CMT-Schweißen

Seit 3 Jahren ist mit CMT ein neues Schweißverfahren im Einsatz

11.06.2008 | Autor / Redakteur: Gerd Trommer & Andreas Nitsch * / Karl-Ullrich Höltkemeier

1 CMT-Schweißen: Selbst schwierigste Schweißaufgaben sind mit dem CMT-Schweißverfahren möglich. Bilder: Fronius
1 CMT-Schweißen: Selbst schwierigste Schweißaufgaben sind mit dem CMT-Schweißverfahren möglich. Bilder: Fronius

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Vor gut drei Jahren stellte Fronius mit Cold-Metal-Transfer (CMT) ein neues Schweißverfahren vor. Die Technologie ermöglicht das Fügen von Dünnstblechen ab 0,3 Millimetern „Dicke“, von verzinkten Blechen und von Mischverbindungen aus Aluminium und Stahl.

Mit Cold Metal Transfer haben die Experten von Fronius eine neue Idee umgesetzt. Zum ersten Mal wird die Bewegung des Schweißzusatzwerkstoffes aktiv in die Regelung eines Schweißprozesses eingebunden indem der Draht ähnlich wie die Nadel einer Nähmaschine vor und zurück gezogen wird. Während der Brennphase des Lichtbogens wird er in Richtung Werkstück geführt, bis er in das Schmelzbad trifft.

Beim Eintauchen des Zusatzwerkstoffes in das Schmelzbad erlischt der Lichtbogen; die digitale Prozessregelung erkennt den Beginn der Kurzschlussphase und vermindert den Schweißstrom gezielt. Sie vermeidet so die beim Kurzschluss mit höherer Spannung üblichen Spritzer. Dann zieht die Steuerung den Draht wieder zurück und unterstützt die saubere Tropfenablöse des geschmolzenen Zusatzwerkstoffes.

Schließlich wird die Drahtbewegung wieder zum Werkstück hin gelenkt und der Lichtbogen erneut gezündet. Diese Umkehrung der Richtung kann abhängig von der Anwendung bis zu 90 mal pro Sekunde erfolgen – häufiger, als Wechselstrom seine Polung ändert!

Mechanisches Abtasten und minimale Wärmeeinbringung

Das Bild der Nähnadel hinkt an einer entscheidenden Stelle: den Umkehrpunkt der „Nadel“ gibt nicht das Schweißsystem, sondern das Werkstück vor. Beim „klassischen“ Lichtbogenschweißen wird die Länge des Lichtbogens über das Messen der Spannung geregelt. Die Randbedingungen mancher Werkstoffe, beispielsweise von Aluminium, bereiten hier Schwierigkeiten. Ihre Oberflächen bzw. Verunreinigungen können zu Störungen und Messfehlern führen.

CMT hingegen ermittelt den Abstand mechanisch exakt, unabhängig von der Beschaffenheit des Werkstückes. Das Fügen mit hoher Prozesssicherheit ist deshalb auch bei „schwierigen“ Materialien möglich. Die Automatisierung entsprechender Schweißjobs mit hoher Prozesssicherheit wird Realität. Ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Wärmeeinbringung. Der Wechsel zwischen heiß und kalt erzeugt im Vergleich zum andauernden konventionellen Prozesse deutlich weniger Wärmeenergie. Deshalb ist das Fügen dünnster Bleche möglich. Mit konventionellen Verfahren besteht das Risiko, dass die Bleche sich zu stark verziehen oder durchschweißen.

Gezielter Tropfenübergang ermöglicht flexible Spaltüberbrückung

Sehr positive Erfahrungen in Bezug auf die Spaltüberbrückung mit CMT hat das Unternehmen ELB-Form gemacht (Bild 2). Der Spezialist für Hohlkörper-Leichtbaustrukturen ist auf das Schweißen komplexer Baugruppen spezialisiert. Unter anderem verarbeitet das Unternehmen Biege- und Stanzteile weiter, die herstellungsbedingt nicht immer vollkommen passgenau sind.

Erschwerend kommt hinzu, dass oft Teile gefügt werden müssen, die unterschiedlich dick sind. In solchen Fällen sind große Schwankungen im Spaltmaß zu bewältigen; gleichzeitig darf der Wärmeeintrag nicht zu groß sein, um übermäßigen Verzug zu verhindern.

Der Betriebsleiter von ELB-Form, Helmut Haspl, sieht in CMT die entscheidende Technologie für sein Unternehmen. „Ohne die positiven Eigenschaften von CMT hätten wir viele Schweißaufgaben kaum realisieren können. Die hohe Qualität unserer Verbindungen ist vor allem durch die gute Spaltüberbrückung und den geringen Verzug der einzelnen Teile begründet. Außerdem ermöglicht uns die hohe Prozesssicherheit der Technologie das robotergestützte Automatisieren vieler Schweißjobs.“

Ohne Nachbearbeitung: gleichmäßigere, flachere und geradere Nähte

Auch beim Fügen sehr langer Verbindungen hat sich CMT bereits bewährt: in der Rohbaufertigung von Schienenfahrzeugen setzt Alstom in Salzgitter auf die neue Technologie. Die Schweißer verbinden hier die Seitenwand eines Waggons mit dessen Dach-Voute (Bild 3). Dazu nutzen sie eine TransPuls Synergic 4000 CMT. Den Brenner führen sie auf einem Traktor montiert entlang der 18 Meter langen Überlappung.

Bevor die Waggonbauer den CMT-Prozess einführten, setzten sie an dieser Stelle per MSG-Schweißen eine Kehlnaht. Sie war allerdings häufig dicker, ungleichmäßiger und nicht so gerade, wie dies mit CMT möglich ist. Das aufwändige Nachbearbeiten, das früher notwendig war, entfällt jetzt. Dank des geringeren Wärmeeintrages verzieht sich das Material deutlich weniger, der Lichtbogen hält wesentlich stabiler.

Korrosionsschutz verzinkter Bleche bleibt erhalten

Gleich mehrere Vorteile des neuen Verfahrens belegt Bernd Ruß anhand verschiedener Anwendungsbeispiele in seinem Unternehmen. Er ist Geschäftsführer und Inhaber des Lohnschweißbetriebes HABS mit Sitz in Mogendorf im Westerwald.

Er war bereits zur Markteinführung von der CMT-Technologie überzeugt: „Mittlerweile erzielen wir 80 Prozent unseres Umsatzes alleine mit unseren 9 CMT-Systemen, mit denen wir selbst schwierigste Schweißaufgaben übernehmen. Darüber hinaus planen und realisieren wir in Auftragsarbeit Schweißroboter-Arbeitsplätze für unsere Kunden.“ (Bild 1). Große Vorteile der „kalten“ Schweißtechnik sieht Ruß zusätzlich beim Löten verzinkter Stahlbleche.

„Neben der hohen Qualität der Fügeverbindungen und der Spritzerfreiheit mit CMT bringt der geringere Wärmeeintrag hier einen weiteren entscheidenden Vorteil: die Zinklegierung verdampft zu einem wesentlich geringeren Anteil, als bei anderen Verfahren. So bleibt der Korrosionsschutz besser erhalten und die Produkte werden für unsere Kunden noch wertvoller.“

Materialeinsparungen durch Dick-Dünn-Verbindungen mit CMT

Aufgrund der vorhandenen Fügeverfahren waren früher manche Bauteile dicker proportioniert, als dies für ihre eigentlichen Funktionen nötig gewesen wäre. Die Möglichkeit, dünnere Werkstücke zu schweißen, erspart in solchen Fällen viel Material – ein immenser Kostenvorteil für die Kunden des Unternehmens.

Als Beispiel einer solchen Verbindung präsentiert Ruß eine Schweißverbindung am Verteilerstück einer Kraftstoffleitung. Hier wird ein Rohrabschnitt mit 0,8 mm Wanddicke mit einem 2 mm dicken Blechstück aus Automatenstahl verschweißt. „Für die Funktion des Bauteiles reichen die 0,8 mm Wanddicke vollkommen aus – das Fügen mit doppelter Wanddicke wäre zwar auch mit anderen Verfahren realisierbar gewesen, aber von den Materialkosten für unseren Kunden viel zu teuer. Außerdem wäre ein Nachbearbeiten der kreisförmigen, 50 mm langen Lochschweißnaht schwierig.“

Puls-Mix: Präzision von CMT mit Wärme eines Impulslichtbogens

Eine besondere Lösung hat Ruß für das Fügen von Komponenten einer Klimaanlage für einen Automobilhersteller gefunden (Bild 4). Die Teile sind aus Aluminium geformt und während ihrer Funktionen extremen Temperaturunterschieden ausgesetzt. Die Wärme, die der CMT-Kurzlichtbogen während des Schweißprozesses alleine einbringt, ist in dieser Anwendung für das Verbinden von Aluminium zu gering. Beim heißeren Impulslichtbogen treten beim Material allerdings Probleme auf, denn seine Oberfläche kann zu Messfehlern und so zu einer fehlerhaften Einstellung der Lichtbogenlänge führen.

Die Lösung liefert Fronius mit einer Kombination beider Verfahren, dem so genannten Puls-Mix. Bei diesem folgen Impulse von CMT- und Impulslichtbogen im Wechsel. Über einzelne CMT-Impulse wird der Abstand des Brenners zum Werkstück durch mechanisches Abtasten bestimmt. Nun folgen einige Impulse konventionellen MIG-Schweißens, während die Regelung abgeschaltet ist. Der Schweißstrom bleibt in diesem nur wenige Hundertstel-Sekunden-Intervall konstant, die Länge des Lichtbogens stellt das System über den per CMT gewonnen Wert ein. Je nach Anwendungsfall ist es dem Nutzer möglich, die Impulszahl der beiden Verfahren zu variieren und so Messfrequenz und Wärmeeintrag genau zu regulieren.

Auf diese Weise war es bei HABS möglich, die genauere Abstandsmessung per CMT auch für das Fügen von Aluminiumverbindungen nutzbar zu machen. Bernd Ruß: „Mit dem Puls-Mix-Prozess können wir hier deutlich schneller als mit dem konventionellen WIG-Verfahren fügen. Die Verbindungen genügen unseren hohen Ansprüchen und bestehen das komplette Testprogramm einschließlich Salzwasser-Sprühnebel problemlos.“

Neue Ideen sowie die Weiterentwicklung von Hard- und Software ermöglichen komplett neue Verfahren wie CMT. Material- und Zeiteinsparungen reduzieren zudem Kosten in der Herstellung. Die Eigenschaften und Vorteile verschiedener Schweißverfahren lassen sich zusätzlich gezielt kombinieren. Die Entwicklung in diesem Bereich ist noch lange nicht an ihre Grenzen gestoßen.

* Dipl.-Ing. Gerd Trommer und Dipl.-Inform. Andreas Nitsch, rgt redaktionsbüro gerd trommer

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