SCHWEISSEN MIT FÜLLDRÄHTEN

•
WIRTSCHAFTLICHKEIT
DER FÜLLDRAHTSCHWEISSUNG
Manuskript für
Schweißlehrer-Weiterbildung
F. Winkler
Teil I
Schweißen mit unlegierten
Fülldrähten
•
Inhalt
Verfahrensprinzip und Fülldrahtkonzepte
Eigenschaften der unterschiedlichen
Fülldrähte
Verarbeitungshinweise
Anwendungsbeispiele
Schweißen mit Fülldraht
Verfahrensprinzip
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Gasdüse
Kontaktdüse
Schutzgas
Drahtmantel
Drahtfüllung
Freies Drahtende
15 - 25 mm
7. Tropfentransport im Lichtbogen
8. Schmelzbad, Metall und Schlacke
9. Aufsteigende Schlacke
10. Erstarrtes Schweißgut
11. Erstarrte Schlacke
12. Schweißraupe
•
Schutzgas-Schweißverfahren
(ähnlich wie MAG-Massivdraht)
Pulverfüllung beeinflusst
Schweißeigenschaften
Abschmelzleistung
Positionseignung
Mechanische Gütewerte
Konzept von Fülldrähten
Stumpfstoß
•
Nahtlos
für
un-, niedriglegierte Drähte
Pulverfüllung
18 - 20 %
nahtlose Typen
nur 12 - 14 % !
Überlappstoß
für
hochlegierte
Drähte
>20 % möglich
(dünneres Band)
ermöglicht:
• Desoxidation des Schweißgutes
• Bildung von Schlacke
• Stabilisierung des Lichtbogens
• Zufuhr von z.B. Eisenpulver
Stumpfgestossene FD
2 Varianten
Schwarze Drähte &
Glänzende Drähte
•
gezogen
gewalzt
Ziehseifen
keine Ziehseifen
getrocknet
(280°C / 8-12 h)
keine Trocknung
Oxide Stromübergang)
sichere HDM-Gehalte auch
bei Rutildraht < 5ml/100gr
Vorteile des
gewalzten Drahtes
Glänzende Oberfläche ohne Oxidschicht
(Oxid = Isolator)
•
Keine Rückstände von Ziehseifen
Besserer Stromübergang im Kontaktrohr und
hohe Lichtbogenstabilität
Sehr niedriger Wasserstoffgehalt im Schweißgut
Hohe Füllgrade sind möglich (bis zu 45 %)
Vorteile des Fülldrahtschweißens
⇒Höhere Stromdichte, rascheres
Abschmelzverhalten, höhere Leistung.
⇒Tieferer Einbrand, weniger Risiko für
Bindefehler durch breiteren Lichtbogen.
⇒Bessere Porensicherheit.
•
⇒Weniger Spritzer, dadurch kürzere
Putzzeiten.
⇒Glatte Nähte mit guter Benetzung.
Ein guter Nahtübergang bei
tiefem Einbrand erhöht die
Sicherheit gegen Ermüdungsrisse bei dynamischer Beanspruchung.
⇒Niedriger Wasserstoffgehalt, max.
5 ml/100 g Schweißgut.
⇒Fülldrähte bringen sowohl qualitativ, als
auch produktiv Vorteile und senken die
Reparaturquote.
Vergleich der Stromdichte
bei 300 Ampere
Massivdraht SG-2, Ø 1,6 mm
Querschnitt: 2,01 mm²
Stromdichte: 300
2,01= 149 A/mm²
•
Fülldraht BÖHLER Ti 52-FD, Ø 1,6 mm
Form:
Stumpfstoss
Füllgrad:
18 %
Banddicke: 0,35 mm
Querschnitt: 1,37 mm²
Stromdichte: 300
1,37 = 219 A/mm²
Leistungsvergleich
•
Höhere Abschmelzleistung bedeutet Zeit- und
Lohnkosteneinsparungen
Es wird somit der kostenintensivste Teil der
Gesamtkosten (Lohnkosten betragen ca. 80 %)
positiv beeinflusst.
DIE AM HÄUFIGSTEN VERWENDETEN
SCHWEISSZUSÄTZE FÜR UNLEGIERTE
BAUSTÄHLE
FÜLLDRAHTELEKTRODEN
•
BÖHLER HL 51-FD/
EN 758: T 46 4 MM 2 H5
(Metallpulvertyp)
•
•
BÖHLER Ti 52-FD/
EN 758: T 46 2 P M 1 H10
T 42 2 P C 1 H5
(Rutiltyp)
•
BÖHLER Kb 52-FD/
EN 758: T 46 2 P M 1 B M 1 H5
(Basischer Typ)
•
BÖHLER HL 53-FD/
EN 758: T 42 5 Z MM 2 H5
(Metallpulvertyp)
FÜLLDRÄHTE MIT RUTILEM
SCHLACKENSYSTEM
•
hervorragende Eignung für alle
Schweißpositionen
leicht verschweißbar (große
Parameterbox)
arbeiten immer im Sprühlichtbogen
glatte Nahtoberfläche, gute
Benetzung
Schlacke leicht entfernbar
Fülldrahtelektrode
Böhler Ti 52-FD (AWS A 5.20: E 71 T-1)
•
⇒Dies ist ein Vertreter der neuesten RutilFülldrahtgeneration mit feintropfigem
(sprühförmigen) Tropfenübergang und
schnell erstarrender Schlacke, wodurch
die Schweißung in Zwangslage äußerst
vorteilhaft ermöglicht wird.
⇒Eine Parametereinstellung für alle
Positionen (8 m/min, 25 - 26 V)
⇒Ti 52-FD ist ebenfalls wie „SG 2“ für viele
Standardschweißungen bis zu Prüftemperaturen von -20°C geeignet,
Wanddicke max. 40 mm.
⇒Für Mischgas und CO2 gut geeignet.
Fülldrahtelektrode
Böhler Ti 52-FD (AWS A 5.20: E 71 T-1)
⇒Spritzerarmes Schweißen im Sprühlichtbogen ist bereits ab ca. 160 Ampere
(6 m/min, 23 V) gewährleistet.
⇒Der wesentlichste Vorteil ergibt sich in der
Anwendung hoher Stromstärken in Steignaht
• und Überkopfposition, wodurch gegenüber
Massivdraht um bis zu 160 % höhere
Schweißgeschwindigkeit erzielt werden.
⇒Während Massivdraht in steigender Position
max. Stromstärken von 170 - 180 Ampere
zulässt, erlaubt Ti 52-FD Ø 1,2 mm mm bis zu
230/240 Ampere im Sprühlichtbogen.
⇒Dazu kommt noch hohe Spritzerbildung beim
Massivdraht (Kurzlichtbogen!) und entsprechend hohe Putzzeiten. Die höheren
Drahtkosten werden somit durch die verkürzte
Rutil-Fülldraht im Vergleich
zu Massivdraht
Kehlnaht steigend, a = 4.5 mm
Drahtdurchmesser 1,2 mm
MassivTi 52-FD
Ti 52-FD
draht
Ar + 18 % CO2 100 % CO2
•
Drahtförderung (m/min)
Strom (A)
Spannung (V)
Schweißgeschw. (cm/min)
4.0
160
18.0
12.0
10.0
230
28.7
26.5
+ 120 %
12.2
230
30.5
31.5
+ 162 %
Zusätzlich wesentlich geringere Spritzerbildung
bei Fülldraht und entsprechend wenig Aufwand
für die Nachbearbeitung !
Produktivitäts-Vergleich
Massivdraht / Fülldraht
Schweißposition: senkrecht steigend
mechanisiert, gependelt
Gefordertes a-Mass:
4,5 mm
•
Ti 52-FD 1,2 mm
240 A, 18 cm/min
a = 6 mm
Massivdraht 1,0 mm
150 A, 18 cm/min
a = 4.5 mm
Ti 52-FD 1,2 mm
240 A, 28 cm/min (= + 55 %!)
a = 4,5 mm (ohne pendeln)
Einseitenschweißen auf
keramischer Badsicherung
⇒ Ideal in Kombination mit Ti 52-FD für
Wurzellagen in jeder Schweißposition
⇒ Ermöglicht höhere Stromstärken, dadurch
höhere Leistung bereits bei Wurzelnähten
•
⇒ Einfachere Nahtvorbereitung, größere
Toleranzen
⇒ Einsparung von Ausfugen und Gegenschweißen
⇒ Sehr gute Nahtkontur auf der Wurzelseite
Typische Profile
METALLPULVER FÜLLDRÄHTE
•
Sprühlichtbogen auch bei
relativ geringen
Stromstärken möglich
keine Schlacke
(Oxydinseln wie Massivdraht)
extrem spritzerarm
sehr hohe Leistung
mechanisiertes Schweißen
Fülldrahtelektrode
Böhler HL 51-FD (AWS A 5.18: E 70 C-6 M H4)
Gefüllt mit Eisenpulver, keine Schlackenbildner, hohe Nutzausbringung und Strombelastbarkeit. Dadurch absoluter
Hochleistungstyp ("HL" ..).
Anwendungsmäßig (Stahlpalette, Schweißeigenschaften)
mit Massivdraht SG 2 vergleichbar (bis -40°C und 45 mm
Wanddicke).
•
Die seriöse Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bringt bei
Metallpulverdrähten gegenüber Massivdrähten in folgenden
Fällen Vorteile:
Im Stromstärkenbereich zwischen 180-300 Ampere
Massivdraht Ø 1,2 mm bei Anwendung von Mischgas (80/20)
erreicht den spritzerarmen Tropfenübergang erst ab 300 A.
HL 51-FD kann bereits ab 180 Ampere im spritzerarmen
Sprühlichtbogen ohne wesentlichen nachträglichen Putzaufwand verschweißt werden. Die Investition teurer Impulsschweißgeräte für die spritzerarme Massivdrahtschweißung
ist dadurch nicht erforderlich.
Fülldrahtelektrode
Böhler HL 51-FD (AWS A 5.18: E 70 C-6 M H4)
Kehlnähte mit a-Maß von 5-6 mm
•
Durch die Wahl des Fülldrahtes Ø 1,6 mm mit einer Lage
möglich. Draht SG 2 benötigt 2 Lagen.Die Nahtgeometrie bei
einer Lage wäre nicht mehr akzeptabel.
⇒ Bei Dichtschweißungen
z.B. Aufschweißen von Rohrhalbschalen an Behälter
oder Bodenaußenwände
..... durch sicheren Einbrand und geringerer Porenempfindlichkeit.
⇒ Bei schwieriger Nahtzugänglichkeit
Das freie Drahtende kann bis zu 25 mm (30 mm) betragen.
Massivdraht ermöglicht ca. 10 mm.
Bei geringem Nahtöffnungswinkel
Der generell breitere Lichtbogen bei der
Fülldrahtschweißung sorgt für einwandfreie
Flankenerfassung und ermöglicht auch bei engen
Nahtquerschnitten hohe Sicherheit bezüglich
Bindefehler/Kaltstellen.
•
Bei Wurzelschweißungen
Im Kurzlichtbogen mit Spaltbreiten bis 5 mm oder mittels
Impuls unter Schutzgas Argon + 2 % O2. (4-5 fach rascher
als mit WIG (in waagrechter Position).
Eignung für die Mechanisierung
Durch die nahezu schlackenfreien Schweißraupen wird das
Schweißen mehrerer Lagen ohne Zwischensäuberung
möglich. Dies bedeutet ideale Voraussetzungen für die
automatische Schweißung.
Die wirtschaftliche Einsatzmöglichkeit dieses Fülldrahtes ergibt sich somit anwendungsspezifisch im Behälter-, StahlMaschinen-, Fahrzeug- und Schiffbau vor allem bei waagrechter/horizontaler Schweißung.
Schweißkosten - Analyse
Drahtdurchmesser: 1,2 mm, 2F, a = 5 mm
20
5,5 %
Lohnkosten
Investitionskosten
Kosten Zusatzwerkstoff
< 3,3 %
15
DM/m
13,1 %
18 %
10
•
5
0
91,2 %
Massivdraht
83,6 %
Billig xxx
78,9 %
HL 50-FD
8
7
Leistung/Std.
m/Std.
6
5
6,05
6,6
4,31
4
3
2
1
0
Massivdraht
Billig xxx
HL 50-FD
Metallpulverdraht (unlegiert)
Kehlnähte, horizontal, a = 5 mm
Gleichschenkelige Naht
•
NAHTGEOMETRIE
Massivdraht
1,2 mm
Oerlikon M10
1,2 mm
Böhler HL 50-FD 1,2 mm
Durchgesackte Naht
< 280 A, darüber sackt Naht ab
< 250 A, darüber sackt Naht ab
300-320 A bei guter Nahtgeometrie
Drähte mit höherem Füllgrad sichern die Nahtform bei
höheren Stromstärken!
Kehlnähte, horizontal, a =6 mm
Böhler HL 50-FD Ø 1,6 mm in 1 Lage
1 Meter in 4 Minuten (300 A, 29 V, 5,5 m/min)
SG 2/ER 70 S-6 Ø 1,2 mm in 2 Lagen
1 Meter in 4,66 Minuten (270 A, 29 V, 10 m/min)
Mehrleistung 16 % ! Einsparung ATS 56,-/Std. bei
Lohnkosten von ATS 350,-/Std.
WENIG SPRITZER, WENIG NACHARBEIT
Fülldrahtelektrode
Böhler HL 52-FD (AWS A 5.29: E 70 C-GM H4)
• Metallpulver-Typ wie HL 50-FD, enthält jedoch
ca. 0,9 % Nickel
• Die vorteilhafte Anwendung ist bei hohen Forderungen
an die Kerbschlagarbeit bis zu -50°C, Wanddicke
max. 60 mm
•
• HL 52-FD ist eine wirtschaftlich interessante Alternative
zu basischen Drähten durch die höhere Ausbringung,
schlackenarme Schweißung und leichtere Handhabung
im Vorteil.
• Kann mit +Pol und -Pol verschweißt werden.
• Im übrigen gelten die Charakteristiken wie bei HL 50-FD.
Fülldrahtelektrode
Böhler HL 52-FD (AWS A 5.29: E 70 C-GM H4)
80 Cr/20CO2
Kerbschlagarbeit, Joule
170
200
150
150
115
120
130
•
100
65
50
0
-50
-40
-30
-20
Prüftemperatur °C
0
+20
BASISCHE FÜLLDRÄHTE
•
sehr gute mechanische
Eigenschaften
porensicher
relativ unempfindlich gegen
Verunreinigungen
genaue Einstellung der
Parameter erforderlich
(kleine Parameterbox)
Fülldrahtelektrode
BÖHLER Kb 52-FD
AWS A 5.29, E 71T5-G
 Basischer FD mit 0,8 % Nickel
•
 Für wirtschaftliche Positionsschweißungen am G, -Pol
 Besonders für hohe mechanischtechnologische Eigenschaften
 Kerbschlagarbeit bei -60°C > 54 Joule
 Niedrigster Wasserstoffgehalt
( < 3 ml/100g)
Fülldrahtelektrode
BÖHLER Kb 52-FD
AWS A 5.29, E 71T5-G
 Für Qualitätsschweißungen hochbeanspruchter, dickwandiger Bauteile
•
 Auch für Wurzelschweißungen mit und
ohne Keramikunterlagen
 Eignung auch bei geprimerten Oberflächen
 Für Schutzgas Argon + 15-25 % CO2
Praktische Hinweise
Fülldrähte schmelzen rascher ab als Massivdrähte.
Der Brenner muss daher schneller gezogen
werden.
Strichraupen oder nur geringe Pendelbewegung
bringen Vorteile in der Schweißgut-Kerbschlagarbeit (Umkörnung).
•
Der Brenner kann „schleppend“ oder „stechend“
geführt werden. Bessere Bad- und Schlackenkontrolle bei „schleppend“.
Stechendes Schweißen ergibt flachere Nähte,
etwas geringeren Einbrand (nur für Dünnbleche
oder Kehlnähte mit kleinem a-Maß).
Kleinere Nahtöffnungswinkel z.B. 50° sind bei
Wanddicken bis 15 mm möglich.
Praktische Hinweise
Die Stromquelle muss ausreichend dimensioniert
sein, damit die Leistungsvorteile genützt werden
können.
Drahtvorschubgerät soll glatte Antriebsrollen aufweisen, 4 Rollenantrieb von Vorteil.
Schutzgasmenge 15 - 20 l/min.
• Gasdüse sollte 15 mm Innendurchmesser haben
und 4-6 mm über die Kontaktdüse hinausgehen.
Die Parameterauswahl ist durch die große Parameter-Box bei Fülldrähten einfach. Ti 52-FD
arbeitet nur im Sprühlichtbogen. HL 50-FD und
HL 52-FD schweißen auch im Kurzlichtbogenbereich (16-21 Volt) sehr gut.
Der Mischlichtbogen ist durch Wahl einer
höheren Spannung (ab ca. 25 Volt) umgehbar.
Anwendungsbeispiele
Einschweißen von Rohren
in eine Rohrplatte mit HL 52-FD
Bei kleineren Wanddicken ideal
mit Ti 52-FD
•
Einschweißen von Rohrstutzen in
Behälter mit Ti 52-FD
Anwendungsbeispiele
Heften und Schweißen
von Mantel-Rundnähten
sowie Versteifungsringen
•
Schweißen von
Rohrhalbschalen
Anwendungsbeispiele
Kehlnähte in allen Variationen
•
Zwangslagen mit BÖHLER Ti 52-FD !
Waagrecht und horizontal mit:
BÖHLER HL 50-FD
BÖHLER HL 52-FD
SCHWEISSEN AM MINUSPOL
mit BÖHLER Kb 52-FD
•
Besserer Einbrand als
mit + Pol-Drähten
Ermöglicht flache, nicht
überhöhte Steignähte
(schwierig mit + Pol-Drähten)
Vorteil - weniger Schleifarbeit
Etwas größere Parameterbox
als Wettbewerb
Schweißen auf Primer
< 20 µm mit max. 40 cm/min
Kb 52-FD kann auch mittels
T.I.M.E. verschweißt werden
SCHWEISSMASCHINEN
STAHLBAU / CONSTRUCTION
•
Überdachung / Roof Construction
Unlegierte Werkstoffe / non alloy materials
ENERGIEWIRTSCHAFT/POWER INDUSTRY
•
Wehrsegment /Section of Mayable Dam
Unegierte Werkstoffe/non alloyed materials
TRANSPORT / TRANSPORT INDUSTRY
Hochleistungs-Drehgestell
für Eisenbahnzüge
•
Unlegierte Werkstoffe / non alloy materials
EN 758: Fülldrahtelektroden zum MetallLichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von
unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen EINTEILUNG
Bezeichnung einer Fülldrahtelektrode (T) für das
Lichtbogenschweißen, deren Schweißgut eine
Mindeststreckgrenze von 460 N/mm² aufweist,
•
eine Mindestkerbschlagarbeit von 47 Joule bei
–30°C (3) erbringt und eine chemische
Zusammensetzung von 1,1 % Mn und 0,7 % Ni
(Ni) hat.
Die Fülldrahtelektrode des basischen Typs (B)
wird unter Mischgas (M) verschweißt und ist
geeignet für Stumpf- und Kehlnähte in Wannenposition (4). Der Wasserstoffgehalt überschreitet
nicht 5 ml/100 g aufgetragenes Schweißgut
(H5).
EN 758: Fülldrahtelektroden zum MetallLichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von
unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen EINTEILUNG
Bezeichnung einer Fülldrahtelektrode (T) für das
Lichtbogenschweißen, deren Schweißgut eine Mindeststreckgrenze von 460 N/mm² aufweist, eine Mindestkerb•
schlagarbeit von 47 Joule bei –30°C (3) erbringt und
eine chemische Zusammensetzung von 1,1 % Mn und
0,7 % Ni (Ni) hat.
Die Fülldrahtelektrode des basischen Typs (B) wird unter
Mischgas (M) verschweißt und ist geeignet für Stumpfund Kehlnähte in Wannenposition (4). Der Wasserstoffgehalt überschreitet nicht 5 ml/100 g aufgetragenes
Schweißgut (H5).
EN 758: Fülldrahtelektroden zum MetallLichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von
unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen EINTEILUNG
Die Normbezeichnung lautet:
•
Hierbei bedeuten:
Rutil-Fülldraht im Vergleich zu Massivdraht
Kehlnaht steigend, a = 4.5 mm
Drahtdurchmesser 1,2 mm
Massiv- Ti 52-FD
draht Ar + 18 % CO2
•
Drahtförderung (m/min)
Strom (A)
Spannung (V)
Schweißgeschw. (cm/min)
4.0
160
18.0
12.0
10.0
230
28.7
26.5
+ 120 %
Ti 52-FD
100 % CO2
12.2
230
30.5
31.5
+ 162 %
Zusätzlich wesentlich geringere Spritzerbildung
bei Fülldraht und entsprechend wenig Aufwand
für die Nachbearbeitung !
Abschmelzleistung im Vergleich
Fülldraht/Massivdraht Ø 1,2 mm
Theoretische Abschmelzleistung (100 % ED) kg/h
8
7
6
5
•
4
3
2
1
100
FD 1,2
200
300
IG (Si) 1,2
• Das Schweißen mit Fülldraht zählt neben „UP“
zum produktivsten Verfahren der Schweißtechnik
• Hohe Stromdichte (A/mm²), da Stromübergang
fast nur über den dünnen Rohrmantel erfolgt.
• Daher rascheres Abschmelzen und somit hohe
Leistung
EN 439: Einteilung der Schutzgase für
Lichtbogenschweißen und Schneiden
•
Massivdraht, ø: 1,0 mm
Massivdraht, ø: 1,2 mm
Schutzgas: M 21
Schutzgas: M 21
I: 140 A, U: 19,5 V
I : 145 A, U: 19 V
v: 3,5 m/min
v: 5,5 m/min
Schweißgeschwindigkeit: 9,8 cm/min Schweißgeschwindigkeit: 8,3 cm/min
Fülldraht, ø: 1,2 mm
Schutzgas: M 21
I : 250 A, U: 26,5 V
Schweißgeschwindigkeit: 25,3 cm/min
v: 9,0 m/min
Massivdraht
ø: 1,0 mm
(G3 Si1)
[cm]
•
Massivdraht
ø: 1,2 mm
[cm] (G3 Si1)
Fülldraht
ø: 1,2 mm
(T
46 3 PM 1)
[cm]
30
30
30
25
25
25
20
20
20
15
15
15
10
10
10
5
5
5
0
0
0