WIRTSCHAFTLICHKEIT DER FÜLLDRAHT- SCHWEISSUNG 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. Gasdüse 7. Tropfentransport im Lichtbogen 2. Kontaktdüse 8. Schmelzbad, Metall und Schlacke 3. Schutzgas 9. Aufsteigende Schlacke 4. Drahtmantel 10. Erstarrtes Schweißgut 5. Drahtfüllung 11. Erstarrte Schlacke 6. Freies Drahtende 12. Schweißraupe 15-25 mm Schutzgas-Schweißverfahren (ähnlich wie MAG-Massivdraht) Pulverfüllung beeinflusst Schweißeigenschaften Abschmelzleistung Positionseignung Mechanische Gütewerte
Konzept von Fülldrähten Stumpfstoß Nahtlos Überlappstoß für un-, niedriglegierte Drähte Pulverfüllung für hochlegierte Drähte 18-20 % nahtlose Typen nur 12-14 %! >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 Ziehseifen getrocknet (280 C / 8-12 h) Oxide Stromübergang) gewalzt keine Ziehseifen keine Trocknung sichere H DM -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 %)
Fülldrähte bringen sowohl qualitativ, als auch produktiv Vorteile und senken die Reparaturquote. 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.
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 Rutil- Fülldrahtgeneration 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 CO 2 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 Massiv- Ti 52-FD Ti 52-FD draht Ar + 18 % CO 2 100 % CO 2 Drahtförderung (m/min) 4.0 10.0 12.2 Strom (A) 160 230 230 Spannung (V) 18.0 28.7 30.5 Schweißgeschw. (cm/min) 12.0 26.5 31.5 + 120 % + 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 Massivdraht 1,0 mm 240 A, 18 cm/min 150 A, 18 cm/min a = 6 mm 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-, Stahl- Maschinen-, Fahrzeug- und Schiffbau vor allem bei waagrechter/horizontaler Schweißung.
Schweißkosten - Analyse 20 15 Drahtdurchmesser: 1,2 mm, 2F, a = 5 mm Lohnkosten 5,5 % < 3,3 % Investitionskosten Kosten Zusatzwerkstoff DM/m 10 13,1 % 18 % 5 91,2 % 83,6 % 78,9 % m/std. 0 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Massivdraht Billig xxx HL 50-FD Leistung/Std. 6,05 6,6 4,31 Massivdraht Billig xxx HL 50-FD
Metallpulverdraht (unlegiert) Kehlnähte, horizontal, a = 5 mm Gleichschenkelige Naht Durchgesackte Naht NAHTGEOMETRIE Massivdraht 1,2 mm < 280 A, darüber sackt Naht ab Oerlikon M10 1,2 mm < 250 A, darüber sackt Naht ab Böhler HL 50-FD 1,2 mm 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/20CO 2 Kerbschlagarbeit, Joule 200 150 115 120 130 150 170 100 65 50 0-50 -40-30 -20 0 +20 Prüftemperatur C
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 hochbean- spruchter, dickwandiger Bauteile Auch für Wurzelschweißungen mit und ohne Keramikunterlagen Eignung auch bei geprimerten Oberflächen Für Schutzgas Argon + 15-25 % CO 2
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 Metall- Lichtbogenschweißen 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 Metall- Lichtbogenschweißen 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 Stumpfund Kehlnähte in Wannenposition (4). Der Wasserstoffgehalt überschreitet nicht 5 ml/100 g aufgetragenes Schweißgut (H5).
EN 758: Fülldrahtelektroden zum Metall- Lichtbogenschweißen 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 Ti 52-FD draht Ar + 18 % CO 2 100 % CO 2 Drahtförderung (m/min) 4.0 10.0 12.2 Strom (A) 160 230 230 Spannung (V) 18.0 28.7 30.5 Schweißgeschw. (cm/min) 12.0 26.5 31.5 + 120 % + 162 % Zusätzlich wesentlich geringere Spritzerbildung bei Fülldraht und entsprechend wenig Aufwand für die Nachbearbeitung!
8 7 6 Abschmelzleistung im Vergleich Fülldraht/Massivdraht Ø 1,2 mm Theoretische Abschmelzleistung (100 % ED) kg/h 5 4 3 2 1 100 200 300 FD 1,2 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: 5,5 m/min v: 3,5 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 Massivdraht Fülldraht ø: 1,0 mm ø: 1,2 mm ø: 1,2 mm (G3 Si1) [cm] (G3 Si1) (T 46 3 PM 1) 30 [cm] 30 [cm] 30 25 25 25 20 20 20 15 15 15 10 10 10 5 5 5 0 0 0