Thermische Oberflächenbeschichtung mit WIG-DC plus AC

Nachhaltige thermische Oberflächenbeschichtung durch innovative Schweißprozesse
bei automatisierten Anwendungen.
Anwendungen
A. Burt, EWM Hightec Welding GmbH,, Mündersbach, Deutschland
Nachhaltiges Handeln ist der bewusste und schonende Umgang mit verfügbaren Ressourcen. Nachhaltigkeit in der
Schweißtechnik verlangt die Einsparung von Energie, Rohstoffen, Emissionen aber auch von Schweißzeit und
damit von Kosten. Diese Einsparungen können mit hochdynamischen, energiesparenden
energiesparend Stromquellen und innovativen Schweißprozessen erreicht werden. Qualität und Wirtschaftlichkeit haben in einem Industrieunternehmen
höchste Priorität. Damit sich Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und Qualität optimal ergänzen, sind präzise KenntKenn
nisse aller Zusammenhänge und das Interagieren der unterschiedlichen Komponenten grundlegende VoraussetVorausse
zung. Am Beispiel eines automatisierten Auftragschweißprozesses an einer konkreten Schweißaufgabe werden
nachfolgend diese drei Zusammenhänge und die Relevanz in Gesamtheitlicher Betrachtung verdeutlicht.
1
Oberflächenbeschichtungsverfahren
Die Produktivität von Maschinen und Anlagen wird
maßgeblich
h durch Ihre Eigenschaften im Umgang mit
auftretenden Beanspruchungen bestimmt. Für beb
stimmte Anwendungen sind die KorrosionsKorrosions und Verschleißeigenschaften oder ihr tribologisches Verhalten
die maßgeblichen Größen zur Auslegung der BauteiBaute
le. Zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften
Oberflächen
von Bauteilen wurden spezielle OberflächenbeschichOberflächenbeschic
tungsverfahren entwickelt. Diese Techniken ermögliermögl
chen eine wirtschaftliche und ressourceneffiziente
Nutzung von Werkstoffen. Im Bereich der thermischen
Beschichtungsverfahren
verfahren wird allgemein zwischen
Schweißplattieren, Schweißpanzern und Schweißen
von Pufferlagen als Auftragschweißverfahren unterunte
schieden. Schweißplattieren dient vor allem dem KorKo
rosionsschutz des Grundwerkstoffs, Schweißpanzern
dem Verschleißschutz.
ißschutz. Pufferlagen werden als ZwiZw
schenlagen für artfremde Auftragsschichten zum
Grundwerkstoff aufgebracht (1) (2).
Beim thermischen Auftragschweißen wird mittels
Lichtbogenprozessen ein Verschleiß- oder Korrosionsbeständiger Auftragwerkstoff
werkstoff auf einen artfremartfre
den, oft unlegierten Stahl aufgebracht, um die EigenEige
schaften der Oberfläche entsprechend den BeanspruBeanspr
chungen zu verbessern. Die stoffschlüssige VerbinVerbi
dung zwischen einem ausreichend elastischen
elastisch Bauteil
und Funktionsoberfläche und die damit verbundene
hohe Wärmeleitfähigkeit, die Unabhängigkeit von der
Bauteilgeometrie und die Erzeugung dichter Schichten, bieten im Vergleich zum thermischen Spritzen die
wesentlichen Vorteile von Auftragschweißungen.
Auftragschweißu
Die
Eigenschaften
en der Funktionsbeschichtung hängen
sehr stark von der Aufmischung, also dem Verhältnis
von aufgeschmolzenem Grundwerkstoff zum gesamgesa
ten aufgeschmolzenen Volumen ab. Anhand von
Querschliffen oder über das Verhältnis der chemichem
schen Analyse
yse der Schichtbereiche kann der
Aufmischungsgrad
grad der Funktionsschicht bestimmt
werden. Je nach Schweißaufgabe,
be, Werkstoff, AufAu
tragsschicht und Automatisierungsgrad
utomatisierungsgrad sind Aufmischungen von >5 – 30% bei Abschmelzleistungen
bis 40kg/h realisierbar (3). Beim vorgestellten
orgestellten WIGWIG
Auftragschweißen
en liegen die Aufmischungen in der
Praxis bei >10% bei Abschmelzleistungen
schmelzleistungen bis 4kg/h.
2
Verfahrensvariante WIG-DC
WIG
mit AC-Hotwire
Der WIG-DC mit AC-Hotwire
Hotwire Schweißprozess ist eine
neu entwickelte Verfahrensvariante, bei der der Lichtbogen zwischen nicht abschmelzender WolframelektWolframelek
rode und Werkstück durch Gleichstrom erzeugt wird.
Der Zusatzwerkstoff wird mechanisiert zugeführt und
durch eine AC-Strombeaufschlagung
Strombeaufschlagung im Bereich
Be
von
30A – 170A
0A bei Spannungen im Bereich von etwa
2V – 8V
V vorgewärmt (Leistung
(Leis
zwischen 60W –
1,4kW). Die Kombination bietet den Vorteil, einen
kontinuierlichen
erlichen und reproduzierbaren Prozess, mit
einer im Vergleich zum manuell zugeführten
Schweißstab, wesentlich höheren Abschmelzleistung
zu erreichen. Die zugeführte Schweißdrahtelektrode
wird dabei mit Wechselstrom anstelle von Gleichstrom
erwärmt. Aus der Elektrotechnik ist bekannt, dass bei
stromdurchflossenen Leitern ein Magnetfeld entsteht,
das sich in ihrer Wirkungsrichtung je nach StromStro
durchflussrichtung ändert.
Das magnetische Feld, welches vom mit WechselWechse
strom durchflossenen Heißdraht gebildet wird
wir und das
magnetische Feld, welches durch den stromdurchstromdurc
flossenen DC-Lichtbogen
Lichtbogen gebildet wird, interagieren
miteinander durch wechselseitige Anziehung und
Abstoßung der Lichtbogensäule. Aufgrund der sehr
beweglichen Plasmasäule kann der Lichtbogen desde
halb leicht durch ein Magnetfeld
netfeld abgelenkt werden.
Bild 1: Pendeln des Lichtbogens durch das sich wechselnwechsel
de magnetische Feld im Schweißstab
Die Ablenkung der Plasmasäule ist für LichtbogenproLichtbogenpr
zesse im Normalfall unerwünscht. Diese EigenschafEigenscha
ten macht sich der WIG-DC
DC mit AC-Hotwire-Prozess
AC
zum Nutzen. Durch die Beaufschlagung des ZusatzZusat
1
werkstoffs mit Wechselstrom wird ein sich ständig
änderndes Magnetfeld erzeugt, da sich das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters je nach Stromrichtung umkehrt. Durch diesen Effekt wird der Lichtbogen in der Frequenz des Wechselstroms ständig
abgelenkt (angezogen oder abgestoßen, Bild 1).
Somit sind hohe Lichtbogenströme an der Elektrode
und eine hohe Abschmelzleistung durch den vorgewärmten Schweißzusatzwerkstoff die Folge. Durch
den in einstellbarer Wechselstromfrequenz ablenkbaren Lichtbogen, wird ein geringer Einbrand und eine
geringe Aufmischung mit dem Grundwerkstoff erreicht. So lassen sich Abschmelzleistungen ähnlich
dem MSG-Puls-Auftragschweißen realisieren, jedoch
ohne die unerwünschten hohen Aufmischungen.
3
Versuche zum Auftragschweißen als Korrosionsschutz
Uneingeschränkter Korrosionsschutz besteht bei Auftragungen, in denen sich in allen Bereichen der Auftragung mindestens 12-13% Chrom nachweisen lassen. Für viele Anwendungen sind die Grenzen noch
wesentlich enger. So ist beim Schweißen von Bauteilen, welche chloridhaltigen Gasen ausgesetzt sind,
eine möglichst geringe Aufmischung mit dem Grundwerkstoff anzustreben. Zusätzlich muss die Rissfreiheit der Funktionsschicht gewährleistet sein. Das Ziel
der Untersuchung war es, die Grenzen des neu entwickelten Schweißverfahrens in Bezug auf Grenzparameter und eine möglichst geringe Aufmischung bei
gleichzeitig hoher Abschmelzleistung zu realisieren.
Anhand von Vorversuchen wurde der Versuchsaufbau
in Bezug auf die Einlaufrichtung und den Abstand des
Zusatzwerkstoffs zur Elektrode festgelegt. Der Elektrodenabstand zum Werkstück sollte sich zwischen 46mm und der Abstand des Heißdrahtes zur Elektrode
bei 5mm im Winkel von 20-30° zum Werkstück bewegen (Bild 2).
Die Frequenz des einstellbaren Heißdrahtwechselstroms, welche aus Gerätsicht zwischen 50-200Hz
stufenlos wählbar ist, wurde auf 100Hz festgelegt. Die
Balance des Heißdrahtwechselstroms, also dem Anteil an positiver und negativer Halbwelle je Frequenz
konnte in Grenzen +/- 30% variiert werden. Möglich ist
auch eine Änderung der Stromform des Wechselstroms zwischen der Sinus-, Rechteck- und Trapezform. Grundsätzlich bietet die Sinus-Stromform den
Vorteil, dass im Maximum der Periode die höchsten
Ströme anliegen. Je höher der Strom, desto größer
das Magnetfeld, desto stärker die Ablenkung des
Lichtbogens im Strommaximum. Der Mittelwert des
Stroms ist über die gesamte Periode gesehen bei
allen Stromformen identisch, nur der Maximalstrom
variiert.
2
Bild 2: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus
WIG-DC mit AC-Hotwire
Als Schutzgase kommen beim WIG-Schweißen
grundsätzlich inerte Gase oder inerte Mischgase zum
Einsatz. Um die Eigenschaften und Auswirkungen der
Schutzgase auf das Fließ- und Benetzungsverhalten,
die Oberflächenspannung der Schmelze und die Stabilität des Lichtbogens zu beurteilen, wurde nach ISO
14175 mit den Schutzgasen I1-Ar, I3-ArHe-30, I3ArHe-50 und R1-ArH-5 gearbeitet, wobei die Versuche unter Verwendung von I3-ArHe-50 die besten
Ergebnisse lieferte.
Zum Auftragen der Korrosionsbeständigen Schicht auf
den unlegierten Baustahl S355J2 (1.0577) wurde eine
Nickelbasis-Massivdrahtelektrode S Ni 6625 nach ISO
18274 (2.4831) in Ø1,2mm verwendet. Diese enthält
als Hauptlegierungselemente 22% Chrom, 9% Molybdän, 3,6% Niob und Rest Nickel.
In den Versuchen wurden Blindraupen auf die Blechoberfläche aufgetragen. Die Versuche erfolgten vollmechanisiert auf einem 5-Achs-Roboter mit der
Stromquelle EWM Tetrix 551 Synergic mit zusätzlicher EWM AC-Heißdrahtstromquelle Tetrix 200 AC.
Als WIG-Elektrode kam eine WCe-dotierte Elektrode
im Ø4,0mm zum Einsatz. Die Auswertung wurde unter
Berücksichtigung der minimalsten Aufmischung bei
gleichzeitig höchster Abschmelzleistung vorgenommen.
In den ersten Versuchen wurden die Grenzparameter
ermittelt. Interessant ist, dass die Abschmelzleistung,
mit ansonsten identischen Schweißparametern, bei
einer
Variation
der
Balance
am
ACHeißdrahtvorschub von +30% auf -30% um +48%
zunimmt. Das entspricht einer Erhöhung des Drahtvorschubs von 8,0m/min auf 12m/min und einer Erhöhung der Abschmelzleistung von 4,3kg/h auf 6,4 kg/h,
bei gleichzeitig geringerem Einbrand.
Bild 6: Plattierte Schicht im Querschliff
Zur Berechnung der Flächenmäßigen Aufmischung
wurden die Proben im Querschliff rechnerunterstützt
vermessen (Bild 7).
Bild 3: Auswertungsübersicht der Ergebnisse
Bild 4: Balance +30%; Drahtvorschub 8m/min
Bild 5: Balance -30%; Drahtvorschub 12m/min
Aus Bild 3 wird deutlich, dass mit Sinus-Wechselstrom
bei einer Frequenz von 100Hz, einer Balance von
-30%, einem Lichtbogenstrom von 370 – 380A und
einem AC-Heißdrahtstrom von 130A reproduzierbare
und brauchbare Ergebnisse zu erwarten sind. Die
Versuche 2 und 6 zeigen, dass die Aufmischung unter
8%, respektive 7,5%, bei einer Abschmelzleistung von
über 6 kg/h (12m/min Drahtvorschub) bei Schweißgeschwindigkeiten von 1,0 m/min liegen (Bild 6). Hieraus
resultiert, bei identischen Abschmelzleistungen im
Vergleich zum MSG-Puls-Auftragschweißen, eine um
etwa 70% geringere Aufmischung mit dem Grundwerkstoff. Daneben waren in den Untersuchungen
keinerlei Bindefehler oder Risse feststellbar. Einen
reproduzierbaren und stabilen Schweißprozess bilden
jedoch alle aufgezeigten Versuche.
Bild 7: Probe E19, Querschliff mit Berechnung der
Aufmischung
In weiteren Versuchen konnte die Auswirkung der
WIG-DC mit AC-Heißdrahttechnik auf die Verteilung
von Carbiden in einer Schweißpanzerung ermittelt
werden. Für einen Verschleißschutz ist es von Bedeutung, dass die Carbide während des Schweißvorgangs nicht zerstört werden und nach der Bearbeitung
fein verteilt in der Auftragung vorliegen. Nur so kann
eine verschleißbeständige und haltbare Auftragung
erreicht werden. Durch die neue Verfahrensvariante
ist es nun möglich, bei Abschmelzleistungen von bis
zu 6 kg/h, eine abrasiv beständige Auftragung mit
feinst verteilten Carbiden zu erreichen. Im Versuch
wurde ein Wolfram-Karbid Fülldraht im identischen
Versuchsaufbau auf einen unlegierten Baustahl aufgetragen.
In der Praxis wird dieser Schweißprozess aufgrund
der positiven Versuche angenommen. So fertigt ein
internationaler Rohrhersteller automatisiert abrasiv
und chloridbeständige Funktionsschichten auf der
Innenseite von Großrohren aus unlegiertem Baustahl.
Im Beispiel sind 12 Schweißbrenner mit Zusatzdraht
an einer Lanze befestigt, die auf die einzelnen Rohrsegmente (Länge bis zu 12m) die Funktionsschicht
aufbringen. Durch die neue WIG-DC mit AC-Hotwire
Verfahrensvariante konnte der Hersteller seine Taktzeiten, bei gesteigerter Qualität und Haltbarkeit der
Funktionsschicht, messbar um 30% verkürzen.
3
4
Ausblick
Nachhaltiges und ressourcenschonendes Handeln
wird, bei einem immer höheren Bedarf an Rohstoffen
und Primärenergie, deutlich an Bedeutung gewinnen.
Viele Wirtschaftsunternehmen nehmen schon heute
den Auftrag zum effektiven Umgang mit Rohstoffen
und Energien und dem Schutz von Umwelt und
Menschheit sehr ernst. Auch dieser neue
Schweißprozesss trägt aufgrund seiner Einsparungen
im Gesamtenergiebedarf, durch kürzere Fertigungszeiten, einer Senkung von Nebenzeiten durch „nicht
wertschöpfende Tätigkeiten“ und einem deutlich verbesserten Ergebnis der Schweißaufgabe zu einem
kostenbewussten, nachhaltigen und ressourcenschonenden Gesamtprozess bei.
Literatur
[1] Hartung, F. Verfahren des Auftragschweißens.
[Buchverf.] H.D. Steffens und W. Brandel. Moderne
Beschichtungsverfahren. s.l. : DGMInformationsgesellschaft Verlag, 1992.
[2] Schreiber, F. Verschleißschutz durch
Auftragschweißen: Werkstoffauswahl und
Anwendungstechnik. Willich : Durum-VerschleissSchutz GmbH.
[3] DIN EN 1011-5 Empfehlungen zum Schweißen
metallischer Werkstoffe - Teil 5: Schweißen von
plattierten Stählen. Berlin : Deutsches Institut für
Normung e.V., 2003. Oktober 2003.
4