Physik des Schweißens

[kar]

Hallo,

ich schweiße zwar schon seit Jahren immer mal wieder
Kleinigkeiten, aber so richtigen Durchblick was und warum
welcher Parameter wie eingestellt wird, habe ich noch
nie gehabt.

Nun habe ich mir ja zum ersten Mal ein richtiges Schweißgerät
zugelegt, das wahrscheinlich ziemlich viel automatisch einstellt.
(Rehm Synergic Pro^2 230-2 AM)

Dennoch fängt gerade jetzt bei mir das Interesse an der Physik
hinter dem Schweißen an.

Habe mir das Video von MSS zum Arbeitspunkt und zur
Schweißleistung mehrfach angeschaut.
http://www.mss-schweisstechnik.de/video/MSS_Linde_MAG-Einfuehrung.wmv


Ich versuche es mal kurz mit meinen eigenen Worten
zusammenzufassen:

Am Schutzgas-Schweißgerät habe ich mehrere Parameter:
1. Spannung
2. Drahtvorschub (der laut dem Video auch die Stromstärke
einstellt)
3. Induktivität (???)

Mein zu schweißendes Werkstück hat ebenfalls einige
vorgegebene Parameter:
1. Material
2. Materialstärke
3. Schweißnahtform oder Schweißnaht-Art

Weitere Parameter:
1. Schweißdrahtmaterial- und Stärke
2. Zusammensetzung des Schweißgases
3. Schweißabstand (???)
4. Gasmenge, die man am Druckminderer einstellt

Dann gibt es noch mehrere Lichtbogentypen:
1. Kurzschlusslichtbogen
2. Sprühlichtbogen

Das zu schweißende Material bestimmt schon mal
die Zusammensetzung des Schweißgases.
Alu braucht reines Argon oder Neon.
Stahl kann auch mit billigeren Mischungen aus
CO2 und Edelgasen oder reinem CO2 geschweißt
werden, Edelstahl soll aber nicht zu viel CO2 enthalten,
weil der Kohlenstoff Einfluss auf das zu schweißende
material haben kann. Außerdem hätte der CO2 Anteil
Einfluss darauf, wie stark es beim Schweißen spritzt.
Ebenso hängt der 'Arbeitsbereich' vom Gas ab. Welches
Gas wir auswählen hängt also von zwei Faktoren ab:

1. Zu schweißendes Material
2. Gewünschte Einbrenntiefe
3. Gewünschter Arbeitsbereich
a) für Lichtbogentyp
b) Größerer und breiterer Arbeitsbereich macht das
Einstellen des Schweißgerätes einfacher

Die einzustellende Gasmenge (am Druckminderer)
hängt ab von:
1. Düsengröße ???
2. Wind ????
3. ????? (bitte ergänzen)

Wenn wir nun die Gasart und Menge ausgewählt haben
wählen wir das Drahtmaterial und Drahtstärke aus. Der
Drahtmaterial hängt ab von:
1. Material des zu schweißenden Objektes
2. ??? (Bitter ergänzen)

Die Drahtstärke hängt ab von:
1. Materialstärke des zu schweißenden Objektes
2. Leistungsfähigkeit des Schweißgerätes

Nun sind Gas und Draht ausgewählt.
Beim Schweißen überlegen wir und die notwendige
Schweißleistung. Diese hängt ab von:
1. Materialstärke
2. Wärmeleitfähigkeit des zu schweißenden Materials
3. Nahtart

Wählt man zu viel Leistung, dann brennt man Löcher
ein. Bei zu geringer Leistung liegt die Raupe im Extrem
fall ohne richtige Verschmelzung einfach auf dem
Material auf. (Kleben?)

Nun haben wir uns für eine Leistung entschieden, dann
können wir diese auf zwei Arten einstellen:
1. Spannung einstellen
2. Stromstärke einstellen (die laut dem Video an den
Drahtvorschub gekoppelt ist. (komischerweise -
meiner Ansicht nach, die aber nicht maßgeblich ist,
müsste der Schweißstrom proportional zur Schweiß-
Spannung sein und relativ unabhängig vom Drahtvorschub.)

Nun muss der Drahtvorschub genau an die Spannung
angepasst werden. Hier gibt es eine Menge Kombinationen,
von denen ein bestimmter Bereich einen stabilen Lichtbogen
erzeugen. Mögliche Fehler:
1. Zu viel Spannung bei zu wenig Drahtvorschub
2. Zu wenig Spannung bei zu viel Drahtvorschub

Zu 1: Der Abstand der Drahtspitze entfernt sich periodisch
so sehr, dass der Lichtbogen abreißt um kurz danach bei
genügend geringem Abstand des in der Zwischenzeit
nachgeführten Drahtes erneut zu zünden. Es knattert
und spritzt
Zu 2: Der Draht taucht immer wieder in die Schmelze ein.
Es entsteht ein Vollkurzschluss. Durch den geringen Wider-
stand an der Kontaktstelle wird die Leistung des Schweiß-
gerätes nicht hier, sondern im Rest der Widerstandskette
abgebaut. (Trafowicklung, Schlaupaket, Massekabel...)
An der Schweißstelle wird wenig Leistung abgebaut.
Im Extremfall könnte die Schmelze so stark abkühlen,
dass der Draht festklebt. Es kann aber auch sein, dass
der Draht sich wieder freischmelzt. Laut Video würde man
diese Fehleinstellung bemerken, weil sich die Pistole
vom Werkstück wegdrückt.

Wir spielen jetzt solange an Spannung und Drahtvorschub
herum, bis
1. Der Lichtbogen stabil brennt
2. Die Leistung so eingestellt ist, dass die Schweißnaht
weder aufgeklebt wirkt, noch Löcher gebrannt werden

Eine optimale Leistung kann man an der Schweißnahtform
erkennen. (bzw deren Rändern)

Alternativ könnte man auch Erfahrungswerte verwenden:
Wenn wir irgendwann einmal durch herumspielen
erfahren hätten, dass 1mm Stahlblech sagen wir
2000 Watt Wärmezufuhr braucht, dann stellen wir
Spannung und Drahtvorschub (und damit angeblich
die Stromstärke so ein, dass wir die 2000 Watt haben,
UND die Kombination aus Spannung und Drahtvorschub
im Arbeitsbereich der Kombibation aus Draht und Gasart
passt.

Nun müssten eigentlich alle Parameter eingestellt sein.

Aber vier Fragen bleiben offen:
1. Was aber mache ich mit der ominösen Induktivität?
Was das ist, weiß ich. Eine große Spule (deren Induktivität
irgendwie verstell bar ist (Eisenkern verschiebbar?)
glättet die Stromstärke mehr oder weniger.
Das soll laut Video eine heißere oder kälteren Lichtbogen
bewirken. Aber Lichtbogentemperatur haben wir doch
bereits eben bei der Leistungseinstellung eingestellt?
Warum stellt man die Induktivität nicht einfach immer
auf Maximum und reduziert dafür die Spannung*Stromstärke?

2. Was ist in dem Video mit Schweißabstand gemeint?
Vermutlich der Abstand des Drahtes vom Werkstück.
Aber stellt sich der Abstand nicht automatisch ein, weil
der Draht sich bei korrekter Schweißgeräteeinstellung
gerade so viel abbrennt, dass sich der Abstand periodisch
selbst korrigiert?

3. Wieviel Druck oder Gasdurchfluss muss man erfahrungs-
Gemäß am Druckminderer einstellen? Pauschalwerte?

4. Warum wird nirgendwo erwähnt, dass ein weiterer
Parameter für die Einstellung von Spannung und Stromstärke
auch die Qualität des Massekontaktes und die Leitfähtigkeit
des zu schweißenden Materials eine Rolle spielt? Oder
ist das konstruktionsbedingt irgendwie ausgeschlossen?

Korrekturen und Ergänzungen zum oben geschriebenen
sind sehr willkommen.

Danke und Viele Grüße
Karl

 

[chris11]

Hallo,

dann probier ich mal als jemand der mehr von Elektrotechnik denn vom Schweißen kommt.

1 Induktivität hast Du immer. Auch die Schleife Elektroden, Halter, Zuleitung, Masseleitung, Schweißstück von der Messeklemme bis zur Schweißstelle hat induktivität und erzeugt ein Magnetfeld.
Bei MIG MAG Schwießen hast du teilweise komplette Kurzschlüsse, ohne Induktivität würde die Stromstärke dabei extrem schnell ansteigen. Mit Induktivität nur langsam. Daher bekommst du bei kleiner Induktivität einen schnelleren Stromanstieg/Wärmeeintrag um den Draht abzuschmelzen, als bei grösserer Induktivität. Zum Dünnblechschweißen wird daher oft eine Induktivität zugeschaltet, oder am Masseanschluß umgesteckt, damit bei den Kurzschlüssen der Stromanstieg nicht sofort löcher ins Blech brennt. Mit Pulsgeräten die den Strom pulsförmig an und absteigen lassen, versucht man, die Kurzschlüsse zu vermeiden. Daher spritzt es weniger und die Nähte sehen besser aus.

2. Was ist in dem Video mit Schweißabstand gemeint?
Eher der Abstand Elektrodenhalter zum Werkstück. Du hast recht, die Lichtbogenlänge stellt sich Anhand deiner Schweißparameter ein,
aber Gasschutz(linse) und Abkühlung sind doch wesentlich von der Position des Handstücks abhängig.

3. Wieviel Druck oder Gasdurchfluss muss man erfahrungs-
Gemäß am Druckminderer einstellen? Pauschalwerte?

Handbuch, Starte mit dem Mittelwert, Zuwenig erzeugt ein schlechtes ungleichmässiges Schweißbild, Zuviel kostet zuviel Geld...

4. Wenn der Massekontakt schlecht ist, wird es dort sehr schnell sehr heiß und die Energie fehlt dir im Schweißbad. Merkst du recht schnell.

Mit freundlichem Gruß
Christian

 

[chevyman]

Ich gehöre bestimmt zu denen, die sich auch für die Theorie des Schweißens begeistern können. Wenn ich mir aber das alles bei jeder Kleinigkeit vor Augen halten würde, wäre zur Schonung der Nerven bald Schrauben statt Schweißen angesagt. Mach Dir keinen Kopf mit zuviel Theorie.

Zum Einen bastelt unsereiner mehr, als daß er definierte Nähte unter Einhaltung bestimmter, vorgegebener Parameter zieht. Zum Anderen sind auch Haltbarkeit und Optik der Naht nicht soooo wichtig. Nicht falsch verstehen, wenn ich was schweiße, soll es auch halten und ordentlich aussehen. Aber wir bauen keine Kraftwerke oder Raumschiffe. Wenn also die eingestellten Werte nicht optimal sind, geht bei uns die Welt nicht unter. Üblicherweise bauen wir ohnehin stabiler als erforderlich , und die Produktivität ist auch nicht das Maß der Dinge.

Nach etwas Probieren, wobei man natürlich schon wissen sollte, was was bewirkt, findet man recht schnell die Einstellungen, mit denen man persönlich gut klar kommt. Wenn mir ein Berufsschweißer sagt, ich solle mal diese oder jene Werte einstellen, so werde ich das bestimmt probieren. Daß ich mit seinen Werten glücklich werde, steht aber nicht unbedingt geschrieben.

Das mit der Induktivität musst Du einfach mal unter verschiedenen Bedingungen ausprobieren. Dann bekommst Du ein Gefühl dafür, wie sich da etwas bei Deinem Gerät für Dein Empfinden ändert.

Beim Gas gilt als Faustregel Drahtdurchmesser x 10 = l/min, also 8 l/min für 0,8er Draht. Bei Wind etwas mehr, aber den Wind abzuschirmen ist effektiver, als den Gasfluß zu erhöhen.

Grundsätzlich wird von ordentlichem Masseanschluß ausgegangen. Ist die Masseverbindung schlecht, lautet die einzig sinnvolle "Einstellung": Masseverbindung verbessern.
Die Leitfähigkeit des Werkstücks ist in der Regel zweitrangig, da fast immer weit mehr als genug Querschnitt zur Übertragung des Stroms vorhanden ist. Dennoch sollte man darauf achten, daß der Masseanschluß nahe an der Schweißstelle erfolgt.

 

[kar]

Danke für eure Antworten. Wieder ein paar Lücken in meinem
Weltbildpuzzle geschlossen!

Bei MIG MAG Schwießen hast du teilweise komplette Kurz-
schlüsse, ohne Induktivität würde die Stromstärke dabei
extrem schnell ansteigen. Mit Induktivität nur langsam.

Ach so!!!! Habe irgendwie nicht gesehen, dass Induktivitäten
nicht nur das schlagartige Abfallen abdämpfen, sondern auch
das schlagartige Ansteigen!!!
Obwohl : Der Maxmalstrom wäre bei einem Kurzschluss durch
den Rest der Widerstandskette begrenzt. Wenn man bedenkt,
dass bei 50V 200Ampere fließen sollen, dann müsste die
gesamte Kette weniger als 0,25 Ohm haben. Erstaunlich,
wenn man bedenkt, was da alles dazwischen ist.

Zum Dünnblechschweißen wird daher oft eine Induktivität
zugeschaltet, oder am Masseanschluß umgesteckt, damit bei
den Kurzschlüssen der Stromanstieg nicht sofort löcher ins
Blech brennt.

Ach dafür braucht man das! In dem Video sagen sie in Minute
11:15 dass der Lichtbogen bei hoher Induktivität heißer wird.
Beide Sätze zusammen ergeben, dass man beim Dünnblech
schweißen eine höhrere Temperatur hat. Hätte ich jetzt nicht
gedacht. Hätte eher das Gegenteil angenommen. Hm.
Oder verwendet man die Induktivät beim dünnblech um die
Stromspitzen zu glätten? Und damit die Sache nicht zu heiß
wird dreht man die Spannung wieder runter?

Mit Pulsgeräten die den Strom pulsförmig an und absteigen
lassen, versucht man, die Kurzschlüsse zu vermeiden. Daher
spritzt es weniger und die Nähte sehen besser aus.

Dann darf bei Pulsgeräten aber keine Induktivität enthalten
sein, sonst werden die Pulse ja geglättet.

aber Gasschutz(linse) und Abkühlung sind doch wesentlich
von der Position des Handstücks abhängig.

Einleuchtend. In dem Video ist der Abstand der Gasschutz
linse (oder Düse) immer etwa so, dass der Düsendurchmesser
vorne etwa gleich groß ist, wie der Abstand zum Werkstück.
Ist mir irgendwie aufgefallen. Das wird wohl eine Art Faustregel
sein, die wohl mit der Gasströmung zusammenhängt, vermute
ich mal.

Beim Gas gilt als Faustregel Drahtdurchmesser x 10 = l/min,
also 8 l/min für 0,8er Draht. Bei Wind etwas mehr, aber den
Wind abzuschirmen ist effektiver, als den Gasfluß zu erhöhen.

Ja, damit kann ich was anfangen. Ist leicht umzusetzen und
Plausibel.

Grundsätzlich wird von ordentlichem Masseanschluß aus
gegangen. Ist die Masseverbindung schlecht, lautet die einzig
sinnvolle "Einstellung": Masseverbindung verbessern.

Könnte man nicht einfach die Spannung hochdrehen, bis
die an der Schweißstelle ankommende Spannung wieder
optimal zum Arbeitspunkt passt? OK, das wäre Energie-
verschwendung. Bei größeren Sachen wäre das der einzig
vernünftige Weg. Aber um mal eben paar Punkte zu machen
wäre der Aufwand die Masseverbindung zu optimieren
relativ hoch. Es sei denn, der Trick mit dem Spannung
hochdrehen hätte irgendwelche Nebenwirkungen.

Die Leitfähigkeit des Werkstücks ist in der Regel
zweitrangig, da fast immer weit mehr als genug Querschnitt
zur Übertragung des Stroms vorhanden ist. Dennoch sollte
man darauf achten, daß der Masseanschluß nahe an der
Schweißstelle erfolgt.

Einleuchtend, Man hat ja sogar bei billigestem Karosserie-
blech noch relativ große Querschnitte und geringe Entfernungen
Da dürfte wirklich nicht die Welt verloren gehen.


Eigentlich sind meine offenen Fragen beantwortet, außer
das mit der Induktivität noch nicht. Warum erzeugt eine
höhere Induktivität einen heißeren Lichtbogen und weniger
dafür dickere Tropfen (Video Minute ab 11:15)und warum
verwendet man das dann
ausgerechnet beim Dünnblechschweißen?