Das Pulsschweißverfahren

Schweißverfahren - Teil 4

Dieser Artikel erklärt was der Doppelpuls in Theorie und Praxis bedeutet und wie seine Vorteile beim Schweißen von Aluminium genutzt werden können. Es wird auch der Unterschied zwischen herkömmlichem Puls und Doppelpuls erläutert.

29. Juli 2003

Beim Pulsschweißen wechselt der Schweißstrom in der gewünschten Frequenz zwischen Ausgangs- und Spitzenstrom. Dabei wird der Stromfluß von knapp zwanzig Parametern geregelt, welche unter anderem den Pulsstrom regeln und den Lichtbogen stabil halten. Der Mindeststrom wird so gewählt, daß der Lichtbogen nicht zwischen zwei Pulsstößen ausgehen kann; während des Spitzenwertes löst sich ein Tropfen vom Zusatzstoffdraht, ohne daß es zum Kurzschluß kommt. Die Pulsfrequenz liegt normalerweise zwischen 50 und 250 Herz.

Zur Erleichterung der Bedienung werden eigene Programme für unterschiedliche Materialien, Stärken, Drahtdurchmesser und Schutzgase abrufbar in der Maschine gespeichert, so daß der Bediener nur noch die oben genannten Einstellwerte und die Vorschubgeschwindigkeit definieren muß sowie bei Bedarf Feineinstellungen für Drahtzufuhr und Lichtbogenlänge vornehmen kann. Das Pulsschweißverfahren wird zum Verbinden dünner Materialien genutzt, da die Schweißtemperatur niedriger und der Energieaufwand geringer ist. Durchbrennen oder die Überhitzung des Bleches können hierdurch verhindert werden, die Verformungen bleiben gering, und durch den tropfenförmigen Fluß des Zusatzwerkstoffs im Pulstakt werden Spritzer vermieden. Auch das Schmelzbad läßt sich leichter kontrollieren, beispielsweise beim Positionsschweißen.

Doppelpulsverfahren

Beim Doppelpuls werden sowohl der Schweißstrom als auch die Drahtzufuhrgeschwindigkeit getaktet. Außerdem pulsiert der Strom mit der eingestellten Frequenz zwischen der Mindest- und Höchststromstärke des normalen Pulses und einem zusätzlichen höheren Wert. Die Frequenz, das heißt die Häufigkeit, mit der innerhalb einer Sekunde zum höheren Niveau gewechselt wird, kann mit der Setup-Funktion des Kemppi-„MXE-Funktionseinschubs“ im Bereich von 0,1-3 Hz gewählt werden. Gleichzeitig erhöht sich die Spannung. Die Energie des Lichtbogens nimmt daher im Verlauf der Doppelpulsphase gegenüber dem normalen Pulsniveau zu, wobei sich auch die Schmelzleistung erhöht.

Beim herkömmlichen Pulsschweißen wird der Drahtvorschub auf den gewünschten Wert eingestellt und die Schweißarbeit ausgeführt. Beim Schweißen mit Doppelpuls wird zusätzlich zur Vorschubgeschwindigkeit (beispielsweise 10m/min) auch die Vorschubamplitude eingestellt. Die Amplitude bestimmt den Mindest- und Höchstwert der Vorschubgeschwindigkeit während der Doppelpulsphase. Das Resultat ist eine Schweißnahtoberfläche, die an WIG-Schweißraupen erinnert

Die Nutzung des Doppelpulses beim Aluminiumschweißen

Ziel bei der Entwicklung der Doppelpuls-Schweißmaschine war es, unter Ausnutzung und Optimierung der Vorteile des Pulsschweißens die Schweißarbeit zu erleichtern und die Qualität der Schweißnaht zu verbessern. Der Vorteil für das Aluminiumschweißen liegt in fehlerfreien Schweißnähten und verbesserter Optik. Eine vom Aussehen her WIG-ähnliche Schweißraupe wird häufig beim Schweißen dünner Materialien gewünscht, etwa in der Fahrrad- oder Möbelherstellung. Die häufigsten Fehler beim Produktionsschweißen von Aluminium sind porenhaltige Schweißnähte und Anschlußfehler sowie Kerben und Risse am Ende der Schweißnaht. Zu den Ursachen für Anschlußfehler zählen unzureichende Lichtbogenenergie beim Aufschmelzen, die Oxidschicht (deren Schmelzpunkt bei 2052 °C liegt) sowie falsche Arbeitsmethoden.

Die Auswirkungen mangelnder Lichtbogenenergie werden durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Grundwerkstoffs zusätzlich verstärkt. Andererseits kann der niedrige Schmelzpunkt des Aluminiums zu übermäßiger Aufschmelzung führen, was Kerbenbildung neben der Schweißnaht oder Durchbrennen zur Folge hat. Die Ursachen für das Entstehen von Rissen liegen hauptsächlich in der Wahl der Zusatzwerkstoffe und der Schweißtechnik; bei der Wahl des richtigen Zusatzwerkstoffes helfen die diversen Aluminiumstandards ebenso wie die Tabellen der Zusatzwerkstofflieferanten. Zu Porenbildung kommt es in erster Linie dann, wenn Wasserstoff in die Schweißnaht gelangt. Die beherrschenden Einflußfaktoren sind Sauberkeit, Schweißprozeß, Nahtvorbereitung und Schweißtechnik sowie die Zusammensetzung von Grund- und Zusatzwerkstoff. Im Hinblick auf Porenbildung beispielsweise ist AlMg4,5Mn einfacher zu verwenden als das häufig für die Extrusion genutzte AlMgSi1

Doppelpulsschweißen von dünnen Materialien (von 1 bis 5 mm)

Zu den größten Vorteilen des Doppelpulsschweißens beim Schweißen von dünnen Materialien zählen die leichte Schweißbarkeit und die gute Optik der Schweißnaht. Beim Positionsschweißen zeigen sich diese Vorteile besonders deutlich. Das Schweißen erfolgt in gerader Bewegung. Schnelle Oszillation ist für Aluminium normalerweise nicht nötig, wodurch es leichter wird, der Naht zu folgen. Durch die für das Doppelpulsschweißen charakteristische Pumpbewegung des Lichtbogens entsteht eine WIG-ähnliche Schweißnaht. Außerdem wirkt sich die Pumpbewegung auch auf die praktische Schweißarbeit aus. Während der Doppelpulsphase nehmen Lichtbogenenergie und Vorschubgeschwindigkeit zu, wobei ein ausreichender Einbrand in den Grundwerkstoff gewährleistet wird. Bei der Rückkehr zum Ausgangspuls - dieser Vorgang könnte als Bremsphase beschrieben werden - verkürzt sich der Lichtbogen und der Schweißvorgang beruhigt sich. Bei unregelmäßiger Wurzelöffnung in der Naht ist dies von Vorteil, da es die Durchbrenngefahr reduziert. Für den Schweißer bedeutet dies in der Praxis Zeit zur Kontrolle des Schmelzbades. Da es sich um ein Pulsschweißverfahren handelt, bewegt sich der Werkstoff tropfenweise, ohne Kurzschlüsse oder Spritzer. Als Grundregel für das Schweißen dünner Materialien gilt: je geringer die Materialstärke, desto höher die Doppelpulsfrequenz und desto niedriger die Amplitude des Drahtvorschubs.

Doppelpulsschweißen von stärkeren Materialien

Gute Schweißbarkeit und Optik sind auch für das Schweißen dickeren Aluminiums von Bedeutung. Bei Materialstärken von mehr als 5 mm spielen Einbrand und Porenbildung eine wichtige Rolle für die Bewertung der Schweißmethode. Beim Doppelpulsverfahren kann die Einbrandtiefe durch die Wahl von Amplitude und Frequenz beeinflußt werden. Das Doppelpulsverfahren eignet sich auch für das Durchschweißen. Doppelpuls und gerade Brennerführung vereinfachen hier das Schweißen von einer Seite her gegen eine keramische Badsicherung in eine Wurzelöffnung von 4 mm. Besonders beim Horizontalschweißen wird es einfacher, dem oberen Rand der Kehlnaht zu folgen. Die Porenbildung unterliegt denselben Gesetzmäßigkeiten wie auch bei anderen Stromformen.

In einem Vergleichstest wurde 6 mm Aluminium AlMgSi1 (Al6082-T6) waagerecht gegen eine keramische Badsicherung in eine Wurzelöffnung von 4 mm geschweißt, um die Porenbildung zu untersuchen. Im Röntgenbild der Schweißnaht zeigte sich, daß die Poren kleiner und gleichmäßiger verteilt waren als beim herkömmlichen Pulsschweißen.

Qualität und Sicherheit als Maßstab

Die Invertertechnologie eröffnet vielseitige Verwendungsmöglichkeiten für Schweißmaschinen und die Anpassung der Stromquellen an diverse Materialien und Einsatzzwecke. In der Produktfamilie Kemppi Pro Evolution ist die Doppelpulsfunktion in den MXE-Funktionseinschub integriert. Die Funktion und ihre Anwendbarkeit für unterschiedliche Bedürfnisse ist eine interessante Zusatzoption auf der Suche nach der optimalen Lösung in Situationen, für die sich die Methode des Pulsschweißens anbietet. Ihre Vorteile liegen in der guten Qualität von Schweißnaht und Oberfläche, der geraden Brennerführung und der verbesserten Einbrandkontrolle.

Erschienen in Ausgabe: 05/2003