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Forschungsprojekt „MSG-Dickdrahtschweißen von unlegierten Stählen“ erfolgreich abgeschlossen

2. April 2014

Die Verarbeitung von Grobblech zu großen Bauwerken erfolgt über geeignete Fügeverfahren, z.B. durch den Einsatz von Schweißverfahren. Für die wirtschaftliche Herstellung langer Schweißnähte mit großen Nahtquerschnitten werden Schweißverfahren eingesetzt, die über eine hohe Abschmelzleistung verfügen. Als Alternative zum eingeführten Unterpulverschweißen (UP-Schweißen) wurde in dem aktuell abgeschlossenen Forschungsvorhaben „MSG-Dickdrahtschweißen von unlegierten Stählen“ das Metallschutzgasschweißen mit dem Einsatz dicker abschmelzender Schweißdrähte durch das Institut für Fertigungstechnik/Schweißtechnik der Technischen Universität Chemnitz untersucht.

Das Verschweißen dicker Drähte unter Schutzgas reduziert die Nebenzeiten des Fügevorgangs durch Wegfall des kompletten Pulverhandlings (Trocknen, Zuführung, Schlackeentfernung). Beim Verschweißen höherfester Feinkornbaustähle wird zudem die Gefahr von (wasserstoffinduzierter) Kaltrissbildung verringert, da das Pulver als typische Feuchtigkeitsquelle eliminiert wird.

Für einen industriellen Einsatz der MSG-Dickdrahttechnologie zum Verbindungsschweißen an Stahlwerkstoffen fehlten aber bisher grundlegende Erkenntnisse. Dazu gehörten:

  • die Anforderungen an die Anlagentechnik,
  • das Prozessverhalten (Lichtbogenausbildung, Tropfenübergang, Einbrandgeometrie),
  • die Einsatzmöglichkeiten (Fügestellengeometrie, Blechdicke),
  • die erreichbare Nahtqualität (mechan. Eigenschaften, Oberflächenaussehen).

Innerhalb des Projektes wurden jetzt grundlegende Untersuchungen zum MSG-Schweißen mit „dicken“ Drahtelektroden bis zu 4 mm Durchmesser durchgeführt. Die Versuchsschweißungen zur Untersuchung des Prozesses erfolgten mit Massivdrahtelektroden auf einem rohrförmigen Probekörper aus niedrig legiertem Stahl als Auftragsraupen mit der Konstant-Spannung-Charakteristik (CV- Charakteristik) und Konstant-Strom-Charakteristik (CC-Charakteristik). Bei den Schweißungen wurden die Strom- und Spannungswerte aufgezeichnet sowie synchronisierte Hochgeschwindigkeitsaufnahmen durchgeführt. Diese dienten der Betrachtung und Beurteilung von Tropfenentstehung, -ablösung und der Lichtbogenausbildung.

Die Auswertung der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigte, dass eine schweißleistungsabhängige Einteilung, wie vom MSG-Schweißen mit Drahtdurchmesser bis 1,6 mm bekannt ist, in Kurz-, Übergangs- und Sprühlichtbogen mit Drahtdurchmessern > 3 mm nicht möglich ist. Ein sehr kurzer Lichtbogen, der unterhalb der Blechoberfläche brennt, erwies sich in allen Leistungsbereichen als vorteilhaft. Die Spritzerbildung ist dadurch reduziert. Bei langen Lichtbögen, die aus der Blechoberfläche heraustreten, wird das Schweißgut aus dem Bereich der Fügezone verdrängt und es kommt zum Schneideffekt.

Weiterhin konnte festgestellt werden, dass prinzipiell beide Stromquellenkennlinien verwendbar sind. Beim Vergleich der Kennlinien wird mit der Konstant-Strom-Kennlinie (CC-Kennlinie) ein wesentlich stabilerer Prozess erzeugt. Außerdem ist die Spritzerbildung geringer als bei Verwendung der Konstant-Spannung-Kennlinie (CV-Kennlinie). Bei jeder Tropfenablösung ändert sich die Lichtbogenlänge, die durch die Regelung der Stromquelle ausgeglichen wird. Eine ΔU-Regelung verursacht eine Spannungsänderung, die sich auf eine spritzerarme Tropfenablösung positiv auswirkt. Hingegen verursacht die ΔI-Regelung bei einer Lichtbogenlängenänderung durch die Tropfenablösung Stromschwankungen von bis zu 400 A, was dazu führt, dass der Tropfen regelrecht weggesprengt wird. Für die Verbindungsschweißungen wurde deshalb mit der CC-Kennlinie gearbeitet.

Durch Zumischung von 30 % Ar ins CO2-Schutzgas konnte nochmals die Spritzerbildung reduziert werden. Höhere Anteile an Ar waren nicht zielführend. Aufgrund der kurzen, unterhalb der Blechoberflächen brennenden Lichtbögen ist das Lichtbogenplasma metalldampfdominiert. Es bestimmt die Einbrandform und die Tropfenablösung. Durch die Änderung der Streckenenergie kann der Einbrand beeinflusst werden. Bei gleicher Schweißleistung lassen sich mit Reduzierung des Drahtdurchmessers Einbrand und Abschmelzleistung steigern. Ursache dafür ist die höhere Stromdichte.

Zur Einstellung eines stabilen Prozesse und zur Erzeugung akzeptabler Schweißnähte kann vereinfachend die Formel „200 * Drahtdurchmesser = einstellbare Schweißstromstärk“ verwendet werden (3,2 mm Draht entspricht etwa 640 A). Dadurch sind Abschmelzleistungen von über 8 kg/h erreichbar.

Die Verbindungsschweißungen wurden an Blechen mit den Dicken 12, 15 und 20 mm an der Stahlsorte S355J2+N (Werkstoff-Nr. 1.0577) durchgeführt. Dazu wurde eine 4,0 mm Elektrode der Güte G3Si1 eingesetzt.

Die Sichtprüfungen sowie die Farbeindringprüfungen ergaben, dass die Schweißnähte hinsichtlich der Oberfläche in Bezug auf Einbrandkerben, Oberflächenporen und Risse bis auf wenige Ausnahmen eine hohe Qualität aufwiesen. Bei der Durchstrahlungsprüfung wurde festgestellt, dass aufgrund einer diskontinuierlichen Drahtförderung Poren im Nahtinneren entstanden sind. Im Projekt konnten trotzdem porenfreie Nähte erzeugt werden. Zur Ermittlung der mechanisch-technologischen Gütewerte wurden Härtemessungen, Zugversuche und Kerbschlagbiegeversuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten hervorragende Eigenschaften des Schweißgutes. Die Härtespitzen im Bereich der Wärmeeinflusszone an der Schmelzlinie erreichten Maximalwerte von 326 HV10. Darüber hinaus erwies sich die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes als weitaus besser als die des Grundwerkstoffes. Bei den Zugversuchen der Verbindungsschweißungen erfolgte der Bruch mit einer Ausnahme immer im Grundwerkstoff. Die Ursache für das Versagen in der Fügezone bei einer Probe lag an einem Porennest am Nahtende, welches durch Prozessinstabilitäten entstand.

Im Vergleich mit dem UP-Schweißen ist in Bezug auf die Nahtausbildung festzustellen, dass die Oberflächenschuppung und Formung des Nahtäußeren beim UP-Schweißen wesentlich besser ausfällt. Eine Einstellung der Nahtbreite über die Lichtbogenspannung, wie es beim UP-Schweißen möglich ist, kann bei Dickdrahtschweißen aufgrund der sehr kurz einzustellenden Lichtbögen nicht realisiert werden. Die Nahtbreite ist nur geringfügig über die Schweißgeschwindigkeit einstellbar. Außerdem ist das MSG-Dickdrahtschweißen im Gegensatz zum UP-Schweißen ein sehr sensibler Prozess, bei dem kleinste Prozessinstabilitäten, wie diskontinuierliche Drahtförderung und Stockungen in der Schweißbewegung, zu Poren und Porennestern führen. Eine kontinuierliche Förderung des Drahtes und der Schweißbewegung ist daher zwingend erforderlich.

Bei Einhaltung aller prozessbedingten Besonderheiten kann das MSG-Dickdrahtschweißen verfahrenssicher durchgeführt werden kann. Die Untersuchungen zeigten, dass die Lage-Gegenlagetechnik empfehlenswert ist. Schweißungen an 20 mm Blechen konnten mit Schweißgeschwindigkeiten von 90 cm/min prozesssicher ausgeführt werden.

Das IGF-Vorhaben 16.938 BR (P 875/18/2011) „MSG-Dickdrahtschweißen von unlegierten Stählen“ der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf, wurde von der AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Für diese Förderung und Unterstützung wird gedankt. Gleichfalls Dank gilt den im projektbegleitenden Ausschuss vertretenen Unternehmen, die aktiv an der Projektbearbeitung mitgewirkt haben.

Mitglieder der FOSTA sind führende Stahlhersteller, Stahl verarbeitende Unternehmen und Forschungsinstitute. Zu den Mitgliedern gehören ArcelorMittal Bremen GmbH, ArcelorMittal Eisenhüttenstadt GmbH, ArcelorMittal Steel Germany GmbH, Deutsche Edelstahlwerke GmbH, Edelstahl Vereinigung, Georgsmarienhütte GmbH, Outokumpu Nirosta GmbH, Salzgitter AG Stahl und Technologie, Saarstahl AG, Stahlwerk Thüringen GmbH, Tata Steel Europe, ThyssenKrupp Steel Europe AG, V&M Deutschland GmbH, voestalpine Stahl GmbH, Benteler AG, Daimler AG, Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG, Volkswagen AG u.a.

Rückfragen

Rainer Salomon
Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.
Telefon: + 49 211 6707-853
E-Mail: rainer.salomon@stahl-zentrum.de

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Pressemitteilung FOSTA 02.04.2014 (.pdf)