Auswirkungen von Aktivgaszumischungen im vpm-bereich zu Argon auf das MIG- Impulsschweißen von Aluminium

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1 Auswirkungen von Aktivgaszumischungen im vpm-bereich zu Argon auf das MIG- Impulsschweißen von Aluminium von Diplom-Ingenieur Sven-Frithjof Goecke aus Potsdam von der Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurswissenschaften - Dr.-Ing. - genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Berichter: Berichter: Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lutz Dorn Prof. Dr.-Ing. habil. Gabriele Nutsch Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 9. August 2004 Berlin 2004 D 83

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3 ZUSAMMENFASSUNG Zusammenfassung Die Auswirkungen von Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoffzumischungen im vpm- Bereich zu Argon auf das MIG-Impulsschweißen von Aluminium werden mittels mechanisch-technologischer Untersuchungen, der Hochgeschwindigkeitskinematografie und der Emissions-Spektroskopie ermittelt. Sowohl Stickstoff- als auch Sauerstoffzumischungen bewirken bereits unter 0,1 % eine erhebliche Erhöhung des Einbrands und eine Verringerung der Mikroporosität gegenüber Reinargon, während durch Wasserstoffzumischung bis etwa 0,1 % die Mikroporosität kaum beeinflusst wird. Aufgrund einer Erhöhung der Lichtbogenstabilität verbessert sich die Prozesssicherheit durch geringe molekulare Aktivgaszumischungen im Al-Dünnblechbereich. Metalldampf im Kernbereich des MSG-Lichtbogens führt mit einer ausgeprägten Strömung in Richtung Schmelzbad zu einer Kühlung des Plasmas. Dabei erhöhen Stickstoff- und Sauerstoffzumischung den Metalldampfpartialdruck im Lichtbogenplasma und kontrahiert den Metalldampfstrahl. Verstärkte Elektronenemission an der Kathodenoberfläche durch hocherhitzte Metalloxide bzw. nitride verbessert die elektrische Leitfähigkeit begleitet von einer Erhöhung des Plasma-Ionisierungsgrads. Abstract Effects of nitrogen, oxygen and hydrogen admixtures in the vpm range to argon on pulsed MIG welding of aluminium are studied by mechanical-technological investigations, high speed film and emission spectroscopy. Nitrogen as well as oxygen admixtures of even below 0.1 % cause an considerable increase of penetration and decrease of porosity compared to argon, while hydrogen barely effects porosity up to 0.1 %. In the aluminium thin sheet range the process stability is enhanced by admixing small amounts of molecular active gases due to an higher arc stability. A cooling of the plasma is caused by a metal vapour flow in the centre of the MIG arc column. The partial metal vapour pressure in the arc plasma will be increased by nitrogen and oxygen admixtures and the metal vapour jet contracts. An increased electron emission from the cathode surface improves the electrical conductance followed be an increase of the plasma ionisation rate. Schlagwörter: MIG; Schweißen; Gas; Aluminium: Magnesium; Spektroskopie; Plasma; Lichtbogen; Metalldampf Keywords: GMAW; welding; gas; aluminium; magnesia; spectroscopy; plasma; arc; metal vapour

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5 WIDMUNG für meinen Vater

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7 INHALTSVERZEICHNIS I INHALT FORMELZEICHEN- UND ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS EINLEITUNG ZIELSETZUNG STAND DER TECHNIK Besonderheiten beim Schweißen von Aluminiumlegierungen Oxidbildung Porenbildung Heißrissbildung Spritzerbildung Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit Der Metall-Inert-Gas-Schweißprozesses Pulsen des MSG-Schweißprozesses Physikalische und technologische Grundlagen Einfluss molekularer Zumischungen im Schutzgas Argon Stickstoffhaltige Schutzgase Sauerstoffhaltige Schutzgase Wasserstoffhaltige Schutzgase Methoden zur quantitativen Analyse des MIG-Lichtbogenplasmas Experimentelle Methoden Mathematische Modelle Metalldampfeinfluss Ionisationsgrad Transporteigenschaften ZIELSETZUNG DER ARBEIT UND VORGEHENSWEISE Werkstoffauswahl Vorgehensweise VERSUCHSBEBINGUNGEN Versuchswerkstoffe Probenwerkstoff Zusatzwerkstoffe Schutzgase Versuchseinrichtungen Gasmischanlage Energiequelle Fahrwerke Messdatenerfassung Spritzermessung...57

8 II INHALTSVERZEICHNIS 5.3 Schweißversuche Versuchsaufbau Nahtvorbereitung und Oberflächenreinigung Schweißversuchsdurchführung Mechanisch-technologische Untersuchungen Sichtprüfung Metallografische Untersuchung Zugprüfung Hochgeschwindigkeitskinematografie Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Spektroskopie Versuchsaufbau Justage der Eingangsoptik Triggerregime Kalibrierung Versuchsdurchführung VERSUCHSAUSWERTUNG Mechanisch-technologische Auswertung Niederschlag auf der Werkstückoberseite Spritzerbildung Metallographische Untersuchungen Zusammenfassung und Diskussion Elektrische Schweißprozessgrößen Einführung Auswertung der elektrischen Schweißprozessgrößen Zusammenfassung und Diskussion Hochgeschwindigkeitskinematografie des Werkstoffübergangs Auswertung der kinematografischen Untersuchungen Zusammenfassung und Diskussion Emissions-Spektroskopie des Lichtbogenplasmas Grundlagen der Emissions-Spektroskopie Radiale Flächenstrahldichteprofile Temperaturprofil aus der Methode nach Bartels Temperaturprofile aus der relativen Methode Plasmazusammensetzung und Temperaturprofil aus dem nichtlinearen Gleichungssystem Vergleich der radialen Temperaturprofile Diskussion und Schlussfolgerungen Zusammenfassung und Ausblick LITERATURVERZEICHNIS ANHANG... A1

9 FORMELZEICHEN- UND ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 1 FORMELZEICHEN- UND ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS Formelzeichen Bezeichnung Wert bzw. Einheit Naturkonstanten c Lichtgeschwindigkeit, Vakuum 2, m s -1 h Planck sches Wirkungsquantum 6, J s k B Boltzmann-Konstante 1, J K -1 N A Avogadro-Konstante 6, mol -1 allgemeine Formelzeichen v S Schweißgeschwindigkeit m min -1 p 0 Normaldruck 0,1 MPa r Radius mm T S Schmelztemperatur K, C x, y, z karthesische Ortskoordinaten mm λ Wellenlänge nm ϕ, θ polare Ortskoordinaten ν Frequenz der emittierten Linienstrahlung s -1 im Zusammenhang mit elektrischen Prozessgrößen: f Impulsfrequenz Hz I Index Strom A P Index Leistung W t Index Dauer ms U Index Spannung V Indizes: a ansteigende Flanke f fallende Flanke G Grundphase krit kritisch für sprühenden Werkstoffübergang m mittel P Impulsphase S Triggerschwellwert für spektroskopische Messung s Schweiß tr transiente Momentanwerte im Zusammenhang mit der Nahtgeometrie: N äq Nahtgeometrie-Äquivalent h Index Höhe mm b Index Breite mm Indizes: G Gesamthöhe N Nahtüberhöhung bzw. -breite W Wurzelüberhöhung bzw. -breite

10 2 FORMELZEICHEN- UND ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS im Zusammenhang mit der Spritzermessung: v Dr Drahtfördergeschwindigkeit m min -1 S Spritzeranteil pro abgeschmolzene Drahtmasse % ρ längenspezifische Drahtmasse g m -1 l Index Länge mm m Index Masse g Indizes: Dr Draht, abgeschmolzen Dr,m Draht, gemessen Ende Endstück, gemessen im Zusammenhang mit plasmaphysikalischen Größen: c Konzentration % L vk Kuppenstrahldichte W (m 2 sr) -1 K l Längenkalibrierfaktor für spektroskopische Messung mm Streifen -1 T * z Normtemperatur K U Zustandssumme M, p*, Y max Parameter für die Bartel-Methode z Ionisationsgrad A IndexIndex Übergangswahrscheinlichkeit zwischen Energieniveaus s -1 g Index statistisches Gewicht E Index Anregungsenergie ev, cm -1 I Index Strahldichte W (m 2 sr) -1 n Index Teilchendichte m -3 p Index Druck bzw. Partialdruck Pa, hpa T Index Temperatur K ε IndexIndex Emissionskoeffizient, volumen- und winkelspezifische W (m 3 sr) -1 Strahlungsleistung λ IndexIndex Wellenlänge nm Indizes: 0 Neutrale, nicht ionisiert 1 Ion, ionisiert a Grundzustand e - Elektron K Kontinuum m unteres Niveau n oberes Niveau max maximal Mitte Mitte bei der Gitterausrichtung z Ionisierung a, b laufender Index

11 FORMELZEICHEN- UND ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 3 weitere sprachliche Abkürzungen: Al AlN Al 2 O 3 CCD CO CO 2 CH 3 CrNi e - EDA H 2 ICCD I G /I P -Modulation I G /U P -Modulation LTE LTG Mg MgO MAG MCP MIG MSG MSGp MHD NO NO 2 N 2 O 2 O 3 PLTE PLTG SF 6 SO 2 St Taper TE TiN vpm VTG WEZ WIG ZrN Aluminium Aluminiumnitrid Aluminiumoxid charged coupled device Kohlenmonoxid Kohlendioxid Methyl Chrom-Nickel-Stahl Elektron energiedispersive Röntengenanalyse Wasserstoff Intensivierte CCD-Kamera Konstant-Strom-Regelung in der Grundphase, Konstant-Strom-Regelung in der Impulsphase Konstant-Strom-Regelung in der Grundphase, Konstant-Spannung-Regelung in der Impulsphase local thermal equilibrium, s. auch LTG lokales thermodynamisches Gleichgewicht Magnesium Magnesiumoxid, auch Periklas Metall-Aktiv-Gasschweißen Micro-Channel-Plate oder auch Multi-Channel-Plate Metall-Inert-Gasschweißen Metall-Schutz-Gasschweißen gepulstes Metall-Schutz-Gasschweißen Magneto-Hydro-Dynamik Stickstoffmonoxid Stickstoffdioxid Stickstoff Sauerstoff Ozon partial local thermal equilibrium, s. auch PLTG partielles lokales thermodynamisches Gleichgewicht Schwefelhexafluorid Schwefeldioxid Stahl fiberoptische Platte thermal equilibrium, s. auch VTG Titannitrid Volumenanteil / pro Million vollständiges thermodynamisches Gleichgewicht Wärmeeinflusszone Wolfram-Inert-Gasschweißen Zirkonnitrid

12 4 EINLEITUNG 1 EINLEITUNG Als moderne Konstruktionswerkstoffe gewinnen Aluminiumlegierungen in allen Industriebereichen zunehmend an Bedeutung, wie im Maschinen-, Behälter- und Apparatebau sowie im Schiffs-, Schienen- und Fahrzeugbau, aber auch für viele Dinge des täglichen Gebrauchs. Der Leichtbau führt bei dynamisch beanspruchten bzw. mobilen Konstruktionen zu geringeren Massenkräften, geringerem Verschleiß und günstigeren Betriebskosten. Nicht nur der Ruf nach konsequenter Anwendung von Leichtbau-Kriterien, sondern vielmehr die Gesamtheit der charakteristischen Werkstoffeigenschaften haben gerade in jüngster Zeit, z. B. in der Automobilindustrie, zu einem sprunghaften Anstieg des Aluminiumverbrauchs geführt. Die Eigenschaften, die Aluminium zu einem begehrten Gebrauchsmetall machen, sind: niedriges spezifisches Gewicht bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit, die in die Größenordnung der Stähle reicht. Obwohl verglichen mit Stahl der E-Modul von Aluminium nur ein Drittel beträgt, lassen sich erhebliche Masseverringerungen erzielen aufgrund der mit 2,6-2,8 g/cm 3 ebenfalls nur einem Drittel der spezifischen Dichte. gute Zähigkeitseigenschaften bis zu tiefen Temperaturen ohne Versprödungserscheinungen, kfz-gitterstruktur bei naturharten Legierungen ohne Gitterumwandlung bei Abkühlung gute Umformbarkeit und Zerspanbarkeit, woraus günstige Verarbeitungskosten resultieren hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie magnetische Neutralität gute Korrosions- und Hitzebeständigkeit durch Oberflächenoxidbildung (Al 2 O 3, dicht, festhaftend, elektrisch isolierend, Schmelztemperatur 2050 C). Daneben lässt sich die Oxidoberfläche beispielsweise durch das Eloxieren elektrochemisch verdichten und damit eine sehr widerstandsfähige Oberflächenbeschichtung erzielen, die gleichzeitig farbig gestaltbar ist. sehr gute Recyclebarkeit mit einem hohem Schrottwert Neben den üblichen formschlüssigen Fügeprozessen hat das Schweißen einen ausgeprägt hohen Stellenwert in der industriellen Fertigung von Aluminiumwerkstoffen erlangt.

13 EINLEITUNG 5 Vorrangig aufgrund hoher Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitig hoher Nahtqualität haben sich das MIG-Schweißen - hier gerade auch das Impulsstromschweißen - und das WIG-Schweißen durchgesetzt. Doch trotz der guten Schweißeigenschaften der meisten Aluminiumlegierungen führen die werkstoffspezifischen Eigenschaften auch zu grundsätzlichen Verarbeitungsunterschieden gegenüber anderen Metallen. So tritt eine Neigung zur Porosität durch in der Oxidschicht eingelagerte Wasserstoffverbindungen auf. Die hohe Wärmeausdehnung führt besonders bei Dünnblechen zu starkem Verzug und die hohe Wärmeleitfähigkeit erfordert trotz des nur bei etwa bei 660 C liegenden Schmelzpunktes eine etwa gleich hohe Wärmeeinbringung wie bei Stahl, hingegen bei Dickblechen sogar eine deutlich höhere. Weiterhin verursachen in der Schweißpraxis oft anzutreffende, typische Fehler, wie z. B. Wurzel- und Flankenbindefehler, sowie starke Spritzerbildung erhebliche Nacharbeitskosten, die weit über die Kosten der eigentlichen Schweißfertigung hinausgehen können. Zur Vermeidung dieser Fehler ist zum einen eine besondere Vorbereitung der Bleche für das Schweißen von Aluminiumwerkstoffen erforderlich, d. h. ein Entfetten der Oberfläche und die mechanische oder chemische Oxidhautbeseitigung im gesamten Fugenbereich. Zum anderen ist eine sorgfältige Wahl der Schweißparameter zur Gewährleistung einer hohen Prozesssicherheit notwendig. Ein möglicher und in den letzten Jahren intensiv erforschter Weg sind externe Prozessüberwachungen und Qualitätssicherungen mit offline- oder teilweise auch schon in Echtzeit arbeitenden Sensorsystemen. Doch bislang verhindern die immens große Informationsmenge bei der Datenverarbeitung und die damit verbundenen Kosten den industriellen Einsatz von geschlossenen Regelkreisen für diesen Zweck weitgehend. Es handelt sich also beim Schweißen nach wie vor um einen gesteuerten Prozess, auch wenn für einzelne Aufgaben, wie z. B. die Nahtführung in der mechanisierten bzw. automatisierten Anwendung, geschlossene Regelkreise vielfältig Anwendung finden. Doch ist die Schweißfachkraft auch hierdurch keineswegs ersetzbar, vielmehr tritt die Forderung nach höherer fachlicher Qualifikation für die Bedienung solch immer aufwendig werdender Systeme in den Vordergrund. Daher ist jede Maßnahme zur Verbesserung der inneren Prozesssicherheit erstrebenswert. So wird beispielsweise durch die Pluspolung der Elektrode beim MIG- Schweißen erreicht, dass die nach einer Oberflächenreinigung sich immer wieder neubildende Oxidschicht während des Schweißens durch die sog. kathodische

14 6 EINLEITUNG Reinigung der Werkstückoberfläche beseitigt wird. Selbstverständlich setzt dieses das stabile Brennen des Lichtbogens voraus, das üblicherweise durch die sog. innere Regelung beim Schweißen mit nichtgepulstem Strom gewährleistet wird. Da bei dem Impulsstromschweißen mit I G /I P -Charakteristik die Dauer der Impulsphase bekanntermaßen für diese Art der Regelung in der Regel nicht ausreicht, wird hier in kommerziellen Energiequellen eine zusätzliche, äußere Regelung der Prozessparameter zur Konstanthaltung der Lichtbogenlänge realisiert. Zur Kategorie der Verbesserung der inneren Prozesssicherheit ist ebenfalls jede Möglichkeit zur Erhöhung der Lichtbogenbrennstabilität zu zählen. Hierfür sind in den letzten Jahren zumindest für den höheren Leistungsbereich spezielle Schweißschutzgase auf den Markt gekommen, die durch geringste Stickstoff- oder auch Stickoxid- sowie auch Sauerstoffzusätze im vpm - Bereich, z.b vpm, eine Schweißnaht-Qualitätsverbesserung und eine bessere Verarbeitbarkeit bewirken sollen. Doch bisher sind diese Gase nicht für den unteren Leistungsbereich und nicht ausreichend für das Impulsstromschweißen im Dünnblechbereich hinsichtlich ihres Einflusses auf den Schweißprozess systematisch untersucht worden.

15 ZIELSETZUNG 7 2 ZIELSETZUNG Der Blechdickenbereich zwischen 1,0 mm und 2,5 mm stellt für den Automobilbau die häufigste Anwendung dar. Besonders hier wird trotz eines inzwischen starken Wettbewerbs mit dem Laserstrahlschweißen eine Forderung nach breiterem Einsatz des MIG-Impulsstromschweißens mit maximierter Prozesssicherheit immer größer. Als molekulare Aktiv -Gaszumischungen zu Argon und Argon-Helium-Mischgasen sind Gase wie O 2, CO, CO 2, CH 3, SF 6, SO 2, N 2, NO und NO 2 sowie auch Methan zum Teil bereits in handelsüblichen Schweißschutzgasen enthalten. Hierzu sind der bekanntermaßen positive Einfluss dieser Aktivgaszumischungen im inerten Schutzgas wiederholt für das WIG-Schweißen und den oberen Leistungsbereich beim ungepulsten MIG-Schweißen beschrieben worden /Far96, Far97, LN97, MW94, nn97/. Daneben wird in einer älteren umfangreichen Untersuchung über den Einfluss von Aktivgasgehalten von 1 % - 20 % auf das Schweißverhalten von A5083 (vergl. EN AW-AlMg4,5Mn0,7) berichtet /FS70/. Doch bisher sind für diese Anwendung im unteren Leistungsbereich die Auswirkungen dieser Aktiv -Mischgase beim gepulsten Al-MIG-Schweißen nicht untersucht worden. Schweißlichtbogenplasmen, insbesondere beim WIG-Schweißen und z. T. beim MAG-Schweißen mit Stahlelektroden, sind vielfältig untersucht worden, /BD00, Con59, CSW90, DAE86, DSH00, FHC86, Hai98, HL96, JMS95, MA94, MBE95, Mur94a u. b, Mur96, Mur01, SHL00, Yon95, u.v.a./. Dennoch gibt es nur wenige Arbeiten über das Verhalten von Aluminium-Legierungen /Gli79, JWS93, JMS95, LMHM97, Man56, SA68, Ton75, TK62, TMNG92, UNTTM95/. Auch sind bisher nur wenige wissenschaftliche Arbeiten über die grundlegenden Ursachen der beschriebenen Einflüsse von geringen molekularen Aktivgaszumischungen beim MSG-Schweißen bekannt /Con59, Jac92, Jue85, KG79, Lan86, LMHM97, MTGN89, MA94, Mur94a u. b, Mur96, Nem96, Yon95/. Insbesondere für Gehalte unterhalb von 1 % zur Anwendung beim gepulsten MIG-Schweißen liegt kaum Fachliteratur vor. Es besteht damit dringender Bedarf nach Aufklärung der Ursachen dieser teilweise schon bekannten Effekte zum Schutzgaseinfluss solcher geringsten Aktivgaszumischungen - Impurities - auf das Schweißlichtbogenplasma, insbesondere im Zusammenhang mit dem MIG-Impulsstromschweißen von Dünnblechen.

16 8 ZIELSETZUNG Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, den Einfluss von Aktivgaszumischungen im vpm-bereich auf das mechanisierte MIG-Impulsstromschweißen im Aluminium-Dünnblechbereich grundlegend zu untersuchen. Als Blechwerkstoff wird die im Automobilbau häufig eingesetzte, naturharte und gut schweißgeeignete Aluminium- Magnesium-Legierung EN AW-AlMg5Mn (EN AW-5182) mit artgleichen Schweißzusätzen verschweißt. Im ersten Teil werden zur Quantifizierung des Gaseinflusses im Vorfeld alle herkömmlichen Schweißqualitäts-Prüfverfahren eingesetzt, um etwaige Veränderungen der Schweißnahtqualität zu bewerten. Nach Festlegung charakteristischer Prüfkriterien werden für die Gase Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff diese Veränderungen systematisch bei schrittweiser Steigerung ihres Gehaltes im Argon untersucht und bewertet. Schwerpunkt dieser Qualitätsprüfung ist die Ermittlung der mechanisch-technologischen Kennwerte, des Einbrands, der Porosität und der Spritzerbildung. Im zweiten Teil wird mit einer vertieften Analyse des Werkstoffübergangs sowie der plasmaphysikalischen Zusammenhänge im Lichtbogen einschließlich einer Temperaturfeldbestimmung versucht, die Ursachen für die Auswirkungen dieser Mischgase gegenüber reinem Argon aufzuzeigen. Als wichtigste Werkzeuge werden hierfür neben der Aufzeichnung der transienten elektrischen Momentanwerte von Schweißstrom und -spannung die Hochgeschwindigkeitsfilmtechnik und die Emissionsspektroskopie eingesetzt. Ausgangspunkt für alle Untersuchungen ist die Verwendung einer kommerziellen transistorisierten sekundärgetakteten Inverter-Impulsenergiequelle mit reiner Stromregelung (I G /I P -Charakteristik) und integrierter Lichtbogenlängenregelung, d. h. einer Lichtbogenspannungsregelung über eine Arbeitspunktverschiebung des Impulsparameterfeldes.

17 STAND DER TECHNIK 9 3 STAND DER TECHNIK Nach der Entdeckung des Lichtbogens durch W. W. PETROV bzw. H. DAVY zu Beginn des 19. Jahrhunderts vergingen fast 100 Jahre bis zu seiner ersten schweißtechnische Anwendung /Con59/. Doch schon um 1885 sind von BENARDOS und ALEXANDER erste Schutzgasschweißungen patentiert worden /Con59/. Die Untersuchung der lichtbogenphysikalischen Grundlagen begann in den 30er Jahren und ist bis heute nicht abgeschlossen, obwohl wesentliche Grundlagen inzwischen geklärt sind. Insbesondere die grundlegende Untersuchung des industriell vielfältig eingesetzten Prozesses MSG-Lichtbogenschweißen mit hohen Metalldampfgehalten meist mehrerer Elemente aus Elektrode, Grundwerkstoff sowie Schutzgas stellt plasmaphysikalisch eine äußerst komplexe Aufgabe dar, die mit experimentellen Methoden nur unter Vereinfachungen und analytisch bisher auch nur in Ansätzen gelöst wurde. 3.1 Besonderheiten beim Schweißen von Aluminiumlegierungen Im Gegensatz zu Stahl tritt bei Aluminium mit seiner kfz-atomgitterstruktur keine Gitterumwandlung bei der Abkühlung auf. Im Besonderen beim Schweißen von Stahl führt diese Gitterumwandlung in der WEZ zu einem Aufhärtungsgefüge, dem Martensit, dessen Härte bei ungünstiger Wärmeführung ein Vielfaches des Grundwerkstoffes betragen kann. Dagegen erfolgt bei den naturharten Aluminiumwerkstoffen weder durch die schweißtechnische Verarbeitung während der Abkühlung eine Aufhärtung noch bei tiefen Temperaturen eine Versprödung. Tabelle 3.1: Physikalische Eigenschaften von Aluminiumlegierungen und Stahl, /Dil95, Huf77/ Al-Legierung Ferrit Austenit spez. Wärmekapazität kj/kg K 0,051 0,0262 0,0286 spez. Entropie W/m K 9,7...17,7 2,26 1,13 Ausdehnungskoeffizient K , , Wärmeleitfähigkeit W/m K Dichte kg/m³ 2,6-2, , , Zugfestigkeit MPa 66,6...68, Schmelzwärme MJ/kg 0,395 0,270 Schmelzbereich K

18 10 STAND DER TECHNIK Doch trotz der im allgemeinen als gut zu bezeichnenden Schweißeignung der meisten Aluminiumlegierungen sind werkstofftypische Fehler bei der schweißtechnischen Verarbeitung wie Porosität, Heißrissbildung, Bindefehler und Spritzerbildung zu beachten /DVS94/. Zurückzuführen sind diese Fehler in erster Linie auf das Vorhandensein der Al 2 O 3 -Oxidschicht, die hohe Wärmeleitfähigkeit sowie die z. T. großen Erstarrungsintervalle, Tabelle Oxidbildung Aufgrund der hohen Affinität des Aluminiums zu Sauerstoff ist für alle Aluminiumwerkstoffe die Bildung bzw. das Vorhandensein der Al 2 O 3 -Oxidschicht charakteristisch. Diese ist porenfrei, festhaftend, elektrisch isolierend, und besitzt im Vergleich zum reinen Metall Aluminium mit 2050 C eine mehr als dreifach höhere Schmelztemperatur. Ihre Schichtdicke kann bis zu einigen Tausendstel Millimetern betragen. Diese im Vergleich zu Eisenoxid dichte Oxidschicht ermöglicht einen hohen Korrosionswiderstand trotz vergleichsweise niedrigem elektrochemischen Potentials (Passivierung), der durch elektrochemische Verfahren wie die anodische Oxidation noch verbessert wird und sich damit das Oxid gleichzeitig gut einfärben lässt. Andererseits stellt die Oxidschicht mit ihren eingelagerten Wasserstoffverbindungen eine Ursache für Porosität und auch Bindefehler dar. So sinken während des Schweißens die schwereren und noch festen Oxide in der Aluminiumschmelze nach unten in die Wurzel oder haften an den Nahtflanken, und die Gefahr für die Entstehung von Bindefehlern wird stark erhöht. Der in Form von OH-Gruppen eingelagerte Wasserstoff, z. B. als Al(OH) 3, wird in der hocherhitzten Schmelze gelöst und anschließend bei der Erstarrung aufgrund des ausgeprägten Löslichkeitssprungs ausgeschieden /Ive74, Vog84/, Bild 3.1. Bei schneller Erstarrung wird das Ausgasen behindert und es entsteht Porosität. Aus diesen Gründen ist die Oxidhaut beim MIG-Schweißen wie folgt zu entfernen /AD90, nn85, RSO92/: vor dem Schweißen mechanisches Abarbeiten (z. B. Bürsten, Schaben), oder Beizen während des Schweißens kathodische Reinigung, wobei das Werkstück als Minuspol und die Elektrode als Pluspol geschaltet wird - beim MSG-Schweißen übliche Polung - /DRG92/ thermische Reinigung der Schmelzbad-Oberfläche durch die thermische Bewegung des flüssigen Metalls. Der mechanische Zerfall der Oxide wird bei

19 STAND DER TECHNIK 11 gepulstem Lichtbogen durch die Erzeugung von Wellen verstärkt, die sich von der Schmelzbadmitte zum Schmelzbadrand fortpflanzen, /Kil84/. Die Neubildung der Oxidschicht wird durch den inerten Schutzgasmantel weitestgehend verhindert. Bild 3.1: Wasserstofflöslichkeit in Aluminium in Abhängigkeit von der Temperatur, /Vog84/ Allerdings ist ein stabiler Lichtbogen beim Schutzgasschweißen auf völlig oxidfreien Aluminiumwerkstückoberflächen insbesondere bei kleinen Strömen schwer erzielbar /FM56, Ive74, Kil84, Sch73/. Metalloxide, so auch Al 2 O 3, weisen eine geringere Elektronenaustrittsarbeit als reine Metalle auf. Darin liegt die Ursache für das bevorzugte Ansetzen des Kathodenfußpunktes an den Oxidschichten bei Anwesenheit eines Dielektrikums. Die aus den Oxidpartikeln auf der Oberfläche des Metalls emittierten Elektronen bewirken eine größere Lichtbogenstabilität, da die Wanderung des Kathodenfußpunktes vermindert wird. Zusätzlich geben die Elektronen ihre Austrittsarbeit an der Anode beim Eintritt ab und sorgen damit für eine Erhöhung der Anodentemperatur. Daher ist nach der Oberflächenreinigung vor dem Schweißen eine Zeit von ca. 30 min abzuwarten, um die Neubildung einer dünnen Oxidschicht zu gewährleisten.

20 12 STAND DER TECHNIK Porenbildung Neben porenbegünstigenden kleinen Erstarrungsintervallen stellen Art und Umfang der Quellen für porenverursachende Gase die wichtigste Ursache für die Porenbildung dar. Da bei Aluminiumwerkstoffen die Porosität auch unter Berücksichtigung aller Maßnahmen nicht vollständig vermieden werden kann, sind der Einfluss der Porosität auf die mechanischen Eigenschaften /AWD75, Huf77/ und die Ursachen der Porenentstehung in vielen Arbeiten /AD89, DRG92, How71, Ive74, Rie89, Thi73/ untersucht worden. Obwohl nach ASHTON /AWD75/ die Zugfestigkeit schon ab 1 % Porenvolumenanteil stark abnimmt, wird die Streckgrenze nur in geringem Maße beeinflusst. Bei dynamischer Beanspruchung wirken lediglich Oberflächenporen stark festigkeitsmindernd, ansonsten haben Poren im Vergleich zur Nahtüberhöhung einen geringeren Einfluss auf die Dauerfestigkeit. In der gesamten Literatur wird ausschließlich Wasserstoff als Porenursache mit dem für Aluminium charakteristischen Löslichkeitssprung bei 933 K genannt, Bild 3.1. Dabei nimmt die Löslichkeit während der Erstarrung auf etwa 1/20 ab, und der freiwerdende atomare Wasserstoff assoziiert an den Phasengrenzflächen in der breiig werdenden Schmelze zu molekularem Wasserstoff. Dieser kann nicht mehr aus der vollends erstarrenden Schmelze austreten und führt zu perlenschnurartigen Porenketten entlang der Korngrenzen /DRG92, How71, nn85, Rie89/. Da besonders beim Metallschutzgasschweißen hohe Schweißgeschwindigkeiten verwendet werden, verhindert die schnelle Erstarrung das vollständige Ausgasen. Neben der Oxidhaut der Werkstück-Fugenkanten ist der Elektrodendraht der größte Lieferant für Wasserstoff, da hier das Oberflächen-Volumen-Verhältnis sehr ungünstig ist /DRG92, Has85/. Daher ist auf eine möglichst oxidfreie Drahtoberfläche zu achten. Weitere Maßnahmen zur Vermeidung der Porenentstehung sind, /DRG92, Dil95, Has85, Kil84, nn82/: Entfernen der Oxidschicht nach dem Entfetten der Werkstückoberfläche durch Beizen, Bürsten oder Schaben trockene, möglichst ungeöffnete Lagerung der Drahtelektroden und schnelle Verarbeitung nach Öffnen der Packung Verbesserung der Ausgasungsbedingungen durch größere Schmelzbäder und kleinere Abkühlungsgeschwindigkeiten Vermeidung von Turbulenzen infolge Luftzug, zu hohe oder zu niedrige Schutzgasmenge oder falschen Brennerwinkels

21 STAND DER TECHNIK 13 Entfernung von Spritzern aus der Schutzgasdüse zur Vermeidung von Turbulenzen Erzeugung eines schwingenden Schmelzbades durch gepulsten Lichtbogen zur besseren Entgasung Heißrissbildung Aluminiumwerkstoffe unterliegen vorrangig der Gefahr von Heißrissen. Sie entstehen beim Abkühlen, wenn sich zwischen bereits gebildeten Kristallen noch flüssige Zonen (z. B. niedrigschmelzende eutektische Verbindungen) befinden. Diese lagern sich an den Korngrenzen ab. Beim Erstarren der Schmelze kommt es durch das Schrumpfen zu Lageveränderungen bereits erstarrter Körner. Die bei der Abkühlung entstehenden Schrumpfspannungen können durch die noch flüssigen Bereiche nicht aufgenommen werden. Darüber hinaus resultieren aus feinsten Fehlstellen beim weiteren Erkalten Erstarrungsrisse, die zumeist interkristallin verlaufen /AD90, BF90, DRG92, Ive74, nn85/. Die Rissgefahr von Aluminiumlegierungen ist abhängig vom Legierungstyp und von der Höhe der Legierungsgehalte /AD90/. Sie nimmt mit zunehmendem Erstarrungsintervall zu. So neigen z. B. nichtaushärtende Aluminiumlegierungen mit 1-2 % Magnesium verstärkt zur Heißrissbildung, Bild 3.2, Bild 3.3. Bild 3.2: Heißrissneigung von Aluminiumwerkstoffen in Abhängigkeit vom Silizium- und Magnesiumgehalt /DVS91/

22 14 STAND DER TECHNIK Zusätze von Chrom und/oder Mangan verbessern die Risssicherheit dieser Legierungen, wodurch z. B. der Werkstoff AlMg4,5Mn (vergl. R-5183) besser schweißgeeignet ist als binäre Aluminium-Magnesium-Legierungen. Auch sind viele aushärtbare Aluminiumlegierungen infolge der Höhe an Legierungselementen - insbesondere bei nicht-eutektischen Legierungen - relativ rissanfällig /AD90/. Heißrissgefährdete Werkstoffe sind möglichst mit großen Schweißgeschwindigkeiten zu fügen /BF90/, Bild 3.3. Die Wahl geeigneter Zusatzwerkstoffe /DRG92/ trägt ebenso zur Reduzierung der Rissneigung bei, wie die Ausführung ausreichend langer Heftnähte, eine geeignete Schweißfolge, die Vermeidung von Endkratern und die Verwendung von Hilfsblechen gegen Risse am Nahtanfang und -ende /BF90/. Bild 3.3: Erstarrungsintervalle üblicher Schweiß-Aluminiumlegierungen /BF90/ Spritzerbildung Spritzer sind als unerwünschter Werkstofftransport Bestandteil des gesamten Werkstoffübergangs neben dem regulären Tropfenübergang. Sie unterscheiden sich

23 STAND DER TECHNIK 15 vom ordnungsgemäßen Werkstoffübergang durch ein deutlich kleineres Volumen und die Größe und Richtung ihres Bewegungsvektors /Ruc70/. Neben dem Verlust von Zusatzwerkstoff verursacht das Entfernen von Spritzern erhebliche Zusatzkosten. Spritzer setzen sich z.t. in der Schutzgasdüse fest, so dass Turbulenzen des Schutzgasstromes entstehen können und damit durch Einwirbeln von Luft in den Schutzgasschleier die Porenbildung begünstigt wird. Ein Festsetzen am Kontaktrohrende kann den Drahttransport behindern. Spritzer beeinträchtigen zudem das optische Erscheinungsbild der Naht. Nach RUCKDESCHEL /Ruc70/ kommen für das Impulsstromschweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen drei Mechanismen der Spritzerbildung zum Tragen, Tabelle 3.2. Mechanismus 3 ist insbesondere bei AlMg-Legierungen anzutreffen. Ursache dafür ist der um 1360 K niedrigere Siedepunkt des Magnesiums von T S = 1380 K gegenüber dem des Aluminiums (T S = 2740 K). Diese Temperatur wird während der Impulsphase meist nach kurzer Zeit erreicht, was zum plötzlichen Verdampfen des Magnesiumanteils im übergehenden Tropfen führt. Das sich dabei durch die Metalldampfbildung schlagartig vergrößernde Tropfenvolumen bewirkt ein Zerplatzen des Tropfens beim Entweichen des rasch expandierenden Metalldampfes /DRG92, Kil90, Woo80/. Die gleiche Wirkung haben Legierungselemente mit ähnlich hohem Dampfdruck wie Magnesium, z. B. Zink und Lithium, was auf eine deutliche Abhängigkeit der Spritzerbildung vom Dampfdruck hinweist /Woo80/. Tabelle 3.2: Mechanismen der Spritzerbildung /Ruc70/ Mechanismus Kennzeichnung Spritzergröße u. -geschw. Ursachen 1 Spritzerentstehung beim Ablösen des Tropfens 2 Ablösung kl. Spritzer vom unruhigen Tropfen 3 hohle Tropfen platzen auf Flugweg je langsamer der Flüssigkeitssteg zerfällt, desto gröber und langsamer werden die Spritzer; Flugbahn axial kleine bis mittlere Spritzer, rasch wegfliegend kleine, sehr schnelle Spritzer Durch Erwärmung explosionsartiges Verdampfen des Flüssigkeitsstegs, gelegentlich auch durch Pincheffekt Dyn. Kräftewirkung auf Tropfen Gas-/Metalldampfbildung im Tropfen Neben der Spritzerbildung vermindert der Magnesiumverlust die Festigkeit der Schweißverbindung /Kil90, PM78/. KILLING stellte beim MIG-Schutzgasschweißen von SG-AlMg4,5Mn (vergl. R-5183) mit 1,6 mm Drahtdurchmesser Abbrand- und

24 16 STAND DER TECHNIK Verdampfungsverluste im Schweißgut von mehr als 5% bezogen auf den Mg-Gehalt der Elektrode fest. Besonders gering waren diese Verluste beim Impulsstromschweißen unter Argon ohne Heliumanteil im unteren Leistungsbereich. Beobachtet wurden des weiteren durch Mg-Verdampfung verursachte Turbulenzen im Lichtbogen, eine Aufrauhung der Tropfenoberfläche und ein Vibrieren des Tropfens. Drahtelektroden aus AlMg-Legierungen erfordern höhere Lichtbogenspannungen als solche aus Reinaluminium. Dies wird auf die geringere elektrische Leitfähigkeit im freien Drahtelektrodenende und auf die Änderung der Leitfähigkeit der Lichtbogenstrecke durch verdampfendes Magnesium zurückgeführt /Kil90/. Durch die Anwendung der Impulsstromtechnik wird die Spritzerbildung erheblich verringert /Kil90/. Diese wird beim Impulsstromschweißen auch durch die Schweißparameter beeinflusst. Bei Versuchen von DILTHEY /DRG92/ mit einer analogen Transistorenergiequelle mit I G /U P -Modulation führte eine Senkung der Impulsspannung zu einer langsameren Erwärmung des Drahtendes. Die Magnesiumverdampfung durch Überhitzung des Tropfens wurde vermindert. Ein zu lang eingestellter Impulslichtbogen begünstigt daher die Spritzerbildung. Die Tropfenablösung sollte möglichst weit in der fallenden Impulsflanke oder in der sich anschließenden Grundstromphase stattfinden, um die effektive Spannung auf die zur Tropfenablösung gerade notwendige Höhe zu begrenzen /BF90/ Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit Aluminium besitzt eine hohe spezifische Wärmekapazität und -leitfähigkeit, wodurch die notwendige Streckenenergie trotz der niedrigeren Schmelztemperatur in der gleichen Größenordnung wie bei Stahl liegen soll, um Bindefehler und Poren infolge einer behinderten, unvollständigen Ausgasung bei Legierungen mit kleinen Erstarrungsintervallen zu vermeiden, /AD90, KLLN87, nn85/. Andererseits tritt eine Heißrissneigung verstärkt bei Al-Legierungen mit großem Erstarrungsintervall auf, Bild 3.3. Bei Anwendung des MIG-Schweißens sind vollständig porenfreie Schweißnähte wegen der charakteristisch hohen Wärmezufuhr und des daraus resultierenden schnellen Schweißens nicht zu erzielen /KLLN87/. Erfolgt beim Schweißen keine große und möglichst konzentrierte Wärmezufuhr, so entsteht eine breite, grobkörnige Wärmeeinflusszone /AD90/. Darüber hinaus kommt es bei kaltverfestigten und aushärtbaren Werkstoffen zu einem Festigkeitsabfall in der Wärmeeinflusszone durch Kristallerholung oder Rekristallisation. Bei naturharten, nicht kaltverfestigten Legierungen, wie den AlMg-Legierungen, wird beim Schweißen

25 STAND DER TECHNIK 17 mit artgleichen Zusatzwerkstoffen lediglich ein geringer Festigkeitsabfall durch Grobkornbildung beobachtet /AD90, KLLN87/. Besonders bei kleinen Abmessungen machen sich beim Schweißen die Auswirkungen einer hohen Wärmeleitfähigkeit durch die Notwendigkeit der laufenden Änderung der zugeführten Streckenenergie infolge der voreilenden Erwärmung bemerkbar. Unterschiedliche Wanddicken sind nur mit Hilfsmaßnahmen gegen rasche Wärmeableitung - z. B. Vorwärmen des dickeren Bleches - schweißbar. Durch die schnelle Erstarrung des Schmelzbades lassen sich hingegen Zwangslagen einfacher als bei Stahlwerkstoffen schweißen. Bei Blechstärken ab ca. 15 mm ist ein Vorwärmen des Bleches auf C erforderlich, um ein sicheres Aufschmelzen der Nahtflanken zu gewährleisten /DRG92/. Die gegenüber austenitischem Stahl ca. 1,5fach größere lineare Wärmeausdehnung und das hohe Schwindmaß können zu Eigenspannungen, Verzug und Rissen führen. Der Verzug wird durch hohe Schweißgeschwindigkeiten vermindert /KLLN87, nn85/. Zur Vermeidung der Auswirkungen der hohen Wärmeleitfähigkeit sollten Schweißverfahren mit großer und möglichst konzentrierter Wärmezufuhr eingesetzt werden, /AD90, nn85/. Der MIG-Prozess ist dafür besonders gut geeignet, da er gegenüber dem WIG-Schweißprozess eine höhere Energiedichte besitzt und damit eine höhere Schweißgeschwindigkeit ermöglicht, /Ive74/. 3.2 Der Metall-Inert-Gas-Schweißprozess Für das Schweißen von Aluminium werden heute industriell fast ausschließlich die Schutzgas-Schweißprozesse WIG- und MIG-Schweißen eingesetzt, die schon seit mehr als 40 Jahren das Gasschweißen und inzwischen auch das E-Handschweißen weitgehend verdrängt haben. Entscheidend hierfür ist die höhere Leistungsfähigkeit dieser Verfahren, die den speziellen Anforderungen für das Aluminiumschweißen besser genügen, da dieser Werkstoff im Vergleich zu Stahl einen zwar nur etwa halb so hohen Schmelzpunkt hat, doch eine etwa viermal so hohe Wärmeleitfähigkeit und doppelt so hohe Wärmeausdehnung. Darüber hinaus wird durch das Schutzgas eine besonders gute Abschirmung der Atmosphäre gewährleistet. Hieraus und aus Kap. 3.1 lassen sich folgende Prozessanforderungen für das Schweißen von Aluminiumwerkstoffen formulieren, /nn85, Aic96/: hohe Wärmekonzentration

26 18 STAND DER TECHNIK hohe Schweißgeschwindigkeit Entfernung der Werkstück-Oxidhaut sowie oxidarme Zusatzdrahtoberflächen Verhinderung der Oxidneubildung während des Schweißens niedriger Wasserstoffangebot So wird mit diesen beiden Schutzgasschweißprozessen beispielsweise die hochschmelzende Oxidschicht durch die kathodische Reinigung bei Pluspolung der Elektrode beseitigt. Zur Vermeidung einer Überhitzung der Wolframelektrode beim WIG-Schweißen wird üblicherweise mit Wechselstrom gearbeitet, wodurch eine ausreichende Reinigung gewährleistet wird. Besonders im Dünnblechbereich wird der MIG-Prozess, Bild 3.4, für Aluminiumstumpfnähte unter 3 mm durch pulsierendem Strom erheblich verbessert /Ive74, Aic96/. Bild 3.4: Verfahrensprinzip des MIG-Schweißens Pulsen des MSG-Schweißprozesses Kennzeichnend für das MIG-Impulslichtbogen-Schweißen - besser zutreffend ist Bezeichnung MIG-Impulsstromschweißen, da der Schweißstrom gepulst wird und der Lichtbogen hierauf reagiert - ist die Überlagerung eines niedrigen Grundstroms mit Stromimpulsen, deren Höhe, Dauer und Frequenz in weiten Bereichen einstellbar ist. Übliche Impulsfrequenzen liegen zwischen 25 Hz und 300 Hz. Während der Grundstromphase werden das flüssige Drahtelektrodenende und das Schmelzbad

27 STAND DER TECHNIK 19 auf Schmelztemperatur gehalten, aber es erfolgt kein Tropfenübergang. Der Grundstrom braucht lediglich so groß zu sein, dass der Lichtbogen zwischen den Impulsen gerade nicht erlischt und das Plasma und damit die Ionisierung der Lichtbogenstrecke aufrechterhalten bleiben, um die kathodische Reinigung in dieser Phase sicherzustellen. Der Impulsstrom erzwingt das Ablösen zumeist eines Tropfens von der Drahtelektrode, der kurzschlussfrei zum Schmelzbad übergeht. Durch diesen kurzzeitigen Sprung in den Sprühlichtbogenbereich wird ein gesteuerter Werkstoffübergang erreicht /BF90, DRG92, Has85, Kil79, Kil84, Mun70, nn85, Ruc70/. Beim Impulsstromschweißen werden neben der Grund- und Impulsstromhöhe sowie der Frequenz auch die Impulsdauer, die Grundstromzeit und die Impulsanstiegs- und -abfallgeschwindigkeiten eingestellt. Der Werkstoffübergang beim Schweißen mit Impulslichtbogen ist in Bild 3.5 schematisch dargestellt. Bild 3.5: prinzipieller zeitlicher Stromverlauf und Darstellung des Werkstoffübergangs beim MIG-Impulsstromschweißen Physikalische und technologische Grundlagen Der Sprühübergang in der Impulsphase tritt auf, wenn der Impulsstrom die kritische Stromstärke überschreitet (I P > I krit ) /Ruc70, DHP71, Sch85, SZ95, Nem96, 97 u. 98/. Die kritische Stromstärke hängt von der Zusammensetzung des Elektrodendrahts, der Schutzgaszusammensetzung, dem Drahtdurchmesser, der Lichtbogenspannung und der freien Drahtlänge ab /Ruc70/.

28 20 STAND DER TECHNIK Die Impulsphase muss mindestens so lange dauern, bis eine Tropfenablösung stattfindet. Die Anzahl der abgelösten Tropfen hängt lediglich von der Impulsbreite ab. In Hinblick auf die Spritzerbildung wird in früheren Arbeiten der ein-tropfen-pro-impuls- Werkstoffübergang gefordert /BF90, DRG92, Nem98, Sch85, SZ95, WK89, u.a./, doch heute wird vielfach nur die Reproduzierbarkeit des Werkstoffübergangs in der Impulsphase gefordert, ohne die Tropfenzahl zwingend zu begrenzen /GDG01/. Bild 3.6 stellt die zur Tropfenablösung maßgeblichen Kräfte beim Schutzgasschweißen dar. Die Pfeilrichtungen geben an, ob die jeweiligen Kräfte einer Tropfenablösung entgegenwirken oder sie begünstigen. Oberflächenspannung und Viskosität des Tropfens wirken der Tropfenablösung entgegen, nehmen aber mit steigender Temperatur ab. Andererseits bewirkt die Oberflächenspannung eine kugelförmige Ausbildung der flüssigen Elektrodenspitze, die wiederum eine Einschnürung oberhalb zum noch nicht aufgeschmolzenen Draht hin begünstigt. An dieser Stelle verminderten Querschnitts wirkt die Lorentzkraft stärker. PINCH-Effekt Bild 3.6: Kräfte beim Tropfenübergang für das MSG-Schweißen, /Ruc70/ Dieser durch die Lorentz-Kraft hervorgerufene Pincheffekt hat beim MIG-Schweißen den größten Einfluss auf die Tropfenablösung. Dabei schnüren radial wirkende Druckkräfte das flüssige Elektrodenende ein. Die axiale Kraftkomponente aus dem Einschnürungskraftvektor an den Lichtbogenansatzstellen beschleunigt den abgelösten Tropfen zum Werkstück hin /Kil79, Kil84, Lan62, Ruc70/. Unterstützt wird die Tropfenablösung durch die Joule sche Erwärmung, die Strahlungserwärmung sowie

29 STAND DER TECHNIK 21 die Erwärmung aus dem Anodenfall, die mit kleiner werdendem Leiterquerschnitt während der Ablösung überproportional zunimmt und zu einer Verminderung der Viskosität führt. Der,,impulsgesteuerte" Werkstoffübergang wird erst oberhalb I krit möglich, da ansonsten die einschnürende Kraft zu klein ist /DHP71, Kil79, Nem96, 97 u. 98, Sch85, SZ95/. Als ausschlaggebender Faktor wirkt sie jedoch lediglich bei inerten Gasen, wo die diffusen Lichtbogenansatzzonen während der Impulsphase weit genug am Elektrodenende hochsteigen und eine Einschnürung stattfinden kann. Bei Aktivgasen wie CO 2 hat der Pincheffekt wegen der anderen Lichtbogenform (kleine, kontrahierte Lichtbogenansatzfläche an der Unterseite des Tropfens) und der größeren Oberflächenspannung des Tropfens kaum Einfluss auf die Tropfenablösung /BF90, Kil79/. Darüber hinaus wirken die hieraus resultierende punktuelle Verdampfung sowie der erhöhte Druck aus der expandierenden Schutzgasreaktion der Tropfenablösung entgegen. 3.3 Einfluss molekularer Zumischungen im Schutzgas Argon Im Gegensatz zum MAG-Schweißen von Stahl beschäftigten sich bislang wenige Arbeiten systematisch mit dem Einfluss von Aktivgas-Zumischungen im inerten Schutzgas Argon beim Metall-Schutzgasschweißen von Aluminiumwerkstoffen. Vielmehr werden in den meisten Arbeiten die anwendungsorientierten Vorteile bestimmter Aktivgas-Zumischungen dargestellt. Von den bekannten wissenschaftlichen Untersuchungen zu diesem Thema sind insbesondere jene von FUKUI /FS70/ hervorzuheben. Der Autor führte umfangreiche Untersuchungen an 5 mm - 10 mm dicken AIMg4,5Mn-Blechen (vergl. EN AW-5083) durch, bei deren Schweißung Schutzgase mit 1 % % N 2, 0,5 % % O 2 sowie 0,25 %... 2 % H 2 im Argon verwendet wurden. Als Schweißzusatzwerkstoff wurde eine 1,6 mm dicke Drahtelektrode des Typs SG-AIMg5 bzw. SG-AIMg4,5Mn (vergl. R-5356 bzw. R-5183) verwendet. Tabelle 3.3 ist als Übersicht die Literatur zusammengestellt worden, die sich mit Aktivgas-Zumischungen befasst. Es sei darauf hingewiesen, dass hier nur Literatur im Zusammenhang mit dem Aluminiumschweißen sowie dem WIG- und MIG- Lichtbogenplasma in Schutzgasen mit geringen Aktivgas-Zumischungen berücksichtigt worden ist und nicht die umfangreiche Literatur zu Aktiv-Mischgasen für das MAG-Schweißen von Stahl.

30 22 STAND DER TECHNIK Tabelle 3.3: Übersicht der Literatur zum Einfluss von verschiedenen Aktivgaskomponenten im Argon Gaszum. N 2 O 2 H 2 CO 2 Methan Literaturstellen AGA77, AIC97, Con59, DE90, Far96, Far97, Gli76, FS70, KG79, KKH88, LN97, MTGN89, MW94, MKNKI92, MA94, Mur94a, Mur94b, Mur96, nn97, Rai91, TMNG92, TPKNM94 Con59, EROWT96, FS70, HN88, JMS95, KG79, LN97, MMN91, MTGN89, MW94, MA94, RDO74, TMNG92, WM78, Yon95 Con59, FS70, HN88, LMHM97, MTGN89, MMN93, PM93, PPMN93, Rai91, Yon95 Con59, EROWT96, HP79, HN88, LN97, MW94, WM78 MTGN89 Ebenso hat WATANABE /WM78/ 10 mm dicke A5083-Bleche (vergl. EN AW-5083) mit 1,6 mm Schweißzusatz A5183 (vergl. R-5183) unter Ar + 2,9 % und 5,63 % O 2 sowie außerdem Ar + 5,76 % CO 2 MIG-geschweißt. Bei seinen Auftragsschweißungen betrachtete er insbesondere den Gaseinfluss auf Schmelzbadgröße und -form, Einbrand und Porosität. MUKAE u.a. /MKNKI92/ haben 100 % Ar, Ar + 25 % N 2 und 100 % N 2 als Schutzgase beim WIG- und MIG-Schweißen von 3 mm und 6 mm dicken A5083- Blechen (vergl. EN AW-5083) eingesetzt. Dabei standen mechanisch-technologische Untersuchungen, wie die Bestimmung von Härte, plastischem Dehnungsvermögen und dynamischem Festigkeitsverhalten im Vordergrund. Dagegen wird in /MW94, nn97/ zusammenfassend über die Ergebnisse der Untersuchung von FARWER /Far96, Far97/ mit AlMg3- und AlMg4,5Mn-Blechen (vergl. EN AW-5754 bzw. EN AW-5083) mit den Schutzgaszusammensetzungen Ar vpm (0, ,1 %) N 2 berichtet. Hier wird im Wesentlichen der Einfluss 150 vpm (0,015 %) N 2 auf das MIG- und WIG-Schweißen aufgezeigt. Neben N 2 hat FARWER Zusätze von vpm O 2, CO, CO 2, CH 3, SF 6, SO 2, NO und NO 2 untersucht. Er stellte dabei für das Wechselstrom-WIG-Schweißen bei allen Gasen ausnahmslos eine erhöhte Lichtbogenstabilität fest, die er auf eine Reaktion der Energiequelle zurückführte. Doch nur bei N 2 -Zusätzen seien gleichzeitig das Nahtaussehen und der Einbrand zu verbessern. Ebenso haben McCLURE u. a. /MTGN89/ den Einfluss von Argon- und Heliumschutzgasen und -plasmagasen mit Aktivgas-Zumischungen von N 2, O 2, H 2 und

31 STAND DER TECHNIK 23 Methan in der Größenordnung von vpm (0,001 %... 0,06 %) beim Wechselstrom-Plasmaschweißen von AlCuSiMn (vergl. EN AW-2219) beschrieben. Im Vordergrund ihrer Untersuchungen stand die Erkennbarkeit von Schutzgasverunreinigungen, sog. Impurities, durch Beurteilung des äußeren Nahtaussehens. Sie korrelierten die Aktivgas-Zumischungen mit deren Einfluss auf die Porosität, dem in ihren Untersuchungen wichtigstem Merkmal für die Schweißnahtqualität. Zur besseren Unterscheidung sind im Folgenden die Ergebnisse getrennt in Abhängigkeit von der Aktivgasart der Zumischung im Argon dargestellt Stickstoffhaltige Schutzgase Zur Reduzierung des Ozon-Gehaltes beim Metall-Schutzgasschweißen von Stahl und Aluminium wurden 1977 NO-haltige Argon-Schweißschutzgase vorgestellt /AGA95/. Durch Zusatz von 300 vpm NO wird die gesundheitsschädliche Ozonemission erheblich verringert. O 3 lässt sich dabei in Verbindung mit NO zu normalen molekularen Luftsauerstoff O 2 und ungiftigem NO 2 umwandeln und somit die Beeinträchtigung des Schweißers reduzieren. O+NO 3 O2+ NO2 Als positiver Nebeneffekt stellte sich bei den Untersuchungen eine höhere Schweißgeschwindigkeit, eine Verringerung der Rauchentwicklung sowie eine verbesserte Schweißnahtqualität heraus /AGA95/. Umstritten ist die Verwendung von NO x - Zusätzen wegen ihrer gesundheitsschädlichen Wirkung. FARWER /Far96, Far97/ u. a. /MW94, nn97/ nennen als wichtigste Verbesserungen beim MIG-Schweißen durch 150 vpm N 2 -Zusatz gegenüber Argon eine verringerte Porosität, tieferer Einbrand, verringerte Bindefehlergefahr und gesteigerte Schweißgeschwindigkeit. Die von FARWER /Far97/ untersuchten 9 weiteren Aktivgaszusätze hatten nicht zu diesen Verbesserungen geführt NAHTAUSSEHEN Während die Naht bei Verwendung von reinem Argon blank erscheint, führen Zumischungen von Stickstoff zu braunem Niederschlag auf der Oberfläche, der in seiner Intensität mit steigendem N 2 -Gehalt zunimmt. Die Nahtoberfläche bleibt jedoch relativ glatt und regelmäßig. Bei AlMg-Legierungen ist dieser Niederschlag besonders stark

32 24 STAND DER TECHNIK ausgeprägt. Die Mengenunterschiede werden mit thermischen Reaktionen des Magnesiums und des Stickstoffs begründet /FS70, Far96, Far97/. Eine verstärkte Schuppenbildung stellt dagegen McCLURE /MTGN89/ beim Plasmaschweißen schon bei Zumischungen von 10 vpm N 2 fest NAHTFORM Im Gegensatz zu dem bei Argon typischen fingerförmigen Einbrand nimmt der Einbrand mit dem N 2 -Gehalt deutlich zu und zeigt eine rund geformte Spitze. Die Nahtbreite erhöht sich nur geringfügig, die Nahtüberhöhung bleibt unbeeinflusst. Als Ursachen der Verstärkung des Einbrands werden die Reaktionswärmen bei der Bildung der Nitride (AlN) und bei der Assoziation der Stickstoffatome zu N 2 - beides exotherme Reaktionen - angeführt /FS70/. Auch in /MTGN89/ wird über eine hohe Empfindlichkeit von geringsten Aktivgas-Zumischungen auf die Bildung von Einbrandkerben berichtet. Dieses beim Plasmaschweißen bereits ab 10 vpm Gehalt von N 2, H 2, und O 2 markante Auftreten von Einbrandkerben ermöglichte den Autoren eine einfache Überwachungsmöglichkeit für die Reinheit des ansonsten ausschließlich verwendeten Reinstargons Ar 6.0. Farwer /Far96, Far97/ stellte dagegen einen stärkeren Seiten- und Tiefeneinbrand bei 150 vpm N 2 fest, gibt aber keine Begründung für mögliche Ursachen an GEFÜGESTRUKTUR Bei Schweißungen mit dem Schutzgas Ar + 10 % N 2 wurde eine Kornverfeinerung festgestellt, wenn der Schweißzusatzwerkstoff Titan oder Zirkonium enthält (z. B. R-5087) /FS70/. Diese kornverfeinernden Elemente reagieren zu TiN und ZrN, die als Erstarrungskeime die Erstarrungsgeschwindigkeit anheben. Die Untersuchungen von /FS70, MKNKI92/ ergaben ebenso eine geringfügig feinere Struktur bei Verwendung N 2 -haltiger Schutzgase, obwohl kein Titan oder Zirkonium vorhanden war. Es ist daher davon auszugehen, dass Stickstoff auch durch die Bildung von AlN einen Einfluss auf die Erstarrungsgeschwindigkeit ausübt. Bei Mikroanalysen von Schweißverbindungen an Al99 wurden feinere sowie gröbere AlN-Phasen identifiziert. Die feineren Phasen sind ohne Ordnung im Gefüge verteilt, während die gröberen Phasen nadelartig angeordnet sind und nur bei hohen N 2 -Gehalten vorkommen. Eine Untersuchung der nadelartigen Phasen ließ auf Nitride schließen. Darüber hinaus wurden Phasen erkannt, die Sauerstoff und Stickstoff enthalten und damit auf gemischte Phasen dieser Elemente hinweisen.

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