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LICHTBOGENSCHWEISSEN MIT ENDLOSEM ELEKTRODENDRAHT UND SCHUTZGAS (G.M.A.W.) oder OHNE SCHUTZGAS
(FLUX oder SELF SHIELDED WIRE) |
A. Vorbemerkung
Das Schweißen mit einer endlosen Drahtelektrode unter Schutzgas wird häufig mit den Abkürzungen M.I.G. (Metal Inert Gas) und M.A.G. (Metal Active Gas) oder allgemein mit dem Kürzel G.M.A.W. (Gas Metal Arc Welding) bezeichnet. Beim Endlosschweißen kommt die Prozeßwärme von einem Lichtbogen, der zwischen dem Werkstück und dem Elektrodendraht gezogen wird. Ein spezieller Brenner führt der Schweißzone ständig in Form des Elektrodendrahtes den Zusatzwerkstoff zu. Der Brenner führt auch das Gas oder Gasgemisch heran, mit dem die Drahtelektrode, das Schmelzbad, der Lichtbogen und die umliegenden Bereiche des Grundwerkstoffes vor atmosphärischen Verunreinigungen geschützt werden.An der vorhandenen Gasflasche (Inertgas, Aktivgas oder Mischgas) und der Verwendung von Fülldrahtelektroden erkennt man das Schutzgasschweißen (MIG oder MAG). Fehlt in der Schweißanlage die Gasflasche und werden Kerndrahtelektroden benutzt, so arbeitet man ohne Schutzgas (SELF SHIELDED WIRE, NO GAS oder FLUX). In diesem Fall wird die gasförmige Schutzhülle von Kern des Drahtes freigesetzt |
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B. Die Schweißanlage
Die Schweißanlage besteht im Wesentlichen aus folgenden Elementen:
1. Generator
2. Brenner mit Schlauchpaket 3. Drahtvorschubsystem 4. Wasserkühlaggregat 5. Gasflasche mit Druckregler 6. Klemme mit Massekabel |
1. Generator
Der Generator versorgt die Schweißzone durch einen Brenner mit dem Zusatzwerkstoff und hält den Lichtbogen zwischen Werkstück und abschmelzbarem Elektrodendraht aufrecht. Im Unterschied zu den Schweißgeneratoren der Prozesse MMA und WIG mit einer einzigen Regelgröße (Schweißstrom), lassen sich bei den Generatoren MIG-MAG zwei Einstellungen vornehmen: Die Einstellung der Lichtbogenintensität (Schweißspannung) und der Drahtvorschubgeschwindigkeit (Schweißstrom). Es gibt zwei Kategorien dieser Generatoren: |
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a) Gleichstromgenerator DC (direct current)
Gleichstromgeneratoren sind in der Praxis am weitesten verbreitet. Sie haben eine hohe Stabilität, denn ein mit konstanter Spannung gespeister Lichtbogen über einem mit gleichmäßiger Geschwindigkeit zugeführten Draht stabilisiert sich automatisch. Die Spannung und die Drahtvorschubgeschwindigkeit können wegen des flexiblen Verfahrens mit einer gewissen Toleranz eingestellt werden. Mit diesem Typ erhält man den Werkstoffübergang in Tropfenform sowohl im Kurzlichtbogen (Short arc) als auch im Sprühlichtbogen (spray arc). |
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b) Impulsstromgeneratoren
In diesem Fall ist nicht mehr die Spannung, sondern der Strom die geregelte Größe, die nicht konstant gehalten, sondern mit einem Impulszug moduliert wird (daher der Name "pulsiert"). Die Impulse schmelzen kurzzeitig und intensiv Tropfen des Zusatzwerkstoffes ab. Weil der Lichtbogen sich dann nicht mehr automatisch stabilisiert, müssen die Impulse und die Drahtvorschubgeschwindigkeit für ein zufriedenstellendes Schweißergebnis aufeinander abgestimmt sein.
In beiden Fällen sind mindestens zwei Regler vorhanden. Neuere Branchenentwicklungen zeigen einen Trend hin zu synergischen Schweißmaschinen mit Einknopf-Steuerungen.
Im Generator sind herstellerseitig die optimalen Schweißparameter gespeichert, die vom Schweißer bedarfsweise abgerufen oder korrigiert werden können. Nach der unterschiedlichen Polung des Werkstückes lassen sich zwei Betriebsarten unterscheiden:
i) Gleichstrom mit negativer Polung
Bei der negativen Polung wird der Brenner an den Minuspol, das Werkstück an den Pluspol der Schweißquelle angeschlossen. Diese Polung findet nur beim Schweißen mit Kerndrahtelektroden (FLUX) Anwendung.
ii) Gleichstrom mit umgekehrter Polung
Bei dieser Schweißtechnik wird der Brenner an den Pluspol der Schweißquelle angeschlossen, das Werkstück erhält Minuspolung. Diese Art des Anschlusses ist am häufigsten anzutreffen |
2. Brenner mit Schlauchpaket
Der außenisolierte Brenner führt das Zusatzmetall und auch die Drahtelektrode, das Gas und den Strom zur Schweißzone.
Auf dem Brennergriff sitzt ein Schalter zur Steuerung des Zündvorganges, der Gasaustrittsmenge und des Drahtvorschubes. Das Schlauchpaket vereint eine Stromleitung, eine Kühlwasserleitung und die Drahtführungsseele. Im Handel sind verschiedene Typen von Brenner oder Schweißpistolen erhältlich |
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Wassergekühlte Brenner kommen zum Einsatz, wenn wegen hoher Schweißströme von mehr als 300 A oder bei Impulsstrom erhebliche Mengen an Wärmeenergie frei werden. Bei den eigengekühlten Brennern übernimmt das Schutzgas die Kühlfunktion. Sie sind weit verbreitet und werden benutzt, wenn die Arbeitsströme unter 300 A liegen.
Auch Schwanenhalsbrenner sind schutzgasgekühlt und werden für geringe Stromstärken benutzt (Werkstoffübergang im Kurzlichtbogen - short-arc). |
3. Drahtvorschubsystem
Das motorisierte Drahtvorschubsystem befördert den aufgespulten Elektrodendraht zum Brenner und somit zur Schweißzone. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit wird am Motorregler eingestellt. Eine bestimmte Drahtvorschubgeschwindigkeit ist immer mit einer bestimmten Aufschmelzgeschwindigkeit verbunden und damit abgestimmt auf den Schweißstrom. Ein Unterscheidungsmerkmal für Drahtvorschubsysteme ist die Anzahl der Drahtförderrollen. Bei Vorrichtungen mit 4 Rollen ist der Draht laufruhiger als bei solchen mit 2 Rollen. |
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4. Wasserkühlaggregat
Dieses Aggregat wird zur Kühlung der entsprechenden Brennerversion benutzt, wenn hohe Schweißströme zu starker Überhitzung führen. Eine Pumpe wälzt das Wasser ständig im Brenner um und verhindert dadurch
eine Überhitzung. |
5. Gasflasche mit Druckregler
Die Flasche enthält Schutzgas wie Argon, Helium, Kohlenstoffdioxid und ihre Mischungen. Ausgestattet ist sie mit einem Manometer und angeschlossenem Druckminderer, der die Gasmenge in der Flasche anzeigt. Ein Magnetventil, von einem Knopf unter dem Brenner gesteuert, öffnet und schließt den Gasfluß am Beginn und Ende des Schweißvorganges |
6. Klemme mit Massekabel
Die Klemme verbindet über das Massekabel den Stromgenerator mit dem zu schweißenden Grundwerkstoff. Querschnitt und Länge des Kabels bemessen sich nach der Höchstintensität der Stromquelle. |
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C. Schutzgase
Bei den Schweißverfahren MIG-MAG werden meist zwei Arten von Schutzgas eingesetzt: Inert- und Aktivgase. Zur ersten Kategorie zählen Argon, Helium und Helium-Argon-Gemische, während als "aktiv" Gase wie Kohlenstoffdioxyd und Gemische aus Argon und Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxyd bezeichnet werden.
Argon (Ar) ist ein Inertgas, das bei der fraktionierten Destillation der atmosphärischen Luft anfällt. Es wird aus der Luft extrahiert und kann daher Spuren von Verunreinigungen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Wasserdampf enthalten. Trotzdem eignet es sich für nahezu alle Schweißanwendungen.
Dieses Gas hat im Schweißprozeß MAG den Vorzug, daß es den Lichtbogen stabilisiert und zündfreundlich ist. Wegen der geringen thermischen Leitfähigkeit erreicht der mittlere Bereich der Lichtbogensäule konstant hohe Temperaturen, was dazu führt, daß die Werkstofftropfen, die in den Lichtbogenbereich übergehen, dünnflüssiger sind.
Helium (He) ist ein relativ seltenes Inertgas, das in der Atmosphäre kaum vorkommt und unterirdisch gewonnen wird. Als Konsequenz ist es in der Anschaffung sehr viel teurer als Argon.
Helium erzeugt wegen seiner Eigenschaften einen weniger stabilen Lichtbogen, dafür aber eine größere Einbrandtiefe. Es wird vorwiegend zum Schweißen dickwandiger und thermisch hochleitender Werkstoffe eingesetzt wie etwa von Kupfer und Aluminium.
Da Helium anders als Argon leichter und damit flüchtiger als Luft ist, wird davon für den Schutz der Schweißzone eine relativ große Menge verbraucht.
Kohlenstoffdioxyd (CO2) ist ein Aktivgas, das in der Luft und unterirdisch vorkommt. Das größte Problem dieses Schutzgases besteht darin, daß starke Spritzer und ein instabiler Lichtbogen entstehen. Ein sehr kurzer und längenkonstanter Lichtbogen läßt sich jedoch gut kontrollieren. Mit dem Schutzgas CO2 werden in der Regel gute Einbrandtiefen erzielt.
Aktivgasgemische. Häufig können die gewünschten Eigenschaften einzelner Gase ausgenutzt werden, indem man ihre Mischungen zum Schweißen einsetzt wie etwa Argon-Sauerstoff, Argon-Sauerstoff-CO2, Argon-CO2.
Auch wenn reine Inertgase ihre Schutzfunktion bei jeder Temperatur entfalten, verbessert die Zumischung von Aktivgasen ohne Beeinträchtigung der Schutzwirkung die Lichtbogenstabilität und den Übergang des Zusatzmetalls von der Drahtelektrode zum Bad. |
D. Schweißdrähte
Die Schweißdrähte lassen sich nach der chemischen Zusammensetzung und ihrem Querschnitt unterscheiden, der nur aus Metall (Fülldraht) bestehen oder einen Kern mit Granulatanteil (Kerndraht) haben kann.
Besonders aufmerksam sollte man prüfen, ob sich auf der Oberfläche des Elektrodendrahtes Fett oder Feuchtigkeit abgelagert hat, denn unter diesen Umständen können sich Risse, Poren oder Bläschen bilden. Ungleichmäßig aufgespulte Elektrodendrähte können unregelmäßigen Drahtvorschub und dadurch einen instabilen Lichtbogen verursachen |
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Fülldrähte setzen sich in der Regel genauso zusammen wie der Grundwerkstoff. Angereichert sind sie mit Bestandteilen, die positive Wirkung auf die Reinheit des Grundwerkstoffes haben. Die gängigsten Durchmesser sind 0,6 - 0,8 - 0,9 - 1 - 1,2 - 1,6 mm.
Kerndrähte mit Schutzgas bestehen nicht aus massivem Metall, sondern sind innen mit feinkörnigem Pulver gefüllt (dem sogenannten Fluß), das dieselben Funktionen hat wie die Umhüllung von Mantelelektroden.
Das Granulatpulver (Fluß) kann rutilähnliche, basische oder andere spezielle Eigenschaften haben.
Kerndrähte haben im Vergleich zum Fülldraht einen stabileren Lichtbogen und einen tieferen Einbrand, ergeben eine optisch ansprechende Naht, die in vielen Fällen nicht nachbearbeitet werden muß (z. B. durch Abschleifen der Spritzer) und verringern die Gefahr von Schweißfehlern wie Porenbildung. Natürlich muß beim Einsatz von Kerndrähten genau wie beim Elektrodenschweißverfahren MMA die Schlacke entfernt werden.
Die Drahtelektroden haben zumeist Durchmessern von 0,6 - 0,8 - 0,9 - 1,2 - 1,6 mm.
E. Das Zusatzmetall: Der Werkstoffübergang
Beim Schweißverfahren MIG-MAG hängt der Übergang des Zusatzmetalls vom Elektrodendraht (voll oder mit Kern) zum Schmelzbad auf der einen Seite von den elektrischen Schweißparametern und auf der anderen Seite vom Drahtdurchmesser, dem Generatortyp und dem Schutzgas ab. Der Tropfenübergang kann folgendermaßen erfolgen:
1. Im Kurzlichtbogen (short-arc, dip-transfer oder Kurzschluß)
2. Im Sprühlichtbogen (spray-arc)
3. Im Impulslichtbogen (pulsed-arc)
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1. Kurzlichtbogen [short-arc, dip-transfer (Tropfenübergang) oder im Kurzschluß]
Der Werkstoff ergießt sich beim Übergang tropfenförmig im Kurzschluß in das Schmelzbad.
Die Stromstärke beträgt beim Werkstoffübergang durch Kurzlichtbogen (short-arc) höchstens 200 A. Benutzt werden dünne Fülldrähte mit einem Durchmesser von 0,6 mm bis 1,2 mm zum Schweißen dünnwandiger Werkstücke in allen Lagen. Angewendet werden Gleichstromgeneratoren. |
2. Sprühlichtbogen (spray-arc)
Hier erfolgt der Übergang des Werkstoffes nicht durch Berührung mit dem Schmelzbad. Stattdessen wird er durch Anwendung einer hohen Stromstärke als kontinuierlicher Materialfluß in das Bad gespritzt.
Diese Wirkung läßt sich mit Gleichstromgeneratoren erzielen, wenn mit hohen Stromintensitäten von mehr als 200 A und mit einem Drahtdurchmesser über 1 mm gearbeitet wird. Es entsteht ein sehr dünnflüssiges Schmelzbad mit tiefem Einbrand, das sich vor allem zum Schweißen in Flachlagen von mittleren und großen Wandstärken eignet. |
3. Impulslichtbogen (pulsed-arc)
Für dieses Verfahren sind Impulsstromgeneratoren erforderlich. Durch die Pulsationen lösen sich kleine Tropfen ab, sodaß auch bei niedrigen Stromstärken Eigenschaften wie beim Sprühlichtbogen (Spray arc) erzielt werden. Wärmeeintrag, Badgröße und Einbrand sind ähnlich wie beim Verfahren Spray-arc. Mit Impulslichtbogen werden verbreitet Werkstoffe wie Aluminium oder Stahl rostfrei geschweißt, wo die Short-Art-Technik keine zufriedenstellende Schweißgüte garantiert. |
F. Welche Werkstoffe können mit dem Verfahren MIG-MAG verschweißt werden
1. Weiche Kohlenstoffstahle
Kohlenstoffstähle werden mit umgekehrt gepoltem Gleichstrom (Elektrodendraht erhält positive Polung) ausschließlich im MAG-Verfahren geschweißt. Die Anwendungen reichen von der Verwendung reinen CO2 bis zu Gemisch Ar-CO2 in verschiedenen Zusammensetzungen (am häufigsten 80% Argon, 20% CO2).
Je höher der Anteil von Argon im Gemisch, desto höher ist die Lichtbogenstabilität.
Die Schweißeigenschaften sind sehr gut. Vor allem beim Short-arc, wo dickflüssige Schweißbäder entstehen, kann in allen Lagen gearbeitet werden.
Die Drahtzusätze Silizium und Mangan beseitigen Verunreinigungen im Grundwerkstoff und verbessern die Güte des Schweißgutes.
Bei Dicken über 3 mm müssen Schweißfugen mit Abschrägung vorbereitet werden. |
2. Rostfreier Stahl
Rostfreie Stahlsorten werden mit umgekehrt gepoltem Gleichstrom oder Impulsstrom (Elektrodendraht mit Pluspol verbunden) ausschließlich im MAG-Verfahren geschweißt. Als Schutzgas sind Gemische aus Ar + CO2 oder Ar + O einzusetzen. Der Argonanteil der Mischung darf auf keinen Fall unter 98% liegen, um eine stärkere Oxidation des Chroms im Grundwerkstoff zu vermeiden. Schweißstöße, die dicker als 2,5 mm sind, müssen abgeschrägt werden. Der Zusatzwerkstoff muß genau auf die Güte des zu schweißenden rostfreien Stahls abgestimmt sein.
Für ein gutes Schweißergebnis sollten Spitzen abgeschliffen werden. |
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3. Aluminium und seine Legierungen
Aluminium und seine Legierungen werden mit umgekehrt gepoltem Gleich- oder Impulsstrom (Elektrodendraht am Pluspol) im MIG-Verfahren geschweißt.
Als Schutzgas wird in der Regel reines Argon benutzt. Einsetzbar sind daneben Helium oder das Mischgas Ar + He.
Für das Schweißen in Flachlagen wird unabhängig von der Wanddicke die Technik Spray-arc oder pulsed-arc angewendet. Beim Schweißen von dünnwandigen Werkstücken in Vertikal- oder Winkellage kommt hingegen die Technik short-arc zum Einsatz. Wegen der Eigenschaften des Aluminiums empfiehlt es sich, die Spitzen nicht abzuschleifen, sondern abzufräsen. |
4. Sonstige Werkstoffe
Das Schweißverfahren MIG-MAG wird auch mit umgekehrt gepoltem Gleichstrom bei Materialien wie Nickel und seinen Legierungen sowie Kupfer und seinen Legierungen angewendet.
Kupfer in einer Dicke von mehr als 5 mm sollte im MIG-Verfahren geschweißt werden. Die Stromstärke ist jeweils auf die Schweißposition und die Dicke des Stoßes abzustimmen. |
