SB_22017LP

2024

Abschlussbericht

DVS-Forschung

Untersuchung der

Schweißrauchemissionsre

duktion durch Anwendung

digital geregelter

Prozessvarianten beim

MSG-Schweißen

Untersuchung der

Schweißrauchemissionsreduk

tion durch Anwendung digital

geregelter Prozessvarianten

beim MSG-Schweißen

Abschlussbericht zum

Forschungsvorhaben

IGF-Nr.: 22.017 N

DVS-Nr.: Q6.3429

RWTH Aachen Institut für

Schweißtechnik und Fügetechnik (ISF)

Förderhinweis:

Das IGF-Vorhaben Nr.: 22.017 N / DVS-Nr.: Q6.3429 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

© 2024 DVS Media GmbH, Düsseldorf

DVS Forschung Band 600

Bestell-Nr.: 170710

Kontakt:

Forschungsvereinigung Schweißen

und verwandte Verfahren e.V. des DVS

T +49 211 1591-0

F +49 211 1591-200

forschung@dvs-home.de

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vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die

Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Schlussbericht vom 05.08.2025

zum IGF-Vorhaben 01IF22017N

Thema

Untersuchung der Schweißrauchemissionsreduktion durch Anwendung digital geregelter Prozessvarianten

beim MSG-Schweißen

Berichtszeitraum

01.02.2022 bis 31.12.2024

Forschungsvereinigung

Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS

Aachener Straße 172

40223 Düsseldorf

Forschungseinrichtung(en)

Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik, RWTH Aachen

Pontstraße 49, 52062 Aachen

Institutsleiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Uwe Reisgen

Projektleiter: Dr.-Ing. Rahul Sharma

Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse 3

II Ziel der Untersuchungen

Das Ziel der Untersuchungen besteht darin, die Schweißrauchemissionen beim Metall-Schutzgas-

Schweißen (MSG) durch die Anwendung digital geregelter Prozessvarianten signifikant zu reduzieren.

Dabei soll das Emissionsverhalten dieser geregelten Verfahren systematisch über den gesamten Einsatzbereich

analysiert werden, um ein umfassendes Verständnis der Emissionen in Abhängigkeit von

verschiedenen Schweißparametern zu gewinnen. Die Forschung zielt darauf ab, konkrete Empfehlungen

zur Parameterwahl abzuleiten, die es Anwendern ermöglichen, niedrigere Emissionswerte zu erreichen,

ohne dabei die Qualität der Schweißnaht zu beeinträchtigen.

Ein weiterer Aspekt ist die Entwicklung eines Ersatzmodells für verschiedene Prozesskategorien, das

auf elektrischen Kenngrößen basiert und eine Abschätzung der zu erwartenden Schweißrauchemissionen

ermöglicht. Durch praxisnahe Verbindungsschweißungen sollen zudem die Einhaltung der

Schweißnahtqualität und die praktische Anwendbarkeit der Ergebnisse sichergestellt werden. Insgesamt

strebt das Projekt an, eine nachhaltige Reduktion von Gesundheitsrisiken für das schweißtechnische

Personal zu erreichen und gleichzeitig den Betrieben wirtschaftliche Vorteile durch verbesserte

Prozesseffizienz und reduzierte Kosten für Arbeitssicherheitsmaßnahmen zu bieten.

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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22017N


III Wissenschaftliche und Wirtschaftliche Rahmenbedingungen

Das Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG) ist ein bedeutendes Fügeverfahren in der Metallverarbeitung,

das aufgrund seiner Flexibilität und Wirtschaftlichkeit entscheidend zur Wettbewerbsfähigkeit der

deutschen Industrie beiträgt. Allerdings werden bei Nutzung eines elektrischen Lichtbogens Gefahrstoffe

freigesetzt, die eine Gesundheitsgefahr für das schweißtechnische Personal darstellen. Zu diesen

Stoffen gehören neben ultrafeinen Partikeln allgemein Mangan- und Nickeloxide sowie Chrom(VI)-

Verbindungen, deren Emissionen durch neue Arbeitsplatzgrenzwerte seit 2019 deutlich gesenkt werden

müssen. Die bestehenden Schutzmaßnahmen, wie Absaugungen oder fremdbelüftete Schweißhelme,

sind oft kostenintensiv oder nicht ausreichend effizient.

Das beantragte Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die Schweißrauchreduktion durch digital geregelte

Prozessvarianten zu untersuchen. Diese Varianten könnten dazu beitragen, Emissionen bereits

bei ihrer Entstehung zu minimieren und damit die Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben zu gewährleisten.

Die wirtschaftliche Bedeutung dieser Forschungsergebnisse für kleine und mittelständische

Unternehmen (KMU) liegt in der Möglichkeit, durch gezielte Anpassungen der Schweißparameter signifikante

Einsparungen bei den Emissionen zu erreichen. Dies führt nicht nur zu geringeren Kosten für

Arbeitssicherheitsmaßnahmen, sondern verbessert auch die Produktqualität und steigert die Effizienz

des Produktionsprozesses. Zudem profitieren Hersteller von Schweißstromquellen von den Erkenntnissen

zur Optimierung bestehender Prozesse und können emissionsarme Technologien entwickeln,

was ihre Wettbewerbsfähigkeit stärkt.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben Nr.: 01IF22017N/ DVS Nr. Q6.3429 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 Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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IV Inhaltsverzeichnis

I Zusammenfassung ................................................................................................................ 2

II Ziel der Untersuchungen ....................................................................................................... 3

III Wissenschaftliche und Wirtschaftliche Rahmenbedingungen ................................................. 4

IV Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................. 5

V Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................... 6

VI Tabellenverzeichnis ............................................................................................................... 9

1 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse ............................................................................... 10

1.1 Arbeitspaket 1: Aufbau des Versuchsstandes und Integration der Messtechnik ............... 10

1.2 Arbeitspaket 2: Vorversuche zur Ermittlung der Einflussgrößen und Identifikation des

Prozess-fensters .................................................................................................................. 11

1.3 Arbeitspaket 3: Aufstellen einer Versuchsmatrix ............................................................... 16

1.4 Arbeitspaket 4.1: Durchführung der Schweißversuche: Bestimmung der

Schweißrauchemissionsrate ............................................................................................... 17

1.5 Arbeitspaket 4.2: Durchführung der Schweißversuche: Realitätsnahe

Verbindungsschweißungen ................................................................................................. 32

1.6 Arbeitspaket 5: Analyse der Messdaten und Bestimmung von Prozesskenngrößen ......... 35

1.7 Arbeitspaket 6: Untersuchung der Schweißrauchentstehungsmechanismen bei digital

geregelten Prozessvarianten ............................................................................................... 49

1.8 Arbeitspaket 7: Erstellen von Substitutions- und Einstellempfehlungen für die

Schweißprozesse zur Minimierung von Schweißrauchemissionen .................................... 61

2 Verwendung der Zuwendung ............................................................................................... 64

3 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .................................................. 64

4 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten

Ergebnisse insbesondere für KMU sowie ihres innovativen Beitrags und ihrer industriellen

Anwendungsmöglichkeiten .................................................................................................. 64

Wissenschaftlich-technische Ergebnisse ....................................................................................... 64

5 Wissenstransfer in die Wirtschaft ......................................................................................... 66

6 Durchgeführte Transfermaßnahmen..................................................................................... 67

7 Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach der Projektlaufzeit ...................................... 69

8 Literaturverzeichnis ............................................................................................................. 71

Seite 5



V Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Versuchsstand mit aufgeführten Einzelkomponenten .................................................... 10

Abbildung 2: Aufbau der Hochgeschwindigkeitskamera am Versuchsstand ........................................ 11

Abbildung 3: Ergebnisse konventioneller Kurzlichtbogen bei einer Drahtvorschubgeschwindigkeit von

4,5 m/min .............................................................................................................................................. 13

Abbildung 4: Ergebnisse konventioneller Impulslichtbogen bei einer Drahtvorschubgeschwindigkeit

von 8,5 m/min ....................................................................................................................................... 14

Abbildung 5: Ergebnisse konventioneller Sprühlichtbogen bei einer Drahtvorschubgeschwindigkeit von

13 m/min ............................................................................................................................................... 15

Abbildung 6: Einfluss des Stromkontaktrohrabstandes ........................................................................ 16

Abbildung 7: Einfluss der Schweißgeschwindigkeit .............................................................................. 16

Abbildung 8: Konventioneller Kurzlichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller B) ........... 18

Abbildung 9: Geregelter Kurzlichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller A) .................... 19

Abbildung 10: Geregelter Kurzlichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller F) .................. 20

Abbildung 11: Kurzlichtbogen-Übersicht – FER über Lichtbogenspannung .......................................... 20

Abbildung 12: Vergleich der Schutzgase am geregelten KLB (Hersteller A).......................................... 21

Abbildung 13: Vergleich der Schutzgase am geregelten KLB (Hersteller F) .......................................... 22

Abbildung 14: Konventioneller Impulslichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller B) ...... 23

Abbildung 15: Modifizierter Impulslichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller A) .......... 23

Abbildung 16: Modifizierter Impulslichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller E)........... 24

Abbildung 17: Modifizierter Impulslichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller F) ........... 24

Abbildung 18: Impulslichtbogen-Übersicht – FER über Lichtbogenspannung ...................................... 25

Abbildung 19: Vergleich der Schutzgase am modifizierten ILB (Hersteller F) ....................................... 26

Abbildung 20: Konventioneller Sprühlichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller B) ....... 27

Abbildung 21: Modifizierter Sprühlichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller A)............ 27

Abbildung 22: Modifizierter Sprühlichtbogen – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller E) ............ 28

Abbildung 23: Sprühlichtbogen-Übersicht – FER über Lichtbogenspannung ....................................... 29

Abbildung 24: Vergleich der Schutzgase am modifizierten SLB (Hersteller A) ..................................... 29

Abbildung 25: Wechselstromprozess – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller C) ......................... 30

Abbildung 26: Reversierende Drahtbewegung – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller C) .......... 31

Abbildung 27: Reversierende Drahtbewegung – FER über Lichtbogenspannung (Hersteller D) .......... 31

Abbildung 28: Reversierende Drahtbewegung-Übersicht – FER über Lichtbogenspannung ................ 32

Abbildung 29: Brennerpositionierung während der PB-Schweißungen (links), beispielhafte

Schweißnaht (rechts)............................................................................................................................. 33

Abbildung 30: Vergleich zwischen Position PA und PB am konventionellen KLB (Hersteller B) ........... 33

Abbildung 31: Vergleich zwischen Position PA und PB am konventionellen ILB (Hersteller B) ............ 34

Abbildung 32: Vergleich zwischen Position PA und PB am konventionellen SLB (Hersteller B) ........... 34

Abbildung 33: Konventioneller Kurzlichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller B) .................. 36

Abbildung 34: Geregelter Kurzlichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller A) .......................... 36

Abbildung 35: Geregelter Kurzlichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller F) ........................... 37

Abbildung 36: Kurzlichtbogen-Übersicht – FER über Leistung .............................................................. 37

Abbildung 37: Konventioneller Impulslichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller B) .............. 38

Abbildung 38: Modifizierter Impulslichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller A) ................... 39

Seite 6



Abbildung 39: Modifizierter Impulslichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller E) ................... 39

Abbildung 40: Modifizierter Impulslichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller F) ................... 40

Abbildung 41: Impulslichtbogen-Übersicht – FER über Kurzschlussrate .............................................. 40

Abbildung 42: Konventioneller Sprühlichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller B)................ 41

Abbildung 43: Modifizierter Sprühlichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller A) .................... 42

Abbildung 44: Modifizierter Sprühlichtbogen – FER über Kurzschlussrate (Hersteller E) .................... 42

Abbildung 45: Sprühlichtbogen-Übersicht – FER über Kurzschlussrate ................................................ 43

Abbildung 46: Reversierende Drahtbewegung – FER über Leistung (Hersteller C) .............................. 43

Abbildung 47: Reversierende Drahtbewegung – FER über Leistung (Hersteller D) .............................. 44

Abbildung 48: Reversierende Drahtbewegung-Übersicht – FER über Leistung .................................... 44

Abbildung 49: Strommessschrieb für unterschiedliche Dynamikeinstellwerte – VD = 4 m/min

Konventioneller KLB (Hersteller B) ........................................................................................................ 45

Abbildung 50: Strommessschrieb für unterschiedliche Dynamikeinstellwerte – V D = 4 m/min

Geregelter KLB (Hersteller A) ................................................................................................................ 46


Geregelter KLB (Hersteller F) ................................................................................................................. 46


Konventioneller ILB (Hersteller B) ......................................................................................................... 47


Modifizierter ILB (Hersteller A) ............................................................................................................. 48


Modifizierter ILB (Hersteller F) .............................................................................................................. 48

Abbildung 55: Überblick konventioneller KLB mit niedriger FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier

Prozessphasen sowie Querschliff der Schweißnaht mit Prozessdaten Hersteller B ............................. 50

Abbildung 56: Überblick konventioneller KLB mit hoher FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier


Abbildung 57: Überblick konventioneller KLB mit niedriger FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier

Prozessphasen sowie Querschliff der Schweißnaht mit Prozessdaten Hersteller A ............................. 52

Abbildung 58: Überblick konventioneller KLB mit hoher FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier


Abbildung 59 Überblick konventioneller ILB mit niedriger FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier


Abbildung 60: Überblick konventioneller ILB mit hoher FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier


Abbildung 61: Überblick konventioneller ILB mit niedriger FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier

Prozessphasen sowie Querschliff der Schweißnaht mit Prozessdaten Hersteller F ............................. 56

Abbildung 62: Überblick konventioneller ILB mit hoher FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier

Prozessphasen sowie Querschliff der Schweißnaht mit Prozessdaten Hersteller F ............................. 57

Abbildung 63 Überblick konventioneller SLB mit niedriger FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier


Abbildung 64: Überblick konventioneller SLB mit hoher FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier


Abbildung 65: Überblick konventioneller SLB mit niedriger FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier


Seite 7



Abbildung 66: Überblick konventioneller SLB mit hoher FER - Hochgeschwindigkeitsbilder zweier


Seite 8



VI Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Parametereinstellung der Prozesse ...................................................................................... 12

Tabelle 2: Versuchsmatrix für die Hauptversuche ................................................................................ 17

Tabelle 3: Einfluss der Dynamik auf das Stromprofil – KLB ................................................................... 47

Tabelle 4: Einfluss der Dynamik auf das Stromprofil – ILB .................................................................... 49

Seite 9



1 Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse

1.1 Arbeitspaket 1: Aufbau des Versuchsstandes und Integration der Messtechnik

Die Schweißversuche werden an einem Versuchsstand durchgeführt, der aus den Komponenten

Schweißtisch mit Lineareinheit, Schweißstromquelle, Rauchkammer (engl. Fumebox), Radiallüfter,

Messcomputer und Steuerungseinheit besteht (Abbildung 1).

Abbildung 1: Versuchsstand mit aufgeführten Einzelkomponenten

Der Schweißbrenner ist ortsfest an einem Kreuztisch montiert und der Grundwerkstoff wird während

des Schweißvorganges mit Hilfe der Lineareinheit verfahren. Die Ansteuerung des Linearantriebs, der

Schweißstromquelle und der Messdatenaufnahme wird mit der Software LabView ermöglicht. Alle

Schweißversuche ohne reversierende Drahtbewegung werden mit dem Maschinen-Schweißbrenner

EWM AMT551W 45° mit einer Schlauchpaketlänge von 3 m und einem Schutzgasdüsendurchmesser

von 17 mm durchgeführt. Die Prozesse mit reversierender Drahtbewegung werden mit den vom Hersteller

empfohlenen Schweißbrennern durchgeführt.

Zur Bestimmung der Schweißrauchemissionsrate wird eine Rauchkammer (Fumebox) über dem

Schweißprozess montiert werden, in der der Schweißrauch auf einem Glasfaserfilter (MN 85/90 BF, Ø

= 150 mm) gesammelt wird. Der Filter wird vor dem Versuch eingewogen und dann in die Filterkassette

eingelegt. Während des Schweißens wird der entstehende Schweißrauch mit Hilfe des Radiallüfters im

Filter gesammelt. Nach dem Versuch wird der Filter erneut gewogen und es kann die Schweißrauchemissionsrate

der Schweißung bestimmt werden.

Der Schweißstrom wird über eine Hall-Sonde, welche um das stromführende Kabel montiert wird, gemessen

und aufgezeichnet. Zeitlich synchron wird die Spannung parallel zum Lichtbogen gemessen.

Dazu werden die Kontaktstellen möglichst nahe am Prozess gewählt, um den Spannungsabfall über

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den Ohm’schen Leitungswiderstand des Grundwerkstoffs und des Brenners gering zu halten. Beide

elektrischen Messwerte werden in einer Messdatei für jeden Schweißversuch gespeichert.

Alle Versuche werden auf unlegiertem Baustahl der Güte S235 durchgeführt. Verwendet werden Stücke

aus blank gezogene Breitflachstahl, die vor dem Versuchsbeginn gründlich mit Aceton gereinigt

werden. Das Blech wird auf einem wassergekühlten Schweißtisch gegen Verzug fixiert. Dabei wird vor

jedem Versuch der Abstand zwischen Stromkontaktrohr und Blech überprüft.

Für die Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Prozessvarianten steht eine PHOTRON Fastcam SA-4,

Modell 500K /M2 zur Verfügung. Der Aufbau der Hochgeschwindigkeitskamera am Versuchsstand ist

in Abbildung 2 zu erkennen. Für die Aufnahmen wurde eine Gegenlichtquelle genutzt. Dadurch konnte

ein hoher Kontrast zwischen Drahtelektrode und Hintergrund eingestellt werden, der den Werkstoffübergang

deutlich sichtbar macht.

Abbildung 2: Aufbau der Hochgeschwindigkeitskamera am Versuchsstand

1.2 Arbeitspaket 2: Vorversuche zur Ermittlung der Einflussgrößen und Identifikation des

Prozess-fensters

Zu Beginn der Arbeiten wurden die zu untersuchenden Prozesse ausgewählt. Dazu wurde sich an dem

Merkblatt DVS 0973-1 orientiert. In dem Merkblatt werden Prozessvarianten klassifiziert und in Kategorien

eingeordnet. Da in diesem Projekt digital geregelte Prozessvarianten untersucht werden, wird

neben den konventionellen Prozessen in folgende Prozesskategorien unterschieden: geregelter Kurzlichtbogen,

modifizierter Impulslichtbogen, modifizierter Sprühlichtbogen, Wechselstromprozess, Reversierende

Drahtbewegung. Um die Neutralität gegenüber den Herstellern von Schweißstromquellen

und Prozessen zu behalten, wird in den Untersuchungen die Bezeichnung aus dem Merkblatt verwendet.

Im nächsten Schritt wurden Vorversuche durchgeführt, die dazu dienen den Parameterbereich der

Hauptuntersuchungen einzugrenzen. Um den Leistungsbereich vom Kurzlichtbogen bis zum Sprühlichtbogen

abdecken zu können wurden drei Drahtvorschubgeschwindigkeiten, so wie drei Prozessvarianten

ausgewählt (siehe Tabelle 1). In vergangenen Untersuchungen zeigte sich, dass die Lichtbogenspannung

und damit die Lichtbogenlänge einen erheblichen Einfluss auf die FER nimmt. Aus diesem

Grund wird neben der Leistungsabhängigkeit der FER über die Drahtvorschubgeschwindigkeit auch der

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