Fülldrahtelektroden für das MAG

Fülldrahtelektroden für das MAG-Schweißen
Herstellung, Technologie und ihre Einsatzgründe
Dr.-Ing. E. Engindeniz
Eigenschaften der Schutzgas-Fülldrahtelektroden
Es gibt auf dem Markt sehr viele gefüllte Zusatzwerkstoffe, die jedoch bei näherer Betrachtung gravierende
Unterschiede aufweisen. Bild 1 zeigt einige Beispiele von Querschliffen marktüblicher Fülldrahtelektroden.
Gemäß dem DVS-Merkblatt 0941 sind sie dem Aufbau nach in zwei Hauptgruppen einzuteilen:
- Nahtlose Fülldrahtelektroden
- Formgeschlossene Fülldrahtelektroden
Brennerführung
nahtlose Fülldrähte
schlackeführend
schlackelos
70-80°
70-80°
formgeschlossene Fülldrähte
Rutil / basisch
Metallpulver
70-80°
70-80°
Bild 1: Querschliffe von Fülldrähten
Bild 2: Arbeitstechniken und Füllungstypen
Aufgrund des geschlossenen Drahtmantels weisen die nahtlosen Typen gegenüber den Falzdrähten folgende Vorteile auf:
- unempfindlich gegen Feuchtigkeitsaufnahme
- auch nach langer Lagerung Rücktrocknen nicht erforderlich
- HD-Werte generell unter 5 ml/100g
- verkupferte Oberfläche, daher besserer Stromübergang und weniger Kontaktrohrverschleiß
- keine Torsion, kein Drall, stabile Drahtförderung
Allgemein sind für den Fülldrahteinsatz folgende Gründe zu nennen:
- Sichere Flankenerfassung, unempfindlich gegen Bindefehler
- Gute Benetzung, kerbfreie Übergänge, glatte Oberfläche
- Hohe Risssicherheit
- Spritzerarmer Tropfenübergang
- Hohe Prozessstabilität
- Röntgensichere Nähte
- Einsatzmöglichkeit von Mikrolegierungselementen
- Gute Zwangslageneignung
- Wirtschaftliche Fertigung
Das Füllpulver besteht in der Regel aus mehreren Komponenten und enthält u.a. Lichtbogenstabilisatoren
zur Erzielung einer hohen Prozessstabilität, Legierungselemente zur Nutzung der Metallurgie sowie z. T.
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Mikrolegierungselemente zur Verbesserung der Güteeigenschaften des Schweißgutes durch den Keimbildungseffekt. Letztere verleihen dem Schweißgut ein feinkörniges Gefüge. Zur Orientierung für den Leser
sind In Bild 3 einige Rohstoffe gezeigt.
Kalziumkarbonat ð CaCO3
Rutil ð TiO2
Natriumflorid ð NaF
Flußspat ð CaF2
Kalifeldspat
Magnesit ð MgO
SiO2 Al2O3 K2O
Eisenpulver ð Fe
Ferrobor ð B
Ferromangan ð Mn
Sinterkorund ð Al2O3
Ferrosilizium ð Si
Kryolith ð Na3AlF6
Ferromolybdän ð Mo
Bild 3: Einige Rohstoffe für die Herstellung des Füllpulvers
Gegenwärtig stehen Fülldrahtelektroden mit und ohne Schlacke zur Verfügung. Die schlackeführenden
Typen enthalten Rutil- oder basische Bestandteile und sind wegen der Gefahr der Schlackeneinschlüsse
wie die Stabelektroden mit leicht schleppender Brennerstellung zu verarbeiten (Bild 2). Titanoxid bildet bei
den Rutilfülldrähten die Hauptkomponente und ergibt auf der Nahtoberfläche eine dunkelgraue Schlacke.
Kalziumfluorid ist bei den basischen Fülldrähten anzutreffen und erzeugt recht dünnflüssige Schlacke in
ockergelb bis leicht grün.
Der Herstellungsprozess der nahtlosen Fülldrähte geht aus Bild 4 hervor.
Als Vormaterial dient ein ca. 50 mm breites und rund 2 mm dickes endloses Band, aus dem unter Einsatz
des Hochfrequenzschweißens Rohre erzeugt werden. Nach der Rekristallisationsglühung wird das agglomerierte Füllpulver durch die Schwingbewegung mit Hilfe eines Rüttlers in das Rohr eingebracht und vorverdichtet. Danach erfolgt das Vorziehen des Halbzeuges auf den Glühdurchmesser. Während bei dieser
Wärmebehandlung der verfestigte Mantel weichgeglüht wird, reduziert sich der aus dem Füllpulver stammende Wasserstoff weit unter 5 ml/100 g. Anschließend wird der Draht in mehreren Stufen auf die Endabmessung gezogen, dabei mehrmals nass gereinigt und zum Schluss verkupfert und poliert. Die nach dieser
Methode hergestellte Fülldrahtelektrode ist gegen Feuchtigkeitsaufnahme absolut geschützt und unbegrenzt lagerfähig. Ein Nachtrocknen ist nicht notwendig. Da die Hülle keinerlei Steifigkeitssprung aufweist,
sind die Drähte drallfrei und gewährleisten eine störungsfreie Förderung. Die verkupferte Drahtoberfläche
verbessert den Stromübergang und verringert den Düsenverschleiß.
Die Produktion der formgeschlossenen Fülldrähte erfolgt überwiegend mit trocken gemischten Rohstoffkomponenten. Zuerst wird ein endloses Schmalband mit dem Querschnitt ca. 12 mm x 0,7 mm in Längsrichtung U-förmig gebogen. In diese U-Form wird das Pulvergemisch seitlich hinein gefördert. Bei diesem
kontinuierlichen Füllprozess müssen die Füllpulverfördermenge und die Bandgeschwindigkeiten exakt aufeinander abgestimmt sein, damit die gewünschten Schweißgutanalysen eingestellt werden können. Anschließend wird der gefüllte U-Querschnitt in mehreren Schritten geschlossen. Je nach Nahtaufbau entstehen bei diesem Walzvorgang die in Bild 1 gezeigten, formgeschlossenen Drahtformen.
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Die Schlackenbildner, insbesondere basische Bestandteile beeinflussen die mechanischen Gütewerte
positiv. Sie setzten Bindefehler- und Porengefahr auf ein Minimum herab. Somit stellen die schlackeführenden Fülldrahtelektroden in der schweißtechnischen Beurteilung hinsichtlich der praktischen Anwendungsfälle eine Alternative zur Stabelektrode dar. Ein wesentlicher Vorteil der Rutiltypen mit schnellerstarrender Schlacke besteht darin, sie aufgrund der hervorragenden Modellierfähigkeit beim Zwangslagenschweißen vor allem in der steigenden Position sehr wirtschaftlich eingesetzt werden können.
Herstellung des Rohres
aus dem Massivband
durch das HF – Schweißen
Vorzug auf Glühdurchmesser
und
Glühen des gefüllten Rohres
Rekristallisationsglühen
und
Kalibrieren auf Fülldurchmesser
Ziehen auf Endabmessung
Verkupferung der Oberfläche
Herstellung des agglomerierten Füllpulvers und Einbringen des
Füllpulvers durch Vibration
Spulung auf
Lieferform
®
Bild 4: Fertigungsschritte der nahtlosen Megafil -Fülldrähte
Die schlackelosen Metallpulver-Fülldrahtelektroden sind als Gegentypen zu den Massivdrahtelektroden zu
bewerten. Trotz fehlender Schlacke zeigen diese Typen die fülldrahtspezifischen Vorteile im Hinblick auf
die Nahtqualität. Eine Ausnahme bildet Porenanfälligkeit bei zu großem Kontaktrohrabstand. Unter dem
Aspekt absolut sicherer Wiederzündfähigkeit und des nahezu spritzerfreien Prozessverhaltens war die
Entwicklung dieser Drähte ursprünglich für den Robotereinsatz vorgesehen. Ein weiterer Vorteil gegenüber
den schlackeführenden Fülldrahtelektroden ergibt sich in diesem Zusammenhang bei den Mehrlagenschweißungen, da hier die Zwischennahtreinigung entfällt.
Die Grundlagenuntersuchungen haben gezeigt, dass die Metallpulver-Fülldrahtelektroden unter dem
Schutzgas M 21 drei Lichtbogenbereiche Kurz - Misch- und Sprühlichtbogen aufweisen (Bild 5). Die erstaunlich geringe Spritzerbildung im Kurzlichtbogenbereich eröffnet dem Draht auch bei manuellem Einsatz
universelle Anwendungsmöglichkeiten. Dies gilt insbesondere für die gute Spaltüberbrückbarkeit (Wurzelschweißen) und für das Schweißen in Zwangslagen. Die Brennerstellung ist ähnlich der beim Schweißen
mit Massivdrahtelektroden d.h., sie ist leicht stechend oder neutral (Bild 2). Der mit Spritzern behaftete
Mischlichtbogen um 200A sollte nicht zum Einsatz kommen. Bei Verwendung von Pulsstromquellen
schweißen die Metallpulvertypen auch in diesem Bereich nahezu spritzerfrei.
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45
S p a n n u n g [V]
40
Schutzgas : M21
Abmessung: 1,2 mm
35
350 A
300 A
250 A
30
200 A
25
150 A
20
70 A
15
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Drahtaustrittsgeschwindigkeit [m/min]
11
12
13
14
=+
Bild 5: Lichtbogenbereiche der MP-Fülldrähte am Beispiel von MF 710M
Als eine weitere Entwicklung ist der basische Fülldraht mit Zwangslageneignung zu nennen. Derartige
Drähte weisen weniger Schlacke auf und werden mit höheren Füllfaktoren gefertigt. Der Füllfaktor gibt die
Gewichtsanteile des Mantels und der Füllung an. Die Hauptanforderung für die Entwicklung dieser basischen Generation stammt aus dem Schiffbau. Hier werden die Rutiltypen mit schnellerstarrender Schlacke
überwiegend für Einseitenschweißungen meist auf Keramik in senkrechter Position eingesetzt. Die Werften
müssen jedoch immer mehr recht dicke Querschnitte sowohl für den Schiffbau als auch für Komponenten
der Offshoretechnik verarbeiten, wofür der Rutiltyp aus der Sicht der Risssicherheit unter extrem schwierigen Bedingungen nicht ausreicht. Die schweißtechnischen Eigenschaften der o.g. basischen Fülldrahtelektroden mit Zwangslageneignung lauten wie folgt:
- Fein- bis mitteltropfiger Werkstoffübergang
- Schlacke mit mittlerer Stützwirkung, leicht lösend
- Minimierung der Rückenbildung
- Möglichkeit des Überschweißens von Walz- und Primerschichten
Derartige Fülldrähte werden wegen der besseren Schweißeigenschaften überwiegend am –Pol verarbeitet,
was je nach Anwendungsfall und Maschinenverfügbarkeit ein Nachteil sein kann.
Allgemein ist der Gleichrichter mit Konstantspannungscharakteristik heute noch als die Standardstromquelle für alle gasgeschützten Fülldrahtelektroden anzusehen. Die Verwendung von Impulstechnik bietet in
Bezug auf die Spritzerfreiheit zusätzliche Vorteile. Mit Rücksicht auf die Optimierung der Schweißeigenschaften ist jedoch darauf zu achten, dass die Impulsfrequenz zwischen 50 Hz und 100 Hz betragen sollte.
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