Schweißtechnik

Schutzgasschweißen:

• Metall-Schutzgasschweißen

  • MIG/ MAG

• Wolfram-Schutzgasschweißen

  • WIG

Handschweißen

Unterpulverschweißen

• Ziel ist es, Spannungen und Verzug in einer Schweißkonstruktion abzubauen. Die Eigenschaften des Schweißgutes sollen in Bezug auf Härte, Zähigkeit und Festigkeit nicht nachteilig verändert werden.

  • Spannungsarmglühen: Festigkeit unlegierter Baustähle wird durch zunehmende Erwärmung herabgesetzt, wodurch die vorhandenen Schweißeigenspannungen vermindert werden.

  • Kaltrichten: Bauteil wird durch äußere Kraft in planmäßige Form gebracht

  • Richten mit Flamme: An der Erwärmungsstelle wird WS örtlich gestaucht, weil die kalte Umgebung die Ausdehnung behindert. Beim Auskühlen wirken in den gestauchten Bereichen Zugkräfte, die das verzogene Bauteil in die planmäßige Form bringen.

• Auf Baustelle da kein Schutzgas erforderlich ist! Selten für anspruchsvolle Werkstattnähte

  •   Lichtbogen brennt zwischen abschmelzenden, manuell geführter Stabelektrode und Werkstück.

  • Schutz durch Gase und Schlacken, die von Elektrodenumhüllung stammen

  • Für Stähle/ Stahlguss, Aluminium, Kupfer, Nickel

o   MAG (Standardschweißprozess im Stahlbau) eignet sich besonders zum Schweißen unlegierter und niedriglegierter Stähle.

• Vorteile: Erreichbare Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit sind hoch, bei ausreichender Nahtqualität. Wenige Spritzer. Anforderungen an den Schweißer bei unlegierten und legierten Stählen sind vergleichsweise gering. Verfahren lässt sich in Zwangslagenpositionen einsetzen. Für viele Materialien wie Stahl oder Edelstahl einsetzbar

• Nachteile: Anfällig gegen Zugluft (Schutz auf Baustelle!); Anfällig gegen Bindefehler; Nahtanfangs- und Nahtansatzbindefehler nicht immer vermeidbar; Schutzgas benötigt

• Gase sind: CO2, 82% Argon + 18% CO2, Argon + O2, Argon +O2+CO2

o   MIG: Für Werkstoffe wie Aluminium, Magnesium, Kupfer, Titan à Schutzgase

• Vorteile: Hohe Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit, bei ausreichender Nahtqualität; Anforderungen an den Schweißer bei unlegierten und legierten Stählen sind vergleichsweise gering. Verfahren lässt sich in Zwangslagenpositionen einsetzen.

• Nachteile: Anfällig gegen Zugluft (Schutz auf Baustelle!); Anfällig gegen Bindefehler; Nahtanfangs- und Nahtansatzbindefehler nicht immer vermeidbar

Wolfram-Inertgasschweißen: Schweißzusatz wird in der Regel manuell vom Schweißer hinzugefügt; daher das handwerklich anspruchsvollere Verfahren

• Vorteile: Sauberes Schweißnahtergebnis ohne Schweißspritzer geringe Schweißrauchentwicklung; entkoppelte Regelung der Zugabe von Schweißzusätzen und Stromstärke; Präzise Steuerung der Wärmeeinbringung, daher für dünnwandig Materialien geeignet

• Für hochlegierte, NiRo Stähle und Nichteisenmetalle

• Recht anspruchsvoll

• Nachteil: geringe Abschmelzleistung

• Berührungsloses Zünden

o   Schweißverfahren (MIG MAG WIG E-Hand) sind für den Schweißer unterschiedlich schwierig. Die Schwierigkeit variiert jedoch auch mi den verschiedenen möglichen Schweißpositionen.

o   Z.B. kommt es bei MAG Nähten in PA oder PB Position relativ häufig zu Bindefehlern durch Badvorläufe. Deshalb sollte in diesem Fall das Bauteil so gelegt werden, dass leicht bergauf geschweißt wird.

o   Um Schweißeignung zu beurteilen, wird das sogenannte Kohlenstoffäquivalent (CEV) herangezogen. Das Zusammenwirken des Kohlenstoffs mit anderen Legierungselementen kann zu unerwünschten Eigenspannungen führen. Je nach Bauteildicke muss der Wert für einen S235 zwischen 0,35% und 0,4% liegen:

o   Werkstoff

—> Chem. Zusammensetzung

—> Phys. Kennwerte (Wärmeleitung, Wärmeausdehnung)

o   Schweißverfahren

—> Vorteile/ Nachteile

—> Anwendungsgrenzen

o   Konstruktive Gestaltung

—> Bemessung

—>  Lage/ Anordnung der Schweißnähte

—> So fest wie erforderlich, so dünn wie möglich!

o   Z-Wert ergibt sich aus Dehnungsbeanspruchung des Grundwerkstoffs infolge behinderter Schweißnahtschrumpfung

• Z Wert ist Prozentwert der brucheinschnürung bei Beanspruchung in Dickenrichtung

o   Stahlsortenwahl bei Beanspruchung in Dickenrichtung (Terrassenbruch)

• Durch Walzvorgänge kann das Formänderungsvermögen orthogonal zur Walzrichtung deutlich geringer sein. Daher ist der Nachweis der Z-Güte (Z-Wert = Prozentwert der Brucheinschnürung einer Zugprobe in Dickenrichtung) erforderlich. Hineinzählen die tabellierten Einflüsse

·        Der Schweißnahtdicke (wirkt ungünstig)

·        Der Nahtform (kann günstig oder ungünstig wirken)

·        Der Blechdicke (wirkt ungünstig)

·        Der Schrumpfbehinderung (wirkt ungünstig)

·        Der Vorwärmtemperatur (wirkt günstig)

§  Stabelektrode:

·        Zünden und Stabilisieren des Lichtbogens

·        Verbesserung der Ionisierung der Lichtbogenstrecke

·        Schutzgasbildung zur Abschirmung der Luft

·        Schlackebildung: Schutz und Abkühlungsverzögerung

·        Desoxidationsmittel: Sauerstoffbindende Mittel, Gase werden abgebunden und in Schlacke hochgetragen, z. B. Si, Mn

·        Metallurgische Beeinflussung

§  Verschiedene Arten der Umhüllung:

·        Säureumhüllte Stabelektroden à ohne Bedeutung im Bauwesen

·        Basischumhüllte Stabelektroden à großer Anteil an Erdalkalicarbonaten. Zwei herausragende Eigenschaften: Kerbschlagarbeit des Schweißgutes ist bei tiefen Temperaturen höher und ihre Risssicherheit ist durch niedrigen H2 Gehalt und hohen Reinheitsgrad hoch. Für das Schweißen in allen Positionen (außer Fallpositionen) geeignet.

·        Zelluloseumhüllte Stabelektroden: Großer Anteil verbrennbarer organischer Substanzen, insbesondere Zellulose. Intensiver Lichbogen, der sich besonders für Schweißen in Fallposition eignet.

·        Rutilumhüllte Stabelektroden (Standardtyp im Bauwesen): Sehr gute Schweißeigenschaften, feinschuppige und gleichmäßige Nähte, einfache Handhabung. Je nachdem ob dünn oder dick verschiedene Eigenschaften wie Tropfengröße, Einbrandtiefe, Schweißnahtprofil …

• Verbrennungen am Lichtbogen

• Verblitzen der Augen durch UV-Strahlung

• Organschäden, Herzkammerflimmern … durch gefährlich hohe Spannungen je nach Stromstärke und Einwirkungszeit; Unter der Loslassgrenze: Schreckreaktionen, die zu Unfällen führen können

  • Auf dem Leistungs- bzw. Typenschild an der Schweißquelle sind die wichtigsten Daten (z.B. Einschaltdauer in Abhängigkeit von Stromstärke und Spannung; Kennlinie; Schweißprozess; Schweißstromart) angegeben

—> PSA!

• Kontaktspannungskennlinie: Kleine Änderung der Lichtbogenspannung führt zu großer Änderung der Stromstärke. Kürzerer LB —> Spannung wird kleiner —> Stromstärke wird größer—> Stärkeres Abschmelzen der Elektrodeà Verlängerung des Lichtbogens —> —> es gibt einen Selbstregeleffekt

  • Besonders geeignet für Verfahren mit automatischer Zuführung des Schweißzusatzes MIG-/MAG-Schweißen / UP mit kl. Durchmessern (<3mm)

• Fallende Kennlinie: Lichtbogenlänge wird durch einen Eingriff von außen geregelt. Beim Lichtbogenhandschweißen muss der Schweißer die Länge des LBs selbst korrigieren. Eine Änderung des LBs führt zu deutlicher Änderung der Spannung. Durch den steilen Verlauf der Kennlinie hat man aber nur eine kleine Änderung der Stromstärke —> Abschmelzleistung bleibt konstant.

  •   Besonders geeignet für Lichtbogenhandschweißen, WIG und UP mit großen Durchmessern (>3 mm)

• Konstantstromkennlinie: Bei Lichtbogenänderung ändert sich Strom praktisch nicht mehr —> WIG, Plasmaschweißen

o   Risse:

• Unterteilung in:

  • Längsrisse

  • Querrisse

  • Unregelmäßige Risse (Sternrisse/ Endkraterrisse)

• Entstehung: Zu schnelles Abkühlen, wenn die Eigenschaften des Schweißiguts nicht auf das Grundmaterial abgestimmt sind oder wenn die Umgebungstemperatur zu niedrig ist.

  • Zusätzliche Unterteilung in:

    • Heißrisse (bei Erstarrung der Schweißnaht) und Kaltrisse (im festen Zustand aufgrund von Eigenspannungen oder Wasserstoffversprödung

o   Poren  

• Entstehung:

·        Unsaubere Werkstückoberfläche (Rost, Fett, Beschichtung)

·        Wenn durch einen gestörten Schutzgasmantel Gase in das Schweißgut hineingeblasen werden

• Schutzgasmenge zu groß/ zu klein/ Gasdrüse defekt/ zu klein/ Brennerabstand zu groß/ Zugluft/ zu flache Brennerhaltung/ Undichte Wasserkühlung

o   Feste Einschlüsse:

• Schlackeneinschlüsse

• Oxideinschlüsse

• Fremdeinschlüsse

o   Bindefehler

• Unterscheidung in

• Flankenfehler (schlechte Bindung zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff)

  • Brennerhaltung zu stark stechend

  • Zu geringe Abschmelzleistung

  • Zu große Schweißgeschwindigkeit

• Lagenfehler (schlechte Bindung zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff)

  • Zu überschweißende Raupe zu stark überwölbt

• Wurzelfehler (schlechte Bindung zwischen Schweißgut einzelner Raupen)

  • Zu kleine Öffnungswinkel

  • Zu große Steghöhen- und abstände

  • Zu starker Kantenversatz

o   Bei chem. Analyse kann herausgefunden werden, welche Bestandteile in einem Werkstoff vorhanden sind. Darüber kann man das Kohlenstoffequivalent errechnen und ermitteln, ob schweißgeeignet oder nicht.

o   Zugversuch: Je fester ein Werkstoff ist, desto spröder ist er in der Regel. Höherfeste Stahlwerkstoffe sind daher weniger schweißgeeignet

o   Grundwerkstoff

• Veränderung der Festigkeit/ Zähigkeit —> Einsatztemperatur und Werkstoffwahl

  • Aufhärtung durch Erwärmen über 911° und anschließendes schnelles Abkühlen kohlenstoffreicher Stähle (>0,22% C-Gehalt) —> Bildung von Martensit, löst mehr Kohlenstoff als Austenit —>Versprödung, Aufhärtung und erhöhte Rissgefahr besonders im Bereich von Zünd- und Heftstellen

  • Weitere Begünstigung der Aufhärtung, wenn Abkühlgeschwindigkeit durch zu dicke Werkstoffe oder niedrige Umgebungstemperaturen erhöht wird.

  • Reduzierung durch Vorwärmen, dadurch wird Abkühlung so langsam, dass keine Aufhärtung entsteht

• Metallurgische Veränderungen /innere Ungänzen à Korrosion etc.

o   Spannungszustand

• Eigenspannungen: Können Spannungszustand ungünstig verändern

• Kerbe: Kerbspannungen, Einfluss bei Ermüdung

o   Das Vorwärmen dient vor allem dazu zu vermeiden, dass es in der Wärmeeinflusszone zu spröden Aufhärtungen oder Kaltrissen kommt. Es sind höhere Vorwärmtemperatur Tp notwendig, wenn

• Der Gehalt der Legierungselemente und demnach das Kohlenstoffäquivalents CEV steigt,

• Die Blechdicke zunimmt  

• Der Wasserstoffgehalt steigt

• Der Wärmeeintrags Q durch den Schweißprozess sinkt  

• Größe der wärmeableitenden Oberflächen steigt

Um Schweißeignung zu beurteilen, wird das sogenannte Kohlenstoffäquivalent (CEV) herangezogen. Das Zusammenwirken des Kohlenstoffs mit anderen Legierungselementen kann zu unerwünschten Eigenspannungen führen. Je nach Bauteildicke muss der Wert für einen S235 zwischen 0,35% und 0,4% liegen:

o   Bogenentladung zwischen zwei Elektroden in einem Gas (Luft) durch Ionisation der Gasmoleküle

o   Luft ist schlechter elektrischer Leiter —> Durch geringen Elektrodenabstand kommt es bei hoher angelegter Spannung zu einer Gasentladung —> Lichtbogen

• Elektrisch geladene Teilchen (Elektronen!) werden in Richtung des anderen Pols beschleunigt und treffen auf Gasmoleküle, die durch die hohe Energie in Elektronen und Ionen aufgespalten werden. Dadurch steigen Ladungsträger (Elektronen) exponentiell an. Ein so durch Ionisation zum elektrischen Leiter gewordenes Gas wird auch als Plasma bezeichnet.

o   Lichtbogen kann nur aufrechterhalten werden, wenn Schweißstrom und Schweißspannung in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen —> Lichtbogenkennlinie

• Spannung ist auch von Länge des Lichtbogens abhängig. Man erhält bei konstanter Stromstärke unterschiedliche Lichtbogenspannungen. Ein langer Lichtbogen weist bei gleicher Stromstärke eine höhere Spannung auf als ein kurzer.

• Es treten unterschiedlich hohe Temperaturen auf (Im Plasma 5000 K bis 10.000 K)

Grundsätzlich mit Gleichstrom (günstiger —> für Stahlwerkstoffe) als auch mit Wechselstrom (für Aluminiumwerkstoffe); Wechselstrom kann über Gleichrichter und Brückenschaltung zu pulsierendem Gleichstrom umgewandelt werden. Die dabei entstehende ausgeprägte Welligkeit kann durch den Einbau von Drosseln weitgehend geglättet werden