EWM forceArc plus: Vom Baustahl bis zum Duplex

Neue MSG-Prozessvariante forceArc puls von EWM: Mit dem Schweißprozess forceArc puls präsentiert EWM ein Verfahren, das hinsichtlich seines Handlings und seiner Wirtschaftlichkeit das MIG/MAG-Schweißen laut eigenen Aussagen revolutioniert. Dem Unternehmen ist es mit dieser jüngsten Innnovation gelungen, die Stärken des bewährten „forceArc“-Lichtbogens mit den Vorteilen des Impulslichtbogens zu kombinieren. Im Ergebnis bedeutet das eine vielfältige Einsetzbarkeit, eine geringere Wärmeeinbringung und höhere Schweißgeschwindigkeiten. Autor: A. Burt, B. Ivanov / EWM

Bild 1: forceArc puls

Bild 1: forceArc puls

Moderne Lichtbögen im Vergleich

Moderne Lichtbögen entspringen nicht dem Zufall, sondern können heute mit Hilfe präziser Mess- und Kameratechnik und den Möglichkeiten in der Parametrierung der digitalen Inverterstromquellen gezielt eingestellt werden – und das für jedes Schutzgas und jeden Werkstoff speziell. Dem ambitionierten und von Pioniergeist ausgestatteten Anwender stellt sich nun die Frage: Wo liegen denn konkret die Unterschiede zu anderen Lichtbogenarten und wie leiten sich hieraus erwähnten Vorteile ab?

In den folgenden Bildern sind drei unterschiedliche Lichtbögen gegenübergestellt. Die Voraussetzung bei der Erstellung der Bilder ist identisch. Alle Aufnahmen wurden an einem Linearfahrwerk mit fest eingespanntem Schweißbrenner aufgenommen. Angepasst wurde lediglich der Schweißprozess.

(h3)Im Detail

Die Bilder 1 bis 3 zeigen ein einzelnes Bild einer Hochgeschwindigkeitsaufnahme. Schweißbrenner, Kamera und Gegenlicht sind in einer Achse exakt ausgerichtet. Das Blech ist auf einem Verfahrtisch gespannt, der in unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten bewegt werden kann. Die Bilder zeigen immer das freie Drahtende und den Lichtbogenansatz am Drahtende und auf dem Blech.

Im Vergleich von Bild 1 und Bild 2 wird sichtbar, dass der Lichtbogenansatz am Drahtende unter Verwendung des forceArc puls etwas höher ansetzt als der forceArc-Lichtbogen. forceArc ist definiert als, kurzer, druckvoller und wärmeminimierter Lichtbogen mit enormen Einbrand und Schmelzbaddruck. Bedingt durch den etwas höheren Ansatzpunkt wird die Lichtbogenausbildung etwas breiter, jedoch immer noch klar definiert.

(h3)Endergebnis: forceArc puls

Das Ergebnis dieser Kombination sorgt für sicheres und gleichzeitig schnelles Erfassen der Nahtflanken. Die Gefahr von Bindefehlern sinkt erheblich. Die Tropfenkette ist zentrisch und gleichmäßig, was zu einer kontinuierlichen Benetzung und einem sauberen Nahtbild führt. Im Vergleich zu einem Standard-Impuls-Prozess, s. Bild 3, sorgt der definierte forceArc puls Lichtbogen für einen erhöhten Einbrand und damit zu deutlich mehr Sicherheit beim Erfassen des Wurzelfußpunktes als ein Standard-Impulsprozess.

Der Anspruch während der Entwicklungsphase war klar definiert: Nimm die Vorteile des forceArc-Verfahrens, kombiniere diese Vorteile sinnvoll und über den gesamten Leistungsbereich mit den Vorteilen eines Impuls-Verfahrens und forme daraus einen neuen Lichtbogen – forceArc puls!

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 Stromquellen und innovativen Schweißprozessen erreicht werden. Hier setzt die Idee der neuen, patentierte Prozessvariante forceArc puls von EWM an (Anm.: Patent-Nr. EP 1 640 100 B1 / EP 1 726 395 B1).

Mit der Einführung digital geregelter Inverterstromquellen bestand auch die Möglichkeit, beliebige Schweißprozessabläufe zu generieren. Dort wo früher analoge, elektrische Bauteile zum Einsatz kamen, erfolgt die Steuer- und Regelung eines Schweißprozesses heute durch Mikroprozessortechnik und bietet damit quasi unendliche Möglichkeiten zum Prozessablauf und der Prozesssignalbehandlung. Aufgrund dieser technischen Möglichkeiten finden sich am Markt viele unterschiedliche Schweißprozesse mit speziellen Eigenschaften für die unterschiedlichen Leistungsbereiche (Kurz-, Übergangs-, Sprüh- und Impulslichtbogen).

Bild 10: Kraftfluss über die Kehlnaht bei „normalem“ Einbrand und Kraftfluss über die Kehlnaht bei „tiefem“ Einbrand.

Bild 10: Kraftfluss über die Kehlnaht bei „normalem“ Einbrand und Kraftfluss über die Kehlnaht bei „tiefem“ Einbrand.

Bild 2: forceArc

Bild 2: forceArc

Literatur

• DVS Merkblatt 0973: Übersicht der Prozessregelvarianten des MSG-Schweißens, 2015, DVS e.V.

• DVS Merkblatt 0973 – Beiblatt 1: Tabellarische Übersicht der Prozessregelvarianten des MSG-Schweißens, 2015, DVS e.V.

Verfahrensvariante forceArc puls

Im Laufe der ständigen Weiterentwicklung von Soft- und Hardware kommt es immer wieder vor, dass sich neuartige Schweißprozessvarianten für bestimmte Werkstoffe und Einsatzbereiche als besonders geeignet zeigen. So auch geschehen mit der Entwicklung des forceArc puls Lichtbogens. Im Zuge der Entwicklung wurde viel Wert auf einen Einsatzbereich für unterschiedliche Werkstoffe gelegt. So zeigen sich die Vorteile vom einfachen, unlegierten Baustahl über hochfeste Feinkornbaustähle bis hin zu korrosions- und hitzebeständigen, hochlegierten Werkstoffen. Der forceArc puls ist die konsequente Weiterentwicklung des lange bekannten und erfolgreich eingesetzten forceArc Lichtbogens in Kombination mit den Vorteilen eines Impulslichtbogens.

Bild 3: Impuls

Bild 3: Impuls

Bild 4:  Einbrandverhalten forceArc puls

Bild 4: Einbrandverhalten forceArc puls

Bild 5: Einbrandverhalten forceArc

Bild 5: Einbrandverhalten forceArc

Versuche an hochlegierten Stählen

Zur Qualifizierung des forceArc puls wurden vollmechanische Versuche an einem Schweißroboter durchgeführt. Hierbei wurden unterschiedliche Blechdicken als Kehlnaht im T-Stoß in Schweißposition PB einlagig geschweißt. Jede der verwendeten Blechdicken wurde mit den Verfahren Impuls, forceArc und forceArc puls geschweißt. Für die Versuche wurden für die drei Prozesse die gleiche maximale beherrschbare Abschmelzleistung (DV) bei allen Blechdicken eingestellt. Die Schweißgeschwindigkeit wurde über alle Prozesse immer gleich gehalten, womit immer das gleiche theoretische a-Maß erreicht werden kann.

Als Grundwerkstoff für die Versuche kam der Werkstoff 1.4301 (X5CrNi18-10) zum Einsatz, der als austenitischer Werkstoff bei allen Standard-Anwendungen im Bereich des einfachen Korrosionsschutzes unter atmosphärischen Bedingungen zum Einsatz kommt. Als Schweißzusatzwerkstoff bietet sich bei verwendetem Grundwerkstoff ein 1.4316 (X1CrNi19-9) an, der hier im Ø 1,2mm unter M12-ArC-2,5 verschweißt wurde. Zum Vergleich wurden die folgenden „Kennwerte“ bei der Bewertung und für den Vergleich der Prozesse herangezogen: a-Maß, Einbrandtiefe und Anlauffarben.

Im Beitrag dargestellt (siehe Bilder 4 bis 6) sind exemplarisch die Schweißergebnisse bei einer Blechdicke von t = 10mm, geschweißt mit einem Drahtvorschub von 13 m/min. Bei identischen Voraussetzungen erreicht der forceArc puls Lichtbogen eine um 0,8 mm gesteigerte Einbrandtiefe bei absolut symmetrischem a-Maß unter Verwendung eines hochlegierten Stahles. Der Lichtbogen ist in der Kehle ausgesprochen gut beherrschbar und hat ein hervorragendes Benetzungsverhalten, was zusammen zu einem deutlich leichteren Handling für den Schweißer beim manuellen Schweißen, aber auch für die Ein- und Ausrichtung des Brenners beim vollmechanisierten Schweißen führt.

Bild 6: Einbrandvehalten Impuls

Bild 6: Einbrandvehalten Impuls

Bild 7: Vergleich des Nahtaussehens und der Anlauffarben, Blech t = 10mm, DV = 13 m/min; links forceArc puls, mitte forceArc, rechts Impuls.

Bild 7: Vergleich des Nahtaussehens und der Anlauffarben, Blech t = 10mm, DV = 13 m/min; links forceArc puls, mitte forceArc, rechts Impuls.

Vergleich macht Vorteile deutlich

forceArc puls hat im oberen Leistungsbereich eine bis zu 15% niedrigere Wärmeeinbringung im Vergleich zu Impuls. Das führt zu weniger Anlaufarben, weniger Verzug und verminderten Spannungen im Bauteil (siehe Bilder 7 und 8). Außerdem bildet die neue Prozessvariante eine symmetrische Kehlnaht. Das ist die Voraussetzung zum Erreichen des maximalen a-Maß bei gegebener Abschmelzleistung (DV). Dadurch wird im Vergleich zum Impuls ein um bis zu 20% höheres a-Maß erreicht. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass ein wie bei Impuls identisches a-Maß mit einer bis zu 20% höheren Schweißgeschwindigkeit erreichbar wäre (siehe Bild 9).

Darüber hinaus erreicht forceArc puls eine höhere Einbrandtiefe bei symmetrischer Nahtausbildung, was konstruktiv günstiger für die Festigkeit der Verbindung ist (s. Bilder 4-6 und Bild 10). Außerdem wird auch bei längeren Stickouts ein geforderter Mindesteinbrand (Erfassung des Wurzelfußpunktes) gewährleistet. Durch das einfache und problemlose Handling und ein verbessertes Benetzungsverhalten kann die Schweißgeschwindigkeit deutlich erhöht werden, was sich in der Sichtprüfung der Naht durch deutlich geringeren Verzug, kleinere Wärmeeinflusszonen und weniger Anlauffarben zeigt.

Bild 8: Vergleich der Anlauffarben unterseitig; links forceArc puls, mitte forceArc, rechts Impuls.

Bild 8: Vergleich der Anlauffarben unterseitig; links forceArc puls, mitte forceArc, rechts Impuls.

Bild 9: Vergleich der Querschnittsflächen und dem daraus resultierenden maximalen a-Maß.

Bild 9: Vergleich der Querschnittsflächen und dem daraus resultierenden maximalen a-Maß.

Tiefer Einbrand ideal für Erfüllung der DIN EN 1090

Neben den wirtschaftlichen Aspekten zahlen sich die positiven technologischen Eigenschaften von „forceArc puls“ bei den vielfältigen Einsatzzwecken aus. Für Anwender, die nach der DIN EN 1090 arbeiten, ist der tiefe Einbrand bei diesem Schweißverfahren ideal. So sind die wirksame und gesamte Nahtdicke deutlich größer als die Soll-Nahtdicke, was das Schweißen oft mit nur einer Lage ermöglicht – ein weiterer Vorteil von vielen.

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