Lichtbogenschweißen ist die Bezeichnung für eine Klasse von Schweißverfahren, bei denen Metalle mithilfe eines Lichtbogens als Wärmequelle geschmolzen und miteinander verschweißt werden. Bei dieser Methode kann Druck oder Füllmetall erforderlich sein, um eine Verbindung zwischen den Metallen herzustellen.
Ein Lichtbogen ist eine Entladung von elektrischem Strom über einen Spalt in einem Stromkreis, die durch eine thermisch ionisierte Gassäule, das sogenannte Plasma, aufrechterhalten wird. Um den Lichtbogen zu starten, wird die Elektrode kurz mit dem Werkstück in Berührung gebracht und dann schnell ein kurzes Stück zurückgezogen, wodurch der Lichtbogen entsteht. Dieser Lichtbogen erzeugt Temperaturen von über 5500 °C (10,000 °F), die heiß genug sind, um jedes Metall zu schmelzen. Geschmolzenes Metall, bestehend aus dem Grundmetall und ggf. Füllmetall, sammelt sich um die Elektrodenspitze. Füllmetall wird während des Prozesses der meisten Lichtbogenschweißverfahren eingeführt, um das Volumen und die Festigkeit der Schweißverbindung zu erhöhen. Das geschmolzene Schweißbad erstarrt und bildet eine starke Verbindung, während sich die Elektrode entlang der Verbindung bewegt.
Schweißer können dies manuell oder mechanisch erreichen, indem sie Roboter-, automatische oder maschinelle Schweißgeräte verwenden, um die Elektrode relativ zum Werkstück zu bewegen. Manuelles Lichtbogenschweißen ist insofern schwierig, als die Fähigkeiten und Sorgfalt des Schweißers eine große Rolle für die Qualität der Schweißverbindung spielen. Die Lichtbogenzeit, manchmal auch als Lichtbogen-Einschaltzeit bezeichnet, ist eine gängige Methode zur Beurteilung der Produktivität beim Lichtbogenschweißen, da sie den Prozentsatz der Arbeitsstunden darstellt, die der Lichtbogenschweißaktivität gewidmet sind.
Die Lichtbogenzeit kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
Lichtbogenzeit = (Zeit, in der der Lichtbogen eingeschaltet ist) / (Arbeitsstunden)
Da manuelles Schweißen eine präzise Hand-Auge-Koordination erfordert, beträgt die Lichtbogenzeit normalerweise 20 % oder weniger, da die Schweißer regelmäßig Pausen einlegen müssen, um Ermüdung vorzubeugen. Im Gegensatz dazu kann die Lichtbogenzeit je nach Vorgang beim Maschinen-, Roboter- und automatischen Schweißen auf etwa 50 % ansteigen, was die Schweißkonsistenz und Produktivität steigert.
Allgemeine Technologie des Lichtbogenschweißens
Bevor wir auf die spezifischen AW-Prozesse eingehen, ist es wichtig, einige der allgemeineren technischen Herausforderungen zu untersuchen, die mit diesen Prozessen verbunden sind.
Elektroden
Elektroden für Lichtbogenschweißen werden in zwei Hauptkategorien eingeteilt: verbrauchbar und nicht verbrauchbar. Verbrauchbare Elektroden liefern das für die Schweißung erforderliche Füllmetall. Sie sind als Stäbe (auch Stangen genannt) und Drähte erhältlich. Im Allgemeinen haben Schweißstäbe einen Durchmesser von nicht mehr als 9.5 mm (3/8 Zoll) und Längen von 225 bis 450 mm (9 bis 18 Zoll). Der gelegentliche Austausch der Stäbe, der die Lichtbogenzeit des Schweißers verkürzt, ist ein Nachteil bei der Verwendung dieser Elektroden beim Produktionsschweißen. Bei der Verwendung von verbrauchbarem Schweißdraht, der kontinuierlich von Spulen in das Schweißbad eingeführt werden kann, können jedoch minimale Störungen auftreten. Wenn der Lichtbogen Drähte und Stäbe verbraucht, wird der Schweißverbindung mehr Material hinzugefügt.
Nicht verbrauchbare Elektroden schmelzen nicht; sie bestehen hauptsächlich aus Wolfram (und sehr selten aus Kohlenstoff). Auch wenn diese Elektroden als nicht verbrauchbar gelten, verdampfen sie schließlich, ähnlich wie ein Schneidwerkzeug. Bei der Verwendung nicht verbrauchbarer Elektroden muss das erforderliche Füllmetall separat bereitgestellt werden; dies geschieht normalerweise durch Einführen eines Drahtes in das Schweißbad.
Lichtbogenschutz
Beim Verbinden von Metallen bei hohen Temperaturen können Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in der Luft chemisch mit den Metallen reagieren. Diese Reaktionen können die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindung erheblich beeinträchtigen. Aus diesem Grund bieten fast alle AW-Methoden eine Möglichkeit, den Lichtbogen vor der Umgebungsluft zu verbergen. Die Lichtbogenabschirmung wird erreicht, indem das geschmolzene Schweißbad, die Elektrodenspitze und der Lichtbogen mit einer Schicht aus Gas, Flussmittel oder beidem umhüllt werden, um zu verhindern, dass das Schweißmetall der Luft ausgesetzt wird. Helium und Argon sind zwei Inertgase, die häufig als Abschirmung verwendet werden.
Beim Einsatz spezieller AW-Techniken zum Schweißen von Eisenmetallen werden üblicherweise Kohlendioxid und Sauerstoff in Verbindung mit Argon und/oder Helium verwendet, um eine oxidierende Umgebung zu schaffen und die Form der Schweißnaht zu regulieren. Eine Substanz namens Flussmittel wird verwendet, um unerwünschte Verunreinigungen und Oxide aufzulösen und ihre Entstehung zu verhindern, sodass sie leichter entfernt werden können. Das Flussmittel bedeckt den Schweißprozess und schützt das geschmolzene Schweißmetall, während es schmilzt und sich in eine flüssige Schlacke verwandelt. Nach dem Abkühlen härtet die Schlacke aus und muss mit einem Meißel oder einer Bürste abgekratzt werden. Normalerweise soll das Flussmittel drei weitere Ziele erreichen: (1) einen Schutz für den Schweißprozess schaffen; (2) den Lichtbogen aufrechterhalten; und (3) Spritzerbildung verringern.
Für jeden Prozess wird ein anderer Flussmittelauftragsmechanismus verwendet. Es gibt drei verschiedene Möglichkeiten, Flussmittel aufzutragen: (1) direktes Aufbringen von körnigem Flussmittel auf die Schweißstelle; (2) Abdecken der Stelle mit einer mit Flussmittel beschichteten Stabelektrode, die während des Schweißvorgangs schmilzt; und (3) Verwendung von Rohrelektroden, die einen Kern haben, der das Flussmittel enthält und es freigibt, wenn die Elektrode verschleißt. Wir gehen in unseren Erläuterungen zu den verschiedenen AW-Verfahren näher auf diese Methoden ein.
Stromquelle beim Lichtbogenschweißen
Beim Lichtbogenschweißen wird sowohl Wechselstrom (AC) als auch Gleichstrom (DC) verwendet. Wechselstromgeräte sind häufig auf das Schweißen von Eisenmetallen beschränkt; sie sind jedoch in Anschaffung und Betrieb günstiger. Gleichstromgeräte sind im Allgemeinen für ihre ausgezeichnete Lichtbogenkontrolle bekannt und können mit guten Ergebnissen bei allen Metallen eingesetzt werden.
Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzenden Elektroden
Abgeschirmtes Metalllichtbogenschweißen (SMAW)
Das Lichtbogenschweißverfahren, das als Metallschutzgasschweißen (SMAW) bekannt ist, verwendet eine abschmelzende Elektrode aus einem mit Chemikalien beschichteten Füllmetallstab, der als Schutz und Flussmittel dient. Typischerweise hat der Schweißstab Abmessungen von 2.5 bis 9.5 mm im Durchmesser und 225 bis 450 mm in der Länge. Da die Zusammensetzung des im Stab verwendeten Füllmetalls normalerweise der des Grundmetalls sehr ähnlich ist, muss es mit dem zu schweißenden Metall kompatibel sein. Die Beschichtung besteht aus pulverisierter Zellulose (Holz- und Baumwollpulver), Oxiden, Karbonaten und anderen Materialien, kombiniert mit einem Silikatbindemittel, um alles zusammenzuhalten. Manchmal werden der Beschichtung Legierungsbestandteile und mehr Füllmetall durch Zugabe von Metallpulvern hinzugefügt.
Die Beschichtung wird durch die Hitze des Schweißvorgangs geschmolzen, wodurch Schlacke und eine Schutzumgebung für den Schweißvorgang entstehen. Sie hilft auch dabei, die Schmelzgeschwindigkeit der Elektrode zu kontrollieren und den Lichtbogen zu stabilisieren. Wenn der Schweißstab verwendet wird, wird sein blankes Metallende – das der Schweißspitze gegenüberliegende Ende – in einem Elektrodenhalter befestigt, der an die Stromversorgung angeschlossen ist. Ein isolierter Griff am Halter ermöglicht es einem menschlichen Schweißer, ihn zu greifen und zu steuern. SMAWs arbeiten normalerweise mit Spannungen von 15 bis 45 V und Stromstärken von 30 bis 300 A. Die Wahl der Leistungsparameter hängt von den zu schweißenden Metallen, der Art und Länge der Elektrode sowie der erforderlichen Eindringtiefe der Schweißnaht ab.
Beim Lichtbogenschweißen mit umhülltem Metall wird normalerweise Handarbeit eingesetzt. Beispiele für häufige Anwendungen sind Rohrleitungen, Maschinenbau, Schiffbau, Einzelfertigung und Reparaturarbeiten. Bei dickeren Teilen (über 5 mm/3/16 Zoll) ist es aufgrund seiner höheren Leistungsdichte die bevorzugte Methode gegenüber dem Autogenschweißen. SMAW ist die kostengünstigste und tragbarste aller AW-Techniken und unglaublich anpassungsfähig.
Ein Nachteil der Verwendung von verbrauchbaren Elektrodenstäben beim Metallschutzgasschweißen als Herstellungsverfahren ist dieser. Die Stäbe müssen regelmäßig ausgetauscht werden, da sie verschleißen. Bei diesem Schweißverfahren verkürzt sich die Lichtbogenzeit. Eine weitere Einschränkung ist die momentan nutzbare Stromstärke. Die Stromstärke muss beim Starten eines neuen Schweißstabs innerhalb eines sicheren Bereichs gehalten werden, da die Elektrodenlänge während des Betriebs schwankt und diese Länge die Widerstandserwärmung der Elektrode beeinflusst. Wenn dies geschieht, wird die Beschichtung überhitzt und schmilzt vorzeitig. Durch die Verwendung einer kontinuierlich zugeführten Drahtelektrode überwinden einige alternative AW-Techniken die Beschränkungen hinsichtlich der Länge des SMAW-Schweißstabs.
Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW)
Metallschutzgasschweißen (GMAW) ist ein weit verbreitetes Schweißverfahren, bei dem eine verbrauchbare blanke Metalldrahtelektrode kontinuierlich durch eine Schweißpistole geführt wird. Gas wird in den Lichtbogen gespült, um eine Abschirmung zu erzeugen, die die Schweißnaht sauber hält. Die automatische Zuführung des blanken Drahtes von einer Spule ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb und einen wirtschaftlichen Materialverbrauch. Die Wahl des Drahtdurchmessers für das GMAW hängt normalerweise von der erforderlichen Ablagerungsrate und der Dicke des zu schweißenden Materials ab und kann zwischen 0.8 und 6.5 mm (1/32 bis 1/4 Zoll) liegen.
Zum Schutz können verschiedene Gase eingesetzt werden, darunter aktive Gase wie Kohlendioxid und inerte Gase wie Argon und Helium. Welches dieser Gase verwendet werden sollte, hängt unter anderem vom zu schweißenden Metall ab. Während Kohlendioxid häufig zum Schweißen von Stählen mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt verwendet wird, werden inerte Gase zum Schweißen von Aluminiumlegierungen und rostfreiem Stahl bevorzugt. GMAW ist die beste Methode, um mehrere Schweißdurchgänge an einer einzigen Verbindung durchzuführen, da es Schutzgase verwendet, sodass keine manuelle Schlackenreinigung und kein Schleifen erforderlich ist.
In den späten 1940er Jahren wurde Argon erstmals zum Schweißen von Aluminium mit GMAW verwendet, das früher als MIG-Schweißen (Metal Inert Gas) bekannt war. Der Begriff CO2-Schweißen entstand, als CO2 wurde als kostengünstigeres Schutzgas für Stahl verwendet. Gaskombinationen, darunter CO2 und Argon und sogar Sauerstoff und Argon wurden beim Stahlschweißen verwendet, da sich die Schweißtechniken im Laufe der Zeit verbesserten.
Für eine Reihe von Eisen- und Nichteisenmetallen wird diese Schweißtechnik bei Fertigungstätigkeiten bevorzugt. Das GMAW-Schweißen hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem Stabelektrodenschweißen (SMAW). Es reduziert Ausfallzeiten und erhöht die Lichtbogenzeit bei manueller Ausführung durch Verwendung von durchgehendem Draht anstelle von Schweißstäben. Darüber hinaus verbessert die kontinuierliche Drahtzufuhr beim GMAW seine Eignung für automatisierte Schweißverfahren. Darüber hinaus entsteht weniger Abfall beim Füllmetall, da im Gegensatz zum Stabelektrodenschweißen keine Elektrodenstummel übrig bleiben. Dies führt zu einer höheren Materialausnutzung.
GMAW ist insofern einzigartig, als dass bei diesem Verfahren kein Flussmittel erforderlich ist und somit keine Schlacke entfernt werden muss. Es ist nicht nur anpassungsfähiger als SMAW, sondern bietet auch bessere Abscheidungsraten. Aufgrund dieser Eigenschaften, die Effizienz, Erschwinglichkeit und Vielseitigkeit für eine Reihe von Schweißarbeiten bieten, ist es eine bevorzugte Option für zahlreiche industrielle Anwendungen.
Fülldrahtschweißen (FCAW)
Anfang der 1950er Jahre wurde das Fülldrahtschweißen (FCAW) als Lösung für die Nachteile von Stabelektroden beim Metallschutzgasschweißen entwickelt. Beim FCAW werden flussmittelgefüllte Rohre, eine kontinuierlich abschmelzende Elektrode und andere Materialien wie Legierungselemente und Desoxidationsmittel verwendet. Dieser flexible röhrenförmige „Draht“ wird in Spulen geliefert und soll kontinuierlich durch die Schweißpistole geführt werden.
FCAW gibt es in zwei Haupttypen: selbstschützend und gasgeschützt. Die selbstschützende Variante ist nicht auf externe Schutzgase angewiesen, da sie durch Flussmittel im Kern Gase erzeugt, die den Lichtbogen schützen. Ähnlich wie beim Metallschutzgasschweißen (GMAW) wurde die gasgeschützte Form zum Schweißen von Stahl entwickelt und verwendet Gase, die von außen zugeführt werden. Dieser Typ kombiniert effektiv Teile von SMAW und GMAW, indem er Kohlendioxid für Weichstähle oder eine Kombination aus Argon und Kohlendioxid für rostfreie Stähle verwendet.
Ähnlich wie GMAW bietet FCAW Vorteile wie die kontinuierliche Elektrodenzufuhr, die die Leistung erhöht. Es erzeugt hervorragende, glatte und gleichmäßige Schweißnähte beim Schweißen von Stahl und Edelstahl unterschiedlicher Dicke. Das Verfahren wird aufgrund seiner Effizienz und Vielseitigkeit in vielen industriellen Anwendungen bevorzugt.
Wie in der Abbildung unten zu sehen ist, kann FCAW durch die Verwendung optionaler Schutzgase zwischen den beiden Prozessarten unterscheiden.
Elektrogasschweißen (EGW)
Das als Elektrogasschweißen (EGW) bekannte AW-Verfahren verwendet Formschuhe, um das geschmolzene Metall zusammen mit einer durchgehenden abschmelzenden Elektrode (entweder Fülldraht oder Blankdraht mit extern zugeführten Schutzgasen) an Ort und Stelle zu halten. Diese Technologie wird hauptsächlich zum vertikalen Stumpfschweißen verwendet. Das Verfahren kann als spezielle Anwendung des selbstschützenden FCAW betrachtet werden, wenn Fülldraht verwendet wird, da keine externen Gase zugeführt werden. Ein einzigartiger Fall von GMAW tritt auf, wenn Blankdraht in Verbindung mit Schutzgasen aus einer externen Quelle verwendet wird. Um zu vermeiden, dass sie dem Schweißbad zugeführt werden, werden die Formschuhe wassergekühlt. In Verbindung mit den Kanten der zu schweißenden Komponenten erzeugen die Schuhe einen Hohlraum ähnlich einer Form, der nach und nach mit geschmolzenem Metall aus den Elektroden- und Basisteilen gefüllt wird. Ein beweglicher Schweißkopf, der sich vertikal nach oben bewegt, schließt den Vorgang automatisch in einem Durchgang ab und füllt den Hohlraum.
Die wichtigsten Branchen, in denen Elektrogasschweißen zum Einsatz kommt, sind der Schiffbau und der Bau großer Lagertanks. In diesen Branchen wird Stahl verwendet (kohlenstoffarmer und mittelkohlenstoffarmer, niedriglegierter und bestimmter rostfreier Stahl). EGW kann Materialstärken von 12 bis 75 mm verarbeiten. Es kann neben dem Stumpfschweißen auch für Kehl- und Nutschweißungen verwendet werden, immer in vertikaler Ausrichtung. Gelegentlich ist es notwendig, speziell entwickelte Formschuhe für die entsprechenden Fugenformen zu konstruieren.
Unterpulverschweißen (SAW)
Unterpulverschweißen (UP) ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem eine durchgehende, abschmelzende blanke Drahtelektrode verwendet wird, wobei der Lichtbogen durch eine Schicht aus körnigem Flussmittel abgeschirmt wird. Eine automatisierte Spule führt den Elektrodendraht in den Lichtbogen. Laut der Abbildung unten wird das Flussmittel durch Schwerkraft aus einem Trichter direkt vor dem Schweißlichtbogen in die Verbindung eingebracht. Der Schweißvorgang findet vollständig in der Schicht aus körnigem Flussmittel statt, wodurch Strahlung, Funken und Spritzer vermieden werden, die bei anderen AW-Techniken so gefährlich sind. Daher muss der Schweißer beim UP-Schweißen den ziemlich sperrigen Gesichtsschutz, der für die anderen Vorgänge erforderlich ist – natürlich Schutzbrille und Schutzhandschuhe –, nicht tragen.
Eine glasartige Schlacke bildet sich auf der Schweißnaht, wenn das Flussmittel neben dem Lichtbogen schmilzt und sich mit dem geschmolzenen Metall vermischt, um Verunreinigungen zu beseitigen. Durch die Schlacke und die nicht geschmolzenen Flussmittelkörner auf der Oberfläche entsteht eine hervorragende Schweißnaht mit bemerkenswerter Zähigkeit und Duktilität, die auch als gute Wärmeisolierung und atmosphärischer Schutz für den Schweißbereich dient. Der Schweißbereich kühlt aufgrund dieses hervorragenden Schutzes allmählich ab. Schweißrückstände, die nicht geschmolzen wurden, können wie in der Abbildung dargestellt geborgen und wiederverwendet werden. Normalerweise muss die feste Schlacke, die die Schweißnaht bedeckt, von Hand weggeschlagen werden.
Unterpulverschweißen wird häufig bei der Herstellung von Baustahlprofilen, Schweißkomponenten für schwere Maschinen sowie Längs- und Rundnähten für Rohrleitungen, Tanks und Druckbehälter mit großem Durchmesser eingesetzt. Bei diesen Arten von Anwendungen werden häufig Stahlplatten mit einer Dicke von 25 mm (1.0 Zoll) oder mehr geschweißt. Kohlenstoffhaltige Stähle, Werkzeugstähle und die meisten Nichteisenmetalle können mit UP-Schweißen nicht problemlos geschweißt werden; nur kohlenstoffarme, niedriglegierte und rostfreie Stähle können geschweißt werden. Aufgrund der Schwerkraftzufuhr des körnigen Flussmittels müssen die Teile immer horizontal ausgerichtet sein, und während des Schweißens wird häufig eine Stützplatte unter der Verbindung benötigt.
Lichtbogenschweißverfahren mit nicht abschmelzenden Elektroden
Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (WIG/WIG)
Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem eine nicht abschmelzende Wolframelektrode und ein Inertgas zum Schutz des Lichtbogens kombiniert werden. Es wird manchmal auch als Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) oder in Europa als WIG-Schweißen bezeichnet (wobei das „W“ für Wolfram steht, das chemische Symbol für Wolfram). Sie können diese Technik mit oder ohne Füllmetall verwenden. Im Gegensatz zu Techniken mit abschmelzenden Elektroden, bei denen das Füllmetall über den Lichtbogen geführt wird, wird es getrennt von einem Stab oder Draht eingeführt und durch die Hitze des Lichtbogens geschmolzen.
Wolframs hoher Schmelzpunkt von 3410 Grad Celsius (6170 Grad Fahrenheit) macht es zu einem hervorragenden Material für Elektroden. Standard-Schutzgase bestehen aus Helium, Argon oder einer Kombination dieser Gaskomponenten. Mit GTAW kann fast jedes Metall in einer Vielzahl von Materialstärken bearbeitet werden. Es kann auch zum Verbinden unterschiedlicher Legierungskombinationen verwendet werden, die nicht gleich sind. Edelstahl und Aluminium sind die Materialien, bei denen es am häufigsten verwendet wird.
Das Schweißen von Gusseisen, Schmiedeeisen und natürlich Wolfram mit WIG-Schweißen ist eine Herausforderung. Außer in Fällen mit winzigen Abschnitten und der Anforderung extrem hochwertiger Schweißnähte ist WIG-Schweißen bei Stahlschweißanwendungen oft langsamer und teurer als WIG-Schweißverfahren mit Einwegelektroden. Beim WIG-Schweißen dünner Bleche mit engen Toleranzen wird normalerweise kein Füllmetall verwendet. Das Verfahren kann für alle Arten von Verbindungen manuell, mechanisch oder automatisch durchgeführt werden. Bei richtiger Ausführung kann WIG-Schweißen hochwertige Schweißnähte mit wenig bis gar keinen Schweißspritzern erzeugen, da kein Füllmetall über den Lichtbogen übertragen wird, und erfordert wenig bis keine Reinigung nach dem Schweißen, da kein Flussmittel verwendet wird.
Plasmalichtbogenschweißen (PAW)
Plasmalichtbogenschweißen (PAW) ist eine weiterentwickelte Variante des Wolfram-Inertgasschweißens (GTAW), bei der ein eingeschnürter Plasmalichtbogen auf den Schweißbereich gerichtet wird. Beim PAW wird eine Wolframelektrode in eine speziell entwickelte Düse eingeschlossen, die einen Hochgeschwindigkeitsstrom aus Inertgas, wie Argon oder Argon-Wasserstoff-Gemische, in den Lichtbogenbereich leitet, um einen sehr heißen Plasmalichtbogenstrom zu erzeugen. Die zum Lichtbogenschutz verwendeten Gase umfassen Argon, Argon-Wasserstoff und Helium. Beim Plasmalichtbogenschweißen können Temperaturen von bis zu 17,000 °C (30,000 °F) oder mehr erreicht werden, was ausreicht, um jedes bekannte Metall zu schmelzen. Die hohen Temperaturen beim PAW, die deutlich höher sind als beim GTAW, sind auf den eingeschnürten Lichtbogen zurückzuführen. Obwohl beim PAW geringere Leistungsstufen als beim GTAW verwendet werden, wird beim PAW ein hochkonzentrierter Plasmastrahl mit kleinem Durchmesser und hoher Leistungsdichte erzielt.
Nach seiner Entwicklung in den 1960er Jahren erfreute sich das Plasmalichtbogenschweißen allmählich zunehmender Beliebtheit. In jüngster Zeit wird es jedoch zunehmend als Ersatz für das GTAW-Schweißen in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, darunter Haushaltsgeräte, Metallschränke, Tür- und Fensterrahmen sowie Kfz-Baugruppen. Zum Schweißen der meisten Metalle von 0.02 bis 6 mm (0.001 bis 0.250 Zoll) bietet das Plasmalichtbogenschweißen (PAW) eine äußerst stabile Wärmequelle. Das PAW-Verfahren erzeugt aufgrund seiner überlegenen Durchdringungsfähigkeit eine höhere Enthalpie (Wärmeinhalt), eine bessere Lichtbogenstabilität, eine höhere Energiekonzentration und höhere Schweißraten (als beim GTAW). Diese Vorteile machen es anderen offenen Lichtbogenschweißverfahren wie SMAW, GMAW und GTAW überlegen. Es erzeugt außerdem eine gründlichere Durchdringung der Verbindung und kleinere Schweißnähte (ein höheres Verhältnis von Tiefe zu Breite) im „Schlüsselloch“-Modus, was zu weniger Verzerrung führt.
Die PAW-Technik ermöglicht drei Hauptschweißvarianten. Diese Lichtbogenarten sind Nadel-, Einschmelz- und Stichlochlichtbogen. Nadellichtbogenschweißen ist besonders hilfreich beim Schweißen dünner Metalle (0.02 bis 1.5 mm [0.001 bis 0.062 Zoll]). Es hat seinen Namen von dem langen, „nadelartigen“ Lichtbogen, der bei niedrigen Strömen (1 bis 25 A) erzeugt wird. Dieser Dickenbereich des manuellen Schweißens ist eine erhebliche Veränderung gegenüber früheren GTAW-Prozesstechniken, die eine präzise Roboterbrennerbewegung mit derselben Vorrichtung erforderten. Dennoch ist die mit beiden Methoden erzeugte Schweißnaht glatt und frei von Füllmetall.
Manuelles PAW mit hohem Strom wird im Einschmelzmodus durchgeführt. Diese Methode eignet sich zum Schweißen von Stumpf- oder Überlappverbindungen an Materialien mit einer Dicke von 0.8 bis 3 mm (1/32 bis 1/8 Zoll) und kann zum Verbinden einer Vielzahl von Materialien verwendet werden, darunter Titan und andere reaktive Metalle, wobei Helium als Schutzgas verwendet wird. Normalerweise überschreitet der Betriebsstrom 100 A nicht. Der „Schlüsselloch“-Modus bezieht sich auf ein Durchgangsloch an der Vorderkante des Schweißbads, das dann hinter dem Schlüsselloch fließt, um die Schweißnaht zu bilden. Diese Technik ist auf die meisten Metalle im Dickenbereich von 2.4 bis 6 mm (3/32 bis 1/4 Zoll) anwendbar und ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zwischen PAW- und GTAW-Prozessen. Der Betriebsstrom im Schlüssellochmodus erreicht normalerweise bis zu 275 Ampere.
Das Schweißen von Blei, Magnesium, Bronze und Gusseisen stellt für PAW jedoch eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Zwei weitere Nachteile, die den Zugang bei einigen Verbindungskonfigurationen erschweren können, sind die hohen Gerätekosten und eine größere Brennergröße als bei anderen Lichtbogenschweißtechniken.
Andere Lichtbogenschweißverfahren und verwandte Verfahren
Neben den Standardtechniken des Lichtbogenschweißens (AW) gibt es einige bemerkenswerte Spezialverfahren. Beim Kohlelichtbogenschweißen (CAW) wird eine nicht verbrauchbare Kohleelektrode, insbesondere Graphit, verwendet. Obwohl CAW als ursprüngliche Lichtbogenschweißtechnik historisch bedeutsam ist, ist sein aktueller kommerzieller Wert vernachlässigbar. Es wird jedoch immer noch als Wärmequelle zum Löten, zur Reparatur von Eisengussteilen und zum Auftragen von verschleißfesten Verbindungen auf Oberflächen verwendet. Wolframelektroden, die bei Verfahren wie dem Wolfram-Inertgasschweißen (GTAW) und dem Plasmalichtbogenschweißen (PAW) verwendet werden, haben Graphitelektroden beim Schweißen nach und nach verdrängt.
Bolzenschweißen (SW) ist ein weiteres spezielles AW-Verfahren, das zum Schweißen von Bolzen oder ähnlichen Komponenten an Basisteile verwendet wird. Die folgende Abbildung zeigt einen typischen SW-Vorgang, bei dem die Abschirmung durch die Verwendung einer Keramikhülse erreicht wird. Zunächst wird der Bolzen in eine spezielle Schweißpistole eingesetzt, die die Leistung und den Zeitpunkt der Schritte regelt, während sie automatisch in der Sequenz angezeigt werden. Der Arbeiter muss lediglich den Abzug betätigen, nachdem er die Pistole richtig auf das Basiswerkstück ausgerichtet hat, an dem der Bolzen befestigt wird. Zu den Anwendungen für SW gehören Wärmeabstrahlungsrippen an Geräten, Gewindebefestigungen zum Verbinden von Griffen mit Kochgeschirr und ähnliche Montageszenarien. Bolzenschweißen bietet in der Regel Vorteile gegenüber manuell lichtbogengeschweißten Befestigungen, gebohrten und mit Gewinde versehenen Löchern und Nieten in hochproduktiven Prozessen.
Referenzen
Groover, MP, 2010. Grundlagen der modernen Fertigung: Materialien, Prozesse und Systeme. 4. Aufl. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
