SB_13.408B_LP

2005
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Untersuchungen zum MSG-
Auftragschweißen mit
Flachdrahtelektroden

Untersuchungen zum MSG-
Auftragschweißen mit
Flachdrahtelektroden
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 13.408 B
DVS-Nr.: 03.057
SLV München, Niederlassung der GSI mbH
SLV Halle GmbH
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 13.408 B / DVS-Nr.: 03.057 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 56
Bestell-Nr.: 170165
ISBN: 978-3-96870-055-7
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Bericht 5133/2005
Untersuchungen zum MSG-Auftragschweißen
mit Flachdrahtelektroden
Inhaltsverzeichnis
I Einleitung ........................................................................................................7
II
III
Stand der Technik...........................................................................................9
MSG-Auftragschweißen mit korrosionsbeständigen Flachdrahtelektroden
(Plattieren).....................................................................................................12
1 Vorgehensweise ...........................................................................................12
2 Experimentelle Randbedingungen..............................................................14
2.1 Stromquellen.................................................................................................14
2.2 Flachdrahtförderung und Flachdrahtbrenner ............................................14
2.3 Brennerführung und Bauteilfixierung.........................................................15
2.4 Messwerterfassung, Hochgeschwindigkeitsaufnahmen...........................15
2.5 Versuchswerkstoffe......................................................................................16
2.6 Schutzgase....................................................................................................16
2.7 Werkstoffkundliche Untersuchungen und Prüfung der Auftragschweißungen...............................................................................................17
2.7.1 metallographische Untersuchungen............................................................17
2.7.2 zerstörende Prüfungen (Biege-, Torsion- und Härteprüfung) ......................17
2.7.3 zerstörungsfreie Prüfungen (Ultraschall- und Farbeindringprüfung) ...........18
2.7.4 Korrosionstests ...........................................................................................18
2.8 Leistungskennwerte beim Auftragschweißen............................................19
2.8.1 Einbrand und Aufmischungsgrad ................................................................19
2.8.2 Abschmelz- und Flächenleistung ................................................................20
3 Ergebnisse zum MSG-Auftragschweißen mit korrosionsbeständigen
Flachdrahtelektroden ...................................................................................21
3.1 Untersuchung der Anlagenzuverlässigkeit ................................................21
3.1.1 Qualität der untersuchten Flachdrahtelektroden .........................................21
3.1.2 Besonderheiten bei der Flachdrahtförderung..............................................22
3.1.3 Stromübergang und Standzeit der Stromkontaktrohre................................23
3.1.4 Zusammenfassung......................................................................................24
4

Bericht 5133/2005
3.2 Grundlagenuntersuchungen zu den wesentlichen Einflussgrößen auf
Einbrand und Aufmischung beim Flachdraht-Auftragschweißen ............25
3.2.1 Einfluss der Lichtbogenart auf das Schweißergebnis..................................25
3.2.2 Schweißbrenner- und Flachdrahtelektrodenstellung...................................25
3.2.3 Einfluss der Raupenteilung (Raupenabstand).............................................26
3.2.4 Zusammenfassung......................................................................................27
3.3 Schweißversuche und Schweißparameteroptimierung mit CrNi-, Nickel
Basis- und CuNi-Flachdrahtelektroden.......................................................28
3.3.1 Schweißversuche mit CrNi-Flachdrahtelektroden .......................................28
3.3.2 Schweißversuche mit Nickel-Basis-Flachdrahtelektroden...........................32
3.3.3 Schweißversuche mit CuNi-Flachdrahtelektroden ......................................39
3.3.4 Tastversuche zum Auftragschweißen am Rohr in Zwangslage ..................41
3.3.5 Zusammenfassung......................................................................................42
IV
MSG-Auftragschweißen mit verschleißbeständigen Flachdrahtelektroden
(Panzern) .......................................................................................................45
1 Geräte- und Anlagentechnik ........................................................................45
2 Schweißzusätze ............................................................................................45
3 Ziele ...............................................................................................................46
4 Definitionen ...................................................................................................46
5 Schweißversuche .........................................................................................47
5.1 Massiver Flachdraht (G4Si1)........................................................................47
5.2 Gefüllte Flach- und Fülldrahtuntersuchungen ...........................................48
5.2.1 Legierungsgruppe 6 (MSG 6-GF-60) ..........................................................48
5.2.2 Legierungsgruppe 10 (MSG10-GF-60G).....................................................48
5.2.3 Flachdraht-Pulver-Kombination...................................................................51
5.2.4 WIG-Flachdraht-Auftragschweißen mit elektromagnetischer
Lichtbogenpendelung..................................................................................52
5.3 Verschleißuntersuchungen..........................................................................52
5.3.1 Auftragschweißen von Verschleißproben....................................................52
5.3.2 Verschleißprüfeinrichtung ...........................................................................53
5.3.3 Prüfparameter zur Ermittlung der Verschleißbeständigkeit .........................53
5.3.4 Variation der Technologie (Prüfergebnisse)................................................53
5.3.5 Weiterführende Untersuchungen ................................................................54
6 Beurteilung des Lichtbogenverhaltens durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen.....................................................................................................56
7 Stoßzähigkeitsprüfung.................................................................................57
7.1 Problemstellung............................................................................................57
7.2 Versuchsdurchführung ................................................................................57
5

Bericht 5133/2005
7.2.1 Proben zur Bestimmung der Stoßzähigkeit.................................................57
7.2.2 Stoßzähigkeitsprüfeinrichtung.....................................................................57
7.2.3 Prüfparameter zur Ermittlung der Stoßzähigkeit .........................................58
7.3 Prüfergebnisse..............................................................................................58
7.4 Diskussion der Ergebnisse..........................................................................59
8 Anwendungen ...............................................................................................59
8.1 Verschleißteile Bergbau ...............................................................................59
8.2 Verschleißbleche ..........................................................................................59
8.3 Maschinenbauteile........................................................................................60
V Zusammenfassung .......................................................................................62
VI
Schrifttum......................................................................................................70
VII Anhang .........................................................................................................72
1. Korrosionsschutzschichten.........................................................................72
1.1 Tabellen und Datenblätter............................................................................72
1.2 Bilder..............................................................................................................85
2 Verschleißschutzschichten........................................................................123
2.1 Tabellen und Datenblätter..........................................................................123
2.2 Bilder............................................................................................................138
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Bericht 5133/2005
I
Einleitung
Seit kurzem ist eine MSG-Verfahrensvariation wieder in der Diskussion, die prinzipiell
seit langem bekannt ist [1], aber in der Schweißpraxis bisher nur geringe Bedeutung
erlangt hat – das MSG-Schweißen mit Flachdrahtelektroden [2].
Das MSG-Schweißen mit der Flachdrahtelektrode bietet sich sowohl zum Verbindungsschweißen
als auch zum Auftragschweißen an [2]. Während zum Verbindungsschweißen
verstärkte Forschungs- und Entwicklungs- sowie Anwenderaktivitäten
eingesetzt haben, sind zum Auftragschweißen bisher nur sehr wenige Arbeiten
erfolgt. Diese Technologielücke soll mit diesem Forschungsvorhaben geschlossen
werden.
Das Auftragschweißen ist neben dem thermischen Spritzen, Walz- und Sprengplattieren
eine Variante zum Beschichten und Vergüten von Oberflächen. Speziell im
Anlagen- und Maschinenbau werden wegen der hohen Werkstoffkosten oftmals
Konstruktionen aus Stahl eingesetzt, die mit korrosions-, verschleiß- oder temperaturbeständigen
Werkstoffen beschichtet werden.
An Auftragschweißungen werden aus wirtschaftlichen und technischen Gründen hohe
Anforderungen gestellt. Sie umfassen die Gleichmäßigkeit des Einbrandes, die
möglichst geringe Aufmischung, Freiheit von inneren Fehlern, gute Bindung zum
Grundwerkstoff, die Kerbfreiheit der Schichtoberfläche, die Konstanz der Schichtdicke
und eine möglichst geringe Beeinflussung des Trägerwerkstoffes (Wärme, Verzug).
Die Wahl des geeigneten Verfahrens zum Auftragen richtet sich nicht nur nach
wirtschaftlichen Gesichtspunkten, der Bauteilgeometrie und der Schweißposition,
sondern auch nach der flexiblen Einsatzmöglichkeit des Schweißprozesses. In diesem
Punkt weisen die MSG-Schweißprozesse eindeutig Vorteile gegenüber dem
UP-Bandplattieren, Elektroschlacke (RES)-, Plasma-Heißdraht (PHA)-, Plasma-
Pulver- und Plasma-MIG-Auftragschweißen auf.
In diesem Forschungsvorhaben wird die Anwendbarkeit des MSG-Flachdrahtschweißens
zum Auftragen von korrosionsbeständigen und verschleißfesten Beschichtungen
geprüft. In der SLV München werden die Auftragschweißversuche mit
korrosionsbeständigen CrNi-, Ni-Basis- und CuNi-Flachdrahtelektroden auf unlegierten
Stahl-Trägerwerkstoffen (S235 und S355) durchgeführt. Die Untersuchungen
zum Beschichten mit massiven und gefüllten Flachdrähten zur Erhöhung des Verschleißschutzes
finden an der SLV Halle statt.
Beim Auftragschweißen stellt der Aufmischungsgrad ein wichtiges Qualitätskriterium
dar. Die Aufmischung des Schweißbades mit dem Grundwerkstoff sollte speziell
beim Auftragschweißen von korrosionsbeständigen Schichten möglichst klein sein,
um im Idealfall bereits in der ersten Lage ausreichende Beständigkeit gegenüber
dem angreifenden Medium zu erreichen. Bei der Festlegung der erforderlichen Lagenzahl
ist neben dem Aufmischungsgrad auch die Raupenhöhe von entscheidender
Bedeutung. Die beim MSG-Auftragschweißen mit korrosionsbeständigen Flachdrahtelektroden
erwartet geringe Aufmischung (

Bericht 5133/2005
Die Voraussetzung für o.g. gleichmäßig geringe Aufmischungsgrade bei flächigen
Beschichtungen ist neben optimierten Schweißparametern, Arbeits- und Randbedingungen,
ein sehr stabiler Lichtbogenprozess. Die Prozessstabilität wird beim MSG-
Auftragschweißen im wesentlichen von der Konstanz der Flachdrahtförderung und
Kontaktierung der Elektrode im Stromkontaktrohr bestimmt. Neben der Prozessoptimierung
wird die Auswirkung der Flachdraht- und Brennerstellung sowie der Raupenteilung
(-abstand) und der Einfluss des verwendeten Schutzgases auf das
Schweißergebnis untersucht.
Beim Auftragschweißen von verschleißbeständigen Beschichtungen (Panzern) werden
sowohl Massivdrähte als auch Fülldrähte eingesetzt. Mit Hilfe von Fülldrähten
können beim Flachdrahtschweißen gezielt Hartstoffe bzw. Karbidbilder in das
Schweißgut eingebracht werden, die in der Regel die Abrasivverschleißbeständigkeit
der beschichteten Bauteile deutlich verbessern. Mit den Forschungsarbeiten zum
MSG-Auftragschweißen mit verschleißbeständigen Flachdrahtelektroden soll der Industrie
und den KMU`s eine neue Verfahrensvariante zum wirtschaftlichen Beschichten
von Maschinen und Anlagen mit dem Ziel der Erhöhung von Standzeit und
Nutzungsdauer zur Verfügung gestellt werden.
In dem vorliegenden Bericht werden die Ergebnisse der Untersuchungen zum MSG-
Auftragschweißen mit korrosions- und verschleißbeständige Flachdrahtelektroden
auf unlegierten Stahl-Trägerwerkstoffen mit Hilfe von zerstörenden und zerstörungsfreien
sowie metallographischen und anwendungsspezifischen Prüfmethoden bewertet
und falls vorhanden mit Referenzdaten verglichen.
Die metallographischen Eigenschaften der korrosionsbeständigen Auftragschichten
werden anhand von Schliffbildern (Einbrand, Gefügeaufbau), Härteverläufen und lokalen
Analysen der chemischen Zusammensetzung dargestellt. Mechanische Prüfungen
an beschichteten Bauteilsegmenten, wie Biegeprüfung an Quer- und Seitenbiegeprobe
und Torsionsprüfungen, weisen die Haft- und Verformungseigenschaften
der Auftragsschichten nach. Korrosionstests, die für den jeweiligen Beschichtungstyp
spezifiziert sind, überprüfen die Beständigkeit der Beschichtung im Vergleich zu Referenzdaten
der Zusatzwerkstoffe (ohne Aufmischung). Mit zerstörungsfreien Prüfmethoden
wird nach möglichen Unregelmäßigkeiten (Risse und Bindefehler) in den
Auftragschichten gesucht. An den verschleißbeständigen Beschichtungen werden
zudem praxisbezogene Verschleißuntersuchungen und Prüfungen zur Stoßzähigkeit
durchgeführt.
Aus der Bewertung der Ergebnisse werden für den praktischen Einsatz geeignete
und reproduzierbare Schweißparameter und Arbeitsbedingungen sowie die Verfahrensgrenzen
abgeleitet, damit das MSG-Auftragschweißen mit Flachdrahtelektroden
als flexible und wirtschaftliche Alternative zu den konventionellen Auftragschweißverfahren
kostenreduzierend und gewinnbringend von der Industrie umgesetzt werden
kann.
8

Bericht 5133/2005
II
Stand der Technik
Die Nachfrage nach Schweißprozessen, die eine hohe Nahtqualität bei gleichzeitiger
Produktivitätssteigerung und Kostenreduktion versprechen, nimmt stetig zu. Diese
Forderungen der Industrie führten zur Entwicklung von Hochleistungsschweißprozessen
mit erhöhten Drahtvorschubgeschwindigkeiten und Abschmelzleistungen.
Vorerst wurden die Drahtvorschubgeschwindigkeiten beim Eindrahtschweißen enorm
gesteigert, bis Anfang der 90-er Jahre das Konzept des MSG-Hochleistungsschweißens
mit zwei Drahtelektroden und hier insbesondere das Tandemschweißen
entwickelt wurde. Ein neuer Ansatz der Leistungssteigerung, der prinzipiell schon seit
längerem bekannt ist [1], aber bisher nur geringe Bedeutung erlangt hat – ist das
MSG-Schweißen mit Flachdrahtelektroden [2]. Die Vorteile gegenüber dem Tandemschweißen
liegen im deutlich reduzierten Anlagenaufwand und in der einfacheren
und schnelleren Schweißparameterfindung.
Nach [3] gehört das Schweißen mit der Flachdrahtelektrode zu den MSG-
Hochleistungsschweißprozessen, da Abschmelzleistungen > 8 kg/h erreicht werden
können. Derzeit findet das Flachdrahtschweißen aber im DVS-Merkblatt 0909, Teil 1
[4] noch keine Berücksichtigung, da es sich um eine Entwicklung handelt, deren Untersuchung
und Markterschließung noch sehr unvollständig ist.
Das MSG-Schweißen mit der Flachdrahtelektrode bietet sich sowohl zum Verbindungsschweißen
als auch zum Auftragschweißen an [2]. Während zum Verbindungsschweißen
verstärkte Forschungs- und Entwicklungs- sowie Anwenderaktivitäten
eingesetzt haben, sind zum Auftragschweißen bisher nur sehr wenige Arbeiten
bekannt.
Das Auftragen von verschleißfesten, korrosions- oder hitzebeständigen Schichten
kann durch verschiedene Beschichtungsprozesse erfolgen, z.B. durch Walz- und
Sprengplattieren, thermisches Spritzen oder durch Auftragschweißen.
Die Vorteile des Auftragschweißens sind:
• die sehr gute Haftung zwischen Schicht und Träger
• die porenfreien und dichten Beschichtungen
• das wirtschaftliche Beschichten von Bauteilen mit komplizierter Geometrie.
Als Auftragschweißverfahren stehen derzeit u.a. das Elektroschlacke (RES)-, UP-
Band-, Plasma-Heißdraht (PHA)-, Plasma-Pulver-, Plasma-MIG- und das MSG-Auftragschweißen
mit einer und zwei runden Drahtelektroden zur Verfügung.
Das Auftragschweißen großflächiger und dickwandiger Bauteile erfolgt vorzugsweise
mittels mechanisierter Hochleistungs-Auftragschweißverfahren. Für großflächige
Auftragungen sind das UP-Bandplattieren und das Elektroschlackeplattieren nach
wie vor Techniken, die mit einer Flächenleistung von mehr als 0,4 m ² /h und einer
Aufmischung zwischen 5 und 15 % mit dem Grundwerkstoff Maßstäbe setzen. Einschränkungen
sind neben einer (nahezu) horizontalen Schweißposition das Pulverhandling,
und die Verfügbarkeit einer geeigneten Band/Pulver-Kombination.
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