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Lichtbogen-Höhensteuerung beim WIG-Schweißen von Aluminium

| Autor/ Redakteur: Jean-Pierre Barthoux / Stefanie Michel

Beim Wechselstromschweißen von Aluminiumwerkstoffen galt die Kontrolle der Lichtbogen-Höhensteuerung (AVC) bisher als größte Hürde. Sie reagiert äußerst sensibel, sobald ein Phasenwechsel unsauber durchgeführt wird. Nun kann die Zuverlässigkeit der AVC-Funktion sogar garantiert werden.

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Bild 1: Mechanisiertes WIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen mit Lichtbogenhöhensteuerung.
Bild 1: Mechanisiertes WIG-Schweißen von Aluminiumwerkstoffen mit Lichtbogenhöhensteuerung.
( Bild: Polysoude )

Die größten Schwierigkeiten beim Wechselstromschweißen von Aluminiumwerkstoffen ist die Kontrolle der Lichtbogen-Höhensteuerung (AVC). Sobald ein Phasenwechsel unsauber durchgeführt wird, reagiert diese nämlich sehr sensibel. Die Hürde galt es zu überwinden, um den Einsatz der AVC für das Wechselstromschweißen von Aluminium und seinen Legierungen mit der Polysoude-Steuerung PC 350 AC/DC und der Stromquelle Tetrix 351 zur Anwendungsreife zu bringen. Die Entwicklungsarbeiten führten zwei Unternehmen gemeinsam durch: Polysoude war für das einwandfreie Arbeiten der AVC-Funktion verantwortlich, während EWM Hightech Welding seine Kompetenz bei der Entwicklung maßgeschneiderter Stromquellentechnik einbrachte.

Funktionsgarantie für AVC-Funktion unter „normalen“ Bedingungen

Die Zuverlässigkeit der AVC-Funktion beim Wechselstromschweißen wird von Polysoude als bedeutendes Alleinstellungsmerkmal angesehen. Tatsächlich sind nur sehr wenige Hersteller in der Lage, eine Funktionsgarantie für die AVC-Funktion unter „normalen“ Betriebsbedingungen zu geben.

Das Orbitalschweißen von Rohrleitungen aus Aluminium erweist sich als besonders vorteilhaft bei Anwendungen in der Kryogenie (Kälteerzeugung) und in der Nuklear-industrie, in welchen ein hohes Qualitätsniveau gefordert ist. Die Stärken eines automatisierten Verfahrens liegen in der Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit der Parameter dank der Steuerungselektronik der Schweißstromquellen. Aufgrund dieser Reproduzierbarkeit lassen sich ausgereifte Schweißanweisungen erstellen, mit denen eine konstante Schweißnahtqualität erreicht werden kann.

Um das erfolgreiche Schweißen von Aluminium und Aluminiumlegierungen mit Wechselstrom zu ermöglichen, müssen die Schweißanweisungen folgendne Eigenschaften Rechnung tragen:

  • thermische Leitfähigkeit des Werkstoffes;
  • Oxidhäute auf der Werkstoffoberfläche;
  • Neigung zur Porenbildung.

Thermische Leitfähigkeit der Aluminiumwerkstoffe kompensieren

Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumwerkstoffe muss kompensiert werden. Deshalb ist es wichtig, beim Verbindungsschweißen auf gleiche Werkstückdicke zu achten und die Dicke des Steges bei der Schweißnahtvorbereitung gering zu halten. Zudem sollte der Öffnungswinkel bei V-Naht-Vorbereitung mindestens 40° betragen, damit man eine ausreichende Zugänglichkeit und ein gutes Kantenaufschmelzverhalten erhält.

Oxidhäute auf Oberflächen entfernen, um Schweißfehler zu vermeiden

Oxidhäute auf der Oberfläche verschlechtern die Schweißeignung, denn sie enthalten Kristallwasser und absorbieren Feuchtigkeit (die Ursache für Porenbildung). Außerdem schmelzen sie nicht: die Einschlüsse im Schweißgut bestehen aus unaufgeschmolzenen Oxiden und führen zu Schweißfehlern in Form von Rissen oder unzureichendem Einbrand. Deshalb muss vor dem Schweißen die Oxidhaut von der Oberfläche durch spanende Bearbeitung, Beizen oder Abkratzen entfernt und die Innenkante des Steges leicht gebrochen werden.

Mit Porenbildung beim Schweißen von Aluminium rechnen

Beim Schweißen von Aluminiumwerkstoffen muss stets mit Porenbildung durch Wasserstoff gerechnet werden. Zum einen ist dessen Löslichkeit in Aluminium im festen Aggregatzustand äußerst gering, zum anderen erfolgt der Übergang von flüssigem Aluminium in den festen Aggregatzustand sehr schnell. In 90 % aller Fälle stammt der Wasserstoff von unreinen Werkstückoberflächen oder aus Feuchtigkeit, die die auf der Werkstückoberfläche befindlichen Oxide absorbiert haben.

In einigen Fällen stammt er aus dem Grundwerkstoff selbst oder aus dem Zusatzwerkstoff. Um die Porenbildung weitestgehend zu vermeiden, sollten folgende Regeln beachtet werden:

  • ausschließlich saubere und trockene Werkstoffe einsetzen;
  • Zusatzwerkstoffe sorgfältig vor Verunreinigungen schützen;
  • zu verschweißende Oberflächen reinigen;
  • auf gute Schutzgasabdeckung achten;
  • Werkstücke vorwärmen (100 °C).

Aluminium bevorzugt mit Wechselstrom schweißen

Für das Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen kommt bevorzugt Wechselstrom zum Einsatz. Bei der Beaufschlagung mit Wechselstrom wird die Elektrode abwechselnd als positiver Pol (Anode) und als negativer Pol (Kathode) geschaltet.

Während der anodischen Schaltung als positiver Pol werden die auf der Werkstückoberfläche haftenden Oxide aufgebrochen (Reinigungshalbwelle). Während der kathodischen Schaltung der Elektrode als negativer Pol wird die zum Schmelzen des Werkstoffes notwendige Wärme in das Werkstück eingebracht, gleichzeitig kann die Elektrode dabei abkühlen (Kühlhalbwelle. Der Quotient aus der Zeit der Reinigungshalbwelle und der Gesamtzeit einer Periode wird in Prozent ausgedrückt als Reinigungsverhältnis beziehungsweise Balance bezeichnet.

Je größer der Wert des Reinigungsverhältnisses wird, umso länger wird die Dauer der Reinigungshalbwelle. Dabei steigt die „Sauberkeit“ der Schweißung – es verringert sich also die Porenbildung. Allerdings verkürzt sich dadurch auch die Standzeit der Elektrode beträchtlich. Die folgende Faustformel kann zur Abschätzung des notwendigen Elektrodendurchmessers benutzt werden: (Elektrodendurchmesser [mm] × 100 A) - 80 A = maximaler Schweißstrom.

Gepulster oder ungepulster Schweißstrom kann verwendet werden

Der Kehrwert der Schwingungszeit (T) gibt die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde an und wird als Frequenz (f) des Wechselstroms bezeichnet. Während Schweißströme mit höheren Frequenzen (von 60 bis 120 Hz) besonders bei kleineren Werkstückdicken (≤ 1,5 mm) angewendet werden, bleiben die Schweißströme mit niedrigeren Frequenzen (um 50 Hz) den Schweißungen an relativ dickwandigen Bauteilen (≤ 3 mm) vorbehalten. Beim Schweißen mit Wechselstrom kann gepulster oder ungepulster Schweißstrom verwendet werden, die Einstellwerte richten sich nach der Wandstärke der zu fügenden Werkstücke.

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Wechselstromschweißen
Normale Einsatzbedingungen der Funktion AVC beim Schweißen mit Wechselstrom

Folgende Anhaltswerte gelten beim Wechselstromschweißen mit der Lichtbogen-Höhensteuerung AVC:

  • Wechselstromfrequenz des Schweißstromes zwischen 50 und 120 Hz;
  • maximale Schweißstromstärke 250 A und mittlere Schweißstromstärke 200 A;
  • minimale Schweißstromstärke 20 A;
  • Abstand zwischen Elektrode und Werkstück beträgt etwa 3 mm (Höhe der zu programmierenden Lichtbogenspannung hängt unter anderem von der jeweiligen Schweißstromstärke ab);
  • minimale Lichtbogenspannung 10 V;
  • Reinigungsstromverhältnis zwischen 30 und 50 %.
  • Keine Schweißungen durchführen, wenn nicht vorher die Oxidhaut von der Werkstoffoberfläche entfernt wurde!
  • Auf gute Schutzgasabdeckung achten!
  • Lichtbogen-Höhensteuerung hält die Lichtbogenspannung konstant

    Die Lichtbogenspannung wird zwischen der Wolframelektrode und der Masse gemessen und durch Regulieren des Abstandes zwischen Brenner und Werkstück konstant auf einem programmierten Wert gehalten. Dabei ergibt sich bei unveränderten Schweißparametern eine immer gleiche Lichtbogenlänge. Ändert sich die Schweißstromstärke, muss auch die Vorgabe der Lichtbogenspannung entsprechend geändert werden, um eine konstante Lichtbogenlänge zu behalten.

    Änderungen der elektrischen Eigenschaften der Wolframelektrode (Abnutzung) haben die gleichen Auswirkungen. Durch die Lichtbogen-Höhensteuerung wird die Lichtbogenspannung konstant gehalten, der Abstand zwischen Elektrode und Werkstück wird größer oder kleiner. Beim Wechselstromschweißen mit Lichtbogen-Höhensteuerung AVC sollten ein zu geringer Durchmesser der Wolframelektrode, der Einsatz einer Wolframelektrode mit nicht zur Schweißaufgabe passender Anschmelzkugel sowie ein zu großes Reinigungsstromverhältniss vermieden werden.

    * Jean-Pierre Barthoux ist Leiter der Entwicklungsabteilung bei der Polysoude S.A.S. in 44300 Nantes (Frankreich).

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