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MIG/MAG MIG/MAG-FIBEL EWM-SCHWEISSLEXIKON

MIG/MAG-Fibel - reiz-schweisstechnik.de · Die EWM MIG / MAG- Fibel EWM HIGHTEC WELDING GmbH Dr. Günter-Henle-Str. 8 D-56271 Mündersbach/Ww., Germany 1 10.02 Art. Nr.: WM022300

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MIG/MAG

MIG/MAG-FIBEL

EWM-SCHWEISSLEXIKON

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EWM - Einfach schweißen, einfach mehr!

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Die EWM MIG / MAG- Fibel

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1 10.02Art. Nr.: WM022300

Inhalt

1 Vorwort ..........................................................................................................................................................2

2 Das Verfahren ...............................................................................................................................................22.1 Allgemeines.........................................................................................................................................22.2 Stromart...............................................................................................................................................3

3 Zusatzwerkstoff und Hilfsstoffe .....................................................................................................................33.1 Drahtelektrodensorten.........................................................................................................................33.2 Technische Lieferbedingungen für Drahtelektroden und Fülldrahtelektroden....................................43.3 Schutzgase..........................................................................................................................................53.4 Eigenschaften des Schweißgutes .......................................................................................................7

4 Fugenvorbereitung ........................................................................................................................................74.1 Fugenformen .......................................................................................................................................74.2 Anbringen der Fugenflanken...............................................................................................................74.3 Badsicherungen ..................................................................................................................................84.4 Formieren ............................................................................................................................................9

5 Schweißgeräte...............................................................................................................................................95.1 Schweißstromquellen........................................................................................................................105.2 Drahtvorschubgeräte.........................................................................................................................115.3 Schlauchpaket und Brenner..............................................................................................................135.4 Steuerung..........................................................................................................................................14

6 Werkstoffübergang beim MIG/MAG-Schweißen .........................................................................................156.1 Lichtbogenbereiche...........................................................................................................................156.2 Kurzlichtbogen...................................................................................................................................156.3 Langlichtbogen ..................................................................................................................................166.4 Sprühlichtbogen ................................................................................................................................176.5 Mischlichtbogen.................................................................................................................................176.6 Impulslichtbogen ...............................................................................................................................176.7 Sonderformen des Werkstoffübergangs ...........................................................................................17

7 Einstellen der Schweißparameter ...............................................................................................................187.1 Einstellen bei konventionellen Anlagen.............................................................................................187.2 Synergetische Einstellung von Schweißparametern.........................................................................197.3 Die Regelung des MIG / MAG-Prozes-ses .......................................................................................20

8 Durchführen des Schweißens .....................................................................................................................218.1 Zünden des Lichtbogens...................................................................................................................218.2 Brennerführung .................................................................................................................................218.3 Beenden des Schweißens ................................................................................................................228.4 Schweißparameter ............................................................................................................................228.5 Möglichkeiten des Mechanisierens ...................................................................................................24

9 Arbeitssicherheit ..........................................................................................................................................24

10 Besonderheiten verschiedener Werkstoffe .................................................................................................2510.1 Un- und niedriglegierte Stähle...........................................................................................................2510.2 Hochlegierte Stähle und Nickelbasislegierungen..............................................................................2610.3 Aluminium und Aluminiumlegierungen..............................................................................................2710.4 Sonstige Werkstoffe ..........................................................................................................................27

11 Anwendung des MIG / MAG-Schweißens...................................................................................................2811.1 Fertigungszweige ..............................................................................................................................2811.2 Anwendungsbeispiele .......................................................................................................................28

12 Schrifttum.....................................................................................................................................................29

13 Impressum...................................................................................................................................................29

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2 10.02Art. Nr.: WM022300

1 VorwortDas MIG/MAG- Schweißen (Bild 1) ist ei-nes der jüngeren Lichtbogenschweiß-verfahren. Es stammt aus den USA, woes 1948 zuerst angewendet wurde.

Kurze Zeit später kam es auch nach Eu-ropa. Es wurde zuerst nur mit inerten Ga-sen oder mit Argon, das nur geringeMengen an aktiven Bestandteilen (z.B.Sauerstoff) enthielt, angewendet undhieß deshalb abgekürzt S.I.G.M.A.-Schweißen. Dies ist die Abkürzung für"shielded inert gas metal arc". Die Rus-sen verwendeten dann ab 1953 anstelleder teuren Inertgase wie Argon oder He-lium ein aktives Gas zum Schweißen,nämlich Kohlendioxid (CO2). Dies war nurmöglich, weil inzwischen auch Drahtelek-troden entwickelt wurden, die dem beimAktivgasschweißen höheren Abbrand vonLegierungselementen Rechnung trugen.Das MIG/MAG-Schweißen erfreut sichheute in fast allen Industriezweigen vomHandwerksbetrieb bis zum industriellenGroßbetrieb großer Beliebtheit, weil esschon von Hause aus teilmechanisiert istund sich mit wenig Aufwand auch vollme-chanisch oder automatisch anwendenläßt.Diese Broschüre klärt über die Beson-derheiten des Verfahrens auf und gibtHinweise für die zweckentsprechendeAnwendung.

2 Das Verfahren2.1 Allgemeines

Der nach ISO 857-1 für Deutschlandneue Oberbegriff für alle Lichtbogen-schweißverfahren, bei denen eine Draht-elektrode unter Schutzgas abge-schmolzen wird, ist gasgeschütztes Me-tall-Lichtbogenschweißen (Prozess-Nr.13). In Deutschland war der Oberbegrifffrüher Metall-Schutzgasschweißen. DieISO-Norm erklärt das Verfahren aus demEnglischen übersetzt wie folgt: Metall-Lichtbogenschweißen unter Benutzungeiner Drahtelektrode, wobei der Lichtbo-gen und das Schweißbad vor der Atmo-sphäre geschützt werden durch eineGasumhüllung aus einer externen Quelle.Nach der Art des verwendeten Schutzga-ses wird dann weiter unterteilt in Metall-Inertgasschweißen (MIG), Prozess-Nr.131, wenn ein inertes Gas verwendetwird und Metall-Aktivgasschweißen(MAG), Prozess-Nr. 135, wenn ein akti-ves Gas eingesetzt wird.Als weitere Varianten werden in ISO 857-1 noch aufgezählt: Fülldrahtschweißenmit aktivem Gas (Prozess-Nr. 136), Füll-drahtschweißen mit inertem Gas (Pro-zess-Nr. 137), Plasma-MIG-Schweißen(Prozess-Nr. 151) und Elektrogas-schweißen (Prozess-Nr. 73).

Bild 1 MAG-Schweißen im Handwerksbe-trieb

Bild 2 Prinzip des gasgeschützten Metall-Lichtbogenschweißens nach ISO857-1

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Im Rahmen dieser Fibel wird nur Bezuggenommen auf das MIG/MAG-Schweis-sen. Dieses ist dadurch gekennzeichnet,daß eine von der Spule durch einen Vor-schubmotor zugeführte Drahtelektrodekurz vor dem Austritt aus dem Brennerdurch die Stromkontaktdüse mit Stromversorgt wird, sodaß der Lichtbogen zwi-schen Drahtelektrodenende und Werk-stück brennen kann. Das Schutzgasströmt aus der Schutzgasdüse aus, wel-che die Drahtelektrode konzentrisch um-gibt (Bild 2).Dadurch wird das Schweißgut vor demZutritt der atmosphärischen Gase Sauer-stoff, Wasserstoff und Stickstoff ge-schützt. Das Schutzgas hat neben derSchutzfunktion auch noch andere Aufga-ben. Da es die Zusammensetzung derLichtbogenatmosphäre bestimmt, beein-flußt es auch deren elektrische Leitfähig-keit und damit die Schweißeigenschaften.Ferner beeinflußt es durch Zu- und Ab-brandvorgänge die chemische Zusam-mensetzung des entstehendenSchweißgutes, hat also auch eine metall-urgische Wirkung.

2.2 StromartVon neueren Ausnahmen abgesehen,wird das MIG/MAG-Schweißen mitGleichstrom ausgeführt, wobei der Plus-pol der Stromquelle an der Elektrode undder Minuspol am Werkstück liegt. Bei ei-nigen Fülldrähten wird auch schon malmit umgekehrter Polarität geschweißt.In neuerer Zeit wird für sehr spezielleAnwendungsfälle, z.B. zum MIG-

Schweißen sehr dünner Aluminiumble-che, auch Wechselstrom eingesetzt.

3 Zusatzwerkstoff und Hilfsstoffe3.1 Drahtelektrodensorten

Drahtelektroden für das MIG/MAG-Schweißen von unlegierten Stählen undFeinkornbaustählen sind in DIN EN 440genormt. Die Norm unterscheidet nachder chemischen Zusammensetzung 11Sorten von Schweißdrähten. Sie enthältaber auch solche Schweißdrahtsorten,die nur in anderen Ländern Europas üb-lich sind. In Deutschland werden aus derZusammenstellung in Tabelle 1 für unle-gierte Stähle nur die Sorten G2Si1,G3Si1 und G4Si1 in nennenswertemUmfang verwendet. Diese enthalten inder genannten Reihenfolge zunehmendeGehalte an Silizium und Mangan, undzwar im Mittel von 0,65 bis 0,9 % Siliziumund von 1,10 bis 1,75 % Mangan. FürFeinkornstähle kommen auch die SortenG4Mo und G3Ni1 und G3Ni2 zur Anwen-dung (Bild 3).Fülldrahtelektroden zum Schweißen die-ser Stähle enthält DIN EN 758. Nach derZusammensetzung der Füllung unter-scheidet man hier Rutiltypen, basischeTypen und Metallpulver-Typen. Nebenden Fülldrähten zum MIG/MAG-Schweißen sind in DIN EN 758 aber auchselbstschützende Fülldrähte genormt, dieohne zusätzlich zugegebenes Schutzgasverschweißt werden. Sie werden häufigzum Auftragsschweißen verwendet(Bild 4).

Bild 3 Verschweißen von Feinkornbau-stählen im Kranbau

Bild 4 Hartauftragung von Förderschnek-ken

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Drahtelektroden für das Schweißenwarmfester Stähle sind in DIN EN 12070,Fülldrahtelektroden für diese Stähle inDIN EN 12071 genormt. Die Drahtelek-troden reichen von der nur molybdänle-gierten Variante über die Drähte mit 1,2,5, 5 und 9 % Chrom bis zur Drahtelek-trode mit 12 % Chrom. An weiteren Le-gierungselementen sind Molybdän,Vanadin und Wolfram vorhanden. Füll-drahtelektroden gibt es bis zu 5 %Chrom.Drahtelektroden zum Schweißen nichtro-stender und hitzebeständiger Stähle sindin DIN EN 12072 genormt; Fülldrahtelek-troden für diese Stähle in DIN EN 12073.Die Normen unterscheiden Zusätze fürmartensitische / ferritische Chromstähle,austenitische Stähle, ferritische / austeni-tische Stähle und vollaustenitische hoch-korrosionsbeständige Stähle, fernerspezielle Typen und hitzebeständige Ty-pen.Für Drahtelektroden zum Schweißen vonAluminium und Aluminiumlegierungengibt es z.Zt. einen Entwurf für eine neueEuronorm (EN ISO 18273).

3.2 Technische Lieferbedingungen fürDrahtelektroden und Fülldrahtelektro-denDrähte, Stäbe und Drahtelektroden zumSchutzgasschweißen werden durch Kalt-ziehen hergestellt. Fülldrahtelektrodenbei bestimmten Herstellungsverfahrenauch durch Kaltwalzen.Genormte Durchmesser und zulässigeGrenzabmaße für Drahtelektroden undFülldrahtelektroden findet man in DIN EN759. Die Durchmesser reichen von 0,6bis 4,0 mm. Bei Massivdrähten zumMIG/MAG-Schweißen sind die gebräuch-lichsten Durchmesser aber 0,8, 1,0, 1,2und 1,6 mm. Die Fülldrähte beginnenmeist erst bei 1,0 mm Durchmesser. Da-für werden sie aber auch noch in dicke-ren Abmessungen wie 2,4 oder 3,2 mmbenutzt.Unlegierte und niedriglegierte Drahtelek-troden kommen in der Regel mit verkup-ferter Oberfläche zum Einsatz. DieVerkupferung verringert den Gleitwider-stand beim Vorschieben und verbessertdie Stromkontaktierung. Ein nennens-werter Korrosionsschutz geht von ihrnicht aus, weil sie porös ist. Fülldraht-elektroden können nur verkupfert werden,

Chemische Zusammensetzung in % (m/min) 1)2)3)Kurzzei-chen C Si Mn P S Ni Mo Al Ti und ZrG0 Jede andere vereinbarte ZusammensetzungG2Si1 0,5 bis 0,8 0,9 bis 1,3G3Si1 0,7 bis 1,0 1,3 bis 1,6G4Si1 0,8 bis 1,2 1,6 bis 1,9G3Si2

0,06 bis 0,14

1,0 bis 1,3 1,3 bis 1,6

0,02 0,15

G2Ti 0,04 bis 0,14 0,4 bis 0,8 0,9 bis 1,4

0,025 0,15

0,05 bis 0,2 0,05 bis 0,25G3Ni1 0,5 bis 0,9 1,0 bis 1,6 0,8 bis 1,5G2Ni2

0,06 bis 0,140,4 bis 0,8 0,8 bis 1,4

0,022,1 bis 2,7

0,15

G2Mo 0,08 bis 0,12 0,3 bis 0,7 0,9 bis 1,3G4Mo 0,06 bis 0,14 0,5 bis 0,8 1,7 bis 2,1

0,4 bis0,6

0,02

G2Al 0,08 bis 0,14 0,3 bis 0,5 0,9 bis 1,30,025 0,15

0,15 0,35 bis0,75

0,15

1) Falls nicht festgelegt: Cr ≤≤≤≤ 0,15, Cu ≤≤≤≤ 0,35 und V ≤≤≤≤ 0,03. Der Anteil an Kupfer im Stahl plus Umhüllung darf0,35% nicht überschreiten.

2) Einzelwerte in der Tabelle sind Höchstwerte.3) Die Ergebnisse sind auf dieselbe Stelle zu runden, wie die festgelegten Werte unter Anwendung von ISO

31-0, Anhang B, Regel A.

Tabelle 1 Kurzzeichen für die chemische Zusammensetzung für Drahtelektroden

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wenn sie einen geschlossenen Mantelohne Spalt besitzen.Hochlegierte Drähte lassen sich nichtgalvanisch oder elektrolytisch verkupfern.Sie werden mit weißblanker Oberflächegeliefert. Auch Schweißdrähte aus Alu-minium kommen mit blanker Oberflächezum Einsatz. Weil sich in die weicheOberfläche des Aluminiums Ziehmitteleindrücken können, die später beimSchweißen zur Porenbildung führen, wirdbei Qualitätsdrähten vor dem Fertigzie-hen ein Schälzug durchgeführt.Drahtförmige Schweißzusätze zumSchutzgasschweißen werden auf Has-pel,- Dorn- oder Korbspulen geliefert.Daneben gibt es aber auch Großgebindewie Faßspulen.

3.3 SchutzgaseSchutzgase zum MIG/MAG-Schweißenfindet man in DIN EN 439. In dieser Normsind alle Schutzgase zum Lichtbogen-schweißen und -schneiden genormt. DieSchutzgase werden in 7 Gruppen und inweitere Untergruppen unterteilt (Tabelle2).Die Gruppe R enthält Argon / Wasser-stoff-Gemische, die eine reduzierendeWirkung haben. Die Gase der Gruppe R1finden neben Argon und Helium Anwen-dung zum WIG-Schweißen und zumPlasmaschweißen, die Gase der Unter-gruppe 2 mit höherem Wasserstoffgehalt(H) dagegen zum Plasmaschneiden undzum Wurzelschutz (Formiergase).In der Gruppe I sind die inerten Gase zu-sammengefaßt. Hier findet man Argon(Ar) und Helium (He) sowie Ar-

Kurz-bezeichnung 1) Komponenten in Volumenprozent

oxidierend inert reduzie-rend

reaktions-trägeGruppe Kenn-

zahlCO2 O2 Ar He H2 N2

Übliche Anwen-dung

Bemer-kungen

1 > 0 bis 15R

2Rest 2)

> 15 bis 35

WIG, Plasma-schweißen,

Plasmaschneiden,Wurzelschutz

1 100

2 100I3 Rest > 0 bis 95

MIG, WIG,Plasmaschweißen,

Wurzelschutzinert

1 > 0 bis 5

2> 0 bis 5

3M1

4 > 0 bis 5> 0 bis 3

schwachoxidierend

1 > 5 bis 25

23 > 0 bis 5

> 3 bis 10M2

4 > 5 bis 25 > 0 bis 8

1 > 25 bis 50

2 > 10 bis 15M33 > 5 bis 50 > 8 bis 15

Rest 2)

1 100C

2 Rest > 0 bis 30

MAG

stark oxi-dierend

1 100 reaktions-träge

F2 > 0 bis 50 Rest

Plasmaschneiden,Wurzelschutz reduzie-

rend1) Wenn Komponenten zugemischt werden die nicht in der Tabelle aufgeführt sind, so wird das Mischgas als Spezialgas

und mit dem Buchstaben S bezeichnet. Einzelheiten zur Bezeichnung S enthält Abschnitt 4.2) Argon kann bis zu 95% durch Helium ersetzt werden. Der Helium-Anteil wird mit einer zusätzlichen Kennzahl nach

Tabelle 5 angegeben, siehe Abschnitt 4.

Tabelle 2 Einteilung der Schutzgase für Lichtbogenschweißen und -schneiden (EN 439: 1994)

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gon/Helium-Gemische. Sie werden zumWIG-, MIG-, und Plasmaschweißen ein-gesetzt, sowie auch zum Wurzelschutz.In der großen M-Gruppe, die noch in M1,M2 und M3 unterteilt ist, sind die Misch-gase zum MAG-Schweißen zusammen-gefaßt. Auch hier gibt es in jeder Gruppenoch 3 bzw. 4 Untergruppen. Die Gasesind von M1.1 bis M3.3 nach Ihrem Oxi-dationsverhalten geordnet, d.h. M1.1 ver-hält sich schwach oxidierend, M3.3 istam stärksten oxidierend. Hauptbestand-teil dieser Gase ist Argon, an aktivenKomponenten sind Sauerstoff (O) oderKohlendioxid (CO2) bzw. Sauerstoff undKohlendioxid (Dreikomponenten-Gase)zugemischt.In der Reihe der Gase zum MAG-Schweißen folgt in der Gruppe C das rei-ne Kohlendioxid und ein Kohlendioxid /Sauerstoffgemisch. Letzteres hat aller-dings in Deutschland keine Bedeutung.Die Gase der Gruppe C sind am stärk-sten oxidierend, weil das CO2 bei der ho-hen Temperatur des Lichtbogens zerfällt,wobei neben Kohlenmonoxid auch großeMengen Sauerstoff entstehen.In der Gruppe F findet man schließlichStickstoff (N) und ein Stickstoff / Wasser-stoff-Gemisch. Beide Gase können zumPlasmaschneiden und zum Formierenverwendet werden.Neben dem Oxidationsverhalten verän-dern sich mit der Zusammensetzung desGases auch die elektrischen und die phy-sikalischen Eigenschaften im Lichtbogen-

raum und damit die Schweißeigen-schaften. Durch den Zusatz von Heliumzum Argon verbessert sich z.B. die Wär-meleitfähigkeit und der Wärmeinhalt derLichtbogenatmosphäre. Beides führt zueinem energiereicheren Lichtbogen unddamit zu einem besseren Einbrandver-halten. Das Zumischen von aktiven Kom-ponenten bei den Mischgasen führt u.a.zu einer feineren Tropfenbildung beimAbschmelzen der Drahtelektrode. Fernerwird der Wärmetransport im Lichtbogenverbessert. Auch hieraus resultiert einbesseres Einbrandverhalten.Die benötigte Durchflußmenge desSchutzgases läßt sich mit einer Faustre-gel errechnen, und zwar soll sie 10 - 12 xDrahtdurchmesser in Liter/Minute sein.Beim MIG-Schweißen von Aluminiumwerden, wegen der großen Oxidations-neigung des Werkstoffs, etwas darüberhinausgehende Durchflußmengen einge-stellt, bei Ar / He- Mischgasen, wegen dergeringen Dichte von Helium, auch we-sentlich höhere. Das aus der Flascheoder der Ringleitung kommende Gas wirdzunächst im Druck reduziert. Die einge-stellt Durchflußmenge kann an einemManometer, das zusammen mit einerStaudüse geeicht ist, abgelesen werden,oder an einem Durchflußmengenmessermit Schwebekörper.Auf den Einfluß der Schutzgase auf denSchweißprozeß wird später bei der Be-schreibung der verschiedenen Lichtbo-genarten noch näher eingegangen.

Kennziffer für die Festigkeits- und Dehnungseigenschaftendes Schweißgutes

Kennzeichen für die Kerbschlagarbeitdes Schweißgutes

Kennziffer Mindeststreck-grenze1) N/mm2

ZugfestigkeitN/mm2

Mindestbruch-dehnung2) %

Kennzeichen Temperatur für Mindest-kerbschlagarbeit 47 J °C

35 355 440 bis 570 22 Z keine Anforderungen38 380 470 bis 600 20 A +2042 420 500 bis 640 20 0 046 460 530 bis 680 20 2 -2050 500 560 bis 720 18 3 -30

4 -405 -506 -60

EN 440 – G 46 3 M G3Si1

Tabelle 3 Bezeichnungsbeispiel für eine Draht / Schutzgas-Kombination nach DIN EN 440

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3.4 Eigenschaften des SchweißgutesBei Schweißzusätzen für unlegierteStähle und für Feinkornbaustähle geht esbei der Auswahl einer Draht / Schutzgas-Kombination in erster Linie darum, dieFestigkeits- und Zähigkeitseigenschaftendes Grundwerkstoffs auch im Schweißgutzu erreichen. Dazu bietet DIN EN 440Hilfen an. Ähnlich wie bei Stabelektrodengibt es ein Bezeichnungssystem, ausdem Angaben über die Mindestwerte vonStreckgrenze und Bruchdehnung, sowiedie Festigkeit und die Kerbschlagarbeitdes Schweißgutes entnommen werdenkönnen. Das Bezeichnungssystem wird inTabelle 3 veranschaulicht.Im gewählten Beispiel wird eine Drahte-lektrode G3Si1 unter Mischgas (M) ver-schweißt. Das Schweißgut dieser Draht /Schutzgas-Kombination hat eine Min-deststreckgrenze von 460 N / mm2, eineZugfestigkeit von 530 bis 680 N / mm2

und eine Mindestdehnung von 20 % (46).Eine Kerbschlagarbeit von 47 Joule wirdbis zu einer Temperatur von -30 °C er-reicht (3). Ein ähnliches System gibt esauch zur Charakterisierung desSchweißgutes von Fülldrahtelektroden inDIN EN 758.Bei den warmfesten Stählen, den korro-sions- und hitzebeständigen Stählen undbei Aluminiumwerkstoffen gilt als Regel,daß das Schweißgut zum Erreichen dererforderlichen Werkstoffeigenschaftenmöglichst artgleich dem zu schweißen-den Grundwerkstoff oder etwas höher le-giert sein soll. Für Drahtelektroden undFülldrahtelektroden zum Schweißenwarmfester und korrosions- bzw. hitzebe-ständiger Stähle findet man aber auchAngaben über die Mindestwerte vonStreckgrenze, Zugfestigkeit, Dehnungund Kerbschlagarbeit des Schweißgutesin tabellarischer Form in den entspre-chenden Normen. Diese Werte sind abernicht Bestandteil des Bezeichnungssy-stems.Eine Drahtelektrode zum MAG-Schweißen des warmfesten Stahles 13CrMo 4.5 hat nach DIN EN 12070 dieBezeichnung:

EN 12070 - G CrMo1SiEine Drahtelektrode zum MAG-Schweißen des korrosionsbeständigenCrNi-Stahles mit der Werkstoffnummer1.4302 hat nach DIN EN 12072 folgendeBezeichnung:EN 12072 - G 19 9 LDie Bezeichnung einer Drahtelektrodezum MIG-Schweißen des WerkstoffesAlMg 5 lautet:EN 18273 - G RAlMg5Mn

4 Fugenvorbereitung4.1 Fugenformen

Bild 5 zeigt die wichtigsten Fugenformen,die beim MAG-Schweißen von Stahl zurAnwendung kommen.Wegen des guten Einbrandverhaltensdes Prozesses können bei Nähten mitStegen (I-, Y,- DY- Nähten) größereBlechdicken ohne Ausfugen durchge-schweißt werden als beim Lichtbogen-handschweißen. Bei größeren Material-dicken empfiehlt sich aber zur Fehler-vermeidung ein Ausfugen von der Rück-seite. Die Steghöhe richtet sich nach deranwendbaren Stromstärke.Bei Aluminiumwerkstoffen werden beigrößeren Dicken wegen der höherenWärmeableitung größere Öffnungswinkel(70 - 90 °) empfohlen.

4.2 Anbringen der FugenflankenDas Anschrägen der Fügekanten erfolgtbei un- und niedriglegierten Stählen inder Regel durch autogenes Brennschnei-den. Hochlegierte Stähle und die Metalle,die MIG / MAG- geschweißt werden (z.B.Aluminium) können mit dem Plasmalicht-bogen schmelzgeschnitten werden. EinEntfernen der beim thermischen Trennenentstehenden Oxidhäute ist nicht unbe-dingt erforderlich, kann aber in Sonder-fällen notwendig werden. Auf dieBesonderheiten des Werkstoffs Alumini-um in dieser Hinsicht wird an andererStelle noch näher eingegangen.Wenn besondere Anforderungen hin-sichtlich der Einhaltung geringer Toleran-zen gestellt werden, kann auch einmechanisches Anarbeiten der Fugenflan-

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ken empfohlen werden. Dies gilt beson-ders für Rundnähte. Die modernen Mög-lichkeiten des Schneidens mit demElektronenstrahl oder dem Laserstrahlkommen bei der mechanisierten Ferti-gung vor.

4.3 BadsicherungenWährend beim manuellen Schweißen derSchweißer den Schweißverlauf beob-achtet und durch Einstellung der richtigenStromstärke, die Stellung des Lichtbo-gens in der Fuge und die Schweißge-schwindigkeit auch bei ungleichem

Wurzelspalt eine gleichmäßige Wurzel-raupe erreichen kann, muß beim vollme-chanisierten Schweißen von dergewählten Schweißfuge, dem eingestell-ten Wurzelspalt über die richtigenSchweißparameter und die abgeschmol-zene Menge des Zusatzdrahtes allesstimmen. Zur Erleichterung des Wurzel-schweißens werden deshalb beim ma-schinellen Schweißen oft Bad-sicherungen verwendet (Bild 6).Wenn der Wurzelspalt nicht zu sehr vari-iert, können als natürliche Badsicherungauch Wurzelstege dienen, z.B. bei I- oderY-Fugen (interne Badsicherungen). Ab-hängig von der Steghöhe müssen dieSchweißparameter beim Schweißen derersten Lage so gewählt werden, daß derSteg nicht vollständig aufgeschmolzenwird. Der verbleibende Rest des Stegeskann dann beim Schweißen der Gegen-lage, mit oder ohne Ausfugen, noch er-faßt werden.Künstliche (externe) Badsicherungen be-stehen z.B. aus Metall, bei den meistenMetallen und Legierungen aus Kupfer,bei Aluminium, das einen niedrigenSchmelzpunkt hat, auch aus nichtrosten-dem Stahl. Auch Keramikunterlagenkommen beim Schweißen als Badsiche-rung zum Einsatz. Die Unterlage soll dasspontane Durchfallen des Schweißgutesz.B. an Stellen, wo der Spalt etwas brei-ter ist oder wo kein Steg vorhanden ist,verhindern, sodaß das schmelzflüssigeMetall aufgefangen wird und eine Wurzel-raupe gebildet werden kann. Die Badsi-cherung formt auch die Unterseite derWurzellage. Zu diesem Zweck ist siedeshalb meist mit einer Nut versehen.

Stoßart Werkstückdicke(mm)

Skizze

I-Nahteinseitig 3-8beidseitig <8

V-Nahteinseitig 3-10 mitGegenlage 3-40

Y-Nahteinseitig 5-40 mitGegenlage >10

X-Naht beidseitig > 10

U-Nahteinseitig > 12mit Gegenlage>12

V-Nahteinseitig 3-10 mitGegenlage 3-30

Kehlnaht-T-Stoß

einseitig >2

Kehlnaht-Eckstoß

einseitig >2beidseitig > 3

Kehlnaht-Überlappstoß

einseitig >2

Kehlnaht-Doppelkehl-naht

beidseitig > 2

Bild 5 Fugenformen nach DIN EN 29692 –ISO 9692

Interne Badsicherung Steg

I-Stoß Y-StoßExterne Badsicherung

V-Naht auf Cu-Schiene

Bild 6 Badsicherungen beim maschinellenSchweißen

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4.4 FormierenHierunter versteht man die zusätzlicheZugabe von Schutzgas an die Wurzel-rückseite, wo der zu schweißende Werk-stoff auch im flüssigen Zustand vorliegt,aber nicht vom Schutzgas, das auf derOberseite zugeführt wird, erreicht wird.Im Gegensatz zum WIG-Schweißen, wowegen der relativ geringen Schweißge-schwindigkeit die Wurzelrückseite durchOxidation oft ein "verbranntes" Aussehenannimmt, was durch das Formiergas ver-hindert werden soll, ist dies beimMIG/MAG-Schweißen aus diesem Grun-de nicht unbedingt erforderlich.Durch das Formieren wird aber auch dieBildung von Oxidhäuten und Anlauffarbenauf der Wurzelrückseite verhindert oderzumindest vermindert. Dies ist z.B. beimSchweißen von korrosionsbeständigenStählen wichtig, weil solche Oxidhäutedie Korrosionsbeständigkeit derSchweißverbindung herabsetzen. Siemüssen deshalb nach dem Schweißendurch Bürsten, Strahlen oder Beizenentfernt werden. Da macht es Sinn, sol-che Häute durch Formieren gar nicht erstentstehen zu lassen.Beim Schweißen von Rohren können da-zu die Enden einfach versperrt und dasFormiergas in das Innere eingeleitet wer-den. Beim Schweißen von Blechen läßtman es aus Öffnungen der Badsiche-rungsschiene ausströmen. Als Formier-

gas kann Argon oder ein Argon /Wasserstoff-Gemisch verwendet werden.Vielfach können aber auch die preiswer-ten Formiergase der Gruppe F in DIN EN439 eingesetzt werden. Diese bestehenz.B. aus einem Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch. Auch reiner Stickstoff kannunter bestimmten Umständen zum For-mieren verwendet werden.

5 SchweißgeräteGeräte zum MIG/MAG-Schweißen beste-hen aus der Stromquelle, der Steuerungund dem Drahtvorschubgerät mitSchlauchpaket und Brenner. Für ver-schiedene Anwendungsfälle können die-se als Kompaktgeräte oder alsUniversalgeräte zum Einsatz kommen.Beim Kompaktgerät (Bild 7) sind Strom-quelle, Steuerung und Drahtvorschubge-rät in einem Gehäuse untergebracht.Der Operationsradius entspricht der Län-ge des Brenner-Schlauchpaketes. Diessind je nach zu verwendendem Draht-elektrodendurchmesser 3 - 5 m. Dement-sprechend werden Kompaktgerätehauptsächlich an festen Arbeitsplätzen,z.B. in Schweißkabinen oder an Ferti-gungsbändern eingesetzt. Beim Univer-salgerät (Bild 8), auch dekompaktgenannt, ist der Drahtvorschub separat in

Bild 7 Gasgekühltes KompaktgerätSATURN 300 MIG

Bild 8 Wassergekühltes UniversalgerätWEGA 400 MIG

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einem Koffer untergebracht und mittelsZwischenleitung mit der Stromquelle undder Steuerung verbunden.Er kann ans Werkstück mitgenommenwerden, wodurch sich der Operationsra-dius um 10 bis 20 m gegenüber demKompaktgerät vergrößert. Universalge-räte werden deshalb meist an wechseln-den Arbeitsplätzen und auf Baustelleneingesetzt.

5.1 SchweißstromquellenDie Schweißstromquelle hat die Aufgabe,den Schweißprozeß mit der benötigtenelektrischen Energie zu versorgen. Dazugehört, daß die hohe Spannung des Net-zes herabgesetzt und die benötigte hoheStromstärke auch beim Kurzschluß zurVerfügung gestellt wird. Da beimMIG/MAG-Schweißen, von neuerlichenAusnahmen abgesehen, nur Gleichstromverwendet wird, kommen als Stromquel-len nur Gleichrichter und Inverter zur An-wendung. Stromquellen zum MIG/MAG-Schweißen haben eine waagerechte oderleicht fallende statische Kennlinie (Kon-standspannungscharakteristik). Dies istnotwendig, damit eine innere Regelungdes Prozesses möglich wird. Hierauf wird

später noch eingegangen. Bei Geräten,die als Multiprozessanlagen eingesetztwerden sollen, ist die Kennlinie auch vonsenkrecht fallend bis waagerecht ver-stellbar.Der Schweißgleichrichter besteht ausdem Transformator und nachgeschalte-ten Gleichrichtersätzen. Während derTransformator die hohe Spannung undniedrige Stromstärke des Versorgungs-netzes in Schweißstrom mit niedrigerSpannung und hoher Stromstärke um-wandelt, richten die Gleichrichtersätzeden aus dem Trafo kommenden Wech-selstrom gleich. Um den besonderenAnforderungen unterschiedlicherSchweißaufgaben gerecht werden zukönnen, müssen die Stromquellen ein-stellbar sein. Bei einfachen Geräten zumMIG / MAG-Schweißen geschieht diesdurch primärseitige Windungsanzapfungmittels Stufenschalter. Bild 10 zeigt dasPrinzip einer Stufenschaltermaschine.Durch Abgreifen von mehr oder wenigerWindungen der Primärspule wird dasÜbersetzungsverhältnis des Trafos ver-ändert und damit die Spannung auf derSekundärseite. Bei etwas aufwendigerenStromquellen erfolgt das Stellen des

Bild 9 Inverter-MultiprozeßgerätPHOENIX PROGRESS

Bild 10 Prinzip einer Stufenschaltermaschi-ne

Regler- einfach -

Bild 11 Prinzip einer thyristorgesteuertenStromquelle

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Stromes im Gleichrichterteil mittels steu-erbarer Gleichrichter (Thyristoren). DasSchema einer solchen Anlage zeigt Bild11.Durch entsprechendes Ansteuern derThyristoren werden mehr oder wenigergroße Teile der Wechselstromhalbwellendurchgelassen, wodurch sich dieSchweißspannung verändert.Anspruchsvollere MIG / MAG-Geräte sindmit Invertern als Stromquellen ausge-stattet. Der Inverter ist eine elektronischeStromquelle. Nachdem eine Zeitlanganaloge, sekundärgetaktete und primär-getaktete elektronische Stromquellenverwendet wurden, hat sich die Entwick-lung jetzt auf die primärgetakteten kon-zentriert. Diese arbeiten nach einemvöllig anderen Wirkprinzip als die kon-ventionellen Stromquellen (Bild 12).Der aus dem Netz kommende Strom wirdzunächst gleichgerichtet und danach,damit er transformierbar wird, durch Ein-und Ausschalten in kurze Abschnittezerteilt. Diesen Vorgang nennt man Tak-ten. Er wird ermöglicht durch schnell rea-gierende elektronische Schalter, dieTransistoren. Die ersten transistorisiertenInverter arbeiteten mit einer Taktfrequenzvon etwa 25 kHz. Heute sind mit weiter-entwickelten Transistoren Taktfrequen-zen von 100 kHz und mehr möglich.Nach dem "Zerhacken" (Takten) desStromes wird dieser auf die erforderlichehohe Stromstärke und niedrige Spannungtransformiert. Hinter dem Trafo entstehtdann ein rechteckförmiger Wechselstrom,der anschließend noch einmal gleichge-richtet wird. Die hohe Taktfrequenz hatden Vorteil, daß die erforderliche Massedes Trafos sehr klein gehalten werdenkann. Sie ist nämlich von der Frequenzdes zu transformierenden Stromes ab-

hängig. Dadurch ist es möglich Leichtge-wichtsstromquellen herzustellen.Bei den elektronischen Stromquellen wirdvieles, was bei konventionellen Strom-quellen mit Komponenten wie Widerstän-den, Drosseln und Kondensatorenerreicht wird, durch die Steuerung elek-tronisch gelöst. Die Steuerung dieserStromquellen ist deshalb ebenso wichtigwie das Leistungsteil. Das Stellen desStromes geschieht z.B. bei getaktetenQuellen durch Verändern des Verhältnis-ses zwischen den Stromein-/Stromauszeiten. Auch die Veränderungder Taktfrequenz kann zum Verstellender Stromhöhe benutzt werden. Um im-pulsförmigen Strom zu erzeugen, wirddas Verhältnis der Ein-/Auszeiten durchdie Steuerung zyklisch verändert. Aufähnliche Weise kann der Strom auch amBeginn und zum Ende des Schweißenshin hoch- bzw. runtergefahren werden.Durch die neue Technik wurde aber auchdie geregelte Stromquelle möglich, wel-che die Schweißtechnik schon lange ge-fordert hatte. Ein Kontrollgerät mißtSchweißstrom und Schweißspannungund vergleicht mit den eingestelltenWerten. Ändern sich die eingestelltenSchweißparameter z.B. durch uner-wünschte Widerstände im Schweiß-stromkreis, dann regelt die Steuerungentsprechend nach. Dies erfolgt sehrschnell im µs- Bereich. Auf ähnliche Wei-se kann auch der Kurzschlußstrom be-grenzt und der cosϕ verbessert werden.Ein verbesserter Wirkungsgrad und ge-ringere Leerlaufverluste der Inverter-stromquellen ergeben sich schon aus dergeringeren Masse des Trafos.

5.2 DrahtvorschubgeräteIm Drahtvorschubgerät wird die Draht-elektrode durch Vorschubrollen in derGeschwindigkeit ihres Abschmelzens aufden Prozeß zubewegt. Sie wird dabei vonder Spule abgezogen und in dasSchlauchpaket geschoben, an dessenEnde sich der Schweißbrenner befindet.Zu diesem Zwecke gibt es vor den Vor-schubrollen eine Führungsdüse, die denDraht in eine definierte Richtung bringt

Wechselrichter (Transistor)

Gleichrichter (Diode)

Gleichrichter (Diode)

Netz

Transformator Drossel

Bild 12 Blockschaubild eines Inverters der3. Generation

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und hinter den Rollen, am Beginn desSchlauchpaketes, die Drahteinlaufdüse.Anlagen zum vollmechanischen Schwei-ßen verfügen oft auch noch über ein zwi-schengeschaltetes Richtwerk, das dievom Aufspulen herrührende Vorbiegungdes Drahtes beseitigt.Die Vorschubrollen werden durch einenGleichstrommotor angetrieben, der sichstufenlos in der Umdrehungsgeschwin-digkeit verstellen läßt. Bei modernen Ge-räten, die einen geregelten

Schweißprozeß gestatten, wird dieDrahtvorschubgeschwindigkeit durch ei-nen Tachometer gemessen und bela-stungsunabhängig geregelt. BeimMIG/MAG-Schweißen sind in der RegelDrahtvorschubgeschwindigkeiten zwi-schen 2 und 20 m / min üblich, beiHochleistungsvarianten auch mehr. DieMotoren sind deshalb über ein Getriebemit der Antriebsrolle verbunden.Das Drahtvorschubgerät soll die Oberflä-che der Drahtelektrode schonend behan-deln. Die Drahtvorschubrollen müssendeshalb einen ausreichend großenDurchmesser besitzen, damit die spezifi-sche Flächenpressung der Drahtoberflä-che nicht zu groß wird. Gegenüber einem2-Rollen-Antrieb kann bei 4-Rollen-Antrieben der Draht mit geringerem An-preßdruck und trotzdem schlupffrei ge-fördert werden. Der Anpreßdruckzwischen den Rollen kann weiter verrin-gert werden, wenn mehrere Rollen ange-trieben werden. Bei 4-Rollen-Antriebenwerden vielfach alle Rollen miteinanderverzahnt und gemeinsam von einemMotor angetrieben.Bild 13 gestattet einen Blick in ein Draht-vorschubgerät mit 4-Rollen-Antrieb. Bild14 zeigt Details des Antriebs.Meist hat nur eine Rolle des Vor-schubrollenpaares eine trapezförmigeNut, während die Gegendruckrolle glattist (Bild 15).

Bild 13 Blick in ein Drahtvorschubgerät mit4-Rollenantrieb

Bild 14 4-Rollen-Antrieb

a) b) c)

Bild 15 Verschiedene Antriebsrollena) Stahlb) Aluminiumc) Fülldraht

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Dabei ergibt sich eine 3-Punkt-Auflageder Drahtoberfläche zwischen den Rol-len, die oberflächenschonend ist. BeiFülldrahtelektroden und weichen Draht-elektroden haben beide Rollen manchmalauch eine halbkreisförmige Nut. Eineschonende Behandlung der Drahtoberflä-che ist deshalb wichtig, weil Drahtabriebmit ins Schlauchpaket gefördert wird, unddieses nach kurzer Zeit verstopfen kann.Verstärkter Metallabrieb entsteht auch,wenn die Vorschubrollen verschlissensind. Ihr Zustand muß deshalb regelmäs-sig kontrolliert werden.

5.3 Schlauchpaket und BrennerDas Schlauchpaket enthält alle notwen-digen Versorgungsleitungen, also dieStromleitung, die Schutzgasleitung, denDrahtzuführungsschlauch, die Steuerlei-tung und bei Geräten, die für höhereStromstärken ausgelegt sind, auch dieKühlwasserzu - und -rückführung.Bei wassergekühlten Geräten liegt dieStromleitung in der Wasserrückführung.Der Querschnitt der Leitung kann somitgeringer gehalten werden als ohne Küh-lung und das Schlauchpaket ist flexibler.Der Drahtführungsschlauch besteht beimSchweißen von un- und niedriglegiertemStahl aus einer Stahlspirale. Bei Verwen-dung von Drahtelektroden aus Chrom-Nickel-Stahl sowie aus Aluminium undanderen Metallen, wird dafür einSchlauch aus verschleißfestem Kunst-stoff (z.B. Teflon) verwendet. Kunststof-führungen haben einen günstigerenReibungskoeffizienten als Stahl. DieSteuerleitung ermöglicht es, Steuersi-gnale vom Brenner aus an die Steuerungzu versenden. Am Brennerhandgriff be-findet sich dazu der Brennerschalter mitdem die zum Schweißen notwendigen

Funktionen geschaltet werden können.Am Ende des Schlauchpaketes sitzt derSchweißbrenner. Die folgenden Bilderzeigen einige gebräuchliche Brennerty-pen.Am häufigsten werden Schwanenhals-brenner (Bild 16) verwendet. Sie besitzenein geringes Gewicht und die Zugäng-lichkeit des Lichtbogens zur Schweiß-stelle ist damit sehr gut. Eine besondereForm und Handlichkeit zeichnet denSchnellschweißbrenner (Bild 17) aus.Ein weiterer Brennertyp ist der Pistolen-brenner. Er ist in Bild 18 als Push-Pull-Brenner zu sehen.Beim Push-Pull-Antrieb wird die Draht-elektrode von einem im Brennerhandgriffbefindlichen Vorschubmotor gezogen,während gleichzeitig ein im Gerät befind-licher Motor den Draht ins Schlauchpaketschiebt. Hiermit lassen sich auch weicheund dünne Drähte problemlos fördern.Ein Push / Pull-Antrieb wird auch häufigbei Roboteranlagen eingesetzt und beimaschinellen Schweißanlagen, wo dieDrahtelektrode bauartbedingt über großeWege transportiert werden muß. Bild 19zeigt ferner noch den Brenner für eine di-gitalisierte Schweißanlage, bei demSchweißdaten auf dem Display abgele-sen und vom Brenner aus verstellt wer-

Bild 16 Schwanenhalsbrenner

Bild 17 Schnellschweißbrenner HIGH-SPEED

Bild 18 Push / Pull-Brenner

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den können.Beim Kleinspulenbrenner (Bild 20) sitzteine Minidrahtspule direkt auf dem Bren-ner und der Vorschubmotor im Handgriff.

Die Zuführungswege sind damit sehr kurzund es können auch sehr dünne und wei-che Drähte ohne Probleme transportiert

werden. Bild 21 zeigt das Schnittbild ei-nes Schwanenhalsbrenners.Es ist deutlich zu erkennen, daß die derDrahtführung dienende Stahlspirale bisganz an die in den Düsenstock einge-schraubte Stromkontaktdüse herange-führt wird. Damit wird verhindert, daß dergeschobene Draht bei Vorschubstörun-gen im vorderen Teil des Brenners hierausknickt.

5.4 SteuerungAn der Steuerung der Schweißanlagekönnen verschiedene Funktionen einge-stellt werden, die dann teilweise vomBrennerschalter aus über die Steuerlei-tung abgerufen werden können. Hierzugehört z.B. das Umschalten von 2-Takt-auf 4-Takt-Betrieb. Weitere Funktionensind das Einstellen einer Einschleichge-schwindigkeit der Drahtelektrode beimZünden und das Einstellen einer Rück-brandzeit des Lichtbogens beim Beendendes Schweißens. Durch die einstellbareniedrige Geschwindigkeit der Drahtelek-trode beim Zünden wird der Zündvorgangsicherer, weil der zu Beginn nochschwach auf dem kalten Werkstoff bren-nende Lichtbogen durch den nachdrük-kenden Draht nicht sofort wieder ersticktwird. Die eingestellte Rückbrandzeit ver-hindert ein Festbrennen der Elektrode imEndkrater. Dies wird dadurch erreicht,daß der Drahtvorschub schon etwas eherabgeschaltet wird, als der Schweißstrom.Ist die Rückbrandzeit allerdings zu langeingestellt, dann kann der Draht an derStromkontaktdüse festbrennen. Ein wei-teres Programm kann verhindern, daßnach dem Beenden des Schweißens ein

zu großer Tropfen am Drahtende zurück-bleibt, der beim erneuten Zünden störenwürde. Deshalb wird der am Draht gebil-dete Tropfen unmittelbar vor dem Been-den des Schweißens noch durch einenStromimpuls abgelöst. Die zuletzt ge-nannte Funktion ist besonders bei voll-maschinellen Anlagen wichtig, währendbei der teilmechanischen Anwendungdes Verfahrens der Schweißer dasDrahtende vor dem Wiederzünden ab-kneifen kann. Moderne MIG / MAG-Anlagen gestatten auch ein rampenför-

Bild 19 Brenner mit Display und Fernsteller

Bild 20 Kleinspulenbrenner

Bild 21 Schnittbild vom Brennerkopf eines MIG / MAG-Brenners

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miges Hochfahren des Stromes zu Be-ginn und ein entsprechendes Absenkenam Ende der Schweißnaht.

6 Werkstoffübergang beimMIG/MAG-Schweißen

6.1 LichtbogenbereicheJe nach eingestellten Schweißparame-tern und verwendetem Schutzgas stellensich beim MIG/MAG-Schweißen unter-schiedliche Werkstoffübergangsformen,auch Lichtbogenbetriebszustände ge-nannt, ein. Dabei wirken sowohl physika-lische Phänomene, wie Oberflächen-spannung und Viskosität des Metalls,Schwerkraft und Plasmaströmung mit, alsauch elektrische Kräfte, wie die Lorenz-kraft. Besonders die letztgenannte elek-tromagnetische Kraft hat einendominierenden Einfluß bei Tropfenüber-gängen, die im freien Flug erfolgen. DieLorenzkraft, auch Pinch-Effekt genannt,ist eine aus dem umgebenden Magnet-feld resultierende, radial nach innen ge-richtete Kraft (Bild 22), die dasschmelzflüssige Elektrodenende ein-schnürt und einzelne Tropfen von diesemabkneift (engl. to pinch = abkneifen).

DIN 1910 - 4 unterscheidet und be-schreibt die in Tabelle 4 aufgeführtenLichtbogenarten.Die mit gleichförmigem Strom auftreten-den Werkstoffübergangsformen tretenteils im unteren Leistungsbereich, d.h. beiniedrigen Stromstärken und Spannungen,teils im oberen Leistungsbereich auf.

Bild 23 zeigt schematisch ihre Lage im U/ I-Diagramm.Der Impulslichtbogen tritt über den gan-zen Leistungsbereich hinweg auf. Dieeinzelnen Lichtbogenarten werdennachfolgend beschrieben.

6.2 KurzlichtbogenDer Kurzlichtbogen tritt im unteren Lei-stungsbereich, d.h. bei niedrigen Strom-stärken und Lichtbogenspannungen auf.Sein Name beschreibt nicht nur, daß essich hierbei um einen sehr kurzen Licht-bogen handelt, sondern er wurde früherauch wegen der Art des Tropfenüber-

Drahtelektrode

Bild 22 Schema der Wirkung des Pinch-Effektes [1]

Benennung WerkstoffübergangSprühlichtbogen feinst- bis feintropfig >

praktisch kurzschlußfreiLanglichtbogen grobtropfig >

nicht kurzschlußfreiKurzlichtbogen feintropfig >

im KurzschlußImpulslichtbogen Tropfengröße und Tropfen-

frequenz einstellbar >praktisch kurzschlußfrei

Tabelle 4 Lichtbogenarten nach DIN 1910-4

Stromstärke I [A]S

Kurzlichtbogen-

bereich Klb

Mischlicht-

bogen- Mlb

Sprüh- / Langlichtbogen-

bereich Slb / Llb

Lic

htb

og

ensp

ann

un

g U

[V]

SBild 23 Lage der Arbeitsbereiche

1

23

a) b) c)

Bild 24 Tropfenübergang beim Kurzlichtbo-gen1: Drahtelektrode2: Tropfen3: Lichtbogen

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gangs Kurzschlußlichtbogen genannt.Bild 24 zeigt die Stationen des Tropfen-übergangs.Unter Einfluß der Lichtbogenwärme bildetsich am Elektrodenende ein kleinerTropfen (a), der wegen der Kürze desLichtbogens schon bald Kontakt mit demSchmelzbad bekommt. Es entsteht einKurzschluß, der Lichtbogen erlischt (b).Der Tropfen wird durch die Oberflächen-spannungen des Schmelzbades vomDrahtende abgesaugt, der Pinch-Effekthat wegen der geringen Stromstärke kei-nen wesentlichen Einfluß auf die Trop-fenablösung. Danach zündet derLichtbogen wieder (c). Dieser Vorgangwiederholt sich in sehr regelmäßigen Ab-ständen je nach verwendetem Schutzgasca. 20 bis 100 mal in der Sekunde. Wäh-rend der Kurzschlußphase steigt derStrom an (Kurzschlußstrom). Wegen dergeringen Größe des Tropfens ist dieKurzschlußphase aber sehr kurz und eskommt nicht zu sehr hohen Stromspitzen.Ferner verlangsamen Drosseln imSchweißstromkreis bei konventionellenStromquellen die Anstiegsgeschwindig-keit des Stromes. So erfolgt das Wieder-zünden des Lichtbogens nach demKurzschluß sanft und ohne wesentlicheSpritzerbildung. Bei Invertern verhindertdie Software der Stromquelle einen ex-zessiven Anstieg des Stromes.Beim Kurzlichtbogen handelt es sich umeinen relativ "kalten" Prozeß. Er tritt unterallen Schweißschutzgasen auf und eignetsich besonders zum Schweißen vonWurzellagen, von dünnen Blechen und inZwangslagen.

6.3 LanglichtbogenDer Langlichtbogen tritt im oberen Lei-stungsbereich auf, wenn unter Kohlendi-oxid oder unter hoch-CO2-haltigenSchutzgasen geschweißt wird. Die Gren-ze im CO2-Gehalt liegt hier bei größer et-wa 25 %. Da wegen der physikalischenEigenschaften der Lichtbogenatmosphäreunter den genannten Schutzgasen derLichtbogenansatz an der Drahtelektrodestark eingeschnürt ist, macht sich derPinch-Effekt hierbei nicht oder nur sehr

schwach bemerkbar. Bild 25 verdeutlichtdiesen Werkstoffübergangsmodus.Es bilden sich grobe Tropfen an derElektrodenspitze (a), die vornehmlichunter Einfluß der Schwerkraft zum Werk-stück übergehen. Dabei kommt es häufigzur Bildung von Kurzschlußbrücken zwi-schen Tropfen und Schmelzbad (b), inderen Verlauf Zusatzwerkstoff insSchmelzbad übergeht. Vereinzelt kommtes auch zum freien Übergang einzelnersehr grober Tropfen (c). Die Kurzschlüs-se sind hierbei wegen der großen Trop-fenmasse länger andauernd. Darausresultieren sehr hohe Kurzschlußströme,die zu starker Spritzerbildung beim Wie-derzünden des Lichtbogens führen.Bei diesem Prozeß, der im oberenStromstärken- und Spannungsbereichstattfindet, entsteht ein großes, heißesSchmelzbad. Der Prozeß eignet sich

1

2

3a) b) c)

Bild 25 Tropfenübergang beim Langlicht-bogen1: Drahtelektrode2: Tropfen3: Lichtbogen

PA

PB

PG

PF

PE

PD

PC

Bild 26 Schweißpositionen nach ISO 6947

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deshalb nur zum Schweißen in den Posi-tionen PA und PB (Bild 26). Zwangsla-genschweißungen sind nicht möglich.

6.4 SprühlichtbogenUnter Argon und argonreichen Mischga-sen umhüllt der Lichtbogen am Tropfen-ansatz das gesamte Elektrodenende,sodaß sich der Pinch-Effekt bei ausrei-chender Stromstärke optimal einstellenkann (Bild 27). Das Drahtende schnürtsich dabei ein (a) und einzelne Tropfenwerden von der Elektrode abgelöst (b).

Es kommt zu einem kurzschlußfreien,spritzerarmen Werkstoffübergang. DerSprühlichtbogen tritt bei argonreichenSchutzgasen im oberen Leistungsbereichauf. Auch bei dieser Lichtbogenart bildetsich ein großes, heißes Schmelzbad, so-daß der Prozeß nur eingeschränkt fürZwangslagenschweißungen geeignet ist.

6.5 MischlichtbogenZwischen dem Kurzlichtbogen einerseitsund dem Sprüh- oder Langlichtbogen an-dererseits stellt sich eine Lichtbogenformein, für die ein gemischter Werkstoffüber-gang teils im Kurzschluß, teils im freienFlug typisch ist. In diesem Bereich trittaber verstärkt Spritzerbildung, auch unterargonreichen Mischgasen, auf. Es wirddaher empfohlen, diesen mittlerenStromstärkenbereich zu vermeiden oderdort den Impulslichtbogen einzusetzen.

6.6 ImpulslichtbogenDer Impulslichtbogen tritt auf, wenn stattdes gleichförmigen Stromes ein impuls-förmiger Strom zum Schweißen verwen-det wird. Einstellparameter sind beidieser Lichtbogenart je nach Modulationder Stromquelle neben der Drahtvor-schubgeschwindigkeit der Grundstromoder die Grundspannung, der Impuls-strom oder die Impulsspannung, die Im-pulsdauer und die Impulsfrequenz. WieBild 28 zeigt, löst sich unter Einwirkungdes Pinch-Effektes in der Impulsphasejeweils ein Tropfen von der Elektroden-spitze ab. Es kommt so zu einem fein-tropfigen, spritzerarmen Schweißprozeß.Bei fest eingestellten Werten für Grund-strom (-spannung), Impulsstrom (-span-nung) und Impulsdauer kann die Leistungüber den Drahtvorschub eingestellt unddie Lichtbogenlänge durch Veränderungder Pulsfrequenz angepaßt werden. DerImpulslichtbogen tritt über den gesamtenLeistungsbereich auf und ist im Bereichniedriger und mittlerer Stromstärken auchgut für Zwangslagenschweißungen ge-eignet.

6.7 Sonderformen des Werkstoffüber-gangsNeben den vorstehend beschriebenenStandardlichtbogenarten gibt es nochSonderformen, die erst in den letztenJahren mehr in den Vordergrund getretensind.Bei Stromstärken, die über denen deskonventionellen Sprühlichtbogens liegen,d.h. bei Drahtvorschubraten beim 1,2 mm

1

23

a) b)

Bild 27 Tropfenübergang beim Sprühlicht-bogen1: Drahtelektrode2: Tropfen3: Lichtbogen

Bild 28 Tropfenablösung beim Impulslicht-bogen

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Draht z.B. von mehr als 15 m/min, trittunter Mischgasen der Hochleistungs-sprühlichtbogen auf. Dieser bringt aller-dings einen so tiefen, schneidendenEinbrand, daß dadurch Fehler imSchweißgut auftreten können. Er wirddeshalb kaum angewendet. Bei Erhö-hung der Spannung beginnt dann in die-sem Leistungsbereich der Lichtbogen zurotieren und der Einbrand verbreitert sich.Der rotierende Lichtbogen wird zur Stei-gerung der Einbringleistung oder zur Er-höhung der Schweißgeschwindigkeit fürFüll- und Decklagen bei Stumpfnähtenund für Kehlnähte an dickwandigen Bau-teilen eingesetzt.Beim Hochleistungskurzlichtbogen han-delt es sich um einen Prozeß mit einemWerkstoffübergang im typischen Kurz-schlußübergangsmodus. Er tritt beiStromstärken im Bereich des konventio-nellen Sprühlichbogens, aber wesentlichniedrigerer Lichtbogenspannung auf.Die genannten Hochleistungsvariantendes MIG / MAG-Schweißens werden, vonAusnahmen abgesehen, nur vollmecha-nisiert angewendet.

7 Einstellen der Schweißparameter7.1 Einstellen bei konventionellen

AnlagenIm Gegensatz zum Lichtbogenhand-schweißen und zum WIG-Schweißensind zur Einstellung von MIG / MAG-Anlagen zwei Stellvorgänge notwendig.Dies wird nachfolgend am Beispiel der

Einstellung einerStufenschalterma-schine erläutert.Für das MIG/MAG-Schweißen werdenKonstantspannungs-stromquellen einge-setzt. Die gewünschteSpannung wird des-halb durch Einstelleneiner bestimmtenKennlinie an denGrob- und Feinstu-fenschaltern der

Stromquelle gewählt und die günstigsteLichtbogenlänge durch Einstellen der da-zu passenden Drahtvorschubgeschwin-digkeit erreicht. Bild 29 zeigt, wie sichÄnderungen der Einstellung der Strom-quelle und der Drahtvorschubgeschwin-digkeit auf die Lage des Arbeitspunktesauswirken.Der Arbeitspunkt (A) ist der Schnittpunktzwischen der eingestellten Quellenkenn-linie und der Lichtbogenkennlinie. Er istgekennzeichnet durch die Stromstärke Isund die Spannung Us. Wird die Drahtvor-schubgeschwindigkeit erhöht, dann ver-kürzt sich der Lichtbogen und derArbeitspunkt wandert auf der Quellen-kennlinie nach rechts, die Stromstärkesteigt. Entgegengesetzt verhält es sichbei einer Verringerung der Drahtförder-geschwindigkeit. Auf diese Weise kannüber das Potentiometer für den Drahtvor-schub die gewünschte Stromstärke ein-gestellt werden. Mit der Erhöhung derStromstärke verkürzt sich aber der Licht-bogen. Damit er nicht zu kurz wird, mußgleichzeitig die Spannung entsprechenderhöht werden. Zur Erhöhung der Span-nung muß am Stufenschalter eine höherliegende Kennlinie eingestellt werden, beieiner gewünschten Verringerung derLichtbogenspannung eine niedrigere. Beidem meist üblichen geringfügig fallendenVerlauf der waagerechten Stromquellen-kennlinien ist mit der Verstellung des ge-wünschten Parameters auch immer einegeringfügige Veränderung des anderenverbunden. Bei absolut waagerechtem

Lichtbogenzu lang

Lichtbogenzu kurz

= IbrauchbarerLichtbogen-kennlinien-bereich A Arbeitspunkt

Stromstärke I (A)

Spa

nnun

g U

(V

)

Quellen-kennlinien

Bild 29 Günstige Lichtbogenbereiche beim MIG/MAG-Schweißen [1]

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Verlauf tritt diese gegenseitige Beeinflus-sung nicht auf.Damit optimale Verhältnisse beimSchweißen vorliegen, darf der Lichtbogennicht zu kurz und nicht zu lang sein. Beieinem zu kurzen Lichtbogen treten ver-stärkt Kurzschlüsse und damit Spritzerauf. Die Kurzschlüsse kann man erken-nen an dem knatternden Geräusch dasvom Lichtbogen ausgeht. Mit zunehmen-der Länge des Lichtbogens steigt dage-gen die Gefahr, daß Luft in denLichtbogenbereich eintritt und damit diePorengefahr größer wird. Auch nimmt dieNeigung zu Einbrandkerben zu. Einen zulangen Lichtbogen erkennt der Schweißeran dem zischenden Geräusch des Licht-bogens. Die Linie der idealen Arbeits-punkte, d.h. die ideale Arbeitskennlinie,läuft etwa diagonal durch das U / I- Dia-gramm. In Wirklichkeit gibt es einenbrauchbaren Lichtbogenkennlinienbe-reich. Dies ist der Arbeitsbereich, in demgeschweißt werden sollte. In Bild 30 sinddie Arbeitsbereiche für eine Si / Mn-legierte Drahtelektrode und zwei ver-schiedene Mischgase dargestellt.Zu günstigen Schweißbedingungen füh-ren alle Arbeitspunkte, die innerhalb derArbeitsbereiche liegen. Arbeitspunkte, dienach unten herausfallen bedeuten zukurze Lichtbögen, Arbeitspunkte dieoberhalb der oberen Grenzlinie liegenführen zu Lichtbögen, die zu lang sind.Die Arbeitsbereiche gelten immer nur füreine bestimmte Drahtelektrode. Da einWechsel des Schutzgases zu anderenphysikalischen Bedingungen in der Licht-

bogenatmosphäre führt, gilt der Arbeits-bereich auch immer nur für einbestimmtes Schutzgas.Beim Schweißen mit impulsförmigemStrom tritt über den gesamten Bereichder Impulslichtbogen auf. Da der Werk-stoffübergang in jedem Fall kurzschluß-frei ist, verschieben sich dieBereichsgrenzen bei niedrigen und mittle-ren Stromstärken aber etwas zu höherenLichtbogenspannungen.

7.2 Synergetische Einstellung vonSchweißparameternDa nicht in allen Betrieben immer genü-gend gut ausgebildete Schweißer zurVerfügung stehen, bieten moderne MIG /MAG-Anlagen vereinfachte Möglichkeitenzur Einstellung der Schweißparameter,wie z.B. das Multiprozeßgerät PHOENIX(Bild 31).Es begann schon in den 70er Jahren mitder Einknopfbedienung, bei der über eineinzelnes Drehpotentiometer die Leistungdurch Änderung des Drahtvorschubs ein-gestellt wurde und mit dem gleichen Ver-stellknopf in einem bestimmtenÜbersetzungsverhältnis eine stufenloseKennlinienverstellung verbunden war,sodaß die Spannung gleichzeitig ange-paßt wurde. Über einen zweiten Knopfwar noch eine gewisse Korrektur des Ar-beitspunktes möglich.

Drahtelektrode SG 2-1,2mmLi

chtb

ogen

span

nung

Stromstärke

Ar + 18% CO2

Ar + 8% CO2

Bild 30 Arbeitsbereiche für zwei Argon-mischgase [1]Klb = KurzlichtbogenMlb = MischlichtbogenSlb = SprühlichtbogenDrahtelektrode SG2 = G3Si-EN 440

Bild 31 Multiprozeßgerät PHOENIX

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Heute gehört zum Standard vieler MIG /MAG-Anlagen eine noch weitergehendeVereinfachung der Einstellung. Die idea-len Arbeitskennlinien für häufig vorkom-mende Schweißaufgaben sind in derMaschine gespeichert. Der Bediener derAnlage stellt, z.B. mittels Tipptasten, nurnoch den zu schweißenden Werkstoff,den gewünschten Drahtdurchmesser unddas angeschlossene Schutzgas ein. Da-mit ist die vorprogrammierte, ideale Ar-beitskennlinie aufgerufen. Die Leistungläßt sich nun an einem Drehknopf stu-fenlos einstellen und für individuelleWünsche bezüglich der optimalen Licht-bogenlänge steht noch ein Korrektur-knopf zur Verfügung. Bild 32 und Bild 33zeigen Displays einer modernenSchweißanlage, die sogar noch weiter-gehende Einstellungen gestatten.Im mittleren Teil kann die Schweißaufga-be durch Tipptasten eingestellt werden.Dabei wird neben Werkstoff und Durch-messer der Drahtelektrode, sowieSchutzgas noch vorgegeben, ob mitMassivdraht oder Fülldraht geschweißtwerden soll, oder ob Sonderaufgaben wie

MIG-Löten oder Auftragsschweißen vor-liegen. Da es sich bei der Anlage um eineMultiprozeß-Anlage handelt, wird in die-sem Feld auch die für andere Prozesse(WIG, E-Hand) erforderliche Kennlinien-veränderung vorgenommen. Im linkenTeil des Displays läßt sich am oberenDrehknopf die Leistung einstellen, dermittlere Drehknopf dient zur Korrektur derLichtbogenlänge und der untere verän-dert über eine verstellbare Drossel dieLichtbogendynamik. Die zu dem gewähl-ten Arbeitspunkt gehörende Stromstärkeund Spannung werden im oberen Teildes Displays angezeigt. Die benutztenSchweißdaten können gespeichert undbei späterer Gelegenheit wieder aufge-rufen werden.

7.3 Die Regelung des MIG / MAG-Prozes-sesDie eingestellten Schweißparameter sol-len während des Schweißens möglichstkonstant bleiben. Dafür sorgt beim MIG /MAG-Schweißen die innere Regelung. Ih-re Wirkungsweise wird im Folgenden er-klärt.Den Ablauf eines Regelvorgangs kannman sich am besten verdeutlichen, wennman annimmt, daß der Lichtbogen voneiner höheren Ebene ausgehend eineStufe herabgeführt wird. Wie sich Strom-stärke und Lichtbogenspannung dabeiändern zeigt Bild 34.

Bild 32 Display des SchweißgerätesPHOENIX 300 EXPERT

Bild 33 Display des SchweißgerätesPHOENIX PROGRESS

Spa

nnun

g u

Strom iiII

AIIa cb

AI

i

iI

Bild 34 Die innere Regelung (∆∆∆∆ i-Regelung)– Verlauf von Stromstärke undSpannung beim Überschweißen ei-ner Stufe

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Der Arbeitspunkt A� entspricht den Para-metern, mit denen der Lichtbogen auf derStufe brennt. Beim Übergang über dieStufe verlängert sich der Lichtbogen undder Arbeitspunkt wandert von A� nachA��. Die Stromstärke verringert sich dabeium den Betrag �i. Die Spannung verrin-gert sich nur unwesentlich, da die Cha-rakteristik der Stromquelle leicht fallendist. Für die Rückführung des jetzt viel zulangen Lichtbogens auf das ursprünglicheMaß sorgt nun die innere Regelung. Beider niedrigeren Stromstärke i

�� schmilzt

weniger Draht ab als vorher. Da die För-dergeschwindigkeit der Drahtelektrodeaber unverändert bleibt, wird der Lichtbo-gen kontinuierlich kürzer, weil mehr Drahtin den Lichtbogen hinein gefördert wird,als zurzeit dort abgeschmolzen wird. Aufdiese Weise ist nach kurzer Zeit die ur-sprüngliche Lichtbogenlänge wieder er-reicht und der Lichtbogen brennt wiedermit der vorher eingestellten Stromstärkeund Spannung. Diese Regelung arbeitetfast trägheitslos und ist deshalb sehrschnell. Es handelt sich um einen Selbst-regelungseffekt innerhalb des Systems,deshalb innere Regelung oder auch�i-Regelung genannt.

8 Durchführen des SchweißensDer MIG- oder MAG-Schweißer benötigteine gute Ausbildung, nicht nur im prakti-schen Schweißen, sondern auch hin-sichtlich der theoretischen Besonder-heiten des Verfahrens. Dies hilft ihmFehler zu vermeiden.

8.1 Zünden des LichtbogensNach Betätigung des Brennerschalterssetzt sich die Drahtelektrode mit der vor-her eingestellten Geschwindigkeit in Be-wegung. Gleichzeitig wird sie über dasStromrelais stromführend gemacht unddas Schutzgas beginnt zu strömen. BeimBerühren der Werkstückoberfläche ent-steht ein Kurzschluß. Wegen der hohenStromdichte an der Elektrodenspitze be-ginnt an der Berührungsstelle Material zuverdampfen und der Lichtbogen zündet.Bei hohen Drahtförderraten kann der zu-nächst noch sehr schwache Lichtbogen

durch den nachdrückenden Drahtwerk-stoff wieder erstickt werden, sodaß dasZünden erst nach dem zweiten oder drit-ten Anlauf gelingt. Es ist deshalb zweck-mäßiger mit verminderter Förderge-schwindigkeit zu zünden und erst wennder Lichtbogen stabil brennt, auf die ei-gentliche Drahtfördergeschwindigkeithochzuschalten. Neuzeitliche MIG/MAG-Anlagen bieten die Möglichkeit, eine so-genannte "Einschleichgeschwindigkeit"einzustellen. Das Zünden sollte nie au-ßerhalb der Fuge und nur an solchenStellen erfolgen, die unmittelbar danachwieder aufgeschmolzen werden. Vonnicht überschweißten Zündstellen kannwegen der hohen Abkühlungsgeschwin-digkeit solcher örtlich erwärmten StellenRißbildung ausgehen.

8.2 BrennerführungDer Brenner wird in Schweißrichtung et-wa 10 ° bis 20 ° geneigt und kannschleppend oder stechend geführt wer-den (Bild 35).Sein Abstand zum Werkstück soll sosein, daß das freie Drahtende, d.h. derAbstand zwischen der Unterkante derStromkontaktdüse und dem Ansatzpunktdes Lichtbogens, etwa 10 - 12 x Draht-durchmesser [mm] beträgt. Bei zu starkgeneigtem Brenner besteht die Gefahr,daß Luft in das Schutzgas eingesaugtwird. Stechende Brennerführung ist in derRegel üblich beim Schweißen mit Mas-

< 20°

Bild 35 Stellung des Brenners zum Grund-werkstoff

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sivdrähten, schleppende Führung beimEinsatz von schlackenführendenFülldrähten. Leicht schleppend wird derBrenner generell auch in der Position PGgeführt. Fallnahtschweißen (Pos. PG)kommt hauptsächlich bei dünneren Ble-chen vor. Bei dickeren besteht die Ge-fahr, daß durch vorlaufendes SchweißgutBindefehler entstehen. Bindefehler durchvorlaufendes Schweißgut können auch inanderen Positionen auftreten, wenn mitzu geringer Schweißgeschwindigkeit ge-schweißt wird. Breites Pendeln solltedeshalb, von der Position PF abgesehen,möglichst vermieden werden. Die üblichePendelform ist das offene Dreieck.

8.3 Beenden des SchweißensAm Ende der Naht darf der Lichtbogennicht plötzlich abgeschaltet und derBrenner vom Endkrater weggezogenwerden. Vor allem bei dickeren Blechen,wo in großvolumigen Raupen tiefe End-krater entstehen können, ist es günstigerden Lichtbogen langsam vom Bad abzu-ziehen oder, wenn die verwendete Anla-ge dies hergibt, ein Endkraterfüll-programm einzustellen. Bei den meistenAnlagen kann auch eine gewisse Nach-strömzeit des Schutzgases eingestelltwerden, damit das letzte noch flüssigeSchweißgut unter der Schutzgasabdek-kung erstarren kann.Dies ist aber nur wirksam, wenn derBrenner auch eine Zeitlang am Ende derNaht verweilt.

8.4 SchweißparameterDie untere Grenze der möglichen An-wendung des Verfahrens für Stumpfnähteliegt bei unlegiertem Stahl bei etwa 0,7mm, bei nichtrostendem Stahl bei 1 mmund bei Aluminiumwerkstoffen bei etwa 2mm.Wurzellagen und Dünnbleche werdenmeist mit dem Kurzlichtbogen geschweißtoder im unteren Leistungsbereich desImpulslichtbogens. Für Füll-, Deck- undGegenlagen an dickeren Blechen wirddann mit höherer Leistung der Sprüh-oder Langlichtbogen eingestellt. DieseSchweißarbeiten können aber auch sehr

spritzerarm mit dem Impulslichtbogenausgeführt werden.Richtwerte für geeignete Schweißdatenzum Schweißen von Stumpf- und Kehl-nähten können Tabelle 5 bis Tabelle 9entnommen werden.

Ble

chdi

cke

mm

Fug

enfo

rm

Öffn

ungs

win

kel °

Ste

gabs

tand

mm

Pos

ition

Dra

htel

ektr

. Dur

chm

. mm

Dra

htvo

rsch

ub m

/min

Str

omst

ärke

Am

pere

Lich

tbog

ensp

annu

ng V

olt

Lage

1 0,8 3,8 70 180 PA

1,0 4,3 1252

1,5 PG 0,8 7,1 1302,0 PA 4,8 135

19

4

I -

2,5 PG 5,4 160 204,3 125 19

1

PA8,4 205 22 24,7 130 19 1

6PG

1,0

5,4 170 20 23,1 135 18 1

2PA 1,28,1 270 28

31

8

2,0

PF 1,0 3,7 100 172

3,2 135 19 12PA 1,2

9,0 290 2831

10 2,5

PF 1,0 4,5 120 182

3,2 130 19 1234

PA9,2 300 29

53,2 130 19 1

2

15

PF4,2 160 20

33,8 140 19 1

2345

20

V 50

3,0

PA

1,2

9,5 310 29

6

Tabelle 5 Richtwerte für das MAG-Schweißenvon Stumpfnähten an un- und nied-riglegiertem Stahl.Drahtelektrode: G3Si1/G4Si1Schutzgas: Mischgas M2.1Werte nach [1] und [2]

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Ble

chdi

cke

mm

Fug

enfo

rm

Öffn

ungs

win

kel °

Ste

gabs

tand

mm

Pos

ition

Dra

htel

ektr

. Dur

chm

. mm

Dra

htvo

rsch

ub m

/min

Str

omst

ärke

Am

pere

Lich

tbog

ensp

annu

ng V

olt

Lage

1 0 PG 0,8 4,0 70 151,5 PA 3,5 100 16

22,0 PG 4,0 105

4

I -

2,5 4,3 11517

3,4 95 15

1

610,0 200 26 24,4 110 16 1

28

1,0

10,0 200 263

3,0 110 17 123

12

V 60 2,0PA

1,28,0 250 28

4

Tabelle 6 Richtwerte für das MAG-Schweißenvon Stumpfnähten an nicht rosten-dem CrNi-Stahl 1.4541Drahtelektrode: G199L, Schutzgas:Mischgas M1.2 Werte nach[2]

a-M

aß m

m

Pos

ition

Dra

htel

ektr

oden

-du

rchm

esse

r m

m

Dra

htvo

rsch

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Str

omst

ärke

Am

pere

Lich

tbog

ensp

annu

ngV

olt

Lage

nzah

l

PB 6,5 100 172,0

PG0,8

7,0 110 18PB 9,0 200 24

3,0PG 8,8 195 22

4,01,0

10,4 220 265,0

1

6,0PB

1,2 8,0 250 283

Tabelle 7 Richtwerte für das MAG-Schweißenvon Kehlnähten an nichtrostendemCrNi-Stahl 1.4541.Drahtelektrode: G 19 9 L, Schutz-gas: Mischgas M1.2 Werte nach [2]

Ble

ch d

icke

mm

Fug

enfo

rm

Öffn

ungs

win

kel °

Ste

ghöh

e m

m

Dra

htel

ektr

oden

-D

urch

mes

ser.

mm

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htvo

rsch

ubm

/min

Str

omst

ärke

Am

-pe

re

Lich

tbog

en-

span

nung

Vol

tLa

ge

2 2 0,8 5,0 110 204

I -4 1,2 3,1

6 6,0170 22

1

870 1,5

6,8 220 26,2 200

261

6,0 170 24 210 2,01,6

7,2 230 G13,7 240 112,2 220

26212

Y60

1,5 1,215,6 250 28 G

*) ohne Stegflächenabstand G= Gegenlage

Tabelle 8 Richtwerte für das MIG-Schweißenvon Stumpfnähten an Aluminium-werkstoffenDrahtelektrode: GRAlMg5, Schutz-gas: Argon, Schweißposition PA,Werte nach [1] und [2]

a-M

aß m

m

Pos

ition

Dra

htel

ektr

oden

-du

rchm

esse

r m

m

Dra

htvo

rsch

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/min

Str

omst

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Am

pere

Lich

tbog

ensp

annu

ngV

olt

Lage

nzah

l

PA/PB1,0

PG3,8 65 17

PA/PB 7,3 130 192,0

PG

0,8

7,1 100 20PB 10,6 215 23

3,0PG 9,0 210 22

4,0 PA/PB1,0

10,7 220 235,0

PB 1,2 9,5 300 296,0

PF 1,0 4,7 115 18

1

PB 1,2 9,5 300 29 38,0

PF 1,0 4,8 130 19 2PB 9,5 300 29 3

10,0PF

1,24,2 165 19 2

Tabelle 9 Richtwerte für das MAG-Schweißenvon Kehlnähten an un- und nied-riglegiertem Stahl.Drahtelektrode: G3Si1/G4Si1,Schutzgas: Mischgas M2.1Werte nach [1]

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24 10.02Art. Nr.: WM.0223.00

Die dem Schweißer zur Information die-nenden Strom- und Spannungswertekönnen an den, meist in die Geräte ein-gebauten, Meßinstrumenten abgelesenwerden. Beim Impulsschweißen zeigendie Anzeigeinstrumente den sich aus Im-puls- und Grundphase bei der einge-stellten Pulsfrequenz ergebendenarithmetischen Mittelwert von Stromstär-ke und Lichtbogenspannung an. Die Ta-bellen können deshalb auch alsRichtwerte für das MIG / MAG-Impulsschweißen dienen. Sind keineMeßgeräte eingebaut, kann mit externenMeßgeräten gemessen werden, oder derSchweißer muß sich nach der ebenfallsin den Tabellen angegebenen Drahtvor-schubgeschwindigkeit richten. Die richti-ge Lichtbogenlänge muß er dann nachdem einstellen, was er sieht und hört.

8.5 Möglichkeiten des MechanisierensBeim teilmechanischen MIG/MAG-Schweißen erfolgt die Zugabe desSchweißzusatzes und des Schutzgases,sowie die Regelung der Lichtbogenlängeschon mechanisiert, nur die Schweißfort-schrittsbewegung muß noch manuell vor-genommen werden.Eine Vollmechanisierung ist mit einfachenMitteln möglich, indem man den Brennereinspannt und in Schweißgeschwindigkeitmit einem Fahrwagen über das Werk-

stück bewegt, oder indem der Brennerstationär aufgehängt wird und ein rota-tionssymetrisches Bauteil sich in einerDrehvorrichtung unter dem Brenner be-wegt (Bild 36).Das Konzept des Prozesses macht die-ses Verfahren auch geeignet für schwie-rige Mechanisierungsaufgaben, wo z.B.mehrere Brenner gleichzeitig an einemWerkstück schweißen. Nicht umsonst istdas MIG / MAG-Schweißen deshalb auchdas Verfahren, das mit Abstand am mei-sten beim Lichtbogenschweißen mit In-dustrierobotern zum Einsatz kommt.

9 ArbeitssicherheitBeim MIG/MAG-Schweißen geht derTropfen durch den Lichtbogen über. In-folge der hohen Temperaturen, die dortherrschen, kommt es zu einer stärkerenMetallverdampfung als beispielsweisebeim WIG-Prozeß. Es entstehen deshalbauch mehr schädliche Gase und Rauche.Bei Fülldrahtelektroden erhöht sich dieserAnteil noch durch verdampfende Fül-lungsbestandteile. Es ist deshalb sowohlbei länger andauernden ortsgebundenenSchweißarbeiten als auch bei kurzzeiti-gen fast immer ein Absaugen der Schad-stoffe direkt am Entstehungsortvorgeschrieben. Bei nicht ortsgebunde-nen Schweißarbeiten genügt mit Aus-nahme des Schweißens hochlegierterStähle und beschichteter Werkstoffe, diefreie Lüftung oder die technische Lüftungdes Raumes. Beim MIG/MAG-Schweißenbietet es sich an eine brennerintegrierteAbsaugung, Bild 37, einzusetzen.

Bild 36 Vollmechanisiertes Schweißen

Anstellwinkel

Absaugkammer

Unterdruckzone

Unterdruck-zone

Luft

Schadstoffe Schutzgas MIG/MAG-Brenner

Bild 37 Brennerintegrierte Absaugung

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Wichtig ist es, daß die Absaugdüse sokonzipiert ist, daß nicht das Schutzgasvon der Schweißstelle mitabgesaugt wird.Der Schweißer muß sich ferner vor derStrahlung des Lichtbogens und vor elek-trischen Gefahren schützen. Gegen dieinfrarote und ultraviolette Strahlung trägtder MIG/MAG-Schweißer in der Regel ei-nen Kopfschirm, der ihm beide Hände freihält. In diesen Schutzschirm ist dasSchweißerschutzfilter integriert. DieseFilter sind neuerdings in DIN EN 169 ge-normt. Es gibt verschiedene Schutzstu-fen, die auf dem Glas dauerhaftaufgebracht sein müssen. BeimMIG/MAG-Schweißen werden je nachangewandter Stromstärke Filter derSchutzstufen 10 bis 15 eingesetzt, wobeidie Stufe 10 zu den geringeren Strömengehört und 15 den höheren Stromstärkenzugeordnet ist.Die höchste elektrische Gefährdung gehtvon der Leerlaufspannung aus. Dies istdie höchste Spannung, welche an dereingeschalteten Stromquelle zwischenden Anschlußbuchsen anliegt, wenn derLichtbogen nicht brennt. Nach dem Zün-den des Lichtbogens ist die Spannungwesentlich geringer, beim MIG/MAG-Schweißen etwa zwischen 17 bis 30 Volt.Nach der UVV VBG 15 dürfen Strom-quellen für Gleichstrom im normalen Be-trieb einen Scheitelwert der Leerlauf-spannung von max. 113 Volt haben. BeiWechselstromanlagen, die neuerdings inspeziellen Fällen beim MIG/MAG-Schweißen eingesetzt werden, beträgtdieser Wert ebenfalls 113 Volt, jedoch istder Effektivwert auf max. 80 Volt be-grenzt. Unter erhöhter elektrischer Ge-fährdung, z.B. beim Schweißen in engenRäumen oder auf großen Eisenmassen,gelten für Wechselstrom herabgesetzteWerte, z.B. ein Scheitelwert von 68 Voltund ein Effektivwert von 48 Volt. NeuereSchweißstromquellen, die diese Forde-rung erfüllen, tragen nach DIN EN 60974-1 das Zeichen "S". Ältere Stromquellenkönnen dagegen noch mit "K" (Gleich-strom) oder "42 V" (Wechselstrom) ge-kennzeichnet sein. Gegen elektrischeSchläge schützt der Schweißer sich am

sichersten durch nicht beschädigteSchweißerhandschuhe aus Leder und gutisolierende Arbeitskleidung einschließlichSchuhwerk.

10 Besonderheiten verschiedenerWerkstoffeEs wurde schon gesagt, daß dasMIG/MAG-Verfahren sich für dasSchweißen einer großen Palette vonWerkstoffen eignet. Im Folgenden wer-den einige Besonderheiten behandelt, diesich bei den verschiedenen Werkstoffeergeben.

10.1 Un- und niedriglegierte StähleUn- und niedriglegierte Stähle werdenunter Mischgasen M1, M2, M3 oder unterreinem Kohlendioxid geschweißt (Bild38). Wegen der geringeren Spritzerbil-dung, vor allem im oberen Leistungsbe-reich, dominieren in Deutschland aber dieMischgase. Diese Stähle lassen sich imallgemeinen gut mit dem MAG-Verfahrenschweißen. Eine Ausnahme bilden hoch-kohlenstoffhaltige Sorten, wie E 360 (frü-her St. 70), mit ca. 0,45 % C. Durch dengroßen Einbrand des Prozesses nimmtdas Schweißgut durch Vermischung rela-tiv viel Kohlenstoff auf und es kommt da-durch zu einer Gefährdung durchHeißrisse. Abhilfe ist möglich durch alleMaßnahmen, welche den Einbrand unddamit die Vermischung reduzieren. Dazuzählen niedrige Stromstärken ebenso wie

Bild 38 MAG-Schweißen an Trägern imStahlbau

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Schweißen auf dem etwas vorlaufendenSchweißgut - Vorsicht: Bindefehlergefahr.Porenbildung entsteht bei un- und nied-riglegierten Stählen hauptsächlich durchStickstoff. Dieser kann durch Auf-mischung beim Schweißen von Stählenmit hohem Stickstoffgehalt stammen, z.B.bei nitrierten Stählen. Meist wird derStickstoff aber infolge einer unvollständi-gen Schutzgasglocke aus der Luft aufge-nommen. Ein sicherer Schutz istgewährleistet, wenn die richtige Schutz-gasmenge eingestellt wurde und Verwir-belungen des Schutzgasstromes, z.B.durch Spritzer in der Schutzgasdüse oderInstabilitäten des Prozesses, vermiedenwerden. Kohlendioxid als Schutzgas istweniger empfindlich gegen diese Art derPorenbildung als Mischgase. Bei Misch-gasen nimmt die Empfindlichkeit mit stei-gendem CO2-Gehalt ab.

10.2 Hochlegierte Stähle und Nickelbasis-legierungenAuch diese Werkstoffgruppe läßt sichprinzipiell mit dem MIG / MAG-Prozeß gutschweißen. Als Schutzgase kommen fürhochlegierte Stähle Argon / Sauerstoff-Gemische mit 1-5 % Sauerstoff (M1.1)oder Argon mit CO2-Gehalten bis zu 2,5%(M1.2) zur Anwendung. Einen bedeuten-den Nachteil stellen beim Schweißen kor-rosionsbeständiger Stähle die Oxidhäutedar, die nach dem Schweißen auf undneben der Naht zurückbleiben. Diesemüssen vollständig durch Bürsten, Bei-zen oder Strahlen entfernt werden bevordas Bauteil in Betrieb geht, weil sie dieKorrosionsbeständigkeit verschlechtern.Der Säuberungsaufwand ist bei MAG-geschweißten Nähten größer als beim E-Handschweißen, wo die Schlackenab-deckung dem Sauerstoff bei höherenTemperaturen noch den Zutritt zur Naht-oberfläche verwehrt. Ein Teil der wirt-schaftlichen Vorteile des teilmechani-schen Schweißens kann deshalb durchdie höheren Nacharbeitungskosten wie-der verloren gehen. CO2-haltige Mischga-se verhalten sich in dieser Hinsicht etwasgünstiger als O2-haltige. Sie werden des-halb zunehmend angewendet. Der Koh-

lendioxidanteil im Schutzgas darf abernicht zu hoch werden, weil das im Licht-bogen zerfallende Gas zur Aufkohlungdes Schweißgutes führt und damit zu ei-ner Herabsetzung der Korrosionsbestän-digkeit. Der zulässige CO2-Gehalt istdeshalb auf max. 5 % begrenzt.Beim Schweißen korrosionsbeständigerStähle muß jede Überhitzung vermiedenwerden, weil sie durch Ausscheidung vonChromkarbid zur Versprödung und zurHerabsetzung der Korrosionsbeständig-keit führen kann. Es muß deshalb dasWärmeeinbringen kontrolliert und demWerkstoff eventuell durch Einlegen vonAbkühlungspausen Gelegenheit zumZwischenabkühlen geboten werden. Beiden Werkstoffen aus der Gruppe dervollaustenitischen Stähle ist "kaltes"Schweißen auch zur Vermeidung vonHeißrissen angesagt.Da austenitische Stähle durch Wasser-stoff nicht verspröden, können dem Ar-gon zur Leistungssteigerung (Erhöhungder Schweißgeschwindigkeit) auch einigeProzent Wasserstoff beigemischt werden.Wegen der Porengefahr sollte der H2-Gehalt aber nicht über 7 % liegen. Du-plexstähle , die eine Zweiphasen-Strukturaus Austenit und Ferrit besitzen, neigendagegen wieder mehr zu wasserstoffin-duzierter Rißbildung.

Bild 39 MIG-Aluminium-Schweißen imFahrzeugbau

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Nickelbasislegierungen werden in derRegel unter Argon MIG-Geschweißt. BeiReinnickel und einigen Legierungen kön-nen geringe Wasserstoffzusätze dieOberflächenspannungen verringern undso die Nahtzeichnung verbessern.

10.3 Aluminium und AluminiumlegierungenAluminiumwerkstoffe werden grundsätz-lich MIG-geschweißt (Bild 39).Als Schutzgas kommt im Regelfall Argonzur Anwendung. Wegen der großenWärmeleitfähigkeit des Aluminiums wir-ken sich hier Heliumzugaben besondersgünstig aus. Helium verbessert, wie be-reits erwähnt, die Wärmeleitfähigkeit undden Wärmeinhalt der Schutzgasatmo-sphäre. Dies bringt einem tieferen undbreiteren Einbrand, wie es schematisch inBild 40 gezeigt wird.Wo der tiefere Einbrand nicht gebrauchtwird, z. B. beim Schweißen dünner Ble-che, kann bei gleicher Einbrandform ent-sprechend schneller geschweißt werden.Dickere Querschnitte von Aluminiummüssen wegen der großen Wärmeleitfä-higkeit des Werkstoffes vorgewärmt wer-den. Dies sichert nicht nur ausreichendenEinbrand, sondern verringert auch diePorenanfälligkeit, weil das Schweißgutmehr Zeit zum Entgasen während desErstarrens hat. Bei Verwendung von heli-umhaltigen Schutzgasen - üblich sindGehalte von 25 oder 50 % - kann dieVorwärmung verringert werden, bzw. beigeringeren Wanddicken kann ganz aufdas Vorwärmen verzichtet werden. Diesgleicht den höheren Preis der heliumhal-tigen Gase teilweise wieder aus.Schwierigkeiten, die hochschmelzendeOxidhaut auf dem Bad zu beseitigen, be-stehen beim MIG-Schweißen nicht, weil

der Pluspol an der Elektrode liegt (katodi-sche Reinigung). Trotzdem ist es ratsam,die Oxidhäute unmittelbar vor demSchweißen durch Schaben oder Bürstenzu entfernen, da sie hygroskopisch sindund daher Wasserstoff ins Schweißgutbringen. Wasserstoff ist die alleinige Ur-sache für Porenbildung beim Schweißenvon Aluminiumwerkstoffen. Aluminiumhat im flüssigen Zustand eine relativ gro-ße Löslichkeit für Wasserstoff, im festenZustand ist dieses Gas dagegen fast garnicht im Metall löslich. Jeglicher Wasser-stoff, der beim Schweißen aufgenommenwurde, muß deshalb das Schweißgut vorder Erstarrung verlassen, wenn keine Po-ren auftreten sollen. Dies ist vor allem beidickeren Querschnitten nicht immer mög-lich. Gänzlich porenfreie Nähte sind des-halb, wenn größeren Wanddickenvorliegen, bei Aluminiumwerkstoffen nichtzur erreichen. Die günstige Wirkung einerVorwärmung wurde schon vorher er-wähnt.AlMg- und AlSi-Legierungen neigen beiSi-Gehalten von etwa 1 % bzw. Mg-Gehalten von etwa 2 % zur Heißrissigkeitbeim Schweißen. Dieser Legierungsbe-reich sollte durch Auswahl des Schweiß-zusatzes vermieden werden. Meistverhält sich die nächst höher legierteDrahtelektrode besser als eine artgleiche.

10.4 Sonstige WerkstoffeAußer den schon genannten Werkstoffenwerden noch Kupfer und Kupferlegierun-gen in nennenswertem Maße MIG-geschweißt. Reinkupfer muß wegen dergroßen Wärmeleitfähigkeit relativ hochvorgewärmt werden, um Bindefehler zuvermeiden.Das Schweißgut von Bronzedrähten, z.B.solche aus Aluminium- oder Zinnbronze,besitzt gute Gleiteigenschaften. Es wirddeshalb für Auftragsschweißungen anGleitflächen verwendet. Bei solchenSchweißungen auf Eisenwerkstoffen mußder Einbrand durch geeignete Maßnah-men gering gehalten werden, weil Eisenin Kupfer nur eine geringe Löslichkeit hat.Es wird in Form von Kügelchen im

Schutzgas

Argon Argon/Helium 50/50 Argon/Helium 50/50

260 A / 27 Vv 100%S

260 A / 32 Vv 100%S

260 A / 32 Vv 140%S

Bild 40 Einbrandprofil bei verschiedenenSchutzgasen. Werkstoff: AlMg3,Drahtelektrode: ∅∅∅∅ 1,6mm

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Schweißgut eingeschlossen und vermin-dert die Gebrauchseigenschaften.Ähnlich sind die Bedingungen beim MIG-Löten. Dieses Verfahren wird z.B. zumVerbinden verzinkter Bleche im Automo-bilbau eingesetzt. Als Zusätze werdenDrahtelektroden aus Silizium- oder Zinn-bronze verwendet. Durch den niedrigerenSchmelzpunkt dieser Bronzen wird dieZinkverdampfung verringert. Es entste-hen weniger Poren und der Schutz durchdie Zinkschicht bleibt bis nahe an dieNaht heran und auch auf der Rückseiteder Bleche erhalten. Auch hierbei solltemöglichst kein Einbrand in den Stahl-werkstoff hinein entstehen, sondern dieBindung sollte, wie beim Hartlöten, nurdurch Diffusions- und Adhäsionskräfteerfolgen. Dies wird durch angepaßteSchweißparameter und eine besondereBrennerhaltung erreicht, wodurch derLichtbogen nur auf dem flüssigenSchmelzbad brennt.

11 Anwendung des MIG / MAG-Schweißens

11.1 FertigungszweigeDer Anteil des Verfahrens liegt, gemes-sen an allen Lichtbogenschweißverfah-ren, auf das abgesetzte Schweißgutbezogen, nach einer neueren Statistik bei80 %.Es gibt kaum einen Industriezweig, indem das MIG/MAG-Schweißen nicht an-gewendet wird. Hauptanwendungsge-biete sind der Fahrzeugbau, wo z.B.Kraftfahrzeuge, Lokomotiven und Schie-nenfahrzeuge gefertigt werden. Hier wirdzunehmend auch der Werkstoff Alumini-um verwendet. Weitere Anwendungengibt es im Stahl- und Brückenbau, imSchiffbau und im Maschinenbau. ImKran- und Baggerbau werden zuneh-mend höherfeste Stähle verwendet, fürdie sich das MAG-Verfahren besonderseignet, weil das Schweißgut einen niedri-gen Wasserstoffgehalt besitzt und des-halb keine Kaltrisse entstehen. Etwasunterrepräsentiert ist das MAG-Schweißen im Kessel-, Apparate- undRohrleitungsbau, wo wegen der ausge-

zeichneten Gütewerte des Schweißgutesvielfach noch basische Stabelektrodenverschweißt werden.Aber nicht nur in der Industrie, sondernauch im Handwerk findet man kaum eineWerkstatt, in der nicht MAG-geschweißtwird. Dies trifft sowohl auf Kfz-Werkstätten, als auch auf Schlossereienund kleine Stahlbaubetriebe zu.

11.2 AnwendungsbeispieleEinige ausgesuchte Anwendungsbei-spiele sollen abschließend den zweck-mäßigen Einsatz des MIG / MAG-Prozesses verdeutlichen.Bild 38 zeigt die Anwendung des MAG-Schweißens im Stahlbau.An Trägern, wie sie im Bild zu sehensind, kommen an den Ecken Kehlnähteoder Doppel-HV-Nähte vor. Bei längerenTrägern müssen auch Stumpfnähte querzur Hauptbelastungsrichtung geschweißtwerden. Für diese gelten besondereFestlegungen bezüglich der Fehlerfrei-heit.An den Karosserien von Pkws kommenneben zahlreichen Widerstandsschweiß-punkten auch kurze MAG-Nähte vor (Bild41).Bei verzinkten Blechen werden dieseauch MIG-gelötet. Karosserien aus Alu-minium werden Widerstandspunkt- undMIG-geschweißt.

Bild 41 MIG-Löten beim Zusammenbau derKarosserie

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Bild 42 zeigt das MIG-Schweißen an Auf-liegertanks von Tankfahrzeugen, die ausAluminiumlegierungen gefertigt werden.Damit bei den relativ weichen Alumini-umdrähten keine Förderschwierigkeitenauftreten, wird hier mit einem Push-Pull-Antrieb geschweißt.

12 Schrifttum[1] R. Killing: Handbuch der Schweißver-fahren, Teil 1: Lichtbogenschweißen,Fachbuchreihe Schweißtechnik, Band76/I, DVS-Verlag Düsseldorf 1999[2] G. Aichele: Leistungskennwerte fürSchweißen und Schneiden, Fachbuchrei-he Schweißtechnik, Band 72, DVS VerlagDüsseldorf 1994

13 ImpressumDie MIG/MAG-Fibel, 2. Ausgabe 2002Aus der Schriftenreihe EWM-Wissen –rund ums SchweissenAlle Rechte vorbehalten.Nachdruck, auch auszugsweise, verbo-ten. Kein Teil dieser Broschüre darf ohneschriftliche Einwilligung von EWM in ir-gendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilmoder ein anderes Verfahren), reproduziertoder unter Verwendung elektronischerSysteme verarbeitet, vervielfältigt oderverbreitet werden.© EWM HIGHTEC WELDING GmbHDr.-Günter-Henle-Str. 8D-56271 MündersbachFon: +49(0)2680.181-121Fax: +49(0)2680.181-161mailto:[email protected]://www.ewm.deSatz:EWM HIGHTEC WELDING GmbH, Mün-dersbachDruck:Müller Digitaldruck GmbH, Montabaur

Bild 42 MIG-Schweißen beim Herstellen vonAufliegertanks

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