WIG-SCHWEISSEN VON ALUMINIUM UND SEINEN LEGIERUNGEN Wechselstromschweißen (AC) mit Hilfe der Lichtbogenhöhensteuerung (AVC)

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Manuela Huber
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1 WIG-SCHWEISSEN VON ALUMINIUM UND SEINEN LEGIERUNGEN Wechselstromschweißen (AC) mit Hilfe der Lichtbogenhöhensteuerung (AVC) Endlich ist es gelungen, den Einsatz der Lichtbogenhöhensteuerung (AVC) für das Wechselstromschweißen von Aluminium und seinen Legierungen mit der Polysoude Steuerung PC 350 AC/DC und der Stromquelle Tetrix 351 (Abb.1) zur Anwendungsreife zu bringen. Bei den gemeinsam durchgeführten Entwicklungsarbeiten zeichnete die Fa. Polysoude für das einwandfreie Funktionieren der AVC-Funktion verantwortlich, während die Fa. EWM ihre Kompetenz bei der Entwicklung maßgeschneiderter Stromquellentechnik einbrachte. Die größten Schwierigkeiten die es beim Wechselstromschweißen von Aluminiumwerkstoffen zu überwinden galt, betrafen die Kontrolle der AVC-Funktion, denn diese reagiert äußerst sensibel, sobald ein Phasenwechsel unsauber durchgeführt wird. Die Zuverlässigkeit der AVC-Funktion beim Wechselstromschweißen wird von Polysoude als bedeutendes Alleinstellungsmerkmal gegenüber den Mitbewerbern angesehen. Tatsächlich sind unseres Wissens nach nur sehr wenige oder vielleicht gar keine anderen Hersteller in der Lage, eine Funktionsgarantie für die AVC-Funktion unter normalen Betriebsbedingungen zugeben.

Bei den gemeinsam durchgeführten Entwicklungsarbeiten zeichnete die Fa. Polysoude für das einwandfreie Funktionieren der AVC-Funktion verantwortlich, während die Fa.

2 Der Begriff Aluminium ist ein allgemeiner Ausdruck, welcher neben dem puren Aluminium auch die gesamte Palette an Legierungen umfasst, welche in Wahrheit den Großteil der Anwendungsfälle betreffen. Das Orbitalschweißen von Rohrleitungen aus Aluminium erweist sich als besonders vorteilhaft bei Anwendungen in der Kryogenie (Kälteerzeugung) und in der Nuklearindustrie, in welchen ein hohes Qualitätsniveau gefordert ist. Die Stärken eines automatisierten Verfahrens liegen in der Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit der Parameter dank der Steuerungselektronik der Schweißstromquellen. Diese Reproduzierbarkeit ermöglicht die Erstellung von ausgereiften Schweißanweisungen mit denen eine konstante Schweißnahtqualität erreicht werden kann. Voraussetzungen für das Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit Wechselstrom Die Schweißanweisungen müssen den folgenden Eigenschaften Rechnung tragen: - thermische Leitfähigkeit des Werkstoffes - Oxidhäute auf der Werkstoffoberfläche - Neigung zur Porenbildung. Thermische Leitfähigkeit des Werkstoffes Einige Empfehlungen, um die hohe Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumwerkstoffe zu kompensieren: - beim Verbindungsschweißen auf gleiche Werkstückdicke achten - Dicke des Steges bei der Schweißnahtvorbereitung gering halten - Öffnungswinkel bei V-Nahtvorbereitung soll mindestens 40 betragen (ausreichende Zugänglichkeit und gutes Kantenaufschmelzverhalten). Oxidhäute auf der Werkstoffoberfläche Oxidhäute auf der Werkstoffoberfläche verschlechtern die Schweißeignung, denn: - sie enthalten Kristallwasser und absorbieren Feuchtigkeit (Ursache für Porenbildung) - sie schmelzen nicht: Einschlüsse im Schweißgut bestehen aus unaufgeschmolzenen Oxiden und führen zu Schweißfehlern in Form von Rissen oder unzureichendem Einbrand. Vor dem Schweißen sollten folgende Maßnahmen ergriffen werden: - Oxidhaut von der Oberfläche entfernen (durch spanende Bearbeitung, Beizen oder Abkratzen) - Die Innenkante des Steges leicht brechen. Porenbildung Beim Schweißen von Aluminiumwerkstoffen muss stets mit Porenbildung gerechnet werden, denn: - die Löslichkeit von H 2 in Al im festen Aggregatzustand ist äußerst gering - der Übergang von flüssigem Al in den festen Aggregatzustand erfolgt mit sehr schnell. 2 / 6

Qualitätsniveau gefordert ist. Die Stärken eines automatisierten Verfahrens liegen in der Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit der Parameter dank der Steuerungselektronik der Schweißstromquellen.

3 Zum besseren Verständnis: In 90 % aller Fälle stammt das H 2 von unreinen Werkstückoberflächen oder aus auf der Werkstückoberfläche befindlichen Oxiden absorbierter Feuchtigkeit. In einigen Fällen stammt das H 2 aus dem Grundwerkstoff selbst oder aus dem Zusatzwerkstoff. Generell sollten folgende Regeln beachtet werden: - ausschließlich saubere und trockene Werkstoffe einsetzen - Zusatzwerkstoffe sorgfältig vor Verunreinigungen schützen - zu verschweißende Oberflächen reinigen - auf gute Schutzgasabdeckung achten - Werkstücke vorwärmen (100 C). Das Schweißen mit Wechselstrom Wechselstrom wird bevorzugt für das Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen eingesetzt. Bei der Beaufschlagung mit Wechselstrom wird die Elektrode abwechselnd als positiver Pol (Anode) und als negativer Pol (Kathode) geschaltet. Während der anodischen Schaltung als positiver Pol werden die auf der Werkstückoberfläche haftenden Oxide aufgebrochen (Reinigungshalbwelle). Während der kathodischen Schaltung der Elektrode als negativer Pol wird die zum Schmelzen des Werkstoffes notwendige Wärme in das Werkstück eingebracht, gleichzeitig kann die Elektrode dabei abkühlen (Kühlhalbwelle). (Abb. 2) Der Quotient aus der Zeit der Reinigungshalbwelle und der Zeit der Kühlhalbwelle wird in Prozent ausgedrückt als Reinigungsverhältnis bzw. Balance bezeichnet, im Beispiel der Abbildung 2 beträgt das Reinigungsverhältnis 35 %. Je größer der Wert des Reinigungsverhältnisses wird, umso länger wird die Dauer der Reinigungshalbwelle, dabei steigt die Sauberkeit der Schweißung (geringere Porenbildung), allerdings verkürzt sich dadurch auch die Standzeit der Elektrode beträchtlich. Die folgende Faustformel kann zur Abschätzung des notwendigen Elektrodendurchmessers benutzt werden: (Elektrodendurchmesser [mm] x 100 A) 80 A = maximaler Schweißstrom Der Kehrwert der Schwingungszeit (T) gibt Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an und wird als Frequenz (f) des Wechselstroms bezeichnet. Während Schweißströme mit höheren Frequenzen (von Hz) besonders bei kleineren Werkstückdicken ( 1,5mm) angewendet werden, bleiben die Schweißströme mit niedrigeren Frequenzen (um 50 Hz) den Schweißungen an relativ dickwandigen Bauteilen ( 3mm) vorbehalten. Beim Schweißen mit Wechselstrom kann gepulster oder ungepulster Schweißstrom verwendet werden, die Einstellwerte richten sich nach der Wandstärke der zu fügenden Werkstücke. Funktionsweise der Lichtbogenhöhensteuerung AVC Die Lichtbogenspannung wird zwischen Wolframelektrode und Masse gemessen und durch Regulieren des Abstandes zwischen Brenner und Werkstück konstant auf einem programmierten Wert gehalten, dabei ergibt sich bei unveränderten Schweißparametern eine stets gleiche Lichtbogenlänge. Bei einer Änderung der Schweißstromstärke muss auch die Vorgabe der Lichtbogenspannung entsprechend geändert werden, um eine konstante Lichtbogenlänge zu behalten. (Abb.3) Änderungen der elektrischen Eigenschaften der Wolframelektrode (Abnutzung) haben die gleichen Auswirkungen, durch die Lichtbogenhöhensteuerung wird die Lichtbogenspannung konstant gehalten, der Abstand zwischen Elektrode und Werkstück wird größer oder kleiner. (Abb.4) 3 / 6

Generell sollten folgende Regeln beachtet werden: - ausschließlich saubere und trockene Werkstoffe einsetzen - Zusatzwerkstoffe sorgfältig vor Verunreinigungen schützen - zu verschweißende

4 Normale Einsatzbedingungen der Funktion AVC beim Schweißen mit Wechselstrom AC Anhaltwerte der Parameter beim Wechselstromschweißen mit Lichtbogenhöhensteuerung AVC: Wechselstromfrequenz des Schweißstromes zwischen 50 und 120 Hz Maximale Schweißstromstärke 250 A, mittlere Schweißstromstärke 200 A Minimale Schweißstromstärke 20 A Abstand zwischen Elektrode und Werkstück etwa 3 mm (Höhe der zu programmierenden Lichtbogenspannung hängt u. a. von der jeweiligen Schweißstromstärke ab) Minimale Lichtbogenspannung 10 V Reinigungsstromverhältnis zwischen 30 und 50 % Keine Schweißungen durchführen, wenn nicht vorher die Oxidhaut von der Werkstoffoberfläche entfernt wurde Auf gute Schutzgasabdeckung achten. Was beim Wechselstromschweißen mit Lichtbogenhöhensteuerung AVC vermieden werden sollte Wahl eines zu geringen Durchmessers der Wolframelektrode Einsatz einer Wolframelektrode mit nicht zur Schweißaufgabe passender Anschmelzkugel an ihrem Ende Wahl eines zu großen Reinigungsstromverhältnisses Abbildungen Abb. 1: Steuermodul PC 350 AC/DC und Stromquelle Tetrix / 6

der zu programmierenden Lichtbogenspannung hängt u. a.

5 Abb. 2: Reinigungsverhältnis Abb. 3: Einfluss der Änderungen der Stromstärke und spannung auf die Lichtbogenhöhensteuerung 5 / 6

6 Abb.4: Einfluss der Abnutzung der Elektrode auf die Lichtbogenhöhensteuerung Abb.5: WIG Orbitalschweißen von Aluminiumwerkstoffen mit Lichtbogenhöhensteuerung Abb.6: Mechanisiertes WIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen mit Lichtbogenhöhensteuerung 6 / 6

5: WIG Orbitalschweißen von Aluminiumwerkstoffen mit 6:

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