist in Abbildung 4.7 dargstellt. Im Vergleich zwischen Mantel und Füllung ist eine

deutlich höhere Leitfähigkeit der Elektrodenfüllung ersichtlich, Abbildung 4.8.

Abbildung 4.6: Darstellung der spezifischen el. Leitfähigkeit niedriglegierter FD


Abbildung 4.7: Darstellung der spezifischen el. Leitfähigkeit der Füllung niedrigle-gierter FD

Abbildung 4.8: Darstellung der spezifischen el. Leitfähigkeit von Mantel und Füllungniedriglegierter FD


spezifische Wärmekapazität:

Die Untersuchung der spezifischen Wärmekapazität der Drähte erfolgte mit Hilfe

eines Durchmischungsversuches. Ein Drahtabschnitt wurde hierzu in einem mit sie-

denden Wasser befindlichen Gefäß erhitzt. Nach Erwärmung erfolgte die Abkühlung

des Drahtes in einem definierten Wasserbehälter. Sowohl die Wassermenge, als auch

die Ausgangstemperatur des Wassers stellten bekannte Größen dar. Die Steigerung

der Wassertemperatur konnte mit Hilfe von Pt100 Thermoelementen der Genauig-

keitsklasse 1/10 DIN gemessen werden.

Die Berechnung der Wärmekapazität des Drahtes erfolgte mit Gleichung 4.6:

cD =mW · cW · (TEnd − TStart)

mD · (TSied − TStart)(4.6)

mW - Masse des Wassers in g

cW - Wärmekapazität des Wassers in J/(K*g) (cW = 4, 1826J/(K*g))

mD - Masse des Drahtes in g

TEnd - Endtemperatur des Wassers in °C

TStart - Starttemperatur des Wassers in °C

TSied - Siedetemperatur des Wassers in °C

Abbildung 4.9: Versuchsstand zur Ermittlung der Wärmekapazität


Abbildung 4.10: Darstellung der Wärmekapazität von niedriglegiertenFülldrahtelektroden

Durch die Berechnung der Wärmekapazitäten der Gesamtdrähte (Abbildung 4.10)

konnte nun die Berechnung der Wärmekapazität der Füllung erfolgen. Dabei wurde

die Annahme getroffen, den Mantel der Drähte als G4Si1 zu definieren. Dessen

spezifische Wärmekapazität besitzt auf Basis von Massivdrahtmessungen einen Wert

von 0,234712 J/(K · g).

Die Berechnung der Wärmekapazität der Füllung erfolgte nun nach Gleichung 4.8

durch Einsetzen von Gleichung 4.9 und 4.10:

mD · cD = mM · cM +mF · cF (4.7)

cF =mD · cD −mM · cM

mF(4.8)

mM = AM · ρ · l (4.9)

mF = mD −mM (4.10)


mD - Masse des Drahtes in g

mM - Masse des Mantels in g

cM - Wärmekapazität des Mantels in J/(K · g) (cM = 0, 234712J/(K · g))

mF - Masse der Füllung in g

cF - Wärmekapazität der Füllung in J/(K · g)

AM - Fläche des Mantels in mm2

ρ - Dichte aus Messungen in g/cm3

l−definierte Drahtlänge in m

Die Wärmekapazität der Füllung ist in Abbildung 4.11 dargestellt. In Abbildung

4.12 ist eine vergleichende Übersicht der Wärmekapazitäten von Mantel und Füllung

ersichtlich. Der Darstellung ist eine deutlich höhere Wärmekapazität der Füllung im

Vergleich zum Mantel zu entnehmen.

Abbildung 4.11: Darstellung der Wärmekapazität der Füllung niedriglegierterFülldrahtelektroden


Abbildung 4.12: Darstellung der Wärmekapazität von Mantel und Füllung niedrigle-gierter Fülldrahtelektroden

Ermittlung von Schmelztemperaturen:

Für die Ermittlung der Schmelztemperaturen von Mantel und Füllung war es er-

forderlich, die chemischen Zusammensetzungen zu untersuchen. Hierfür wurde das

Pulver vom Mantel getrennt. Zur Gewinnung des Pulvers wurden hierzu Drahtab-

schnitte angefertigt und mit einer Trennscheibe in Längsrichtung geöffnet. Dadurch

war es möglich, das Pulver heraus zu schaben. Die Untersuchung der chemischen

Zusammensetzung wurde mittels EDX-Analyse durchgeführt. Die Berechnung der

Schmelztemperatur TF erfolgte unter Zuhilfenahme der Massebestandteile (Glei-

chung 4.12).

TF =n

∑

k=1

mkmges

·Tk (4.11)

TF =(m1 × T1) + (m2 ·T2) + (m3 ·T3) . . .

mges(4.12)


Abbildung 4.13: Darstellung der Schmelztemperaturen der Füllung von niedrigle-gierten Fülldrahtelektroden im Vergleich mit dem Mantelmaterial

Bemessung von Impulseigenschaften 34

5 Bemessung von Impulseigenschaften

5.1 Bestimmung von Impulsenergien

Auf Basis der Untersuchungen und Messungen der Eigenschaften der Fülldraht-

elektroden konnten die notwendigen theoretischen Impulsenergien zum Abschmel-

zen der Fülldrahtelektroden analytisch bestimmt werden. Die zum Abschmelzen des

Drahtes benötigte Impulsenergiemenge QPmin ist unter anderem von der Schmelz-

temperatur, dem Füllgrad, dem Füllungstyp, dem Flächenverhältnis, demWirkungs-

grad und der Tropfengröße abhängig. Ziel ist es, die notwendigen Impulsenergie-

mengen zum Abschmelzen des Drahtes QPmin geringst möglich zu halten, um die

Schweißrauchemissionen zu senken.

Die zum Abschmelzen erforderliche Energie Qp lässt sich mit Gleichung 5.1 be-

rechnen. Sie ist das Produkt von mittlerer Pulsleistung Pp und Impulsdauer tp,

Abbildung 5.1.

Qp =PP · tS

η(5.1)

Abbildung 5.1: Darstellung von Impulsleistung und Impulsenergie [14]

Es wurde die Abschmelzenergie für einen Tropfen berechnet. Darüber hinaus fand

eine separierte Berechnung der zum Abschmelzen eines Tropfens benötigten Energie

für Mantel und Füllung statt. Hierbei wurden die nachfolgenden Gleichungen 5.2

bis 5.4 angewandt.


QTr = mTr · cD(TF − TRaum) ·∆hS (5.2)

QTrM = mM · cM(TF − TRaum) ·∆hS (5.3)

QTrF = mF · cF (TF − TRaum) ·∆hS (5.4)

QTr - Tropfenenergie in J

QTrM - Energie Mantel je Tropfen in J

QTrF - Energie Füllung je Tropfen in J

∆hS - Schmelzenthalpie in J

In nachfolgender Tabelle 5.1 ist die Gesamttropfenenergie dargestellt, beruhend

auf der Annahme, dass der Tropfendurchmesser dem Drahtdurchmesser entspricht.

Ebenso sind die Energieanteile für Mantel und Füllung berechnet worden. Erkenn-

bar ist, dass im Durchschnitt Dreiviertel der zum Ablösen eines Tropfens benötigten

Energie zum Abschmelzen des Mantels erforderlich ist.

Tabelle 5.1: Tropfenenergien niedriglegierter Fülldrähte

DrahttypTropfenenergie in J Energieanteile in %

Tropfen gesamt Mantel Füllung Mantel Füllung

G4Si1 2,43 2,43 - 100,00 -

Draht 1-R-d1,2 2,77 1,94 0,83 70,05 29,95

Draht 4-R-d1,2 3,67 1,96 1,71 53,44 46,56

Draht 7-R-d1,0 1,68 1,21 0,47 72,25 27,75

Draht 2-B-d1,2 2,19 1,66 1,53 75,90 24,10

Draht 5-B-d1,2 3,42 1,62 1,80 47,41 52,59

Draht 8-B-d1,6 6,53 4,19 2,33 64,28 35,72

Draht 3-M-d1,2 2,72 2,15 0,57 79,06 20,94

Draht 6-M-d1,2 3,43 2,02 1,41 58,81 41,19

Draht 9-M-d1,0 1,95 1,31 0,64 67,19 32,81

5.2 Definition der Tropfengröße und Tropfenfrequenz

Um den Abschmelzvorgang zu verbessern wurde zunächst die Frequenz berechnet,

bei der sich eine theoretische Tropfengröße entsprechend des Drahtdurchmessers


einstellt. Die Berechnung beruht auf der Drahtvorschubgeschwindigkeit, dem Draht-

durchmesser und der Annahme, dass ein kugelförmiger Tropfen pro Periode abgelöst

wird, Gleichung 5.5.

f =AD · vDVTr

(5.5)

Die Frequenzwerte der drei verschiedenen Drahtvorschubgeschwindigkeiten bei Nut-

zung eines Drahtes mit dem Durchmesser d=1,2 mm sind in der folgenden Tabelle 5.2

aufgeführt. Eine Überprüfung erfolgte anhand von Videoaufnahmen. Frequenzänder-

ungen boten hierbei die Möglichkeit zur Einflussnahme auf die resultierende Trop-

fenform bei festgestellten Abweichungen. Absenkungen der Frequenz führen dabei

zur Bildung größerer Tropfen. Eine Frequenzerhöhung reduziert hingegen die Trop-

fengröße.

Tabelle 5.2: berechnete Frequenzwerte

Tropfengröße =Drahtdurchmesser inmm

Drahtvorschub-geschwindigkeitin m/min

Frequenz in Hz

1,2

7 146

10 208

13 271

Gestaltung des Impulsverlaufes 37

6 Gestaltung des Impulsverlaufes

6.1 Ausgangsuntersuchungen

Zunächst erfolgte mittels Hochgeschwindigkeitskamera die Aufnahme des Werk-

stoffüberganges bei einer klassischen Sprühlichtbogenkennlinie. Es wurden drei ver-

schiedene Füllungstypen untersucht. Dabei handelte es sich um niedriglegierte Draht-

elektroden mit einer rutilen, basischen sowie Metallpulverfüllung. Die Schweißungen

wurden bei Drahtvorschüben von 7 m/min, 10 m/min und 13 m/min durchgeführt.

Es konnte festgestellt werden, dass sowohl Fülldrähte mit basischer, als auch rutiler

Füllung eine überstehende Füllungslanze entwickelten. Basische Fülldrähte wiesen

eine feste, brüchige Lanze auf. Rutile Fülldrähte bildeten eine weiche, teigige Lan-

ze aus. Im Gegensatz dazu zeigten Metallpulvergefüllte Drähte keine Tendenz zur

Ausbildung einer Füllungslanze. Hierbei fand überwiegend ein Abspritzen des Zu-

satzwerkstoffes statt. Abbildung 6.1 stellt das unterschiedliche Abschmelzverhalten

der niedriglegierten Fülldrähte im Sprühlichtbogen dar.

Abbildung 6.1: Sprühlichtbogen Ausgang

Aufbauend auf den vorangegangen Ergebnissen wurde das Abschmelzverhalten un-

ter Verwendung einer Impulslichtbogenkennlinie betrachtet. Dazu wurde im ersten

Schritt eine Standardimpulskennlinie für Massivdrähte genutzt. Hier zeigten sich

eine zufällige Tropfenablösung sowie ein verschiedenartiges Stehenbleiben der Pul-

verfüllung in Abhängigkeit des Fülldrahtelektrodentyps. Nachfolgende Abbildung

zeigt Hochgeschwindigkeitsaufnahmen unterschiedlicher Fülldrahtelektrodentypen

bei Verwendung der Standard-Impulskennlinie.


Abbildung 6.2: Standard-Puls Ausgang

Ein exemplarischer Strom- und Spannungsverlauf des Standard-Impulses ist in Ab-

bildung 6.3 dargestellt.

Abbildung 6.3: Strom- und Spannungsverlauf Standard-Puls

Eine Möglichkeit zur Optimierung des Abschmelzvorganges bildet die Änderung der

Stromverlaufsführung durch Einstellen diverser Parameter. Dies ist gekennzeichnet

durch eine hohe Zahl an Freiheitsgraden. Sowohl Grundstrom, als auch Strompla-

teauhöhe, Stromanstiegsgeschwindigkeiten, Dauer der Impulsabschnitte und die Fre-

quenz lassen sich in ihren Werten verändern. Die verwendete Stromquelle ließ zudem

eine Aufteilung der Pulsperiode in drei separate Pulsabschnitte zu. Abbildung 6.4


zeigt hierzu einen schematischen Verlauf einer programmierbaren Periode. Erkenn-

bar sind sowohl die Strompulse IP , als auch die dazugehörigen Impulsdauern tP samt

Stromanstiegsgeschwindigkeiten und Stromabfallgeschwindigkeiten Ian und Iab. Der

Grundstrom IG ist dabei zwischen die effektive Pulsdauer geschaltet.

Abbildung 6.4: Schematischer Verlauf einer Pulsperiode

Um den Abschmelzvorgang bewerten zu können wurde eine Bewertungsmatrix mit

Kriterien festgelegt. Diese Kriterien umfassen die Fallrichtung der sich bildenden

Tropfen, die ausbildende Lanzenlänge sowie die Lanzenkonsistenz.

Abbildung 6.5: Bewertungsmatrix

Für das Kriterium Fallrichtung wurden zwei Zustände definiert. Fällt der Trop-

fen außerhalb eines senkrechten Lotes vom Drahtende zum Werkstück, so ist die

Fallrichtung als seitlich definiert. Wird das Lot vom Tropfen tangiert, handelt es

sich um eine senkrechte Fallrichtung. Aufgrund der Bildung einer überstehenden

Füllungslanze ist es wichtig, deren Veränderung durch eine Variation der Strom-

verlaufsführung, zu betrachten. Dabei wurde die überstehende Lanzenlänge in drei

Bereiche in Abhängigkeit der Lichtbogenlänge LB definiert:


- L < LB/4

- LB/4 < L < LB/2

- L > LB/2

Als weiteres Kriterium wurde die Konsistenz der Lanze betrachtet und in die Berei-

che fest/brüchig bzw. teigig unterteilt.

6.2 Vorgehensweise zur Veränderung der Impulsenergien

1○ Übertragung der Energie des Sprühlichtbogens auf den Impulslichtbogen

Im nächsten Schritt wurden die verschiedenen Fülldrahttypen im Sprühlichtbogen

geschweißt, deren Strom- und Spannungswerte aufgezeichnet und die Schweißlei-

stung berechnet. Diese Leistung wurde anschließend auf einen Impulsprozess übertra-

gen. Gestartet wurde mit einem definierten Impuls von 400 A für 2 ms. Entspre-

chend der Energie des Sprühlichtbogens ist der für die gleiche Leistung benötigte

Grundstromwert berechnet worden. Ziel war zunächst ein kurzschlussfreier Werk-

stoffübergang.

Abbildung 6.6: festgelegte Impulsform

Tabelle 6.1: Beispielwerte einer festgelegten Impulsform basischer FD

Sprühlichtbogen Impulslichtbogen

Ps in W Ip in A tp in ms Ig berechnet inA

Ps berechnet inW

6129,82 400 2 152 6174,15


2○ Variation der Pulsenergie durch Veränderung des Pulsstromes

Im zweiten Schritt wurde, ausgehend von der kurzschlussfreien Wertekombination,

der Stromwert des Pulses weiter erhöht. Ziel dessen war es, eine Tropfenablösung

durch eine höhere Pulsenergie hervorzurufen. Bei einer Vergrößerung der LB-Länge

wurde der Grundstrom zur Kompensation entsprechend heruntergesetzt. Die Tabel-

len 6.2 bis 6.4 zeigen dabei die Einstellwertebereiche der Fülldrähte.

Abbildung 6.7: Impulsform Schritt 2

Tabelle 6.2: Einstellwertebereiche der Fuelldraehte im Schritt 2

7 m/min 10 m/min

Ip in A Ig in A Ip in A Ig in A

Draht 3-M-d1,2 455 - 512 152 - 140 480 - 500 216 - 192

Draht 1-R-d1,2 440 - 512 97 - 70 470 - 500 147 - 122

Draht 2-B-d1,2 470 - 500 102 - 64 465 - 512 141 - 102

Draht 10-RHL-d1,2 450 - 495 77 - 51 435 - 480 128 - 77

Draht 11-BHL-d1,2 490 - 535 70 - 51 470 - 512 141 - 115

Draht 12-BFG-d1,2 425 - 470 90 - 64 465 - 512 115 - 83

3○ Variation der Pulsform durch Veränderung von Pulszeit und Pulsstrom

Im weiteren Versuchsablauf wurde die Pulsform verändert. Dabei fand ein Eingriff

in die Pulszeit statt. Bei gleichzeitiger Erhöhung des Pulsstromes ist die Dauer des

Pulses verkürzt worden. Auch hier bestand der Fokus der Optimierung in einer ge-

zielten Tropfenablösung, aufgrund eines kurzen, kräftigen Strompulses.



Tabelle 6.3: Einstellwertebereiche der Fülldraehte im Schritt 3

7 m/min 10 m/min

Ip in A tp in ms Ip in A tp in ms

Draht 3-M-d1,2 500 - 530 1,92 - 1,68 480 - 512 1,92 - 1,68

Draht 1-R-d1,2 500 - 538 1,76 - 1,52 500 - 538 1,76 - 1,52

Draht 2-B-d1,2 505 - 538 1,76 - 1,52 505 - 557 1,76 - 1,52

Draht 10-RHL-d1,2 486 - 550 1,76 - 1,52 461 - 505 1,76 - 1,52

Draht 11-BHL-d1,2 544 - 640 1,76 - 1,52 512 - 589 1,76 - 1,52

Draht 12-BFG-d1,2 467 - 525 1,76 - 1,52 500 - 557 1,76 - 1,52

4○ Variation der Pulsfrequenz

Im vierten Schritt fand eine Anpassung der Frequenz statt. Diese ist in mehreren Stu-

fen erhöht oder reduziert worden. Zeitgleich ist eine Lichtbogenlängenkompensation

durch Veränderung der Grundstromstärke erfolgt, verbunden mit dem Ziel die Trop-

fengröße zu modifizieren.



Tabelle 6.4: Einstellwertebereiche der Fülldraehte im Schritt 4

7 m/min 10 m/min

f in Hz Ig in A f in Hz Ig in A

Draht 3-M-d1,2 134 - 156 166 - 144 196 - 220 204 - 192

Draht 1-R-d1,2 116 - 176 152 - 140 178 - 238 211 - 128

Draht 2-B-d1,2 116 - 176 134 - 58 178 - 238 192 - 109

Draht 10-RHL-d1,2 116 - 176 134 - 51 178 - 238 192 - 102

Draht 11-BHL-d1,2 116 - 176 134 - 26 178 - 238 192 - 128

Draht 12-BFG-d1,2 116 - 176 134 - 70 178 - 238 166 - 96

5○ Variation der Pulsform durch unterschiedliche Plateaus

Eine weitere Möglichkeit, das Abschmelzverhalten zu verbessern besteht darin, zwei

unterschiedlich hohe Plateaus auszubilden. Dabei wurde sich an den berechneten

Energieanteilen von Mantel und Füllung hinsichtlich der Stromhöhe orientiert.

Abbildung 6.10: Stromplateauformen (Auszug)


6.3 Ergebnisse der Impulsgestaltung

6.3.1 Niedrig legierte Fülldrahtelektroden

Metallpulver-Fülldraht

Es konnte eine Parameterkombination ermittelt werden, welche ein gutes Abschmelz-

verhalten zeigt. Dabei konnte das Absprühverhalten des Metallpulverfülldrahtes hin

zu einem Abtropfvorgang verändert werden. Dies war sowohl bei einer Drahtvor-

schubgeschwindigkeit von 7 m/min, als auch 10 m/min umsetzbar. Bei einem Draht-

vorschub von 13 m/min konnte solch eine Verbesserung jedoch nicht erzielt werden,

das Energieniveau liegt hierbei zu hoch. Die Veränderung des Abschmelzvorganges

innerhalb der Variationen der beschriebenen Vorgehensweise (Schritte 2○ bis 5○)beläuft sich auf die Bildung eines sich nach dem Abtropfen bildenden Schmelze-

fadens. Im Folgenden wird die von allen Versuchen ermittelte, optimale Kennlinie

mit ihrem verbesserten Abschmelzverhalten für den Metallpulverfülldraht darge-

stellt. Dabei ist in den Abbildungen 6.11 und 6.12 der Abschmelzvorgang bei 7

m/min Drahtvorschubgeschwindigkeit dargestellt. Mit Hilfe der neuen Impulskenn-

linie konnte ein gleichmäßiges Abtropfen realisiert werden. Die Tropfengröße und

Tropfenform wies eine gleichbleibende, konstante Charakteristik auf. Die Kennlini-

enform ist dabei durch ein Stromplateau und einer reduzierten Pulsdauer von 2,0

ms auf 1,76 ms gekennzeichnet.

Abbildung 6.11: Sprühlichtbogen Metallpulver-FD 7 m/min (I=243 A, U=26,5 V,M21 mit 12 l/min)


Abbildung 6.12: Impulslichtbogen Metallpulver-FD 7 m/min (IP=499 A, IG=154A, tP=1,76 ms, f=146 Hz, M21 mit 12 l/min)

Der Abschmelzvorgang bei 10 m/min Drahtvorschub wird in den Abbildungen 6.13

und 6.14 aufgezeigt. Auch hier gelang es ein durch Tropfen geprägtes Abschmelzen zu

erzielen. Die Kennlinienform besitzt ein Stromplateau mit reduzierter Pulsdauer. Die

Abschmelzeffekte außerhalb der anzustrebenden Kombination innerhalb der Schritte

2○ bis 5○ zeigten sich analog 7 m/min Drahtvorschub (Schmelzefaden).

Abbildung 6.13: Sprühlichtbogen Metallpulver-FD 10 m/min (I=265 A, U=30,0 V,M21 mit 12 l/min)


Abbildung 6.14: Impulslichtbogen Metallpulver-FD 10 m/min (IP=499 A, IG=198A, tP=1,76 ms, f=208 Hz, M21 mit 12 l/min)

Rutiler Fülldraht

Bei Fülldrähten mit rutiler Pulverfüllung zeigte sich eine Lanzenbildung. Es konnte

entsprechend des beschriebenen Versuchsablaufes die Entstehung einer Lanze im Im-

pulsprozess sowohl bei einem Drahtvorschub von 7 m/min, als auch 10 m/min nicht

verhindert werden. Versuche mit einer Drahtvorschubgeschwindigkeit von 13 m/min

sind aufgrund der Ergebnisse des Metallpulverfülldrahtes hinsichtlich der zu hohen

Energien nicht durchgeführt worden. Im Schritt 2○ konnte mit einer Steigerung derImpulsstromhöhe und dem Ausgleich über eine Reduzierung der Grundstromstärke

keine Änderung im Abschmelzverhalten erzielt werden. Die Pulszeitversuche im drit-

ten Schritt zeigten, dass ein kürzerer Puls die Abschnürung reduziert und damit

die Bildung eines Tropfens erschwert. Ein länger anhaftender Tropfen des Mantels

an der Lanze wurde durch die Erhöhung der Frequenz bewirkt, wohingegen bei der

Verwendung von zwei Plateaus entsprechend der berechneten Energieverteilung kein

Einfluss erkennbar war.

Abbildung 6.15: Sprühlichtbogen Rutiler-FD 7 m/min (I=234 A, U=25,0 V, M21mit 12 l/min)

Der in Abbildung 6.16 dargestellte Impulsabschmelzvorgang bei 7 m/min Drahtvor-

schub zeigt die sich weiterhin ausbildende Füllungslanze. Die an der Lanze herabflie-


ßenden Tropfen bestehen hauptsächlich aus aufgeschmolzenen Mantelmaterial. Pro

Puls wird eine leichte Einschnürung erzeugt und ein Tropfen gebildet, welcher an

der Füllungslanze herabgleitet und an deren Ende Teile der überstehenden Füllung

mit in das Schmelzbad transportiert.

Bei einem Drahtvorschub von 10 m/min erzeugt die Impulskennlinie das identische

Abschmelzverhalten, Abbildung 6.18. Auch hier zeigte das Vorgehen von Schritt 2○keine Änderung im Abschmelzverhalten. Änderungen von tp wiesen das selbe Bild

auf. Die Steigerung der Frequenz in 4○ mündete in einer schnelleren Tropfenbil-dung. Analog 7 m/min Drahtvorschub waren im fünften Schritt keine Unterschiede

feststellbar.

Abbildung 6.16: Impulslichtbogen Rutiler-FD 7 m/min (IP=454 A, IG=96 A,tP=2,0 ms, f=146 Hz, M21 mit 12 l/min)

Abbildung 6.17: Sprühlichtbogen Rutiler-FD 10 m/min (I=254 A, U=28,2 V, M21mit 12 l/min)


Abbildung 6.18: Impulslichtbogen Rutiler-FD 10 m/min (IP=474 A, IG=147 A,tP=2,0 ms, f=208 Hz, M21 mit 12 l/min)

Mit Hilfe weiterer Kennlinienvariationen konnte die Verhinderung einer überstehen-

den Füllungslanze erzielt werden. Dabei ist diese Kennlinie durch ein hohes Strom-

plateau mit einem sich anschließenden unterhalb des Grundstromes befindlichen Pla-

teau charakterisiert (Stromabsenkung unter Grundstrom). Die Hochstromphase soll

dabei zum Schmelzen des Mantels dienen, wohingegen die Füllung lediglich durch

Wärmeleitung des Hochstromes aufgeschmolzen wird. Dieser ungewöhnliche Kennli-

nienverlauf zeichnet sich hinzukommend durch eine sehr geringe Frequenz aus. Auf-

grund des hohen Grundstromniveaus (Sprühlichtbogenniveau), bei dem zusätzlich

ein kurzer Impuls geschaltet ist, befindet sich die Schweißleistung über dem des

Sprühlichtbogens.

Tabelle 6.5: Schweißleistung rutiler FD ohne Füllungslanze

Schweißleistung in WVeränderung in %

SLB PLB

vD = 7 m/min 4594,27 6208,55 + 35,17

vD = 10 m/min 6061,76 7413,05 + 22,29

In den Abbildungen 6.19 und 6.20 ist die Tropfenablösung am rutilen Fülldraht

dargstellt. Sowohl bei einem Drahtvorschub von 7 m/min, als auch 10 m/min bildet

sich nur noch eine geringe Füllungslanze aus.


Abbildung 6.19: Impulslichtbogen Rutiler-FD ohne Lanze 7 m/min (IP=282 A,IPu=192 A, IG=227 A, tP=0,6 ms, f=34 Hz, M21 mit 12 l/min)

Abbildung 6.20: Impulslichtbogen Rutiler-FD ohne Lanze 10 m/min (IP=365 A,IPu=243 A, IG=278 A, tP=0,6 ms, f=50 Hz, M21 mit 12 l/min)

Basischer-Fülldraht

Eine Bildung der Füllungslanze stellte auch bei basisch gefüllten Drähten ein Merk-

mal dar. Jedoch wies im Impulsprozess die Lanze eine geringere Länge auf. Auch

hier wurden Versuche mit einer Drahtgeschwindigkeit von 13 m/min aufgrund der

hohen Energien nicht durchgeführt. Im Schritt 2○ konnte durch die Steigerung derImpulsstromstärke eine leichtere Tropfenablösung beobachtet werden. Die Anhaf-

tung der Manteltropfen wurde reduziert. Die Behinderung der Tropfenbildung ist

das sichtbare Resultat der Versuche von Schritt 3○, bei denen die Pulszeit verkürztwurde. Mit erhöhter Frequenz wurde die Lanzenlänge reduziert (Schritt 4○), wo-hingegen die Position des hohen Stromplateaus entsprechend der Energieverteilung

keinen Effekt zeigte.

Der in Abbildung 6.22 dargestellte Abschmelzvorgang, welcher das beste Resultat

der Versuche der Schritte 2○ bis 5○ zeigt, zeichnet sich durch die Bildung großerTropfen aus. Es kommt zunächst zu einer Einschnürung des Mantelmaterials. Der


Abbildung 6.21: Sprühlichtbogen Basischer-FD 7 m/min (I=228 A, U=24,0 V, M21mit 12 l/min)

aufgeschmolzene Werkstoff verbleibt jedoch über eine Dauer von mehreren Pulsen an

der Drahtspitze, infolgedessen sich die Größe des Tropfens erhöht, bevor dieser in das

Schmelzbad fällt. Dabei wird teilweise überstehendes Füllungsmaterial abgebrochen

und in die Schmelze mittransportiert.

Abbildung 6.22: Impulslichtbogen Basischer-FD 7 m/min (IP=454 A, IG=90 A,tP=2,0 ms, f=156 Hz, M21 mit 12 l/min)

Bei Erhöhung des Drahtvorschubes auf 10 m/min konnte sowohl in Schritt 2○,als auch in Schritt 3○ keine Veränderungen beobachtet werden. Erst als die Fre-quenz im vierten Schritt reduziert wurde, verweilten die sich bildenden Manteltrop-

fen länger an der Lanze. Die Auswirkung der hohen Stromplateauposition zeigte sich

in der Konsistenz der Füllungslanze. Ein hohes Plateau an zweiter Position führte

weg von einer festen, brüchigen Lanze hin zu einer teigigen, flüssigen Ausprägung.

Der Abschmelzvorgang des basischen Fülldrahtes im anzustrebenden Impulsprozess

bei 10 m/min ist durch eine stärker ausgeprägte Füllungslanze im Vergleich zu 7

m/min Drahtvorschub gekennzeichnet. Die sich bildenden Tropfen weisen eine ge-

ringere Größe auf, verbleiben jedoch über eine Dauer von zwei Pulsen am Drah-

tende. Füllungsbestandteile werden analog des geringeren Drahtvorschubes durch

Lanzenabbrüche mit dem Tropfen in das Schmelzbad transportiert.


Abbildung 6.23: Sprühlichtbogen Basischer-FD 10 m/min (I=247 A, U=27,0 V, M21mit 12 l/min)

Abbildung 6.24: Impulslichtbogen Basischer-FD 10 m/min (IP=512 A, IG=102 A,tP=2,0 ms, f=208 Hz, M21 mit 12 l/min)

Wie auch beim rutilen Fülldraht konnte ein Verhindern der überstehenden Lanze

erreicht werden. Hierbei fand ebenfalls eine Kennlinie Anwendung, welche ein Ab-

senken des Stromes unter Grundstromniveau aufweist. So gelang es fast gänzlich

bei einer Drahtvorschubgeschwindigkeit von 7 m/min die Füllungslanze zu verhin-

dern. Eine sehr geringe Lanze ist das Ergebnis dieser Kennlinienform bei einem

Drahtvorschub von 10 m/min. Die Schweißleistung dieser Kennlinienform weist da-

bei ebenfalls eine Erhöhung gegenüber dem Sprühlichtbogen auf.

Tabelle 6.6: Schweißleistung basischer FD ohne Füllungslanze

Schweißleistung in WVeränderung in %

SLB PLB

vD = 7 m/min 4925,82 6201,08 + 25,89

vD = 10 m/min 6574,82 8805,39 + 33,92


Abbildung 6.25: Impulslichtbogen Basischer-FD ohne Lanze 7 m/min (IP=307 A,IPu=186 A, IG=216 A, tP=0,6 ms, f=34 Hz, M21 mit 12 l/min)

Abbildung 6.26: Impulslichtbogen Basischer-FD ohne Lanze 10 m/min (IP=384 A,IPu=243 A, IG=294 A, tP=0,6 ms, f=50 Hz, M21 mit 12 l/min)

6.3.2 Hochlegierte Fülldrahtelektroden

Rutiler-Fülldraht

Im Anschluss an die Versuche mit niedriglegierten Fülldrahtelektroden erfolgte die

Kennlinienvariation bei hochlegierten Fülldrähten. Begonnen wurde mit Schweißun-

gen im Sprühlichtbogen. Der rutile hochlegierte Fülldraht weist dabei analog dem

Niedriglegierten eine teigige Lanzenbildung auf. Die sich bildenden Tropfen sind groß

und gleiten auf einer Seite der Lanze in das Schmelzbad hinab (Abbildung 6.27).


Abbildung 6.27: Sprühlichtbogen Rutiler-FD hochlegiert 7 m/min (I=231 A,U=25,6 V, M12 mit 12 l/min)

Die Verwendung einer speziellen Impulskennlinie hat in Hinblick auf die Lanzenent-

stehung keinen Einfluss gezeigt. Lediglich der Abtropfvorgang erfuhr eine Verbes-

serung bzw. Optimierung. Die Erhöhung der Impulsstromhöhe im zweiten Schritt

wirkte auf die Größe der entstehenden Manteltropfen. Aufgrund eines längeren An-

haftens an der Lanze vergrößerte sich deren Größe, bevor ein Übergang in das

Schmelzbad eintrat. Eine erschwerte Tropfenbildung zeigte sich durch die Redu-

zierung der Impulsdauer in Schritt 3○. Eine längere Tropfenanhaftung konnte eben-so bei Änderungen der Frequenz in Schritt 4○ beobachtet werden, welche mit derErhöhung der Frequenz einher ging. Die Ausprägung unterschiedlicher Plateauhöhen

zeigte wiederum keinen Einfluss. Bei der über alle Versuche am Besten erscheinen-

den Parameterkombination kommt es zu einer gleichmäßigen Tropfenablösung, bei

der die sich bildenden Tropfen einen kleineren Durchmesser aufweisen. Die Mitnah-

me der Füllung erfolgt auch hier durch den Tropfen am Ende der Lanze, Abbildung

6.28.

Abbildung 6.28: Impulslichtbogen Rutiler-FD hochlegiert 7 m/min (IP=448 A,IG=77 A, tP=2,0 ms, f=146 Hz, M12 mit 12 l/min)


Im Sprühlichtbogen bei einem Drahtvorschub von 10 m/min bildete sich eine hoch-

gradig ausgeprägte Füllungslanze aus. Das Mantelmaterial wurde aufgeschmolzen.

Es erfolgte jedoch keine Tropfenbildung, sondern ein Abfließen in das Schmelzbad

hinein (Abbildung 6.29).

Abbildung 6.29: Sprühlichtbogen Rutiler-FD hochlegiert 10 m/min (I=251 A,U=27,5 V, M12 mit 12 l/min)

Im Impulsprozess in den Optimierungsschritten 2○ und 3○ konnten keine Veränder-ungen im Abschmelzverhalten erzielt werden. Die Erhöhung der Frequenz bewirkte

ein unruhiges Abtropfen verbunden mit einer erhöhten Spritzerbildung. Reduzie-

rungen der Frequenz hingegen ließen den Abtropfvorgang gleichmäßiger geschehen.

Unterschiedliche Plateauhöhen in Schritt 5○ haben keinen EInfluss gezeigt. Der Im-pulsprozess beinhaltete ebenso eine drastische Lanzenbildung. Die Tropfenbildung

der Vorzugsvariante erfolgte gleichmäßig und der Übergang in das Schmelzbad zeigte

Ähnlichkeit zum geringeren Drahtvorschub.

Abbildung 6.30: Impulslichtbogen Rutiler-FD hochlegiert 10 m/min (IP=422 A,IG=192 A, tP=2,0 ms, f=178 Hz, M12 mit 12 l/min)


Basischer-Fülldraht

Der Sprühlichtbogen bei 7 m/min Drahtvorschub ist gekennzeichnet durch eine

überstehende Füllungslanze mit lang anhaftenden Tropfen. Diese bilden sich aus

dem aufgeschmolzenen Material des Mantels und gleiten erst nach langer Dauer an

der Lanze hinab.

Abbildung 6.31: Sprühlichtbogen Basischer-FD hochlegiert 7 m/min (I=231 A,U=25,6 V, M12 mit 12 l/min)

Eine Erhöhung des Impulsstromes in Schritt 2○ der Impulsgestaltung führte zueiner leichteren Tropfenablösung, bei der die Tropfen weniger lang an der Lanze

hafteten. Der umgekehrte Effekt, lang anhaftende Tropfen durch eine erschwerte

Tropfenbildung, ist bei einer Verkürzung der Pulszeit in Erscheinung getreten. In-

nerhalb des dritten Schrittes führte eine Erhöhung der Frequenz zur Verkürzung

der Füllungslanze. Jedoch zeigte die Nutzung eines zweiten hohen Stromplateaus in

Schritt 5○ das beste Abschmelzverhalten. Die Lanze konnte verkürzt werden und derAbtropfvorgang erfolgte gleichmäßig. Bei Ausprägung eines hohen ersten Plateaus

ist keine Verbesserung erreicht wurden, die Tropfen hafteten lang an der Lanze an.

Im Endergebnis zeigte bei Verwendung des Impulsprozesses ein zweistufiger Impuls

den positivsten Einfluss auf den Abschmelzvorgang. Dabei wurde ein hohes zweites

Plateau einem niedrigen ersten Plateau angeschlossen. Infolge dieses Prozessablaufes

wird nun eine Tropfenabschnürung erreicht. Die Tropfen besitzen eine kleine Größe

und es zeigt sich eine regelmäßige Bildung. Die Lanze weist eine kürzere Länge auf.


Abbildung 6.32: Impulslichtbogen Basischer-FD hochlegiert 7 m/min (IP=237/710A, IG=70 A, tP=2,32 ms, f=146 Hz, M12 mit 12 l/min)

Bei einem Drahtvorschub von 10 m/min im Sprühlichtbogen zeigte sich ein ähnliches

Bild des Drahtvorschubes von 7 m/min. Das Hinabgleiten der sich bildenden Tropfen

erfolgte jedoch in kürzeren Abständen. Dabei sind die Tropfen in ihrer Größe kleiner.

Abbildung 6.33: Sprühlichtbogen Basischer-FD hochlegiert 10 m/min (I=270

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