Unterpulverschweißen (SAW): Ausrüstung und Anwendungen

Nach dem Lesen dieses Artikels erfahren Sie mehr über: - 1. Einführung in das Unterpulver-Schweißen (SAW) 2. Ausrüstung und Materialien für SAW 3. Elektrischer Stromkreis und Aufbau 4. Arten der Fugen- und Kantenvorbereitung 5. Vorbereitung 6. Anwendungen.

Einführung in das Unterpulverschweißen (SAW):

Mit der Akzeptanz des Schweißens als Herstellungsprozess für sehr große Strukturen wie Schiffe, Brücken und Druckbehälter erhöhte sich die Notwendigkeit, es zu einer Methode mit hoher Abscheidungsrate zu machen. Das Hauptschweißverfahren, das zu dieser Zeit verwendet wurde, war abgeschirmtes Metall-Lichtbogenschweißen mit nahezu allen derzeit verfügbaren Elektrodentypen außer dem Eisenpulver-Typ. Es wurden Versuche unternommen, lange und dicke Elektroden mit stärkeren Strömen zu verwenden, jedoch wurde die Schweißbadgröße für eine effektive Manipulation zu groß.

Die Verringerung des Durchmessers führte aufgrund des Joule-Effekts zu einer erhöhten Erwärmung. Nachdem es mit langen und dicken Elektroden gescheitert war, wurde versucht, den Prozess unter Verwendung eines Magazins normaler Stabelektroden zu mechanisieren, um sie mechanisch nacheinander zuzuführen. Das System fand jedoch bei den Herstellern aufgrund der fehlenden Elektrodenmanipulation und der Schwierigkeit der Lichtbogeninitiierung bei jeder Einführung einer neuen Elektrode in die Verbindung keine Bevorzugung.

Die letzten Versuche, die durch die Verwendung von gewendelten Elektrodendraht mit losem Flussmittel vor dem Schweißbad vorgenommen wurden, um das Schweißgut abzudecken, führten in den 1930er Jahren fast gleichzeitig sowohl in der USSR als auch in den USA zu einer erfolgreichen Entwicklung des Unterpulverschweißens. Seitdem hat das Verfahren sowohl in der automatischen als auch in der halbautomatischen Version breite Anwendung in der Industrie gefunden. Unterpulverschweißen (UPW) wird manchmal auch als Unterlichtbogenschweißen bezeichnet.

Ausrüstung und Materialien für SAW:

Die Ausrüstung für SAW hängt davon ab, ob es sich um einen automatischen oder einen halbautomatischen Prozess handelt. Für die automatische SAW besteht sie aus einer Schweißstromquelle, einem Drahtvorschubgerät und einem Steuersystem, einem automatischen Schweißkopf, einem Flussmittelbehälter mit Flussmittelzufuhrmechanismus, einem Flussrückgewinnungssystem und einem Bewegungsmechanismus, der üblicherweise aus einem Laufwagen und den Schienen besteht .

Eine Stromquelle für den automatischen SAW-Prozess muss für einen Arbeitszyklus von 100% ausgelegt sein, da die Schweißung häufig mehr als 10 Minuten dauert. Es werden sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromquellen verwendet und sie können vom Typ Konstantstrom (CC) oder Konstantspannung (CV) sein. Für einen Lichtbogen wird fast ausnahmslos eine Gleichstromquelle mit CV verwendet, während Wechselstromquellen meistens für Mehrelektroden-SAW verwendet werden.

Im Allgemeinen werden Schweißgleichrichter als Stromquellen verwendet, um einen Strombereich von 50 A bis 2000 A zu erreichen, jedoch wird die SAW meistens mit einem Strombereich von 200 bis 1200 Ampere durchgeführt.

Die Schweißzange für automatische SAW ist am Drahtvorschubmotor befestigt und enthält Stromabnehmerspitzen zum Bereitstellen des elektrischen Kontakts zur Drahtelektrode. Der Flussmittelbehälter ist am Schweißkopf befestigt und kann durch Ventile magnetisch betätigt werden, so dass sie durch das Steuersystem geöffnet oder geschlossen werden können.

Bei halbautomatischer SAW unterscheidet sich die Ausrüstung von der für automatische SAW verwendeten Ausrüstung, da sie über eine Stromquelle mit niedrigerer Leistung verfügt und der automatische Schweißkopf durch eine Schweißpistole und eine Kabelbaugruppe mit daran befestigtem Flussmitteltrichter ersetzt wird und keinen Schlitten verwendet oder Schienen.

Die Stromquelle für das halbautomatische Schweißen ist vom Gleichstromtyp und kann ein niedrigeres Tastverhältnis als 100% aufweisen. Die Trichterpistole ist mit einem Schalter zum Starten oder Stoppen des Schweißens ausgestattet.

Eine Flussmittel-Rückgewinnungseinheit vom Saugtyp wird verwendet, um das nicht geschmolzene Flussmittel in einem Behälter zu sammeln, von wo es in den Trichter zurückgeführt werden kann; alternativ kann das rückgewonnene Flussmittel insbesondere in den Hochleistungs-SAW-Systemen direkt dem Trichter zugeführt werden.

Ein Unterpulver-Schweißsystem wird manchmal durch das Einfügen zusätzlicher Merkmale wie Nahtfolger, Weber, Arbeitsmaschinen usw. sehr komplex. Die wichtigsten Verbrauchsmaterialien für das Unterpulverschweißen sind die Drähte und Flussmittel.

Stromkreis und Aufbau für SAW:

Abb. 8.1 zeigt die elektrische Schaltung für SAW, Abb. 8.2 zeigt das Blockschaltbild. Eine aktuelle Einstellung für das automatische Unterpulverschweißen ist in Abb. 8.3 dargestellt.

Abb. 8.1 Elektrischer Schaltplan für das Unterpulverschweißen

Arten der Fugen- und Kantenvorbereitung für SAW:

Hauptsächlich werden zwei Arten von Schweißverbindungen, nämlich Stumpf und Kehlnaht, durch Unterpulverschweißen hergestellt. Umfangsfugen vom Stumpf-, Kehl-, Eck- oder Überlappungstyp können jedoch auch durch dieses Verfahren erfolgreich geschweißt werden. Verschiedene Arten der Kantenvorbereitung mit Angaben zum Nutwinkel, zur Wurzelfläche, zum Wurzelspalt (falls vorhanden) und den normalerweise zulässigen Toleranzen sind in Abbildung 8.11 angegeben.

Abb. 8.11 Arten der Verbindungsvorbereitung beim Unterpulverschweißen

Die Vorbereitung der Verbindungskante hängt von der Dicke des zu schweißenden Materials ab und kann mit Flanschen, Rechteck, Einfachfase und Doppelfase versehen sein. Entsprechend dem Verfahren können Schweißnähte entweder von einer Seite oder von beiden Seiten hergestellt werden.

Vorbereitung für SAW:

Unterpulverschweißen erfordert eine gründlichere Kantenvorbereitung und eine bessere Montage als geschirmtes Metallbogenschweißen. Dies liegt daran, dass in SAW eine große Metallschmelze gebildet wird. Wenn die Anpassung schlecht ist, können die Metallschmelze und die Schlacke durch die Spalte auslaufen und die Schweißqualität beeinträchtigen.

Bei SMAW kann der Bediener, wenn der Spalt nicht gleichmäßig ist, durch Veränderung der Geschwindigkeit und Manipulation der Elektrodenbewegung dafür sorgen; In SAW ist der Prozess jedoch automatisch und die Verbindungskanten sind mit Flussmittel bedeckt, so dass keine derartigen Kontrollen beeinflusst werden können. Daher wird die Qualität der Schweißnaht durch die Montage der Verbindungskanten ernsthaft beeinträchtigt.

Die Schmelzflächen und die angrenzenden Bereiche der Werkstücke sollten von Rost, Öl, Farbe, Feuchtigkeit und anderen Fremdstoffen gereinigt werden. Schlecht gereinigte Verbindungsflächen können zu Porosität führen. Sowohl die Nutflächen als auch das angrenzende Metall für eine Breite von bis zu 50 mm sollten gründlich gereinigt werden. Es ist besser, die zu schweißenden Teile unmittelbar vor dem Schweißen zu reinigen und auszurichten, da sie sonst schnell von Rost bedeckt werden können. Eine dünne Schicht aus Walzzunder beeinflusst jedoch nicht die Qualität der Schweißnaht.

Das Reinigen der Schmelzflächen nach dem Zusammenfügen der Teile führt möglicherweise nicht zum gewünschten Ergebnis, da sich in den Zwischenräumen zwischen den anstoßenden und überlappenden Kanten Rostflecken festsetzen können, die zu Porosität in Schweißnähten führen.

Der Abstand zwischen den zu schweißenden Teilen ist besonders zu beachten. Die Lücke sollte gleichmäßig sein und innerhalb der angegebenen Grenzen liegen. Wenn Stützplatten, Flussmittelbett oder andere Vorrichtungen zum Zurückhalten des hochflüssigen Schweißmetalls und der geschmolzenen Schlacke verwendet werden, sollte der Spalt in einer Stoßfuge 2 mm für eine Metalldicke von bis zu 16 mm und 3 mm für eine Plattendicke nicht überschreiten von über 16 mm. Die Lücke in Schweißkehl- und Überlappungsverbindungen mit geneigter Elektrode sollte 1-5 mm nicht überschreiten.

Der automatische Schweißkopf beginnt sich entlang der Fuge zu bewegen, sobald ein Lichtbogen ausgelöst wird. Daher tritt wahrscheinlich zu Beginn der Schweißung ein Mangel an Verschmelzung auf, bei dem das Metall noch nicht ausreichend erwärmt ist. Am Ende des Schweißens können sich im gefüllten Krater Poren oder Schrumpfungsrohre bilden.

Daher ist es ratsam, Einlauf- und Auslauflaschen oder -platten zu verwenden, wie in Abb. 8.12 dargestellt. Einlauf- und Auslaufbleche sowie die zusammengebaute Arbeit werden in der Regel durch manuell verschweißte Heftzangen in Position gehalten. Schwere beschichtete Elektroden sollten zum Heftschweißen verwendet werden, da blanke oder schwach beschichtete Elektroden Heftschweißnähte mit Poren und Hohlräumen erzeugen können.

Anwendungen von SAW:

Das Unterpulverschweißen wird hauptsächlich zum Schweißen von Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und niedrig legierten Stählen verwendet. Mit der Entwicklung geeigneter Flussmittel kann es jedoch erfolgreich zum Schweißen von rostfreien Stählen, Kupfer, Aluminium und Legierungen auf Titanbasis verwendet werden. SAW ist auch in der Lage, mittelkohlenstoffhaltige Stähle, hitzebeständige Stähle, korrosionsbeständige Stähle und viele hochfeste Stähle zu schweißen. Das Verfahren ist auch für das Schweißen von Nickel und Monel (33/66 Cu-Ni) usw. anpassbar.

Dieses Verfahren wird hauptsächlich in der unteren Position zum Schweißen von Blechdicken zwischen 5 und 50 mm verwendet, insbesondere wenn die Schweißnähte gerade und lang sind. Die für solche Schweißnähte verwendeten Maschinen sind vom selbstfahrenden Traktor-Typ. Bei kleineren und kreisförmigen Schweißnähten können die Werkstücke für einen stationären Schweißkopf gedreht werden. SAW wird häufig für Stumpf- und Kehlnähte in der Schwerindustrie eingesetzt, z. B. im Schiffbau, in der Herstellung von Druckbehältern, in Kesselwagen für Schienenfahrzeuge, im Hochbau, beim Rohrschweißen und für Lagertanks. Zum Verschweißen von Lagertanks vor Ort werden spezielle, selbstfahrende Maschinen mit Vorrichtungen zum Sammeln des verschütteten Flussmittels verwendet, um umlaufende Schweißnähte herzustellen.

Von SAW hergestellte Schweißnähte haben eine hohe Festigkeit und Duktilität bei niedrigen Wasserstoff- und Stickstoffgehalten.

Spezifische Anwendungen von Draht- und Flussmittelkombinationen von SAW:

Im Gegensatz zu der weit verbreiteten Akzeptanz der Standardspezifikationen für beschichtete Elektroden scheint es zwischen den Herstellern von SAW-Flussmitteln keine eindeutige Vereinbarung zu geben, sich auf festgelegte Standards zu einigen. Daher sind die Standards von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Einzelheiten in diesem Abschnitt und basieren auf Angaben, die von einem der größten Zulieferer von SAW-Drähten und Flussmitteln stammen und von diesen Herstellern unter der Leitung eines großen multinationalen Unternehmens auf dem Gebiet der Schweißzusatzwerkstoffe und -ausrüstungen hergestellt werden.

Drei unter- schiedliche Drahtsorten und neun Flussmittelqualitäten werden in bestimmten Kombinationen für das Unterpulverschweißen von Baustählen, mittelschweren Stählen, mikrolegierten Stählen oder HSLA-Stählen und rostfreien Stählen verwendet, um ein breites Anwendungsfeld abzudecken.

SAW-Drähte :

Drähte für das Unterpulverschweißen von Stählen mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt sowie HSLA-Stähle werden in die Klassen A, C und C-Mo mit den in Tabelle 8.2 angegebenen chemischen Zusammensetzungen eingeteilt.

SAW-Flussmittel:

Es sind sowohl agglomerierte als auch geschmolzene Flussmittel für den Einsatz mit unterschiedlichen Drahtqualitäten erhältlich.

Agglomerierte Flussmittel erzeugen Schweißnähte mit einer besseren Duktilität und Schlagfestigkeit im Vergleich zu Schmelzflussmitteln. Der Wirkungsgrad der Übertragung von Legierungen ist auch bei agglomerierten Flussmitteln besser und daher sind sie bevorzugt, wenn ein hoher Prozentsatz der Legierungsübertragung aus dem Flussmittel erforderlich ist. Agglomerierte Flussmittel haben eine niedrigere Schüttdichte und daher wird bei gleichen Schweißparametern bei gleichen Schweißparametern weniger Flussmittel geschmolzen als bei Schmelzflussmitteln.

Agglomerierte Flussmittel reagieren jedoch genauso auf Feuchtigkeit wie Elektroden mit niedrigem Wasserstoffgehalt, das heißt, sie neigen dazu, Schweißporosität auch bei geringem Feuchtigkeitsgehalt zu verleihen. Daher erfordern sie vor dem Einsatz eine gründlichere Trocknung im Vergleich zu Schmelzflussmitteln.

Schmelzflussmittel können auch Feuchtigkeit aufnehmen, wenn sie in einer feuchten Atmosphäre gelagert werden. Sie können jedoch einen hohen Feuchtigkeitsgehalt in Bezug auf die Porosität des Schweißgutes tolerieren. Sie benötigen auch weniger drastische Erwärmung, um die aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen. Schmelzflussmittel sind toleranter gegenüber Mahlgut, Öl, Fett und Schmutz auf Arbeitsflächen im Vergleich zu agglomerierten Flussmitteln.

Flussmittel, ob agglomeriert oder geschmolzen, müssen vor der Verwendung gründlich getrocknet werden. In stark zurückhaltenden Stahl- und Stahlverbindungen mit hoher Festigkeit erzeugen feuchte Flüsse Wasserstoff im Lichtbogen, der zu Kaltrissen im Schweißgut oder in der HAZ führen kann.

Verschiedene Flüsse dieser beiden Typen mit einigen ihrer Eigenschaften, die von dem genannten Hersteller angeboten werden, sind in Tabelle 8.3 angegeben.

Spezifische Verwendungen bestimmter Kombinationen der SAW-Drähte in Tabelle 8.2 und SAW-Flussgrade in Tabelle 8.3 sind in Tabelle 8.4 aufgeführt.

Edelstahl-Flussmittel - I:

Dieses Flussmittel wird mit einem geeigneten Draht aus rostfreiem Stahl verwendet. Das Flussmittel soll die Verluste von Chrom und Nickel durch den Lichtbogen kompensieren und die Aufnahme von Kohlenstoff und Silizium vermeiden.

Anwendungen:

(i) Für 18/8 Cr-Ni-Stähle ist der Fluss mit 18/8 (304 oder 304L) Draht zu verwenden.

(ii) Für 18/8 Mo-Stähle ist das Flussmittel mit 18/8 Mo (316 oder 316L) Draht zu verwenden.

(iii) Bei Stählen wie 25/20 Cr-Ni (310) oder 25/12 Cr-Ni (309) ist das Flussmittel mit leicht überlegiertem Edelstahldraht zu verwenden, dh mit höheren Gehalten an Chrom und Chrom Nickel.

(iv) Bei mit Titan stabilisierten Edelstählen ist das Flussmittel mit Niob-stabilisierten Edelstahldrähten zu verwenden.

(v) Es kann für die Bandummantelung von rostfreien Stählen verwendet werden, wobei geeignete Edelstahldrahtqualitäten verwendet werden.

Edelstahlfluss-II:

Es unterscheidet sich vom Flussmittel SS Flux-I aus Edelstahl darin, dass es Niob in das Schweißgut übertragen kann. Es ist in Kombination mit einem geeigneten Typ von nicht stabilisiertem Edelstahldraht zu verwenden, um eine Niob-stabilisierte Schweißablagerung zu erhalten. Das Flussmittel soll auch Verluste von Chrom und Nickel im Lichtbogen kompensieren und eine Aufnahme von Kohlenstoff und Silizium vermeiden.

Anwendungen:

(i) Für 18/8 Ti-stabilisierte Stähle ist das Flussmittel mit nicht stabilisiertem 18/8 Draht zu verwenden.

(ii) Bei 18/8 Titan-stabilisierten Mo-Stählen ist das Flussmittel mit nicht stabilisiertem 18/8 Mo-Edelstahldraht zu verwenden.