ESAB Fachwissen.

Schweißzusätze

Bei den meisten Schweißverfahren wird zur Spaltüberbrückung Material zugeführt. Das zugeführte Material übernimmt oft neben der eigentlichen Spaltüberrückung noch weitere Aufgaben. So werden die Schweißzusätze zum Einen dem Grundwerkstoff entsprechend legiert, und zum Anderen mit Stoffen versehen, die die Schmelze vor Umgebungseinflüssen schützen sollen.

Schweißpositionen / Zwangslagen

Die Schweißposition - auch Zwangslage genannt - wird nach der Lage der Schweißnaht abgekürtzt. Die Bestimmung der Reihenfolge erfolgt nacht dem Uhrzeigersinn (vgl. DIN EN ISO 6947).

PA = waagerechtes Schweißen von Stumpfnähten, Wannenlage

PB = waagerechtes Schweißen von Kehlnähten

PC = waagerechtes Schweißen an senkrechter Wand, Stumpfstoß

PD = waagerechtes Schweißen von Kehlnaht, Überkopf

PE = Überkopfscheißen von waagerechter Platte, z.B. Stumpfstoß

PF = vertikales Schweißen von unten nach oben, Steignaht

PG = vertikales Scheißen von oben nach unten, Fallnaht

Schutzgase

Schutzgase haben einen großen Einfluss auf die Eigenschaften von Schweißnähten und die Stabilität des Schweißprozesses. Bei den MSG-Schweißverfahren werden aktive und inerte Gase verwendet, um den Anforderungen unterschiedlicher Werkstoffe gerecht zu werden.

Schutzgase

Drahtelektroden

Beim Metall-Schutzgasschweißen wird im Wesentlichen zwischen Fülldraht- und Massivdrahtelektroden unterschieden. Drahtelektroden werden in verschiedenen Durchmessern von 0,8 mm bis 2,4 mm angeboten. Bei diesen Elektroden wird in jedem Fall eine Schutzgasatmosphäre benötigt. Die benötigten Legierungselemente befinden sich alle im Elektrodenwerkstoff.

Die Elektroden werden endlos von einer Spule oder aus dem Fass zugeführt, so dass gerade bei häufigem Verbrauch sowie beim automatisiertem Schweißen eine hohe Verfügbarkeit gewährleistet ist.

Massivdrahtelektrode

Massivdrahtelektroden werden hauptsächlich durch deren Grundwerkstoff, Gehalt an Legierungselementen und Beschichtungen unterschieden. Die Auswahl der verschiendenen Elektroden richtet sich primär nach den Eigenschaften des Grundwerkstoffes, sowie nach den gewünschten Eigenschaften der Schweißung. Im Gegensatz zu den Fülldrahtelektroden müssen die Massivdrahtelektroden immer mit einem Schutzgas verarbeitet werden. Das Prozessfenster ist bei dieser Art von Elektroden recht groß. Die zu verwendenden Schutzgase richten sich zum einen nach dem Grundwerkstoff sowie den gewünschten Eigenschaften der Naht, da es Massivdrahtelektroden nicht nur für Stahl, sondern auch für Aluminium und andere Werkstoffe gibt. 

Fülldrahtelektrode

Der primäre Vorteil von Fülldrähten gegenüber Massivdrähten ist deren höhere Abschmelzleistung. Diese resultiert aus der durch den kleineren stromführenden Querschnitt, größeren Stromdichte am ringförmigen freien Drahtende. Die höhere Stromdichte führt zu einer größeren Abschmelzleistung gegenüber dem Massivdraht. Dazu kommen weiterhin die folgenden Vorteile: tieferer Flankeneinbrand, geringere Porenanfälligkeit, geringere Spritzerneigung. Fülldrahtelektroden haben in ihrem Inneren entsprechend der geforderten Eigenschaften eine Pulverfüllung. Es werden drei verschiedene Pulverfüllungen unterschieden:

1. Metallpulverfülldrähte

2. Rutilfülldrähte

3. Basische-Fülldrähte

Metallpulverfülldrähte bilden keine Schlacke aus, da die wesentlichen Bestandteile Eisen, die Legierungselemente Mangan und Silizium sowie Lichtbogenstabilisatoren sind. Die Spritzerneigung ist deutlich geringer als bei Massivdrähten, da aufgrund der höheren Stromdichte die Spannung und damit die Lichtbogenlänge erhöht werden können. 

Bei Rutilfülldrähten besteht die Pulverfüllung im wesentlichen aus Rutil (TiO2) sowie Siliziumdioxid(SiO2) und Eisenpulver. Es können zudem die Mikrolegierungselemente Titan und Bor beinhaltet sein. Durch den Rutilanteil bildet sich auf der Naht eine Schlackeschicht um das Schmelzbad vor Oxidationen zu schützen. Gerade bei schnell erstarrenden Schlackesystemen kann dieser Fülldrahttyp auch gut in Zwangslagen verarbeitet werden. Langsam erstarrende Systeme sind nur für die Schweißlagen PA und PB geeignet. 

Basische Fülldrähte bilden ähnlich den Rutilfülldrähten eine Schlackeschicht auf der Schweißnaht. Die Pulverfüllung besteht aus Flussspat (CaF2), Kalziumoxid (CaO) und (MgO). Hier ist eine starke Ähnlichkeit zu basischen Stabelektroden zu erkennen. Das Prozessfenster ist kleiner als bei Rutilfülldrähten. Die möglichen Schweißpositionen hängen hier stark vom verwendeten Draht ab. Bei einigen Drähten sind nur die Schweißpositionen PA und PB möglich. Neuere Entwicklungen ermöglichen jedoch Schweißen in allen Positionen. 

Den schlackebildenden Fülldrähten ist gemein, dass diese bevorzugt schleppend geschweißt werden sollten, da sonst die Gefahr besteht Schlacke in der Schweißnaht einzuschließen. Die Fülldrähte bieten je nach Pulverzusammensetzung und Legierung sehr gute mechanische Gütewerte. Verschiedene Drähte können bei einer ausreichenden Kerbschlagzähigkeit bis zu -60°C eingesetz werden. Viele dieser Fülldrähte lassen sich mit M21 Schutzgasen (EN349, 15% bis 25% CO2 Anteil) oder C1 (reines CO2) schweißen. Einige Metallpulverfülldrähte lassen sich auch mit Schutzgasen schweißen die 8% oder 2,5% CO2 aufweisen. Die Auswahl der Kombination von Drahtelektrode und Schutzgaszusammensetzung hängt jedoch vom Einsatzzweck und den gesetzten Randbedingungen ab.

Weitere Informationen zu Fülldrähten finden Sie hier.

Stabelektroden

Stabelektroden ermöglichen eine sehr vielseitige Möglichkeit zu schweißen. Mit den verschiedenen Umhüllungstypen kann für die unterschiedlichen Anforderungen eine geeignete Elektrode gefunden werden. Eine Schutzgasatmosphäre wie bei den Drahtelektroden ist hier jedoch nicht notwendig.

Die Stabelektroden, wie sie heute noch verwendet werden, haben ihren Ursprung in der Entwicklung von Oscar Kjellberg. Wie schon 1906 bestehen die Stabelektroden heute aus einem Drahtkern mit einer Dicke zwischen 1,6 und 8 mm. Die Elektroden sind mit einer Umhüllung versehen, welche die Eigenschaften der Elektrode beim Schweißen selbst, sowie die Eigenschaften der Schweißnaht bedeutend beeinflusst. Der Drahtkern beinhaltet entsprechend des Grundwerkstoffes die nötigen Legierungselemente. Da diese jedoch durch den Einfluss des Lichtbogens abbrennen können und somit nicht mehr in die Schweißnaht eingebracht werden können, besteht, um dies zu verhindern, die Möglichkeit diese Elemente in der Umhüllung hinzuzugeben. Die jedoch weit wichtigeren Eigenschaften der Umhüllung sind folgende: 

Die Stabilisierung des Lichtbogens, indem in der Drahtelektrode leicht ionisierbare Stoffe enthalten sind. Im gleichen Zuge sind Stoffe von Vorteil, die eine schützende Atmosphäre um das Schmelzbad bilden. Hierdurch wird eine Oxidation der Schmelze verhindert. Um eine Oxidation und Verunreinigung während der Erstarrung zu verhindern werden der Umhüllung Schlackebildner hinzugefügt. Zudem kann die Schlacke zur Wärmeisolierung, und somit zum langsameren Abkühlen der Schweißnaht, genutzt werden. Eine Aufhärtung kann so verhindert werden. 

Die Umhüllungen haben unterschiedliche chemische Eigenschaften. Diese werden, wie folgt, unterschieden in rutil-, sauer-, basisch- und zelluloseumhüllt. Die Bestandteile der Umhüllung haben, zum Beispiel, einen Einfluss auf das Verhalten des Lichtbogens. Zellulose umhüllte Elektroden eignen sich durch die hohe Lichtbogenintensität gut zum Schweißen von Fallnähten. Eine dicke rutilhaltige Umhüllung bewirkt einen feintropfigen Übergang sowie eine gute Wiederzündung des Lichtbogens. Durch den feinen Tropfenübergang haben mit diesen Elektroden geschweißte Nähte ein feinschuppiges Aussehen. Elektroden mit basischer Umhüllung zeigen gute Kerbschlagzähigkeiten bei niedrigen Temperaturen sowie eine geringe Kaltrissempfindlichkeit.

Schweißstäbe

Schweißstäbe werden heute im beim WIG und beim Autogenschweißen verwendet. Sie dienen hier dazu Zusatzmaterial zur Spaltüberbrückung in das Schmelzbad hinzu zufügen. Aufgrund des inerten Schutzgasesgases ist gerade beim MIG-Schweißen nicht mit einer Oxidation der Legierungselemente im Schweißgut zu rechnen.

Schweißpulver

Schweißpulver übernehmen beim Schweißen mit Drahtelektroden die Aufgaben des Schutzgases beim MSG-Schweißen bzw. die Aufgabe der Umhüllung der Stabelektrode beim Lichtbogenhandschweißen. Das Pulver wird also beim Schweißprozess durch den Lichtbogen zwischen Drahtelektrode und Grundwerkstoff aufgeschmolzen. In Flüssiger Form schütz so das Pulver das Schmelzbad vor oxidierenden Einflüssen aus der Umgebung. Erstarrt bildet es eine Schlackeschicht, die das Schweißgut schützt und isoliert, so dass eine langsamere Abkühlung stattfindet.

Schweißpulver finden gerade beim automatisierten Schweißen von großen Werkstücken mit entsprechend dicken Blechen Verwendung. Die Aufgabe der Pulver ist, das Schmelzbad vor Umwelteinflüssen, und somit vor Oxidation und der Einlagerung von Wasserstoff zu schützen. Erreicht wird dies dadurch, dass das Schweißpulver durch den Lichtbogen zwischen Drahtelektrode und Grundwerkstoff aufgeschmolzen wird, und sich wie ein Schutzfilm über das Schmelzbad legt. Die wesentlichen Vorteile sind, dass während des Schweißprozesses keinerlei Spritzer oder Funken sowie kein Rauchgas entstehen. Durch die Schlacke, die von dem Pulver gebildet wird und auf der Schmelze aufschwimmt und erstarrt, wird die Schweißnaht während der Erstarrung vor Umgebungseinflüssen geschützt. Zudem schützt die Schlacke das Schweißgut vor einer zu schnellen Abkühlung und vermindert damit die Gefahr von Rissen.

Die verschiedenen Pulver können in die drei Gruppen: neutral, aktiv oder auflegierend eingeordnet werden. Neutrale Pulver sind gut geeignet für einen mehrlagigen Schweißnahtaufbau. Das Verhältnis zwischen den Legierungselementen Silizium und Mangan ist bei diesem Pulver besonders auf die Drahtelektrode abgestimmt. Eine deoxidierende Wirkung entfalten aktive Pulver, sie besitzen einen entsprechend hohen Anteil an Silizium und Mangan. Pulver mit einem hohen Gehalt an Legierungselementen können mit unlegierten Schweißdrähten verwendet werden. Hier vermischen sich die Legierungselemente aus dem Schweißpulver mit dem Schweißgut. Die Menge der eingebrachten Legierungselemente kann über die Lichtbogenspannung eingestellt werden. Bei höheren Spannungen wird mehr Pulver geschmolzen und es steht ein größeres Volumen Legierungselemente zur Vermischung mit dem Schweißgut zur Verfügung. 

Bei der Herstellung der Pulver werden zwei Verfahren verwendet, die zu unterschiedlichen Eigenschaften der Pulver führen. Zum einen gibt es die Möglichkeit die Pulver aus Granulaten der Bestandteile durch Vermischen direkt herzustellen. Hierbei werden die Bestandteile gemeinsam zermalen, anschließend gewalzt und wieder zu einem Granulat zerstoßen. Jedes Korn dieses Granulates beinhaltet schließlich die korrekte Zusammensetzung des Pulvers. Abschließend wird das Granulat zwischen 600°C und 800°C getrocknet. Die andere Möglichkeit Pulver herzustellen ist die Bestandteile in einem Lichtbogenofen zwischen 1200°C und 1400°C aufzuschmelzen, und nach dem Erstarren wieder in ein Granulat zu zerstoßen. Man erhält so ein glasaritges Produkt, welches gegenüber dem agglomerierten Pulver den Vorteil hat, dass es keine Luftfeuchtigkeit aufnimmt und somit vor der Verwendung nicht getrocknet werden muss. Speziell in Verbindung mit basischen Fülldrähten ergeben erschmolzene Pulver eine große Zähigkeit der Schweißnaht und eine niedrige Gefahr der Wasserstoffversprödung.Agglomerierte Pulver werden heute immer mehr den erschmolzenen vorgezogen. Dies liegt zum Einen im durch die geringere Dichte verursachten niedrigeren Pulververbrauch und zum Anderen können Dexodationsmittel zugesetzt werden. Eine bessere Deoxidation des Schweißgutes ist die Folge. Die Kerbschlagzähigkeit des Schweißgutes bei sehr niedrigen Temperaturen ist ebenfalls besser als bei der Verwendung von erschmolzenen Pulvern. Diese Vorteile erkauft man sich beim agglomerierten Pulver mit dem Nachteil, dass diese Pulver vor dem Schweißen immer nachgetrocknet werden sollten, wenn eine Wasserstoffversprödung unbedingt vermieden werden muss.

Bandelektroden

Bandelektroden sind im Gegensatz zu Drahtelektroden nur für den Einsatz bei UP- und RES-Schweißen (Elektroschlackeschweißen, engl: electroslag welding) gedacht. Die Vorgehensweise ähnelt aber stark der des UP-Schweißens mit Drahtelektroden. Sie werden in einem Unterpulververfahren zum Beispiel dazu verwendet, Behälter oder Rohre aus niedriglegierten Materialien mit einem hochlegierten Werkstoff zu beschichten, um diese gegen korrosive Medien widerstandsfähig zu machen.

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