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Schweißtechnik Erstes Handbuch zum WIG-Engspaltschweißen

Redakteur: Brigitte Michel

In dem Handbuch zum WIG-Engspaltschweißen gibt Polysoude wichtige Informationen zum Schweißverfahren und seinen Möglichkeiten an die Anwender weiter.

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Engspaltschweißen mit Hilfe eines Roboters.
Engspaltschweißen mit Hilfe eines Roboters.
(Bild: Polysoude)

Durch die strengen Vorgaben bezüglich der Qualität geschweißter Verbindungen und die notwendige hohe Produktivität bei ihrer Herstellung sehen sich die industriellen Anwender in zunehmendem Maße gezwungen, automatisierte Prozesse einzusetzen.

Diese Entscheidung wird natürlich noch von einer ganzen Reihe weiterer Vorgaben beeinflusst, etwa der Forderung nach reduzierter Energieeinbringung oder die Erwartung einer besonders gleichmäßig ausgebildeten Schweißnaht; solche und eine Reihe anderer Gesichtspunkte können bei öffentlichen Bauvorhaben eine nicht zu unterschätzende Rolle spielen.

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Im Laufe der vergangenen Jahrzehnte haben die stetigen Fortschritte beim WIG-Schweißen dazu geführt, dass sich dieses Verfahren in weiten Anwendungsbereichen etablieren konnte, auch ist der damit verbundene technische Aufwand deutlich geringer als bei ähnlich hoch entwickelten Fügeprozessen (Laser- bzw. Elektronenstrahlschweißen).

Die vergleichsweise kompakt und robust konstruierten Schweißwerkzeuge und die sichere Beherrschbarkeit aller Zwangslagen haben zu einem bevorzugten Einsatz des WIG-Schweißens in automatisierten Anlagen und beim Orbitalschweißen geführt. Dieser Trend wurde dann durch die hohe Effizienz des Verfahrens beim Schweißen der Verbindungen noch verstärkt.

Auch der Umstand, dass sich aus praktisch allen Metallen und Legierungen hergestellte Werkstücke schweißen lassen, hat in bedeutendem Maße zur Verbreitung des WIG-Verfahrens im Rahmen automatisierter Prozesse beigetragen.

Die besonderen Eigenschaften der auf der Basis ausgefeilter Konzepte konstruierten modernen Brenner (gesteigerte Miniaturisierung, robuste Ausführung, hohe Einschaltdauer) haben es ermöglicht, die Schweißanlagen insgesamt zu optimieren und ihre Leistungsfähigkeit entsprechend zu steigern.

Die mit dem Einsatz des WIG-Schweißens verbundenen Vorzüge haben nicht nur dazu beigetragen, früher dem manuellen Schweißen vorbehaltene Aufgaben durch automatisierte Vorrichtungen zu lösen, sondern haben auch dazu geführt, dass das Verfahren im Hinblick auf den Einsatz an immer größeren Werkstücken mit stetig zunehmenden Wandstärken weiterentwickelt wurde.

Anwendungsmöglichkeiten ausgeweitet

Durch die Auswahl unter verschiedenen Arten von Stromquellen mit gesteigerter Leistung, das Angebot zusätzlich produktivitätserhöhender Funktionen wie der Zugabe von Heißdraht und der Doppeldrahtzuführung sowie die Konstruktion aufgabenspezifischer Brenner für das Auftrag- oder Engspaltschweißen, konnten die Anwendungsmöglichkeiten des WIG-Schweißens noch weiter ausgedehnt werden.

Dem heutigen Stand der Technik entsprechend können standardmäßig WIG-Schweißungen an Werkstücken mit Wanddicken von 0,5 mm bis 300 mm vorgenommen werden.

Um das WIG-Verfahren zum Schweißen dickwandiger Werkstücke erfolgreich einsetzen zu können, müssen allerdings bestimmte Voraussetzungen bezüglich der Auswahl der einzusetzenden Anlagen, der Art der Werkstückvorbereitung und der einzuhaltenden Arbeitsoperationen erfüllt werden.

Das Erstellen einer Schweißanweisung ist stets mit der Frage verbunden, ob der erwartete Effizienzzuwachs in der Praxis erreicht werden kann. Dazu ist es notwendig, die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahrensvarianten zu kennen und die zur Lösung der jeweiligen Schweißaufgabe am besten geeignete auszuwählen.

Die möglichen Verbesserungen der Produktivität sind beträchtlich und steigen mit zunehmender Wandstärke. Allerdings muss in jedem Fall geprüft werden, ob die erwarteten Vorteile tatsächlich den mit dem Einsatz des Verfahrens verbundenen Mehraufwand rechtfertigen.

Es gibt mehrere wichtige Einflussgrößen, die den möglichen Produktivitätszuwachs bestimmen, daher muss ein präziser Vergleich der Ergebnisse der verschiedenen Verfahrensvarianten im Hinblick auf die jeweilige Schweißaufgabe durchgeführt werden.

Als Ergebnis vergleichender Untersuchungen verschiedener Schweißmethoden steht z. B. fest, dass bei zu schweißenden Wanddicken von 12 mm bis 15 mm mit grundwerkstoffabhängig optimiertem Engspaltschweißen gegenüber Schweißungen mit konventioneller Nahtvorbereitung (Öffnungswinkel ungefähr 20°) kein nennenswerter Produktivitätszuwachs möglich ist. Mit zunehmenden Wanddicken steigt die Produktivität, um schließlich bei Wanddicken zwischen 55 mm und 60 mm den Faktor 3 zu erreichen.

Bei zu schweißenden Wanddicken über 30 mm ist der Einsatz der Engspalttechnik praktisch in allen Fällen anzuraten, die einzige Ausnahme bilden sehr spezielle Schweißaufgaben in der Einzelfertigung.

Trotzdem müssen die Eigenheiten der zu bearbeitenden Grundwerkstoffe und die anderen Randbedingungen der Schweißaufgabe sorgfältig analysiert werden, um die am besten geeignete Verfahrensvariante zu bestimmen.

Schweißbrenner sind dem Verfahren angepasst

Die aktuell im Standardangebot der Firma Polysoude enthaltenen Brenner sind für das Engspaltschweißen bei Wanddicken zwischen 30 mm und 300 mm ausgelegt.

Die Brenner wurden so ausgelegt, dass sie den Anforderungen des jeweiligen Einsatzgebietes voll entsprechen, die Brennerauswahl wird von der zu schweißenden Wanddicke und der Art der einzubringenden Schweißlagen bestimmt.

Die Gestaltung der Brenner erlaubt es, alle Lagen von der Nahtwurzel (maximale Eintauchtiefe des Brenners in die Schweißfuge) bis zur Decklage einzubringen.

Beim Verwenden von WIG-Brennern konventioneller Bauart für Wanddicken bis 45 mm muss das Nachstellen des Elektrodenüberstandes nach dem Einbringen von Schweißlagen alle 5 mm bis 10 mm erfolgen. Diese klassischen Brenner können uneingeschränkt für alle vorkommenden Schweißaufgaben eingesetzt werden. Für Wanddicken bis 100 mm gibt es eine Zwischenlösung. Die unter dem Namen V2 und V3 angebotenen Brenner haben eine besondere Isolierung und sind so konstruiert, dass das Schutzgas wirksamer zum Grund der Schweißfuge geleitet wird als bei herkömmlichen Brennern. Bei diesem Brennertyp ist allerdings noch keine spezielle Vorrichtung zum Fixieren und Verlängern der Elektrode vorgesehen.

Bei Eintauchtiefen ab etwa 45 mm verfügen die Brenner über abnehmbare Schleppgasdüsen, die einen besonderen Schutz des Schweißgutes gewährleisten. Sie können auch bei pendelnd aufgebrachten Decklagen eingesetzt werden.

Brennertypen für Eintauchtiefen bis 150 mm, bis 250 mm und schließlich bis 300 mm sind ebenfalls mit Schleppgasdüsen (wenn nötig abnehmbar) ausgerüstet und können zum Einbringen aller Lagen einschließlich pendelnd aufgebrachter Decklagen eingesetzt werden.

Das gesamte Brennersortiment für das Engspaltschweißen können mit feststehenden oder pendelnden Elektroden ausgestattet werden. Die gezielte Verringerung des Volumens, das mit dem einzubringenden Schweißgut aufgefüllt werden muss, ist mit verschiedenen Schwierigkeiten verbunden. So lässt sich der Ablauf des Schweißprozess aufgrund der beengten Platzverhältnisse nicht direkt beobachten.

Probleme beim Engspaltschweißen

Je nach Schweißaufgabe treten geringfügig unterschiedliche Problemstellungen auf, von denen einige vorgestellt werden sollen:

Die Breite der Schweißfuge beträgt im Allgemeinen nur zwischen 10 mm und 20 mm, während ihre Tiefe bei 100 mm bis 300 mm liegen kann

Bei Schweißungen an flachen Werkstücken oder Zylindern mit großen Durchmessern ist es für den Bediener meistens ausgeschlossen, eine Position einzunehmen, die einen ausreichend flachen Blickwinkel ermöglicht

Werkstücke mit großen Wanddicken sind in vielen Fällen beim Schweißen vorgewärmt.

Neben den rein technischen Gesichtspunkten spielt auch das Bestreben eine Rolle, die Arbeitsplätze benutzerfreundlich zu gestalten und das Bedienungspersonal vor dem Lichtbogen zu schützen, der bei den herrschenden hohen Stromstärken außergewöhnlich kräftig ist.

Wenn der Wunsch nach einer Ausstattung der Schweißanlage mit der zur Videoübertragung notwendigen Ausrüstung bereits bei der Konzeption berücksichtigt wird, kann diese so integriert werden, dass das Ergebnis den Erfordernissen des industriellen Umfeldes gerecht wird und die Schweißwerkzeuge trotzdem nicht überladen sind. Nachträglich aufgestellte externe Kameras vermitteln meist einen provisorischen Charakter und passen nicht in das Erscheinungsbild moderner Produktionsmittel.

Der Schweißbrenner ist ein äußerst komplexes Werkzeug, das während der Schweißung hoch beansprucht wird und einen großen Einfluss auf die Qualität der gefügten Verbindung ausübt. Aus diesen Gründen wurden Testmethoden entwickelt, die es erlauben, die maßgeblichen Funktionen der Brenner zu prüfen und sicherzustellen, dass keine die Zuverlässigkeit der Verbindung gefährdenden Ausfälle zu befürchten sind.

Das grundlegende Augenmerk bei der Entwicklung der Brenner wird auf folgende Faktoren gelegt:

Die Einschaltdauer (alle Konstruktionselemente der Brenner werden auf ihre Dauerhaftigkeit untersucht und nur dann zugelassen, wenn während der gesamten Lebensdauer des Schweißwerkzeuges keine Ausfälle zu befürchten sind)

Die Qualität der Schutzgasabdeckung bei der Schweißung.

Jeder neu- oder weiterentwickelte Brennertyp wird vor seiner Zulassung entsprechenden Tests unterworfen, um die Zuverlässigkeit bestimmter Funktionen wie der Videoübertragung oder Schutzgaswirkung sicherzustellen.

Besonders harte Testmethoden werden angewendet, wenn eine ganze Brennerbaureihe zur Zulassung ansteht oder bedeutende Weiterentwicklungen der Schweißwerkzeuge gelungen sind.

Konstruktionselemente, die sich als zuverlässig erwiesen haben, werden in die gesamte Baureihe integriert, um die Entwicklungszeit zu verkürzen und mit den gewonnenen Erfahrungen einen möglichst großen Nutzen zu erzielen.

Heute können Werkstücke mit Wanddicken von 30 mm bis 300 mm mit Hilfe von Engspaltbrennern ohne Schwierigkeiten geschweißt werden.

Grundsätzlich muss entschieden werden, ob das WIG-Kaltdrahtschweißen oder das WIG-Heißdrahtschweißen für die vorliegende Fügeaufgabe in Frage kommt. Für das WIG-Heißdrahtschweißen ausgelegte Stromquellen liefern höhere Stromstärken um 450 A und mehr.

Da das WIG-Heißdrahtschweißen im Vergleich mit der Kaltdrahtvariante praktisch nur Vorteile bietet, wird es in zunehmendem Maße bei Werkstücken mit Wanddicken ab 10 mm eingesetzt. Die für das WIG-Heißdrahtschweißen vorgesehenen Stromquellen lassen sich ohne Einschränkung auch für das WIG-Kaltdrahtschweißen benutzen, so dass diese Maschinen flexibel verwendbar sind.

Als für das WIG-Kaltdrahtschweißen interessantes Anwendungsfeld ist das gelegentliche Ausführen von Schweißarbeiten mit tragbarer Ausrüstung geblieben, die wegen ihrer geringeren Leistung natürlich auch zu einem deutlich günstigeren Einstandspreis zu haben ist.

Das WIG-Engspaltschweißen mit Kaltdraht ist im Wesentlichen auf Werkstücke mit geringer Wandstärke (unter 30 mm) beschränkt.

Das Einbringen der Fülllagen kann beim Engspaltschweißen auf verschiedene Weise erfolgen. Es besteht die Auswahl zwischen vier Möglichkeiten:

Einbringen einer schleppend geschweißten Strichraupe pro Lage, wenn Zwangslagenschweißungen mit hoher Produktivität gefordert werden und das Beherrschen der Nahtvorbereitung keine Probleme aufwirft

Einbringen von mehreren schleppend geschweißten Strichraupen pro Lage, wenn bei schwierig zu fügenden oder unterschiedlichen Werkstoffen eine optimale Kontrolle des Schweißbades unumgänglich ist

Einbringen von jeweils einer Lage mit gependelter Elektrode, wenn sich die Werkstücke in 5GT oder in 6GT-Position befinden und die Abweichungen der Schweißnahtbreite in Grenzen gehalten werden können. Dabei wird ein guter Kompromiss zwischen Produktivität und Durchführbarkeit erreicht

Schweißen in mehreren Durchgängen pro Lage mit gependelter Elektrode (wird äußerst selten angewendet), wenn die Werkstücke eine nicht für das WIG-Schweißen vorgesehenen Nahtvorbereitung aufweisen.

Auswahl einer geeigneten Schweißanlage

Die Art und Form der Werkstücke, ihre Wandstärken sowie die Umgebungsbedingungen der Einsatzorte sind einige der maßgeblichen Faktoren, die bei der Auswahl der jeweiligen Schweißanlage zu berücksichtigen sind.

Die Konzeption der Schweißmaschinen erfolgt dabei im Hinblick auf die einzusetzenden Schweißwerkzeuge. Im Folgenden sollen einige Ausstattungsvarianten zum Schweißen unterschiedlicher Wandstärken an Beispielen klassischer Anlagenkonfigurationen vorgestellt werden.

Die zum mechanisierten oder automatisierten Schweißen von Werkstücken mit Wanddicken unter 45 mm bestimmten Anlagen werden so konzipiert, dass sie den Vorgaben bezüglich der erwarteten Leistung gerecht werden.

Die universell verwendbaren Schweißstromquellen der PC-Serie waren ursprünglich zum Einsatz mit Maschinen zum mechanisierten Schweißen vorgesehen, eignen sich aber durch ihren modularen Aufbau gleichermaßen zur Kontrolle von mit Robotern bestückten oder Orbitalschweißanlagen.

Die offenen Schweißfahrwerke Polycar bieten den zusätzlichen Vorteil, dass sich ihre Laufschienen sowohl zu einer Kreisbahn zusammensetzen lassen, die um das zu schweißende Werkstück gelegt wird, als auch in Form gerader Stücke das Schweißen ebener Bleche ermöglicht. Die Schweißfahrwerke Polycar MP werden über einen Reibrollenmechanismus angetrieben und können sich dadurch sogar auf Bahnen bewegen, die aus runden und geraden Schienensegmenten zusammengesetzt sind (Schienenbögen mit Geraden gekoppelt, elliptische Werkstückquerschnitte etc.). Durch die Flexibilität der Schweißfahrwerke Polycar MP werden industrielle Anwender in die Lage versetzt, ihre Schweißwerkzeuge den jeweiligen Erfordernissen präzise anpassen zu können.

Zusammen mit geraden Schienen lassen sich die offenen Schweißfahrwerke Polycar sehr leicht vor Ort montieren und können dann wie Längsschweißmaschinen eingesetzt werden, allerdings bietet sich hier die zusätzliche Möglichkeit, auch alle Zwangslagen abzudecken.

Automatisiertes Schweißen bei großen Dimensionen

Ein besonders umsichtiges Vorgehen wird notwendig, wenn Orbitalschweißungen an Werkstücken vorgenommen werden sollen, die durch ihre Konstruktion fest eingespannt sind und deshalb bei Schrumpfvorgängen nicht nachgeben können (Aufbau hoher Zugspannungen). Das Engspaltschweißen sollte in solchen Fällen tunlichst vermieden werden.

Jenseits von 100 mm wird die Konstruktion der Schweißwerkzeuge in zunehmendem Maße spezifisch auf den vorgesehenen Einsatzzweck ausgelegt, die entstehenden Module können ein Gewicht von mehreren hundert Kilogramm erreichen (Schweißvorrichtung zum Fügen von Turbinenrotoren). Die für das mechanisierte Schweißen derartig großer Werkstücke eingesetzten Anlagen werden bezüglich ihrer Robustheit und Größe der Geometrie und dem zu erwartenden Gewicht der zu bearbeitenden Fügeteile entsprechend dimensioniert.

Angesichts des Gewichtes der Brenner und der Bewegungseinheiten sowie der wegen der hohen Abschmelzraten notwendigen 15 kg fassenden Zusatzdrahtrollen sind für die Aufnahme der Orbitalschweißkomponenten für diese Werkstücke große und kräftig ausgelegte Vorrichtungen nötig, wogegen die offenen Orbitalschweißfahrwerke Polycar 60-3 bzw. MP eher „zierlich“ wirken.

Allerdings werden solche Schweißfahrwerke auch in einer „schweren“ Ausführung mit einer Nutzlast von bis zu 80 kg angeboten. Sie eignen sich selbst für Werkstücke aus dem Bereich des Schwermaschinenbaus.

Der Einsatz von Schweißrobotern lohnt sich bei diesen Werkstücken, wenn der Verlauf der Schweißnähte nicht mit Orbitalschweißausrüstungen nachgefahren werden kann oder häufige Wechsel der Werkstückgeometrie flexibel zu handhabende Fertigungsmittel erfordern.

Bei roboterbestückten Anlagen zum Bearbeiten von Werkstücken mit Wanddicken von weniger als 45 mm bestehen beim WIG-Engspaltschweißen keine besonderen Einschränkungen bezüglich der einsetzbaren Brennerkonstruktionen. Durch Brenner mit motorisch verstellbarer Schutzgasdüse kann die Produktivität gesteigert werden.

Wenn das Fertigungsspektrum Werkstücke mit größeren Wanddicken umfasst, werden auch die Brenner größer und schwerer und die Roboter müssen Traglasten von 10 kg bis 50 kg bewältigen können.

Die Verläufe der herstellbaren Schweißnähte hängen in erster Linie vom Brennerprofil selbst ab, allerdings muss auch die Brennerführung durch den Roboter in den drei Achsen passend abgestimmt werden. Durch den Einsatz eines Engspaltbrenners wird wegen des nur auf manuelle Weise durchzuführenden Elektrodenwechsels der mögliche Automatisierungsgrad der Anlage entsprechend eingeschränkt.

Generell müssen die spezifischen Anforderungen der eingesetzten Roboter und der angestrebte Automatisierungsgrad bereits bei der Konzipierung derartiger Anlagen berücksichtigt werden (Einbeziehung von Portalen, Nahtverfolgungssystemen, …).

WIG-Engspaltschweißen ist keine Nischenlösung

Das WIG-Engspaltschweißen sollte nicht länger als Nischenlösung betrachtet werden, es hat sich in der Welt der modernen Fertigungsmethoden einen festen Platz erobert. Bereits bei zu schweißenden Wanddicken von über 30 mm lohnt es sich, die Vorteile des Verfahrens in Betracht zu ziehen.

Durch eine mit vergleichsweise geringem Aufwand erstellbare Vorab-Analyse kann geklärt werden, welches Potential die Anwendung des Engspaltschweißens bei der konkreten Fügeaufgabe bietet, ob und welche Gründe gegen einen möglichen Einsatz sprechen und wie eine optimal für den Anwender konfigurierte Anlage aussehen müsste.

Wie die vielen praktischen Beispiele bezüglich des industriellen Einsatzes effizient und lukrativ arbeitender Engspaltschweißanlagen zeigen, lohnt es sich immer wieder, aus den zahlreichen zur Verfügung stehenden Varianten diejenige auszuwählen, die die jeweiligen Forderungen bezüglich Mechanisierung, Automatisierung, Flexibilität, Mobilität etc. der Fertigungseinrichtung am besten abdeckt.

Wenn die Entscheidung für eine bestimmte Technologie gefallen ist, sieht sich der Anwender der recht komplexen, mit verschiedenen Schwierigkeiten verbundenen Aufgabe der Erstellung spezifischer Schweißanweisungen gegenüber. Da hierfür keine allgemeingültigen Lösungen angeboten werden können, ist es durchaus denkbar, sich der optimalen Prozessführung durch schrittweise Weiterentwicklung der einzustellenden Parameter entsprechend den sich aus der Praxis ergebenden Erfahrungen zu nähern.

Für Schweißnahtdicken von 30 mm bis 300 mm kann darüber hinaus bei Bedarf auf eine Vielzahl von als Sonderanfertigung zur Verfügung stehenden Modulen zurückgegriffen werden, um die gestellte Aufgabe auch in schwierigsten Fällen zu lösen.

Umfassende Kenntnisse des WIG-Schweißens helfen bei der erfolgreichen Umsetzung der Engspalttechnologie und erlauben es, im Falle des Auftretens von Schwierigkeiten auf vorhandene Erfahrungen aufzubauen.

Bei der Einführung der Engspalttechnik hat sich eine Vorgehensweise entsprechend der nachfolgend aufgeführten Liste bewährt.

Besonders nachhaltig kann die Einführung einer neuen Fertigungsmethode gestaltet werden, wenn gleichzeitig die Effizienz der übrigen damit in Zusammenhang stehenden Arbeitsschritte gesteigert wird, z. B. durch Verbesserung der Nahtvorbereitung, genauere Rückverfolgbarkeit der eingesetzten Werkstoffe und zuverlässige Qualitätssicherung, wobei hier ähnlich wie bei der Schweißtechnik nach entsprechend strukturiert vorgegangen werden sollte, in denen die durchzuführenden Schritte klar und eindeutig definiert sind. (bm)

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