WIG - Gleichstromschweißen mit hochfrequenten Impulsen, eine

WIG - Gleichstromschweißen mit hochfrequenten Impulsen,
eine interessante Verfahrensvariante
Einleitung
2.1
Im
tG
tP
Zeit t [s]
1 Periode = 1/f
IG = Grundstrom
Im = mittlere Stromstärke
IP = Impulsstrom
f
tG
tP
Tastverhältnis
=
T
= Impulsfrequenz
= Grundzeit
= Impulszeit
tP x 100%
(tG+tP)
Bild 1. WIG - Impulslichtbogenschweißen, Begriffe
Die Impulsfrequenzen sind im Bereich von 0,5 - 6 Hz zu
wählen, da höhere Werte praktisch keinen Temperaturunterschied zwischen Impuls - und Grundniveau ergeben und somit einen ähnlichen Temperaturverlauf erzeugen, wie beim ungepulsten WIG- Schweißen. Im gleichen Zusammenhang wird ein sinnvolles Tastverhältnis
mit 40- 60% angegeben [2].
Auf dieser Grundlage stellt sich die Frage, welchen Nutzen bringt das WIG- Gleichstromschweißen mit hochfrequenten Impulsen ?
Die Antwort liefert der Lichtbogen. Seine Gestalt wird
durch die Überlagerung mit einer Frequenz von einigen
Hertz bis 35 kHz beeinflußbar. So kontrahiert die Lichtbogensäule und nimmt Zylinderform an [3]. Als Folge
steigt der Lichtbogendruck, Bild 2.
Leistungsmerkmale des hochfrequenten WIGImpulslichtbogenschweißens
Verfahrensprinzip
Lichtbogendruck TN
2
IP
Das Wolfram- Inertgasschweißen (WIG) ist eines der
wichtigsten Fügeverfahren in der schweißtechnischen
Fertigung. Hochwertige Schweißverbindungen, frei von
Spritzern und Schlacken, qualifizieren diese Schweißtechnologie für die Mehrzahl der Metalle. Durch die vom
Lichtbogen getrennte Zufuhr des Zusatzwerkstoffes gelingt es das Schmelzbad optimal zu kontrollieren. Ein
Vorteil der zwar die qualitätsgerechte Ausführung der
Schweißnaht sichert, aber auch eine relativ geringe Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit nach sich
zieht. Mit Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit verliert
der Lichtbogen jedoch an Stabilität und die Einschweißtiefe nimmt ab. Oberhalb eines kritischen Wertes, der
von den eingestellten Schweißparametern abhängig ist,
wird keine durchgehende Schweißnaht mehr erreicht [1].
Aufgrund dieser Erfahrungen werden in der Praxis mehrere WIG- Schweißbrenner hintereinander kombiniert
(Multikatodenbrenner) oder WIG- Doppelgasbrenner,
sowie Plasmabrenner eingesetzt, um die Schweißgeschwindigkeit in automatisierten Fertigungslinien zu steigern. Nachteilig erweisen sich in diesem Zusammenhang
die hohen Anforderungen an die Brennerkonstruktion
und den Brennerbetrieb.
Eine deutliche Zunahme der Schweißgeschwindigkeit
läßt sich mit Laser- Schweißanlagen erzielen. Die sehr
hohen Investitionskosten und der extrem niedrige Wirkungsgrad verhindern aber oft ihren Einsatz.
Das WIG- Gleichstromschweißen mit hochfrequenten
Impulsen führt ebenfalls zu einer enormen Steigerung
der Schweißgeschwindigkeit. Im Materialdickenbereich
bis etwa 2 mm stellt dieses Schweißverfahren somit eine
interessante und kostengünstige Alternative zum Multikatoden - und Laserschweißen dar.
IG
1
Schweißstrom I [A]
D. Dzelnitzki, Mündersbach
Seit vielen Jahren ist das WIG- Schweißen mit pulsierendem Stromverlauf bekannt und wird vor allem bei
vollmechanisierten und automatisierten Schweißprozessen angewandt. Der Schweißstrom pendelt dabei periodisch zwischen einem hohen (Impulsstrom Ip) und einem niedrigen (Grundstrom IG) Wert. In der Grundstromphase bewirkt die niedrige Temperatur eine Verringerung des Schmelzbadvolumens. Auf diese Weise wird
die Wärmeeinbringung reduziert und eine optimale
Schmelzbadbeherrschung sichergestellt. Natürlich ist die
genaue Abstimmung der Impulsparameter (Impulsstrom
Ip, Grundstrom IG, Impulsfrequenz f und Tastverhältnis
T), Bild 1, auf den jeweiligen Anwendungsfall erforderlich, um den gewünschten Temperaturunterschied zwischen Hoch- und Niedrigstromphase zu gewährleisten.
Dabei sollte das Verhältnis zwischen Impuls- und Grundstrom (Ip/IG) nach [2] etwa im Bereich von 1,25 - 4 eingestellt werden.
© 2000 EWM HIGHTEC WELDING GmbH
Bild 2.
1/4
Impulsfrequenz f
Lichtbogendruck als Funktion der Impulsfrequenz [3],
Wolframelektrode: 2,4 mm ,2% thoriert,
Elektrodenanspitzwinkel: 60 °, Strommittelwerte: 50 A,
Stromamplitude: 150 A, Grundstrom: 5 A,
Lichtbogenlänge: 2 mm
WM008800.doc; 08.00
Einschweißtiefe TN
Lichtbogenlänge lLB
Impulsstrom IP
Bild 3.
Bild 4b. Lichtbogenausbildung beim ungepulsten WIG- Schweißen [4],
IS = 292 A, vS = 2,0 m/min, Schutzgas: 95% Ar + 5% H2
Veränderung der Einschweißtiefe beim WIG- Schweißen
mit Impulsüberlagerung des Schweißstromes [3]
1 TN = f (IP), 2 TN = f (lLB) 10 kHz,
3 TN = f (lLB) 0 Hz
2.2 Stromquellen und Ausrüstung
Während dieser Effekt bis zu einer Frequenz von etwa 5
kHz sehr stark ausgeprägt ist, wirken sich weitere Frequenzerhöhungen nur noch minimal auf die Druckzunahme des Lichtbogens aus. Neben der Impulsfrequenz
verstärkt zusätzlich eine wachsende Impulsstromamplitude bei gleichem Effektivwert des Schweißstromes den
Lichtbogendruck auf das Schmelzbad [3]. Damit verleihen beide Schweißparameter (Impulsfrequenz und Impulsstromamplitude) der Lichtbogensäule eine enorme
Steifigkeit, die es erlaubt die Schweißgeschwindigkeiten
zu steigern. Selbst bei hohen Geschwindigkeitswerten
bildet sich eine zusammenhängende Schweißnaht mit
guter Einschweißtiefe, Bild 3.
Einen Vergleich zwischen der Lichtbogenausbildung
beim ungepulsten WIG- Schweißen und dem Schweißen mit hohen Impulsfrequenzen bieten die Bilder 4a
und 4b. Die Lichtbogenkontur beim ungepulsten WIGSchweißen weist Lichtbogenauswanderungen entgegengesetzt zur Schweißrichtung auf, Bild 4b. Die Form des
mit 6 kHz gepulsten Lichtbogens ist symmetrisch und
stärker kontrahiert, Bild 4a [4]. Eine höhere Lichtbogenstabilität ist die Folge.
Für die schweißtechnische Anwendung stehen zwei
Stromquellentypen zur Verfügung, die für einen maximalen Schweißstrom von 500 A bzw. 1000 A ausgelegt
sind, Bild 5.
Bild 5.
Sie besitzen ein Inverterleistungsmodul, das sich durch
einen hohen Wirkungsgrad und die Unempfindlichkeit
gegenüber Netzschwankungen auszeichnet. Die Einstellung der Impulsparameter erfolgt über einen Fernsteller, Bild 6. Er befähigt das System, bis zu 8 kHz den
Schweißstrom zu pulsen.
Bild 4a. Lichtbogenausbildung beim HF- WIG- Impulslichtbogenschweißen [4],
f = 6 kHz, IP =375 A, Im = 292 A, vS = 2,0 m/min
Schutzgas: 95% Ar + 5% H2
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HF- WIG- Impulsschweißstromquelle inverter TIG 1000 DC
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WM008800.doc; 08.00
Bild 6.
Bild 7a. Nahtausbildung beim HF- WIG- Impulslichtbogenschweißen einer I- Naht [4],
Grundwerkstoff: 1.4301, t = 2 mm, f = 6 kHz, IP = 375 A,
Im = 292 A, vS = 2,4 m/min, Schutzgas: 95% Ar + 5% H2,
kein Zusatz
Fernsteller zum hochfrequenten WIG- Impulsstromschweißen, Bedienelemente
Die Voraussetzung für optimale Stromformen (hohe,
rechteckförmige Stromimpulse ) erfüllt eine Stromquelle
nur dann, wenn sie über sehr gute dynamische Eigenschaften verfügt. Daraus ergibt sich allerdings die Notwendigkeit, schallschützende Maßnahmen vorzusehen,
um der akustischen Lärmbelastung zu begegnen.
Besondere Aufmerksamkeit muß dem Schweißbrenner
geschenkt werden. Die Elektrodenspitze soll eine geringe Oberflächenrauhigkeit aufweisen, um lange Standzeiten bei der hohen Strombelastung zu erzielen. Die
Ausrüstung des wassergekühlten Brenners mit einer
Gaslinse ist anzuraten.
3
Praktische Erfahrungen und Perspektiven
Bild 7b. Nahtausbildung beim ungepulsten WIG- Schweißen einer
I- Naht [4],
Grundwerkstoff: 1.4301, t = 2 mm, IS = 292 A,
vS = 1,6 m/min, Schutzgas: 95% Ar + 5% H2, kein Zusatz
Die Anwendungsgebiete des hochfrequenten WIG- Impulslichtbogenschweißens liegen sowohl in kontinuierlich
fertigenden Schweißautomationen von Halbzeugen z.B.
Rohren, Profilen, Folien und Bändern, als auch in der
Teilefertigung (z.B. Abgasrohre, Faltenbälge oder Formstücke).
Schweißgeeignete Werkstoffe stellen z.B. niedrig - und
hochlegierte Stähle, Nickelbasislegierungen, Kupferund Titanlegierungen und Aluminiumbasislegierungen
dar. Diese unterschiedlichen Werkstoffe erfordern beim
Schweißen eine genaue Auswahl des Schutzgases,
denn die Höhe des Wärmestroms eines Lichtbogens
wird durch die Schutzgasart und ihre prozentuale Zusammensetzung bestimmt [3].
Gute Erfahrungen wurden neben Argon / WasserstoffGemischen (95% Ar / 5% H2), auch mit Argon / HeliumGemischen (50% Ar / 50% He) gemacht.
Praktische Schweißversuche sind vor allem an Stumpfnähten durchgeführt worden, Bild 7 a und 7b [4]. Die
Materialdicke betrug 2 mm. Dabei zeigten sich deutliche
Unterschiede in der Schweißnahtausbildung. Während
sich beim Impulslichtbogenschweißen mit 6 kHz, Bild 7a,
ein konzentrierter Einbrand ausbildete, war im Makroschliff, Bild 7b, einer ungepulsten Schweißung die
typische WIG- Einbrandform erkennbar.
© 2000 EWM HIGHTEC WELDING GmbH
Der Unterschied zwischen beiden Schweißverfahren ist
die erreichte Schweißgeschwindigkeit. Die Impulsüberlagerung erbrachte eine 50%- ige Steigerung bei identischen Randbedingungen. Trotz gleicher mittlerer Stromstärke von 292 A mußte die Schweißgeschwindigkeit im
ungepulsten Betrieb von 2,4 m/min auf 1,6 m/min abgesenkt werden, um ebenfalls eine komplette Durchschweißung zu erzielen.
Eine weitere Anwendung des hochfrequenten WIGImpulslichtbogenschweißens am Rohr gleicher Materialdicke erbrachte sogar eine Schweißgeschwindigkeit von
2,7 m/min, Bild 8.
3/4
WM008800.doc; 08.00
Schrifttum:
[1]
Bild 8.
Nahtausbildung beim HF- WIG- Impulslichtbogenschweißen am Rohr
Grundwerkstoff: 1.4301, t = 2 mm, vS = 2,7 m/min,
Schutzgas: 95% Ar + 5% H2, kein Zusatz
Zur erfolgreichen Umsetzung einer solchen Technologie
gehört im hohen Maße die Verflechtung von Stromquellentechnik einerseits und Verfahrenstechnik andererseits.
Die Erhöhung der Einschweißtiefe bei gleicher Schweißgeschwindigkeit bzw. eine höhere Schweißgeschwindigkeit bei vorgegebener Nahtdicke eröffnen dem WIGGleichstromschweißen mit hochfrequenten Impulsen
einen Anwendungsbereich der bisher nur Multikatoden oder Lasersystemen zugetraut wurde. Die großen Vorteile beim Einsatz dieses Schweißverfahrens liegen vor
allem in seinem bedeutend geringerem Investitionsaufwand und der Energieeinsparung, gegenüber den vorher
benannten Systemen.
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Cui, H. u.a.:
Laserinduziertes
Fokussieren
des
Lichtbogens.
DVS- Berichte, Band 146, S. 139-143
WIG-
[2]
Killing, U.:
Geeignete Parameter für das WIG- Impulslichtbogenschweißen.
Jahrbuch Schweißtechnik `94,
Deutscher
Verlag
für
Schweißtechnik
DVS- Verlag GmbH,
Düsseldorf, 1993, S. 108 - 114
[3]
Schellhase, M.:
Der Schweißlichtbogen - ein technologisches
Werkzeug.
Fachbuchreihe
Schweißtechnik,
Band
84,
Deutscher Verlag für Schweißtechnik (DVS)
GmbH, Düsseldorf, 1985, S.86, 97-99
[4]
Müller, S.:
Untersuchungen
zum
Hochfrequenz-WIGImpulslichtbogenschweißen.
Bericht der Schweißtechnischen Lehr- und
Versuchsanstalt Fellbach (1997).
WM008800.doc; 08.00