SB_15.914BLP

2010
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Einsatz von neuen Nicht-
Kupferwerkstoffen zur
Schweißdrahtkontaktierung
in MSG Schweiß- und
Lötprozessen insbesondere
für Aluminium und
niedrigschmelzende
Zusatzwerkstoffe

Einsatz von neuen Nicht-
Kupferwerkstoffen zur
Schweißdrahtkontaktierung in
MSG Schweiß- und
Lötprozessen insbesondere für
Aluminium und niedrigschmelzende
Zusatzwerkstoffe
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 15.914 B
DVS-Nr.: 03.087
Technische Universität Chemnitz
Institut für
Fertigungstechnik/Schweißtechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 15.914 B / DVS-Nr.: 03.087 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
© 2010 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 189
Bestell-Nr.: 170298
ISBN: 978-3-96870-188-2
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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Inhaltsverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen, Formelzeichen, Symbole ........................................................................................ II
Abbildungsverzeichnis..................................................................................................................III
Tabellenverzeichnis.......................................................................................................................VI
1 Ausgangssituation ........................................................................................................................1
2 Zielstellung der Untersuchungen .................................................................................................3
3 Stand der Forschung und Technik................................................................................................4
4 Experimentelle Randbedingungen ...............................................................................................7
4.1 Werkstoffe (Halbzeug und Kontaktrohr) ..............................................................................7
4.1.1 Kupferwerkstoffe ...........................................................................................................7
4.1.2 Elektrographit.................................................................................................................8
4.1.3 Metall-Graphit-Verbunde...............................................................................................9
4.1.4 Zusatzwerkstoffe ..........................................................................................................11
4.1.5 Grundwerkstoffe...........................................................................................................11
4.2 Versuchsaufbau und -durchführung....................................................................................11
4.2.1 Eigenschaftsbestimmung der Graphitwerkstoffe .........................................................11
4.2.2 Adaption am Brenner ...................................................................................................15
4.2.3 Schweißversuche..........................................................................................................15
5 Ergebnisse und Auswertung.......................................................................................................19
5.1 Auswahl der Werkstoffe und Herstellung der Kontaktrohre ..............................................19
5.2 Untersuchung der Basiseigenschaften der Kontaktrohrwerkstoffe.....................................21
5.2.1 Härte.............................................................................................................................21
5.2.2 Elektrische Leitfähigkeit ..............................................................................................22
5.2.3 Temperaturleitfähigkeit................................................................................................25
5.2.4 Verschleißverhalten......................................................................................................27
5.2.5 Spanende Bearbeitbarkeit.............................................................................................29
5.3 Adaption der Kontaktrohre an Brennersysteme ..................................................................29
5.4 Schweißverhalten und Standzeitermittlung der alternativen Kontaktrohrwerkstoffe .........34
5.4.1 Elektrische Parameter und Lichtbogenausbildung.......................................................34
5.4.2 Dauerversuche..............................................................................................................41
5.4.3 Start-Stopp-Versuche ...................................................................................................61
6 Zusammenfassung......................................................................................................................64
Literaturverzeichnis.......................................................................................................................66
Technische Universität Chemnitz
Institut für Fertigungstechnik/Schweißtechnik
AiF-Vorhaben Nr.:15.914 BR
Abschlussbericht

1 Ausgangssituation
1
1 Ausgangssituation
Die Kontaktierung der Zusatzwerkstoffe wird in Metallschutzgas (MSG)-Schweiß- und Lötprozessen
über Kontaktrohre aus Kupfer oder Kupferlegierungen realisiert. Die Standzeit dieser
Stromübertragungselemente ist durch vier Faktoren begrenzt:
• mechanischer Verschleiß der Bohrungsgeometrie durch Ausleibung,
• funkenerosive Abtragungen von der Kontaktrohroberfläche des Stromkontaktrohrs und
des Schweißdrahtes,
• Anlegierungen von Kupfer oder Kupferoxiden am Schweißdraht bzw. von Schweißdrahtpartikeln
im Bohrungskanal des Kontaktrohrs
• Anlegierungen von Mikro-Spritzern aus dem Schweißprozess.
Der mechanische Verschleiß entsteht durch einen Materialabtrag in Folge von Reibungsvorgängen
zwischen der bewegten Drahtelektrode und der Oberfläche der Kontaktrohrbohrung. Diese
fortlaufenden Aufweitungen des Bohrungskanals begünstigen die willkürliche Verschiebung der
Kontaktpunkte zwischen Draht und Kontaktrohr in Richtung der Kontaktrohrlängsachse. Die
damit verbundene Längenänderung des freien Drahtendes vom Kontaktpunkt bis zum elektrodenseitigen
Lichtbogenansatzpunkt reduziert die Prozessstabilität und -reproduzierbarkeit. Eine
Verschlechterung der Kontaktverhältnisse führt zudem zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes
zwischen Drahtelektrode und Kontaktrohr.
Infolgedessen steigen die thermischen Belastungen des Kontaktrohres und es werden Temperaturen
erreicht, bei denen die Härte des Kupferwerkstoffes deutlich absinkt. Diese Festigkeitsveränderungen
führen wiederum zu einem erhöhten Verschleiß. Bei der Verarbeitung weicher Drahtelektroden,
wie z. B. Aluminiumelektroden, führen die Reibvorgänge zwischen Elektrode und
Kontaktrohr zu einem Abrieb an der Elektrode selbst. Diese Abriebpartikel verengen die Kontaktrohrbohrung,
erschweren die Drahtförderung und beeinflussen die Kontaktierungsmechanismen.
Folglich treten Prozessunregelmäßigkeiten durch ungleichmäßige Drahtvorschubzustände
auf. Bei Verarbeitung von Drahtelektrodenwerkstoffen mit geringer Schmelztemperatur und hoher
Affinität zu Kupfermaterialien ist ein Anlegieren von Zusatzwerkstoffpartikeln am Kupferkontaktrohr
unvermeidbar. Zum einen werden Abriebpartikel durch Kaltpressschweißvorgänge
an der Oberfläche der Kontaktrohrbohrung angelagert, zum anderen haften Prozessspritzer am
lichtbogenseitigen Ende des Kontaktrohres an. Diese Effekte führen zu Verengungen des Kon-
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Abschlussbericht

1 Ausgangssituation
2
taktrohres und zum schlagartigen Prozessausfall. Die Anlegierungsneigung besteht vor allem bei
der Verwendung von Al-, Mg-, Cu- und Zn-basierten Drahtelektroden.
Um die Stabilität und das Prozessverhalten des Lichtbogens beim MSG-Schweißen zu beeinflussen,
boten sich bis dato hauptsächlich Änderungen in den Prozessparametern, der Regelung und
der Gasversorgung an. Innovative Technologien wie das CMT-Verfahren oder die Cold-Arc-
Technik eröffneten durch ihr geändertes mechanisches bzw. elektrisches Regelverhalten neue
Möglichkeiten bei der Verarbeitung von Werkstoffen, die konventionell schwierig schweißtechnisch
zu beherrschen sind.
Neue Kontaktierungswerkstoffe besitzen ebenfalls das Potenzial die bisherigen Anwendungsfenster
zu erweitern und die Prozessstabilität zu verbessern. Im Gegensatz zur Entwicklung der
Stromquellentechnik, die in den letzten Jahren entscheidend vorangetrieben wurde, besteht auf
dem Gebiet der alternativen Kontaktierungswerkstoffe noch enormer Forschungsbedarf, insbesondere
vor dem Hintergrund weiter steigender Rohstoffpreise.
Tabelle 1: Übersicht der bereits bekannten und angenommenen (kursiv) Eigenschaften verschiedener
Kontaktrohrwerkstoffe.
Legierung
Konventionell Dispersionskupfer Graphit dotierter
Graphit
Cu-ETP/ Cu-Al 2 O 3 C C + Metall
CuCr1Zr
Gitterstruktur kfz kfz hdp +
polykristallin
elektr. Widerstand
Temperaturbeständigkeit
f(Gitterfestigkeit)
Spritzeranhaftung
f(T)
steigt mit
Temperatur
steigt mit Temperatur
sinkt mit
Temperatur
bis 350°C 500°C ab 300°C
oxidativ
polykristallin
ähnlich reinem
Graphit
mittel bis stark gering gering
Anlegierungen stark! mittel kaum kaum
Werkstoffeinlagerungen - möglich möglich Cu, Ag, Al
Oberflächenbeschichtung Oxide, Ag, Au möglich ?
Befestigung Stromdüse
Gewinde
M6…M10
Gewinde
M6…M10
sinkt mit Temperatur
„Klemm“-
Aufnahme
„Klemm“-
Aufnahme
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2 Zielstellung der Untersuchungen
3
2 Zielstellung der Untersuchungen
Das Ziel des Forschungsprojektes besteht in der Weiter- und Neuentwicklung sowie der Qualifizierung
von Kontaktrohren auf Kohlenstoffbasis. Dabei kommen Hartkohlenstoff- und Graphitwerkstoffe
zum Einsatz, die zur Eigenschaftsverbesserung mit zusätzlichen Komponenten dotiert
werden. Zielgrößen sind die Erhöhung der Standzeit der Kontaktrohre gegenüber Elektrolytkupfer-Varianten
(Cu-ETP) um mindestens den Faktor 2, das Ausschließen der Anlegierungsneigung
und die Erschließung neuer Anwendungsbereiche insbesondere bei der Verwendung niedrigschmelzender
Zusatzwerkstoffe.
Weiterhin werden bestehende Kenntnislücken beim Gebrauch von Kontaktrohren aus Graphit
geschlossen und neue Anwendungsfenster erforscht. Die Anwendung von Nicht-Kupfer-
Werkstoffen zur Drahtkontaktierung stellt einen neuen Ansatz zur Verbesserung von Prozesssicherheit
und Anlagenverfügbarkeit beim MSG-Schweißen dar. Die gezielte Dotierung von Graphitmaterialien
mit metallischen Bestandteilen ist eine völlig neue Herangehensweise. Für die
Verarbeitung von Drahtelektroden aus Zn-, Mg-, Cu- und teilweise Al-Legierungen wird ein
stabileres Prozessverhalten erwartet.
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