WIRTSCHAFTLICHKEIT DER FÜLLDRAHT-
SCHWEISSUNG
Manuskript für Schweißlehrer-Weiterbildung
F. Winkler
Teil I
Schweißen mit unlegiertenFülldrähten
Inhalt
Verfahrensprinzip und FülldrahtkonzepteEigenschaften der unterschiedlichen
FülldrähteVerarbeitungshinweiseAnwendungsbeispiele
1.1. Gasdüse 7.7. Tropfentransport im Lichtbogen2.2. Kontaktdüse 8.8. Schmelzbad, Metall und Schlacke3.3. Schutzgas 9.9. Aufsteigende Schlacke44. Drahtmantel 10.10. Erstarrtes Schweißgut5.5. Drahtfüllung 11.11. Erstarrte Schlacke6.6. Freies Drahtende 12.12. Schweißraupe
15 - 25 mm
Schutzgas-Schweißverfahren(ähnlich wie MAG-Massivdraht)
Pulverfüllung beeinflusstSchweißeigenschaften PositionseignungAbschmelzleistung Mechanische Gütewerte
Schweißen mit FülldrahtVerfahrensprinzip
Stumpfstoß Nahtlos Überlappstoß
für für un-, niedriglegierte Drähte hochlegierte
Drähte
Konzept von Fülldrähten
Pulverfüllung
ermöglicht:• Desoxidation des Schweißgutes• Bildung von Schlacke• Stabilisierung des Lichtbogens• Zufuhr von z.B. Eisenpulver
18 - 20 %nahtlose Typennur 12 - 14 % !
>20 % möglich(dünneres Band)
Stumpfgestossene FD
2 Varianten
Schwarze Drähte & Glänzende Drähte
gezogen gewalzt
Ziehseifen keine Ziehseifen
getrocknet keine Trocknung(280°C / 8-12 h)
sichere HDM-Gehalte auchOxide Stromübergang) bei Rutildraht < 5ml/100gr
Glänzende Oberfläche ohne Oxidschicht(Oxid = Isolator)
Keine Rückstände von Ziehseifen
Besserer Stromübergang im Kontaktrohr undhohe Lichtbogenstabilität
Sehr niedriger Wasserstoffgehalt im Schweiß-gut
Hohe Füllgrade sind möglich (bis zu 45 %)
Vorteile des gewalzten Drahtes
Vorteile des Fülldrahtschweißens Höhere Stromdichte, rascheres
Abschmelzverhalten, höhere Leistung.
Tieferer Einbrand, weniger Risiko für Bindefehler durch breiteren Lichtbogen.
Bessere Porensicherheit.
Weniger Spritzer, dadurch kürzere Putzzeiten.
Glatte Nähte mit guter Benetzung.
Ein guter Nahtübergang bei tiefem Einbrand erhöht dieSicherheit gegen Ermüdungs-risse bei dynamischer Bean-spruchung.
Niedriger Wasserstoffgehalt, max. 5 ml/100 g Schweißgut.
Fülldrähte bringen sowohl qualitativ, als auch produktiv Vorteile und senken die Reparaturquote.
Vergleich der Stromdichtebei 300 Ampere
Massivdraht SG-2, Ø 1,6 mm
Querschnitt: 2,01 mm²Stromdichte: 300
2,01= 149 A/mm²
Fülldraht BÖHLER Ti 52-FD, Ø 1,6 mmForm: StumpfstossFüllgrad: 18 %Banddicke: 0,35 mmQuerschnitt: 1,37 mm²Stromdichte: 300
1,37= 219 A/mm²
Höhere Abschmelzleistung bedeutet Zeit- und Lohnkosteneinsparungen
Es wird somit der kostenintensivste Teil der Gesamtkosten (Lohnkosten betragen ca. 80 %) positiv beeinflusst.
Leistungsvergleich
DIE AM HÄUFIGSTEN VERWENDETEN SCHWEISSZUSÄTZE FÜR UNLEGIERTE
BAUSTÄHLE
FÜLLDRAHTELEKTRODEN
BÖHLER HL 51 -FD/ EN 758: T 46 4 MM 2 H5 (Metallpulvertyp)
BÖHLER Ti 52-FD/ EN 758: T 46 2 P M 1 H10
T 42 2 P C 1 H5
BÖHLER Kb 52-FD/ EN 758: T 46 2 P M 1 B M 1 H5 (Basischer Typ)
BÖHLER HL 53-FD/ EN 758: T 42 5 Z MM 2 H5 (Metallpulvertyp)
(Rutiltyp)
FÜLLDRÄHTE MIT RUTILEM SCHLACKENSYSTEM
hervorragende Eignung für alle Schweißpositionen
leicht verschweißbar (große Parameterbox)
arbeiten immer im Sprühlicht-bogen
glatte Nahtoberfläche, gute Benetzung
Schlacke leicht entfernbar
FülldrahtelektrodeBöhler Ti 52-FD (AWS A 5.20: E 71 T-1)
Dies ist ein Vertreter der neuesten Rutil-Fülldrahtgeneration mit feintropfigem (sprühförmigen) Tropfenübergang und schnell erstarrender Schlacke, wodurch die Schweißung in Zwangslage äußerst vorteilhaft ermöglicht wird.
Eine Parametereinstellung für alle Positionen (8 m/min, 25 - 26 V)
Ti 52-FD ist ebenfalls wie „SG 2“ für viele Standardschweißungen bis zu Prüf-temperaturen von -20°C geeignet, Wanddicke max. 40 mm.
Für Mischgas und CO2 gut geeignet.
Spritzerarmes Schweißen im Sprühlicht-bogen ist bereits ab ca. 160 Ampere (6 m/min, 23 V) gewährleistet.
Der wesentlichste Vorteil ergibt sich in der Anwendung hoher Stromstärken in Steignaht und Überkopfposition, wodurch gegenüber Massivdraht um bis zu 160 % höhere Schweißgeschwindigkeit erzielt werden.
Während Massivdraht in steigender Position max. Stromstärken von 170 - 180 Ampere zulässt, erlaubt Ti 52-FD Ø 1,2 mm mm bis zu 230/240 Ampere im Sprühlichtbogen.
Dazu kommt noch hohe Spritzerbildung beim Massivdraht (Kurzlichtbogen!) und ent-sprechend hohe Putzzeiten. Die höheren Drahtkosten werden somit durch die verkürzte Schweißzeit bei weitem kompensiert.
FülldrahtelektrodeBöhler Ti 52-FD (AWS A 5.20: E 71 T-1)
Rutil-Fülldraht im Vergleich zu Massivdraht
Kehlnaht steigend, a = 4.5 mmDrahtdurchmesser 1,2 mm
Zusätzlich wesentlich geringere Spritzerbildung bei Fülldraht und entsprechend wenig Aufwand für die Nachbearbeitung !
Massiv- Ti 52-FD Ti 52-FD draht Ar + 18 % CO2 100 % CO2
Drahtförderung (m/min) 4.0 10.0 12.2 Strom (A) 160 230 230 Spannung (V) 18.0 28.7 30.5 Schweißgeschw. (cm/min) 12.0 26.5 31.5
+ 120 % + 162 %
Produktivitäts-VergleichMassivdraht / Fülldraht
Schweißposition: senkrecht steigend mechanisiert, gependelt
Gefordertes a-Mass: 4,5 mm
Ti 52-FD 1,2 mm Massivdraht 1,0 mm240 A, 18 cm/min 150 A, 18 cm/mina = 6 mm a = 4.5 mm
Ti 52-FD 1,2 mm240 A, 28 cm/min (= + 55 %!)a = 4,5 mm (ohne pendeln)
Einseitenschweißen aufkeramischer Badsicherung
Ideal in Kombination mit Ti 52-FD für Wurzellagen in jeder Schweißposition
Ermöglicht höhere Stromstärken, dadurch höhere Leistung bereits bei Wurzelnähten
Einfachere Nahtvorbereitung, größere Toleranzen
Einsparung von Ausfugen und Gegen-schweißen
Sehr gute Nahtkontur auf der Wurzelseite
Typische Profile
keine Schlacke (Oxydinseln wie Massivdraht)
Sprühlichtbogen auch bei relativ geringenStromstärken möglich
extrem spritzerarmsehr hohe Leistungmechanisiertes Schweißen
METALLPULVER FÜLLDRÄHTE
FülldrahtelektrodeBöhler HL 51-FD (AWS A 5.18: E 70 C-6 M H4)
Gefüllt mit Eisenpulver, keine Schlackenbildner, hohe Nutz- ausbringung und Strombelastbarkeit. Dadurch absoluter Hochleistungstyp ("HL" ..).
Anwendungsmäßig (Stahlpalette, Schweißeigenschaften) mit Massivdraht SG 2 vergleichbar (bis -40°C und 45 mm Wanddicke).
Die seriöse Wirtschaftlichkeitsbetrachtung bringt bei Metallpulverdrähten gegenüber Massivdrähten in folgenden Fällen Vorteile:
Im Stromstärkenbereich zwischen 180-300 Ampere
Massivdraht Ø 1,2 mm bei Anwendung von Mischgas (80/20) erreicht den spritzerarmen Tropfenübergang erst ab 300 A.
HL 51-FD kann bereits ab 180 Ampere im spritzerarmen Sprühlichtbogen ohne wesentlichen nachträglichen Putz- aufwand verschweißt werden. Die Investition teurer Impuls- schweißgeräte für die spritzerarme Massivdrahtschweißungist dadurch nicht erforderlich.
FülldrahtelektrodeBöhler HL 51-FD (AWS A 5.18: E 70 C-6 M H4)
Kehlnähte mit a-Maß von 5-6 mm
Durch die Wahl des Fülldrahtes Ø 1,6 mm mit einer Lage
möglich. Draht SG 2 benötigt 2 Lagen.Die Nahtgeometrie bei
einer Lage wäre nicht mehr akzeptabel.
Bei Dichtschweißungenz.B. Aufschweißen von Rohrhalbschalen an Behälter oder Bodenaußenwände
..... durch sicheren Einbrand und geringerer Poren- empfindlichkeit.
Bei schwieriger Nahtzugänglichkeit
Das freie Drahtende kann bis zu 25 mm (30 mm) betragen.Massivdraht ermöglicht ca. 10 mm.
Bei geringem NahtöffnungswinkelDer generell breitere Lichtbogen bei der Fülldrahtschweißung sorgt für einwandfreie Flankenerfassung und ermöglicht auch bei engen Nahtquerschnitten hohe Sicherheit bezüglich Bindefehler/Kaltstellen.
Bei WurzelschweißungenIm Kurzlichtbogen mit Spaltbreiten bis 5 mm oder mittels Impuls unter Schutzgas Argon + 2 % O2. (4-5 fach rascher als mit WIG (in waagrechter Position).
Eignung für die MechanisierungDurch die nahezu schlackenfreien Schweißraupen wird das Schweißen mehrerer Lagen ohne Zwischensäuberung möglich. Dies bedeutet ideale Voraussetzungen für die automatische Schweißung.
Die wirtschaftliche Einsatzmöglichkeit dieses Fülldrahtes er- gibt sich somit anwendungsspezifisch im Behälter-, Stahl- Maschinen-, Fahrzeug- und Schiffbau vor allem bei waag- rechter/horizontaler Schweißung.
Massivdraht Billig xxx HL 50-FD0
5
10
15
20
DM
/m
Lohnkosten
Investitionskosten
Kosten Zusatzwerkstoff
4,31
6,056,6
Massivdraht Billig xxx HL 50-FD0
1
2
3
4
5
6
7
8
m/S
td.
Leistung/Std.
Drahtdurchmesser: 1,2 mm, 2F, a = 5 mm
91,2 % 83,6 % 78,9 %
5,5 %
18 %
< 3,3 %
13,1 %
Schweißkosten - Analyse
NAHTGEOMETRIEMassivdraht 1,2 mm < 280 A, darüber sackt Naht abOerlikon M10 1,2 mm < 250 A, darüber sackt Naht abBöhler HL 50-FD 1,2 mm 300-320 A bei guter Nahtgeometrie
Drähte mit höherem Füllgrad sichern die Nahtform bei höheren Stromstärken!
Kehlnähte, horizontal, a =6 mm
Böhler HL 50-FD Ø 1,6 mm in 1 Lage 1 Meter in 4 Minuten (300 A, 29 V, 5,5 m/min)
SG 2/ER 70 S-6 Ø 1,2 mm in 2 Lagen1 Meter in 4,66 Minuten (270 A, 29 V, 10 m/min)
Mehrleistung 16 % ! Einsparung ATS 56,-/Std. bei Lohnkosten von ATS 350,-/Std.
WENIG SPRITZER, WENIG NACHARBEIT
Metallpulverdraht (unlegiert)Kehlnähte, horizontal, a = 5 mm
Gleichschenkelige Naht Durchgesackte Naht
FülldrahtelektrodeBöhler HL 52-FD (AWS A 5.29: E 70 C-GM H4)
• Metallpulver-Typ wie HL 50-FD, enthält jedoch ca. 0,9 % Nickel
• Die vorteilhafte Anwendung ist bei hohen Forderungen an die Kerbschlagarbeit bis zu -50°C, Wanddicke max. 60 mm
• HL 52-FD ist eine wirtschaftlich interessante Alternative zu basischen Drähten durch die höhere Ausbringung, schlackenarme Schweißung und leichtere Handhabung im Vorteil.
• Kann mit +Pol und -Pol verschweißt werden.
• Im übrigen gelten die Charakteristiken wie bei HL 50-FD.
65
115 120130
150
170
-50 -40 -30 -20 0 +20
Prüftemperatur °C
0
50
100
150
200
Kerbschlagarbeit, Joule
80 Cr/20CO2
FülldrahtelektrodeBöhler HL 52-FD (AWS A 5.29: E 70 C-GM H4)
BASISCHE FÜLLDRÄHTE
sehr gute mechanische Eigenschaften
porensicher relativ unempfindlich gegen Verunreinigungen
genaue Einstellung der Parameter erforderlich(kleine Parameterbox)
FülldrahtelektrodeBÖHLER Kb 52-FD
AWS A 5.29, E 71T5-G
Basischer FD mit 0,8 % Nickel
Für wirtschaftliche Positions-schweißungen am G, -Pol
Besonders für hohe mechanisch- technologische Eigenschaften
Kerbschlagarbeit bei -60°C > 54 Joule
Niedrigster Wasserstoffgehalt
( < 3 ml/100g)
FülldrahtelektrodeBÖHLER Kb 52-FD
AWS A 5.29, E 71T5-G
Für Qualitätsschweißungen hochbean-
spruchter, dickwandiger Bauteile
Auch für Wurzelschweißungen mit undohne Keramikunterlagen
Eignung auch bei geprimerten Ober-flächenFür Schutzgas Argon + 15-25 % CO2
Praktische Hinweise
Fülldrähte schmelzen rascher ab als Massivdrähte.
Der Brenner muss daher schneller gezogen werden.
Strichraupen oder nur geringe Pendelbewegungbringen Vorteile in der Schweißgut-Kerbschlag-arbeit (Umkörnung).
Der Brenner kann „schleppend“ oder „stechend“ geführt werden. Bessere Bad- und Schlacken-kontrolle bei „schleppend“.
Stechendes Schweißen ergibt flachere Nähte, etwas geringeren Einbrand (nur für Dünnbleche oder Kehlnähte mit kleinem a-Maß).
Kleinere Nahtöffnungswinkel z.B. 50° sind bei Wanddicken bis 15 mm möglich.
Praktische Hinweise
Die Stromquelle muss ausreichend dimensioniertsein, damit die Leistungsvorteile genützt werdenkönnen.
Drahtvorschubgerät soll glatte Antriebsrollen auf-weisen, 4 Rollenantrieb von Vorteil.
Schutzgasmenge 15 - 20 l/min.Gasdüse sollte 15 mm Innendurchmesser habenund 4-6 mm über die Kontaktdüse hinausgehen.
Die Parameterauswahl ist durch die große Para-meter-Box bei Fülldrähten einfach. Ti 52-FD arbeitet nur im Sprühlichtbogen. HL 50-FD undHL 52-FD schweißen auch im Kurzlichtbogenbe-reich (16-21 Volt) sehr gut.Der Mischlichtbogen ist durch Wahl einer höheren Spannung (ab ca. 25 Volt) umgehbar.
Anwendungsbeispiele
Einschweißen von Rohrenin eine Rohrplatte mit HL 52-FD
Bei kleineren Wanddicken idealmit Ti 52-FD
Einschweißen von Rohrstutzen inBehälter mit Ti 52-FD
Anwendungsbeispiele
Heften und Schweißenvon Mantel-Rundnähtensowie Versteifungsringen
Schweißen von Rohrhalbschalen
Kehlnähte in allen Variationen
Zwangslagen mit BÖHLER Ti 52-FD !
Waagrecht und horizontal mit:
BÖHLER HL 50-FDBÖHLER HL 52-FD
Anwendungsbeispiele
SCHWEISSEN AM MINUSPOL mit BÖHLER Kb 52-FD
Besserer Einbrand als mit + Pol-DrähtenErmöglicht flache, nicht überhöhte Steignähte (schwierig mit + Pol-Drähten)Vorteil - weniger SchleifarbeitEtwas größere Parameterbox als WettbewerbSchweißen auf Primer < 20 µm mit max. 40 cm/minKb 52-FD kann auch mittels T.I.M.E. verschweißt werdenSCHWEISSMASCHINEN
STAHLBAU / CONSTRUCTION
Überdachung / Roof ConstructionUnlegierte Werkstoffe / non alloy materials
ENERGIEWIRTSCHAFT/POWER INDUSTRY
Wehrsegment /Section of Mayable Dam
Unegierte Werkstoffe/non alloyed materials
TRANSPORT / TRANSPORT INDUSTRY
Unlegierte Werkstoffe / non alloy materials
Hochleistungs-Drehgestellfür Eisenbahnzüge
EN 758: Fülldrahtelektroden zum Metall-Lichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von
unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen - EINTEILUNG
Bezeichnung einer Fülldrahtelektrode (T) für das Lichtbogenschweißen, deren Schweißgut eine Mindeststreckgrenze von 460 N/mm² aufweist, eine Mindestkerbschlagarbeit von 47 Joule bei –30°C (3) erbringt und eine chemische Zusammensetzung von 1,1 % Mn und 0,7 % Ni (Ni) hat. Die Fülldrahtelektrode des basischen Typs (B) wird unter Mischgas (M) verschweißt und ist geeignet für Stumpf- und Kehlnähte in Wannen-position (4). Der Wasserstoffgehalt überschreitet nicht 5 ml/100 g aufgetragenes Schweißgut
(H5).
EN 758: Fülldrahtelektroden zum Metall-Lichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von
unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen - EINTEILUNG
Bezeichnung einer Fülldrahtelektrode (T) für das Lichtbogenschweißen, deren Schweißgut eine Mindest-streckgrenze von 460 N/mm² aufweist, eine Mindestkerb-schlagarbeit von 47 Joule bei –30°C (3) erbringt und eine chemische Zusammensetzung von 1,1 % Mn und 0,7 % Ni (Ni) hat.
Die Fülldrahtelektrode des basischen Typs (B) wird unter Mischgas (M) verschweißt und ist geeignet für Stumpf- und Kehlnähte in Wannenposition (4). Der Wasserstoff-gehalt überschreitet nicht 5 ml/100 g aufgetragenes Schweißgut (H5).
EN 758: Fülldrahtelektroden zum Metall-Lichtbogenschweißen mit und ohne Schutzgas von
unlegierten Stählen und Feinkornbaustählen - EINTEILUNG
Die Normbezeichnung lautet:
Hierbei bedeuten:
Massiv- Ti 52-FD Ti 52-FD draht Ar + 18 % CO2 100 % CO2
Drahtförderung (m/min) 4.0 10.0 12.2 Strom (A) 160 230 230 Spannung (V) 18.0 28.7 30.5 Schweißgeschw. (cm/min) 12.0 26.5 31.5
+ 120 % + 162 %
Rutil-Fülldraht im Vergleich zu Massivdraht
Kehlnaht steigend, a = 4.5 mmDrahtdurchmesser 1,2 mm
Zusätzlich wesentlich geringere Spritzerbildungbei Fülldraht und entsprechend wenig Aufwand für die Nachbearbeitung !
Abschmelzleistung im VergleichFülldraht/Massivdraht Ø 1,2 mm
• Das Schweißen mit Fülldraht zählt neben „UP“
zum produktivsten Verfahren der Schweißtechnik• Hohe Stromdichte (A/mm²), da Stromübergang fast nur über den dünnen Rohrmantel erfolgt.• Daher rascheres Abschmelzen und somit hohe Leistung
FD 1,2 IG (Si) 1,2
Theoretische Abschmelzleistung (100 % ED) kg/h
8
7
6
5
4
3
2
1100 200 300
EN 439: Einteilung der Schutzgase für Lichtbogenschweißen und Schneiden
0
5
10
15
20
25
30
[cm]
0
5
10
15
20
25
30
[cm] (T 46 3 PM 1)
0
5
10
15
20
25
30
[cm]
Massivdraht ø: 1,0 mm
(G3 Si1)
Massivdraht ø: 1,2 mm
(G3 Si1)
Fülldraht ø: 1,2 mm
Massivdraht, ø: 1,0 mm
Schutzgas: M 21I: 140 A, U: 19,5 Vv: 5,5 m/minSchweißgeschwindigkeit: 9,8 cm/min
Massivdraht, ø: 1,2 mm
Schutzgas: M 21I : 145 A, U: 19 Vv: 3,5 m/minSchweißgeschwindigkeit: 8,3 cm/min
Fülldraht, ø: 1,2 mm
Schutzgas: M 21I : 250 A, U: 26,5 V
v: 9,0 m/minSchweißgeschwindigkeit: 25,3 cm/min