SB_13.784N_LP

2006
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Einsatz von
Flachdrahtelektroden
beim vollmechanisierten
MSG-Schweißen von
höherfesten Feinkornbaustählen

Einsatz von
Flachdrahtelektrodenbeim
vollmechanisierten MSG-
Schweißen von höherfesten
Feinkornbaustählen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 13.784 N
DVS-Nr.: 03.059
GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik
International mbH Niederlassung
SLV Duisburg
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 13.784 N / DVS-Nr.: 03.059 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.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 88
Bestell-Nr.: 170197
ISBN: 978-3-96870-087-8
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

AiF 13.784N: Einsatz von Flachdrahtelektroden beim vollmechanisierten
MSG-Schweißen von höherfesten Feinkornbaustählen
0. Inhaltsverzeichnis
0. Inhaltsverzeichnis .........................................................................................................................5
1. Einleitung ......................................................................................................................................8
2. Stand der Technik.........................................................................................................................9
3. Zielsetzung der Untersuchungen ................................................................................................13
4. Vorgehensweise .........................................................................................................................14
4.1 Methodischer Ansatz ..................................................................................................................14
4.2 Arbeitsschritte .............................................................................................................................15
4.2.1 Projektteil A: Grundlagenuntersuchungen mit Flachdrahtelektroden an Werkstoff S355 ....15
4.2.2 Projektteil B: Einsatz der Flachdrahtelektroden an höherfesten Feinkornbaustählen
(Grundwerkstoffe ALFORM 700/ALFORM 900/S960QL) ....................................................16
4.3 Gerätetechnik, Versuchsaufbau..................................................................................................17
4.3.1 Stromquellen, Drahtvorschubeinheit und Schweißbrenner..................................................17
4.3.2 Roboteranlage......................................................................................................................19
4.3.3 Messtechnik .........................................................................................................................19
4.4 Werkstoffe...................................................................................................................................20
4.4.1 Untersuchte Grundwerkstoffe ..............................................................................................20
4.4.2 Eingesetzte Schweißzusatzwerkstoffe.................................................................................22
5. Grundlagenuntersuchungen mit Flachdrahtelektroden beim Verbindungsschweißen
(Werkstoff S355, t=10mm) ..........................................................................................................24
5.1 Vorversuche an unterschiedlichen Nahtgeometrien ...................................................................24
5.2 Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur Charakterisierung des Lichtbogenverhaltens in
unterschiedlichen Leistungsbereichen bei Variation des Flachdrahtanstellwinkels ....................25
5.2.1 Flachdrahtstellung quer:.......................................................................................................27
5.2.2 Flachdrahtstellung längs: .....................................................................................................27
5.3 Untersuchungen an Kehlnähten .................................................................................................32
5.3.1 Vergleich der Drahtelektrodengeometrien flach / rund.........................................................32
5.3.2 Vergleich unterschiedlicher Schutzgasgemische.................................................................34
5.3.3 Einfluss der Schutzgaszufuhr (Gasdüsen)...........................................................................36
5.3.4 Vergleich der Brenneranstellungen......................................................................................38
5.3.5 Vergleich der Blechoberflächenzustände blank / unbehandelt ............................................38
5.3.6 Ermittlung der maximalen Schweißgeschwindigkeit ............................................................40
5.3.6.1 Variierende Flachdrahtstellungen längs/quer......................................................... 42
5.3.6.2 Einfluss der Schweißpositionen (PA / PB) ............................................................. 43
5.3.6.3 Vergleich mit Runddrahtelektroden........................................................................ 45
5.3.6.4 Vergleich mit Literaturwerten ................................................................................. 46
5.3.6.5 Fazit Kehlnähte ...................................................................................................... 46
5.3.7 Untersuchungen an Stumpfnähten ......................................................................................47
AB_MSG_Flachdraht_AIF_13784N_EF.doc 5 von 122

AiF 13.784N:
Einsatz von Flachdrahtelektroden beim vollmechanisierten
MSG-Schweißen von höherfesten Feinkornbaustählen
5.3.7.1 Spaltüberbrückbarkeit an V-Nähten ....................................................................... 47
5.3.7.2 Versuche an Überlapp-Nähten............................................................................... 47
5.3.7.3 Spaltüberbrückbarkeit an Y-Nahtvorbereitung ohne Badsicherung ....................... 47
6. Einsatz der Flachdrahtelektroden an höherfesten Feinkornbaustählen ALFORM
700/ALFORM 900/S960QL.........................................................................................................51
6.1 Charakterisierung des Abkühlverhaltens an Kehl- und Stumpfnähten........................................51
6.1.1 Vergleich der t 8/5 -Abkühlzeiten unter Einfluss der Drahtgeometrien flach/rund bei
gleichem Schweißnahtvolumen (Kehlnähte)........................................................................52
6.1.2 Vergleich von gemessenen und errechneten t 8/5 -Abkühlzeiten an Wurzel- und
Decklagenschweißungen (Stumpfnähte) .............................................................................54
6.1.3 Messung von t 8/5 -Zeiten im Vergleich von Wurzel- und Decklagenschweißungen unter
Einsatz von Flach- und Runddrahtelektroden (Stumpfnähte) ..............................................55
6.2 Verfahrensvergleiche von Flachdraht und Runddraht (D=1,2mm) .............................................58
6.2.1 Versuche an ALFORM 700M...............................................................................................59
6.2.1.1 Versuche mit optimierter Lagenanzahl................................................................... 59
6.2.1.2 Versuch mit gleicher Lagenanzahl ......................................................................... 60
6.2.2 Versuche an ALFORM 900M...............................................................................................61
6.2.2.1 Versuche mit Flachfülldrähten................................................................................ 61
6.2.2.2 Versuche mit Flachmassivdrähten ......................................................................... 62
6.2.3 Versuche an S960QL...........................................................................................................63
6.3 Vergleich der mechanisch-technologischen Eigenschaften beim Einsatz von Flach- und
Runddrahtelektroden ..................................................................................................................64
6.3.1 Ergebnisse an ALFORM 700M ............................................................................................64
6.3.2 Ergebnisse an ALFORM 900M ............................................................................................66
6.3.3 Ergebnisse an S960QL........................................................................................................70
7. Weiterführende Untersuchungen ................................................................................................72
7.1 Untersuchungen zum N 2 - und O 2 -Gehalt im Schweißgut ...........................................................72
7.2 Versuchsreihen mit optimiertem Brenner....................................................................................73
8. Prozesssicherheit........................................................................................................................75
8.1 Schweißstromquellen..................................................................................................................75
8.2 Schweißbrenner und Peripherie .................................................................................................75
8.2.1 Stromkontaktdüsen ..............................................................................................................75
8.2.2 Flachdrähte ..........................................................................................................................76
8.2.3 Erfahrungen zu Verschleiß und Drahtförderstörungen ........................................................78
9. Sitzungen des projektbegleitenden Ausschusses.......................................................................79
10. Zusammenfassung .....................................................................................................................81
11. Literaturverzeichnis.....................................................................................................................86
12. Anhang........................................................................................................................................88
6 von 122 AB_MSG_Flachdraht_AIF_13784N_EF.doc

AiF 13.784N:
Einsatz von Flachdrahtelektroden beim vollmechanisierten
MSG-Schweißen von höherfesten Feinkornbaustählen
1. Einleitung
In Einzelanwendungen der Industrie ist der Einsatz von Flachdrahtelektroden punktuell in der
Versuchsphase. Neue Entwicklungen bei der Herstellung der Schweißzusatzwerkstoffe in
Verbindung mit den aktuellen Stromquellentechniken und Brennerkonzeptionen geben im Rahmen
einer grundlegenden Untersuchung auch klein- und mittelständischen Unternehmen die
Möglichkeit die MSG-Variante der Flachdrahtelektrode bei der vollmechanisierten Fertigung
einzusetzen.
Die bisher auf dem Markt etablierten Hochleistungsschweißpozesse (Ein- und Mehrdrahtvarianten)
bieten gerade den klein- und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit ihre Schweißzeiten
und damit auch ihre Fertigungskosten zu reduzieren und somit die Stellung im Markt zu festigen.
Allerdings neigen beide Varianten unter gewissen Voraussetzungen zu Prozessinstabilitäten, die
sich u.a. in einem Schneideffekt (Eindraht) bzw. möglichen Drahtförderstörungen (Mehrdraht)
zeigen können. Eine Anwendung der Mehrdrahttechnik von Hand (teilmechanisiert) ist aufgrund
von Handhabungsproblemen (Gewicht) nicht möglich. Weiterhin können sich im Bereich des
vollmechanisierten Schweißprozesses für die Flachdrahtelektrode im Vergleich zur
Doppeldrahtvariante Vorteile durch eine vereinfachte Positionierung der Drahtelektrode beim
Schweißen kleinerer Konturen ergeben, da z.B. die Flachdrahtelektrodenbreite mit ca. 4 mm
kleiner ist als der Abstand zwischen den beiden Drahtelektroden.
Hier kann der Einsatz von Flachdrahtelektroden ähnlich den Bandelektroden beim UP-Schweißen
entscheidende Vorteile bringen. Untersuchungen aus dem Energieanlagenbau zeigten, dass der
Einsatz der UP-Bandelektrode beim Schweißen von Kehlnähten im Nahtdickenbereich von 5 bis
14 mm gegenüber dem UP-Doppeldrahtverfahren eine Leistungssteigerung bis zu 85% und
gegenüber dem UP-Eindrahtschweißen eine Verbesserung um das Zwei- bis Vierfache erbrachte
[1].
8 von 122 AB_MSG_Flachdraht_AIF_13784N_EF.doc

AiF 13.784N: Einsatz von Flachdrahtelektroden beim vollmechanisierten
MSG-Schweißen von höherfesten Feinkornbaustählen
2. Stand der Technik
Die Hochleistungsschweißprozesse mit Ein- und Mehrdrahtvarianten sind bisher hinreichend
untersucht worden. Dabei zeigen sich Vorteile im Hinblick auf das Einbrandverhalten, die
Abschmelzleistung und/oder die erzielbare Schweißgeschwindigkeit gegenüber der
konventionellen Prozesstechnik.
Für den Einsatz von Flachdrahtelektroden beim vollmechanisierten MSG-Prozess lassen sich
allerdings nur vereinzelt Prozessdaten für den Anwender zusammentragen [2]. Hier erfolgt oftmals
ein Vergleich mit den beim UP-Schweißen eingesetzten Bandelektroden. Ein Vergleich von
einsetzbaren Stromdichten zeigt hier jedoch einen deutlichen Unterschied, so dass die
Charakterisierung des MSG-Prozesses mit Flachdrahtelektrode im Hinblick auf z.B. die erzielbaren
Einbrandverhältnissen eher mit den runden Massivdrahtelektroden vergleichbar ist (Tabelle 1).
Abmaße
[mm]
Stromstärke
[A]
Stromdichte
[A/mm 2 ]
UP-Massivband 30 x 0,5 400 – 600 25 – 40
UP-Sinterband 60 x 0,5 650 – 850 22 – 30
UP-Füllband 20 x 1,0 400 – 800 20 – 40
MSG-Band 6,5 x 1,5 300 - 600 30 - 60
MSG-Flachdraht 3,5 – 4,5 x 0,5 250 - 600 100 - 250
Tabelle 1: Vergleich der Stromdichten UP-Bandelektrode / MSG-Flachdrahtelektrode [2]
Bisherige Anwendungen der Flachdrahtelektrode beim vollmechanisierten MSG-Prozess
beschränkten sich vorrangig auf das Auftragsschweißen [3], [4], [5] oder beim
Verbindungsschweißen von ferritischen Werkstoffen primär auf Wurzelschweißungen an dicken
Blechen, wobei trotz erhöhter Abschmelzleistungen z.B. die verringerten Standzeiten der
Stromkontaktdüsen ein Ausschlusskriterium darstellten [5]. In [6] erfolgt eine Untersuchung an
Aluminiumwerkstoffen.
Die Abschmelzleistung wird neben der Stromstärke, der Lichtbogenspannung und der Länge des
freien Drahtelektrodenendes vor allem über die Stromdichte bestimmt. Daraus resultiert die
Erkenntnis, dass dünnere Drähte höhere Abschmelzleistungen ergeben. Praktisch ist dies jedoch
nicht verwendbar, da andere Faktoren wie Einbrand, Nahtbreite und Drahtkosten nicht
berücksichtigt werden.
AB_MSG_Flachdraht_AIF_13784N_EF.doc 9 von 122

AiF 13.784N:
Einsatz von Flachdrahtelektroden beim vollmechanisierten
MSG-Schweißen von höherfesten Feinkornbaustählen
Stellt man in einem weiteren Vergleich die geometrischen Verhältnisse von Flachdraht und
Runddraht gegenüber (s. Tabelle 2), so ist der größere Umfang der Flachdrähte bei annähernd
gleicher Querschnittsfläche erkennbar. Der größere Umfang ist maßgebend für einen besseren
Stromübergang in den Kontaktdüsen und damit einer höheren Erwärmung des freien Drahtendes
[11]. Nach [12] ist der größere Umfang der Flachdrahtelektrode entscheidend für die höhere
Abschmelzleistung bei dieser Elektrodengeometrie.
Umfang U
[mm]
Querschnittsfläche A
[mm²]
Verhältnis U/A
[1/mm]
Draht
10,99 9,62 1,1
D=3,5mm
Flach
41,00 10,00 4,1
20x0,5mm
Draht
5,02 2,00 2,5
D=1,6mm
Flach
4,0x0,5mm
10,00 2,00 5,0
Tabelle 2: Verhältnis von Umfang zur Querschnittsfläche bei Draht- und Flachdrahtelektroden
Weiterhin führte die Lichtbogenoszillation bei den bisher untersuchten Bandbreiten von mindestens
6 mm ([8], [9], [10]) zu anderen Einbrandverhältnissen als bei den in diesem Vorhaben
eingesetzten Flachdrahtdimensionen (4mm x 0,5mm bzw. 4mm x 0,6mm), wo diese
Lichtbogencharakteristik nicht derart ausgeprägt ist [2], [6] (Bild 1).
Bild 1: Flachdrahtelektrodenspitze (4 mm x 0,5 mm)
In [9] führten die Prozessinstabilitäten bei größeren Banddimensionen von 7 - 14 mm x 0,5 mm zu
der Aussage, dass das MSG-Schweißen mit Flachdrahtelektrode beim Verschweißen unter CO 2
als ungeeignet erscheint. In späteren Untersuchungen an niedriglegierten Baustählen [10] konnte
jedoch gezeigt werden, dass bei reduzierter Bandbreite von 6 mm die durch die
Lichtbogenpendelung verursachten Schwankungen von Schweißstrom und –spannung sich den
10 von 122 AB_MSG_Flachdraht_AIF_13784N_EF.doc