Neben den Prozessfaktoren können auch andere Schweißprozessfaktoren, wie die Nutgröße und die Spaltgröße, der Neigungswinkel von Elektrode und Werkstück sowie die räumliche Position der Verbindung, die Schweißnahtbildung und die Schweißnahtgröße beeinflussen.
Einfluss des Schweißstroms auf die Schweißnahtbildung
Unter bestimmten Bedingungen erhöhen sich mit steigendem Lichtbogenschweißstrom die Einbrandtiefe und die Verstärkung der Schweißnaht, während die Schweißnahtbreite geringfügig zunimmt. Die Gründe hierfür sind folgende:
1) Mit steigendem Schweißstrom beim Lichtbogenschweißen erhöht sich die auf das Werkstück wirkende Lichtbogenkraft, der Wärmeeintrag des Lichtbogens in das Werkstück steigt und die Position der Wärmequelle verlagert sich nach unten. Dies begünstigt die Wärmeleitung in Richtung der Schmelzbadtiefe und erhöht die Einbrandtiefe. Die Einbrandtiefe ist annähernd proportional zum Schweißstrom. Die Schweißeinbrandtiefe H entspricht annähernd Km × I. In der Formel ist Km der Einbrandkoeffizient (die Anzahl der Millimeter, um die sich die Schweißeinbrandtiefe bei einer Erhöhung des Schweißstroms um 100 A erhöht). Dieser Wert hängt, wie in Tabelle 1-1 dargestellt, vom Lichtbogenschweißverfahren, Drahtdurchmesser, Stromart usw. ab.
| Lichtbogenschweißverfahren | Elektrodendurchmesser/mm | Schweißstrom/A | Spannung/V | Schweißgeschwindigkeit/mh-1 | Penetrationskoeffizient/m m-100A-1 |
Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen | 3.2 | 100–350 | 10–16 | 6–18 | 0,8 bis 1,8 |
Plasma-Lichtbogenschweißen | 1,6 Düsenöffnung | 50–100 | 20–26 | 10–60 | 1,2~2 |
| 3,4 Düsenöffnung | 220–300 | 28–36 | 18–30 | 1,5–2,4 |
| | 2 | 200–700 | 32–40 | 15–100 | 1,0 bis 1,7 |
| 5 | 450–1200 | 34–44 | 30–60 | 0,7 bis 1,3 |
Argon-Lichtbogenschweißen mit Schmelzelektrode | 1,2–2,4 | 210–550 | 24–42 | 40–120 | 1,5 bis 1,8 |
| CO2-Schweißen | 0,8 bis 1,6 | 70–300 | 16–23 | 30–150 | 0,8 bis 1,2 |
| 2–4 | 500–900 | 35–45 | 40–80 | |
Tabelle 1-1 Schmelztiefenkoeffizient Km für verschiedene Lichtbogenschweißverfahren und -parameter (Schweißstahl)
2) Die Schmelzgeschwindigkeit des Schweißkerns bzw. Schweißdrahts beim Lichtbogenschweißen ist proportional zum Schweißstrom. Da eine Erhöhung des Schweißstroms beim Lichtbogenschweißen zu einer Steigerung der Schmelzgeschwindigkeit des Schweißdrahts führt, erhöht sich die Menge des abgeschmolzenen Schweißdrahts annähernd proportional, während die Schweißnahtbreite weniger stark zunimmt, wodurch die Schweißnahtfestigkeit steigt.
3) Mit steigendem Schweißstrom vergrößert sich der Durchmesser der Lichtbogensäule. Gleichzeitig erhöht sich jedoch die Eindringtiefe des Lichtbogens in das Werkstück, und der Bewegungsbereich des Lichtbogenflecks ist begrenzt. Daher ist die Zunahme der Schweißnahtbreite relativ gering.
Beim Schutzgasschweißen (MIG) erhöht sich die Schweißnahtdurchdringung mit steigendem Schweißstrom. Bei zu hohem Schweißstrom und zu hoher Stromdichte kann es, insbesondere beim Schweißen von Aluminium, zu fingerförmigem Durchdringen kommen.
Einfluss der Lichtbogenspannung auf die Schweißnahtbildung
Unter bestimmten Bedingungen führt eine Erhöhung der Lichtbogenspannung zu einer Steigerung der Lichtbogenleistung und damit auch der Wärmeeinbringung in das Schweißgut. Die Erhöhung der Lichtbogenspannung wird jedoch durch eine Verlängerung des Lichtbogens erreicht. Diese Verlängerung bewirkt eine Vergrößerung des Radius der Lichtbogenwärmequelle und eine erhöhte Wärmeabfuhr. Dadurch sinkt die Energiedichte im Schweißgut, was zu einer leichten Verringerung der Einbrandtiefe bei gleichzeitiger Zunahme der Schweißnahtbreite führt. Da der Schweißstrom und die Schmelzmenge des Schweißdrahts unverändert bleiben, verringert sich gleichzeitig die Festigkeit der Schweißnaht.
Um bei verschiedenen Lichtbogenschweißverfahren eine optimale Schweißnahtbildung, d. h. einen geeigneten Schweißnahtbildungskoeffizienten φ, zu erzielen, muss bei Erhöhung des Schweißstroms die Lichtbogenspannung entsprechend erhöht werden. Lichtbogenspannung und Schweißstrom müssen in einem geeigneten Verhältnis zueinander stehen. Dies ist insbesondere beim Lichtbogenschweißen mit abschmelzender Elektrode der Fall.
Einfluss der Schweißgeschwindigkeit auf die Schweißnahtbildung
Unter bestimmten Bedingungen führt eine Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit zu einer geringeren Wärmeeinbringung und damit zu einer Verringerung der Schweißnahtbreite und des Einbrands. Da die Menge des abgeschiedenen Drahtmetalls pro Längeneinheit der Schweißnaht umgekehrt proportional zur Schweißgeschwindigkeit ist, führt dies auch zu einer geringeren Verstärkung der Schweißnaht.
Die Schweißgeschwindigkeit ist ein wichtiger Indikator für die Schweißproduktivität. Um diese zu steigern, sollte die Schweißgeschwindigkeit erhöht werden. Um jedoch die für die Konstruktion erforderliche Schweißnahtgröße zu gewährleisten, müssen bei steigender Schweißgeschwindigkeit auch Schweißstrom und Lichtbogenspannung entsprechend erhöht werden. Diese drei Größen stehen in einem Wechselspiel. Gleichzeitig ist zu berücksichtigen, dass bei Erhöhung von Schweißstrom, Lichtbogenspannung und Schweißgeschwindigkeit (d. h. bei Verwendung eines Hochleistungslichtbogens und hoher Schweißgeschwindigkeit) während der Schmelzbadbildung und -erstarrung Schweißfehler wie Hinterschneidungen und Risse auftreten können. Daher ist die Steigerung der Schweißgeschwindigkeit begrenzt.
Einfluss der Schweißstromart und -polarität sowie der Elektrodengröße auf die Schweißnahtbildung
1. Arten und Polaritäten des Schweißstroms
Die Schweißstromarten werden in Gleichstrom und Wechselstrom unterteilt. Beim Gleichstromschweißen unterscheidet man je nach Pulsation des Stroms zwischen Gleichstrom- und Impulsgleichstromschweißen. Hinsichtlich der Polarität wird zwischen Gleichstrom mit positiver (Schweißgut an Pluspol angeschlossen) und Gleichstrom mit umgekehrter Polarität (Schweißgut an Minuspol angeschlossen) unterschieden. Das Wechselstromschweißen wird anhand der Stromwellenform in Sinus- und Rechteckwechselstrom unterteilt. Stromart und Polarität beeinflussen die Wärmeeinbringung des Lichtbogens in das Schweißgut und somit die Schweißnahtbildung. Gleichzeitig wirken sie sich auf den Tropfenübergang und die Entfernung der Oxidschicht auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs aus.
Beim Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) von Metallen wie Stahl und Titan ist der Einbrand am tiefsten, wenn Gleichstrom in positiver Richtung angeschlossen wird. Der Einbrand ist am geringsten, wenn Gleichstrom in umgekehrter Richtung angeschlossen wird; Wechselstrom liegt dazwischen. Da der Einbrand bei Gleichstrom in positiver Richtung am tiefsten ist und die Wolframelektrode den geringsten Abbrandverlust aufweist, sollte beim WIG-Schweißen von Metallen wie Stahl und Titan Gleichstrom in positiver Richtung verwendet werden. Beim WIG-Schweißen mit gepulstem Gleichstrom lassen sich die Pulsparameter anpassen, wodurch die Schweißnahtgröße gezielt gesteuert werden kann. Beim WIG-Schweißen von Aluminium, Magnesium und deren Legierungen ist es notwendig, die Kathodenreinigungswirkung des Lichtbogens zur Entfernung der Oxidschicht auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs zu nutzen. Hierfür ist Wechselstrom besser geeignet. Da die Wellenformparameter des Rechteckwechselstroms angepasst werden können, wird ein besseres Schweißergebnis erzielt.
Beim Metall-Schutzgasschweißen (MIG/MAG) sind Schweißnahtdurchdringung und -breite bei umgekehrter Gleichstromrichtung größer als bei positiver Gleichstromrichtung. Beim Wechselstromschweißen liegen diese Werte dazwischen. Daher wird beim Unterpulverschweißen üblicherweise die umgekehrte Gleichstromrichtung verwendet, um eine größere Durchdringung zu erzielen, während beim Unterpulverauftragschweißen die positive Gleichstromrichtung die Durchdringung verringert. Beim MIG/MAG mit Schutzgas findet die umgekehrte Gleichstromrichtung aufgrund der größeren Durchdringungstiefe, des stabileren Lichtbogens und Tropfenübergangs sowie der kathodenreinigenden Wirkung breite Anwendung. Positive Gleichstromrichtung und Wechselstrom werden hingegen in der Regel nicht verwendet.
2. Einfluss der Wolfram-Elektrodenspitzenform, des Schweißdrahtdurchmessers und der Verlängerungslänge
Winkel und Form der vorderen Elektrode haben einen großen Einfluss auf die Lichtbogenkonzentration und den Lichtbogendruck. Sie sollten entsprechend dem Schweißstrom und der Werkstückdicke gewählt werden. Generell gilt: Je konzentrierter der Lichtbogen und je höher der Lichtbogendruck, desto größer die Einbrandtiefe, während die Schweißnahtbreite entsprechend abnimmt.
Beim Metall-Schutzgasschweißen (MAG) gilt: Bei konstantem Schweißstrom führt ein dünnerer Schweißdraht zu einer konzentrierteren Lichtbogenerhitzung, größerer Einbrandtiefe und geringerer Schweißnahtbreite. Bei der Wahl des Schweißdrahtdurchmessers in der Praxis sollten jedoch auch die Stromstärke und die Schmelzbadmorphologie berücksichtigt werden, um eine mangelhafte Schweißnaht zu vermeiden.
Mit zunehmender Drahtverlängerung beim Metall-Schutzgasschweißen steigt die Widerstandswärme, die durch den Schweißstrom im verlängerten Drahtabschnitt erzeugt wird. Dies führt zu einer höheren Abschmelzgeschwindigkeit des Drahtes und somit zu einer verstärkten Schweißnaht, während die Einbrandtiefe etwas abnimmt. Aufgrund des relativ hohen spezifischen Widerstands von Stahlschweißdrähten ist der Einfluss der Drahtverlängerung auf die Schweißnahtbildung beim Schweißen mit Stahl- und Feindrähten besonders deutlich. Der spezifische Widerstand von Aluminiumschweißdrähten ist hingegen relativ gering, weshalb der Einfluss hier vernachlässigbar ist. Obwohl eine Erhöhung der Drahtverlängerung den Abschmelzkoeffizienten verbessern kann, existiert unter Berücksichtigung der Abschmelzstabilität und der Schweißnahtbildung ein zulässiger Variationsbereich für die Drahtverlängerung.
Einfluss anderer Prozessfaktoren auf die Schweißnahtbildungsfaktoren
Neben den oben genannten Prozessfaktoren können auch andere Schweißprozessfaktoren, wie die Nutgröße und die Spaltgröße, der Neigungswinkel von Elektrode und Werkstück sowie die räumliche Position der Verbindung, die Schweißnahtbildung und die Schweißnahtgröße beeinflussen.
1. Nut und Spalt
Beim Stumpfschweißen mittels Lichtbogenschweißen wird üblicherweise anhand der Blechdicke entschieden, ob ein Spalt vorgesehen werden soll, wie groß dieser ist und welche Form die Nut hat. Unter bestimmten Bedingungen führt eine größere Nut oder ein größerer Spalt zu einer geringeren Verstärkung der Schweißnaht, was einem Absinken der Schweißnahtposition entspricht. Dadurch sinkt das Verschmelzungsverhältnis. Durch das Vorliegen eines Spalts oder das Anbringen einer Nut lässt sich die Verstärkung steuern und das Verschmelzungsverhältnis anpassen. Die Wärmeableitungsbedingungen unterscheiden sich je nach Vorgehensweise. Generell sind die Kristallisationsbedingungen bei einer Nut günstiger.
2. Neigung der Elektrode (Schweißdraht)
Beim Lichtbogenschweißen unterscheidet man je nach Neigungswinkel der Elektrode zur Schweißrichtung zwei Arten: Vorwärtsneigung und Rückwärtsneigung. Bei geneigtem Schweißdraht ist auch die Lichtbogenachse geneigt. Bei Vorwärtsneigung des Schweißdrahts wird die rückwärts gerichtete Abtragung des Schmelzbades durch den Lichtbogen geschwächt. Die Schmelzschicht am Schmelzbadboden verdickt sich, die Einbrandtiefe verringert sich, der Lichtbogen dringt tiefer in das Werkstück ein, der Lichtbogenfleck breitet sich aus, die Schweißnahtbreite nimmt zu und die Verstärkung verringert sich. Je kleiner der Vorwärtsneigungswinkel α des Schweißdrahts ist, desto deutlicher ist dieser Effekt. Bei Rückwärtsneigung des Schweißdrahts verhält es sich umgekehrt. Beim E-Hand-Schweißen wird meist die Rückwärtsneigung angewendet, wobei ein Neigungswinkel α zwischen 65° und 80° als geeignet gilt.
3. Neigung des Schweißteils
Neigungen beim Schweißen treten in der Fertigung häufig auf und lassen sich in Steig- und Fallschweißen unterteilen. Dabei fließt das Schmelzbad aufgrund der Schwerkraft geneigt nach unten. Beim Steigschweißen fördert die Schwerkraft das Abfließen des Schmelzbades zum hinteren Ende, was zu tiefem Einbrand, geringer Schweißnahtbreite und hoher Verstärkung führt. Bei einem Neigungswinkel α von 6° bis 12° ist die Verstärkung zu groß, und es entstehen leicht Hinterschneidungen an beiden Seiten. Beim Fallschweißen verhindert dieser Effekt das Abfließen des Schmelzbades zum hinteren Ende. Der Lichtbogen kann das Metall am Boden des Schmelzbades nicht ausreichend erhitzen, der Einbrand ist geringer, der Bewegungsbereich des Lichtbogens vergrößert sich, die Schweißnahtbreite nimmt zu und die Verstärkung ab. Ist der Neigungswinkel zu groß, führt dies zu unzureichendem Einbrand und Überlaufen des Schmelzbades.
4. Schweißmaterial und Schweißdicke
Die Schweißnahtdurchdringung hängt vom Schweißstrom sowie von der Wärmeleitfähigkeit und der volumetrischen Wärmekapazität des Werkstoffs ab. Je höher die Wärmeleitfähigkeit und die volumetrische Wärmekapazität des Werkstoffs sind, desto mehr Wärme wird benötigt, um ein bestimmtes Volumen Metall zu schmelzen und die Temperatur um denselben Betrag zu erhöhen. Daher verringern sich unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise dem Schweißstrom, die Durchdringungstiefe und die Schweißnahtbreite. Je höher die Dichte oder die Viskosität des Werkstoffs ist, desto schwieriger kann der Lichtbogen das flüssige Metallbad verdrängen, und desto geringer ist die Schweißnahtdurchdringung. Die Dicke des Schweißteils beeinflusst die Wärmeleitung im Inneren. Bei ansonsten gleichen Bedingungen führt eine zunehmende Dicke des Schweißteils zu einer höheren Wärmeabfuhr und damit zu einer Verringerung von Schweißnahtbreite und -durchdringungstiefe.
5. Flussmittel, Elektrodenbeschichtung und Schutzgas
Die unterschiedliche Zusammensetzung von Flussmitteln oder Elektrodenumhüllungen führt zu unterschiedlichen Spannungsabfällen im Bereich der Elektroden des Lichtbogens und zu unterschiedlichen Potenzialgradienten in der Lichtbogensäule, was sich zwangsläufig auf die Schweißnahtbildung auswirkt. Bei geringer Flussmitteldichte, großer Partikelgröße oder geringer Schichthöhe ist der Druck um den Lichtbogen niedrig, die Lichtbogensäule dehnt sich aus und der Lichtbogenfleck hat einen großen Bewegungsbereich. Daher ist der Einbrand gering, die Schweißnahtbreite groß und die Verstärkung gering. Beim Hochleistungs-Lichtbogenschweißen dicker Werkstücke kann die Verwendung von Bimsstein-ähnlichem Flussmittel den Lichtbogendruck reduzieren, den Einbrand verringern und die Schweißnahtbreite erhöhen. Darüber hinaus sollte die Schweißschlacke eine geeignete Viskosität und Schmelztemperatur aufweisen. Ist die Viskosität zu hoch oder die Schmelztemperatur zu hoch, ist die Belüftung der Schlacke unzureichend, und es bilden sich leicht viele Vertiefungen auf der Schweißnahtoberfläche, was zu einer schlechten Schweißnahtqualität führt.
Die Zusammensetzung der Schutzgase beim Lichtbogenschweißen (z. B. Ar, He, N₂, CO₂) ist unterschiedlich, ebenso wie ihre physikalischen Eigenschaften, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit. Dies führt zu Unterschieden im Spannungsabfall im polaren Bereich des Lichtbogens, im Potenzialgradienten der Lichtbogensäule, im leitfähigen Querschnitt der Lichtbogensäule, in der Plasmaströmungskraft und in der Verteilung des spezifischen Wärmestroms. All diese Faktoren beeinflussen die Ausbildung der Schweißnaht.
Kurz gesagt, beeinflussen viele Faktoren die Schweißnahtbildung. Um eine gute Schweißnaht zu erzielen, müssen die geeigneten Schweißverfahren und -bedingungen entsprechend dem Werkstoff und der Dicke des zu schweißenden Teils, der Position der Schweißnaht, der Nahtform, den Arbeitsbedingungen, den Anforderungen an die Nahtqualität und der Schweißnahtgröße ausgewählt werden. Gleichzeitig ist die Einstellung des Schweißers zum Schweißen von größter Bedeutung! Andernfalls entsprechen die Schweißnahtbildung und ihre Eigenschaften möglicherweise nicht den Anforderungen, und es können sogar verschiedene Schweißfehler auftreten.
