Unterscheidungskasten

Schweißen ist eine schnelle und zuverlässige Verbindungstechnik, die andere dauerhafte Fügeverfahren fast ersetzt hat. Es kann als ein Fügeverfahren definiert werden, durch das zwei oder mehr Werkstoffe mit oder ohne Anwendung von Wärme, Druck und Füllstoff dauerhaft zusammengefügt werden können. Es kann nicht nur zum Verbinden von Metallen, sondern auch von anderen Werkstoffen wie Kunststoffen und Keramiken eingesetzt werden. Um der Notwendigkeit gerecht zu werden, eine Vielzahl von Werkstoffen auf verschiedene Weise zu verbinden, gibt es eine große Anzahl von Schweißverfahren, die sich grob in Schmelzschweißen und Festkörperschweißen einteilen lassen. Beim Schmelzschweißen wird Wärme von außen zugeführt, um die Oberflächen des Grundmetalls zu schmelzen und eine Verschmelzung zu erreichen. Wärme kann auf verschiedene Weise zugeführt werden, z. B. durch Lichtbogen, Gasflamme, Widerstandserwärmung, Hochenergiestrahl usw.

Dementsprechend fallen alle Verfahren des Lichtbogenschweißens, Gasschweißens, Widerstandsschweißens und Hochenergiestrahlschweißens in den Bereich des Schmelzschweißens. Beim Lichtbogenschweißen wird zwischen einer spitzen Elektrode und den leitfähigen Grundmetallen ein Lichtbogen erzeugt. Dieser Lichtbogen ist die Hauptwärmequelle für das Aufschmelzen der Fügeflächen und der Zusatzwerkstoffe. Es gibt eine ganze Reihe solcher Verfahren, die alle auf demselben Grundprinzip beruhen, sich aber in Bezug auf Verfahren, Vorteile, Einschränkungen und mögliche Anwendungsbereiche erheblich unterscheiden. Das Metallschutzgasschweißen (SMAW), das Metallgasschweißen (GMAW) und das Wolframgasschweißen (GTAW) sind drei dieser Lichtbogenschweißverfahren, von denen jedes bestimmte Vorteile gegenüber den anderen bietet. Die Unterschiede zwischen den Schweißverfahren SMAW, GMAW und GTAW werden im Folgenden erläutert.

Verbrauchbare und nicht verbrauchbare Elektrode: Die Elektrode ist ein wesentlicher Bestandteil jedes Lichtbogenschweißverfahrens zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Lichtbogens. Es gibt zwei Arten von Elektroden – abschmelzende und nicht abschmelzende. Eine abschmelzende Elektrode schmilzt während des Schweißens durch die Erwärmung des Lichtbogens ab und lagert sich anschließend auf der Schweißraupe ab, die schließlich zu einem festen Bestandteil der Verbindung wird. Im Gegensatz dazu schmilzt eine nicht abschmelzende Elektrode während des Schweißens nicht ab und bleibt intakt. Bei einem bestimmten Lichtbogenschweißverfahren wird nur ein Typ verwendet. Im Hinblick auf die abschmelzende und nicht abschmelzende Art der Elektrode wird im Folgenden ein Vergleich zwischen den Schweißverfahren MSW, MSW und WIG angestellt.

• SMAW – abschmelzende Elektrode.
• GMAW – abschmelzende Elektrode.
• GWA – nicht abschmelzende Elektrode.

Verwendung des Zusatzwerkstoffs: Schweißzusatz wird zum Auffüllen des Wurzelspaltes benötigt. Wenn der Wurzelspalt wesentlich größer ist (>2mm) und/oder die Kante vorbereitet ist, sollte ein Füllstoff aufgetragen werden. Bei einer abschmelzenden Elektrode schmilzt die Elektrode selbst ab und legt sich auf die Schweißraupe. Somit muss kein zusätzlicher Füllstoff zugeführt werden. Eine solche Elektrode verhält sich wie ein Zusatzwerkstoff, und die Zuführungsrate der Elektrode kann gesteuert werden, um die Zusatzwerkstoffauftragsrate zu beeinflussen. Im Gegensatz dazu liefert eine nicht verbrauchbare Elektrode keinen Füllstoff auf der Schweißraupe. Wenn also ein Zusatzwerkstoff erforderlich ist, muss er separat zugeführt werden.

• SMAW-Kein zusätzlicher Zusatzwerkstoff ist erforderlich. Elektrode wirkt als Füllstoff.
• GMAW-Kein zusätzlicher Füllstoff ist erforderlich. Die Elektrode dient als Füllstoff.
• GTAW-Elektrode ist nicht verbrauchbar. Daher wird zusätzlicher Füllstoff in Form von Stäben mit kleinem Durchmesser nur dann zugeführt, wenn er benötigt wird, indem er ständig unterhalb der Lichtbogensäule zugeführt wird.

Kontinuierliche Beschaffenheit von Elektrode/Füllstoff: Der Schweißzusatzwerkstoff, entweder in Form einer Elektrode oder eines separaten Materials, schmilzt kontinuierlich ab und lagert sich auf der Schweißraupe ab. Daher verkürzt sich seine Länge allmählich mit der Schweißzeit. Ist die Länge des Zusatzwerkstoffs zu kurz, muss er häufig durch einen neuen ersetzt werden. Dies verringert die Produktionsrate und unterbricht den Prozess. Andererseits kann ein langer Schweißzusatz über einen längeren Zeitraum ohne Unterbrechung in die Schweißzone eingebracht werden. Diese Methode ist produktiv, erfordert aber eine umfangreiche Lagerung des teuren Schweißzusatzes.

• SMAW-Zusatz-Elektrode hat die Form eines geraden Stabes mit kleinem Durchmesser und einer Länge von 2 bis 3 Fuß. Sie muss daher häufig gewechselt und der Prozess unterbrochen werden.
• GMAW-Zusatz-Elektrode hat die Form eines Drahtes mit kleinem Durchmesser, der auf ein Drahtbad gewickelt wird. Die lange Drahtelektrode wird in diesem Becken gelagert, so dass das Schweißen ohne Zwischenstopps für den Elektrodenwechsel kontinuierlich über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden kann. Diese Elektrode wird mit Hilfe mechanischer Vorrichtungen kontinuierlich zugeführt.
• Die WIG-Elektrode ist nicht verbrauchbar. Der Zusatzwerkstoff wird in der Regel in Form von kurzen Stäben mit kleinem Durchmesser zugeführt und erfordert daher häufige Unterbrechungen zum Wechseln des Zusatzwerkstoffs. Das Schweißen kann jedoch kontinuierlich durchgeführt werden, wenn kein Zusatzwerkstoff verwendet wird.

Bevorzugter Schweißmodus: Das Lichtbogenschweißen kann in drei verschiedenen Modi durchgeführt werden. Wie bereits erwähnt, ist es nicht notwendig, einen Füllstoff zuzuführen, wenn der Wurzelspalt sehr klein ist oder die Grundwerkstoffe dünn sind. Wenn das Schweißen ohne Zusatzwerkstoff erfolgt, wird es als autogener Modus bezeichnet. Wird jedoch ein Zusatzwerkstoff aufgetragen und ist die metallurgische Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffs ähnlich wie die des Grundwerkstoffs, spricht man von homogenem Schweißen. Unterscheidet sich die metallurgische Zusammensetzung des Schweißzusatzes wesentlich von der des Grundkörpers, spricht man von einem heterogenen Verfahren. Verschiedene Schweißverfahren sind für unterschiedliche Betriebsarten geeignet.

• SMAW-Filler ist diesem Verfahren aufgrund der abschmelzenden Elektrode inhärent. Ein autogener Betrieb ist daher nicht möglich. Es eignet sich vor allem für homogenes Schweißen.
• MAW – Ähnlich wie beim SMAW ist der Schweißzusatz bei diesem Verfahren aufgrund der abschmelzenden Elektrode inhärent. Ein autogener Betrieb ist daher nicht möglich. Es ist für homogenes und heterogenes Schweißen geeignet.
• GTAW-Elektrode ist nicht verbrauchbar. Daher ist autogenes Schweißen möglich; eigentlich ist das WIG-Schweißen nur für diesen Modus geeignet. Es kann jedoch auch für homogenes und heterogenes Schweißen eingesetzt werden, wenn die optimalen Prozessparameter verwendet werden.

Elektrodenmaterial: Der Elektrodenwerkstoff muss bei jedem Lichtbogenschweißverfahren einige grundlegende Eigenschaften wie gute elektrische Leitfähigkeit, gutes Elektronenemissionsvermögen, gewünschter Schmelzpunkt usw. aufweisen. Es ist erwähnenswert, dass der Schweißzusatzwerkstoff mit dem Grundwerkstoff kompatibel sein muss, da er sich sonst nicht richtig vermischt, was zu fehlerhaften Schweißungen führt. Bei abschmelzenden Elektroden sollte der Elektrodenwerkstoff daher auf der Grundlage der Kompatibilität mit dem Grundwerkstoff ausgewählt werden. Bei nicht abschmelzenden Elektroden sollte der Schweißzusatzwerkstoff nach der Verträglichkeit mit dem Grundwerkstoff ausgewählt werden, während die Elektrode aus einem hochschmelzenden Werkstoff bestehen sollte.

• SMAW-Elektroden werden meist aus Eisenwerkstoffen hergestellt. Es gibt nur eine geringe Vielfalt an Elektrodenmaterialien. Daher ist es nur für das homogene Fügen von Eisenwerkstoffen geeignet.
• MAW – Auf dem Markt ist eine Vielzahl von Elektrodenmaterialien erhältlich. Obwohl die meisten Elektroden sind eisenhaltig, ihre metallurgische Zusammensetzung kann variiert werden, um das gewünschte Ergebnis zu nutzen.
• GTAW-Diese Elektrode ist nur aus Wolfram hergestellt. Dies ist unabhängig von Grundmetall oder Zusatzwerkstoff, da die Elektrode nicht verbraucht wird. Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt (3422°C). Andere gewünschte Eigenschaften können auch durch Zugabe von Legierungselementen in geringen Anteilen beeinflusst werden. So werden z. B. Thorium, Lanthanoxid, Ceroxid, Zirkoniumdioxid usw. dem Wolfram zugesetzt, um verschiedene Schweißeigenschaften wie Elektronenemission, Elektrodenerosion usw. zu verbessern.

Beschichtete oder blanke Elektrode: Die Elektrode kann beschichtet werden, um sie vor Oxidation oder atmosphärischer Verunreinigung zu schützen. Neben dem Schutz vor Oxidation bietet die Umhüllung auch andere Vorteile wie die Zufuhr von Schutzgas, die Verringerung von Spritzern, die Stabilisierung des Lichtbogens, die Einbringung chemischer Elemente in die Schweißraupe usw. Umhüllte Elektroden sind jedoch kostspielig und neigen mit der Zeit zu Schäden. Bei verschiedenen Verfahren werden unterschiedliche Arten von Umhüllungen verwendet, die jeweils eine bestimmte Funktion haben.

• SMAW-verwendet eine dicke, mit Flussmittel umhüllte Elektrode. Dieses Flussmittel schützt nicht nur die Elektrode, sondern liefert auch Schutzgas.
• MAW-Keine Flussmittelbeschichtung ist auf der Elektrode vorhanden. Allerdings ist eine dünne Beschichtung aus stabilem Material aufgebracht, um Elektrodenmaterial vor Oxidation zu schützen.
• GTAW-Verwendet blanke Wolframelektrode. Auf die Elektrode wird keine Beschichtung aufgebracht.

Schutzgasversorgung: Schutzgas wird beim Lichtbogenschweißen zugeführt, um den Sauerstoff aus der Schweißzone zu verdrängen und eine Hülle aus inerten Gasen zu schaffen, die die Schweißraupe umgibt. Seine Hauptfunktion besteht darin, die heiße Schweißnaht vor Oxidation zu schützen. Dieses Schutzgas kann direkt aus einer Gasflasche oder indirekt durch die Zersetzung anderer chemischer Elemente während des Schweißens zugeführt werden.

• SMAW-Flussumhüllung der Elektrode zersetzt sich während des Schweißens und erzeugt Schutzgas. Es wird kein separates Schutzgas verwendet.
• GMAW-Schutzgas (inert oder aktiv) wird aus der Gasflasche zugeführt.
• GTAW-Inertes Schutzgas wird aus der Gasflasche zugeführt.

Spritzerproblem: Spritzer sind kleine Tröpfchen von geschmolzenem Schweißzusatz, die durch die Streuung des Lichtbogens entstehen und aus der Schweißzone austreten. Diese Spritzer führen zu einem Verlust von Schweißzusatz und damit zu einer ungleichmäßigen Auftragung des Schweißzusatzes, was mitunter zu verschiedenen Schweißfehlern, einschließlich negativer Verstärkung und Maßungenauigkeit, führt. Außerdem beeinträchtigen sie das Aussehen und müssen nach dem Schweißen durch Schleifen entfernt werden.

• SMAW – erzeugt selbst bei optimalen Prozessparametern übermäßige Spritzer.
• GMAW – erzeugt ebenfalls Spritzer, die jedoch durch die Verwendung optimaler Prozessparameter reduziert werden können.
• GTAW – ist meist frei von Spritzern.

Manuell und automatisch: Das Metallschutzgasschweißen wird manuell durchgeführt und wird daher auch als Metallhandschweißen (MMAW) bezeichnet. Das Metall-Schutzgasschweißen kann leicht automatisiert werden, wobei der Elektrodendraht kontinuierlich von der Spule mit Hilfe einer mechanischen Vorrichtung zugeführt wird und gleichzeitig der Brenner von einem anderen automatischen Fahrzeug bewegt wird. Das Wolfram-Lichtbogenschweißen wird in der Regel manuell durchgeführt, kann aber auch automatisiert werden, insbesondere die Bewegung des Brenners. Ein automatisiertes Verfahren ist schnell und produktiver, aber das manuelle Verfahren ist flexibler und hat praktisch keine Ortsbeschränkung für seine Anwendung.

Produktivität und Qualitätsprobleme: Das Stumpfschweißen bietet keine gute Verbindungsqualität. Daher wird es meist für den Haushalts- und allgemeinen Industriebedarf durchgeführt. Häufiges Wechseln der Elektroden führt zu Unterbrechungen im Prozess und ist daher für längere Schweißanforderungen nicht geeignet. Das MSG-Schweißen ist hochproduktiv und kann kontinuierlich über einen langen Zeitraum durchgeführt werden. Es kann leicht automatisiert werden. Die Volumenabtragsrate ist ebenfalls sehr hoch. Daher ist es geeignet, wenn ein breiter Wurzelspalt vorhanden ist, wenn die Kanten in U- oder V-Form vorbereitet werden, wenn längere Fügezeiten erforderlich sind oder sogar zum Plattieren. Obwohl es weniger anfällig für Fehler ist, ist die Verbindungsqualität nicht sehr gut. Außerdem beeinträchtigen Spritzer das Aussehen der Schweißraupe. In Bezug auf die Qualität ist das WIG das beste der drei Verfahren. Es bietet eine hervorragende Verbindung mit einem ausgezeichneten Aussehen. Es ist weniger fehleranfällig, aber die Abschmelzleistung oder Schweißleistung ist vergleichsweise gering.

In diesem Artikel wird ein wissenschaftlicher Vergleich zwischen Schutzgasschweißen (SMAW), Metallgasschweißen (GMAW) und Wolframgasschweißen (GTAW) vorgestellt. Zum besseren Verständnis des Themas empfiehlt der Autor auch die folgenden Literaturhinweise.