CMT-Fügen mit Impulslichtbogen erweitert Einsatzbereich

Fügeverbindungen sind meist Brennpunkte der Funktions- und Betriebssicherheit eines Fahrzeuges oder einer Anlage. Das Schweißen mit Impuls-Lichtbogen bringt Anwendern im Automobil- und Schienenfahrzeugbau oder im Anlagen- oder Maschinenbau markante Vorteile. Es sind vor allem der relativ große Leistungsbereich und der stabile Lichtbogen, die das Verfahren für Applikationen beim Fügen von üblichen Metallen mittlerer bis höherer Blechdicke attraktiv machen.

Impulslichtbogen für das Schweißen dünner Bleche

Die Einsatz-Flexibilität, die den digital gepulsten Lichtbogen auszeichnet, endet jedoch bei sehr dünnen Blechen kleiner als 1 mm Dicke sowie bei Verbindungen unterschiedlicher Metallwerkstoffe oder bei stark differierenden Blechdicken. Für diese Aufgaben sowie für Anwendungen, die möglichst spritzerfrei funktionieren oder große Spalte überbrücken müssen, bietet sich der digital gesteuerte, kältere CMT- (Cold-Metal-Transfer-) Prozess an. Eine Kombination aus beiden Verfahren, Impulslichtbogen und CMT, sorgt für das flexibel gestaltbare Kumulieren der Vorteile.

Die Experten von Fronius haben beim CMT-Prozess die Bewegung des Schweißzusatzwerkstoffes aktiv in die Regelung des Schweißprozesses eingebunden: Ähnlich wie die Nadel einer Nähmaschine wird der Draht vor- und zurückgezogen. Während der Brennphase des Lichtbogens wird er in Richtung Werkstück geführt, bis er in das Schmelzbad trifft. Beim Eintauchen des Zusatzwerkstoffes in das Schmelzbad erlischt der Lichtbogen.

Digitale Prozessregelung vermeidet Spritzer beim Schweißen

Die digitale Prozessregelung erkennt den Beginn der Kurzschlussphase und vermindert den Schweißstrom gezielt. Sie vermeidet so die beim Kurzschluss mit höherer Spannung üblichen Spritzer. Dann zieht die Steuerung den Draht wieder zurück und unterstützt die Tropfenablöse des geschmolzenen Zusatzwerkstoffes.

Schließlich wird die Drahtbewegung wieder zum Werkstück hin gelenkt und der Lichtbogen erneut gezündet. Diese Umkehrung der Richtung kann abhängig von der Anwendung bis zu 90-mal pro Sekunde erfolgen – deutlich häufiger, als Wechselstrom seine Polung ändert.

Öberflächenbeschaffenheit nimmt keinen Einfluss

Beim klassischen Lichtbogenschweißen wird die Länge des Lichtbogens über das Messen der elektrischen Spannung geregelt. Die Randbedingungen mancher Werkstoffe, beispielsweise von Aluminium, bereiten dort Schwierigkeiten. Ihre Oberflächen können zu Störungen und Messfehlern führen.

CMT hingegen ermittelt den Abstand mechanisch genau aus der reversierenden Drahtbewegung. Dies ist unabhängig von der Beschaffenheit des Werkstückes. Das Fügen mit hoher Prozesssicherheit funktioniert auch bei schwierigen Materialien. Die Automatisierung entsprechender Schweißjobs mit hoher Prozesssicherheit wird möglich.

Kombiniertes CMT-Lichtbogen-Verfahren erzeugt wenig Wärme

Ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Wärmeeinbringung. Der Wechsel zwischen heiß und kalt erzeugt im Vergleich zum andauernden Heiß der konventionellen Prozesse deutlich weniger Wärmeenergie. Deshalb ist das Fügen dünnster Bleche möglich. Mit konventionellen Verfahren besteht hingegen das Risiko, dass die Bleche sich zu stark verziehen oder durchschweißen.

Dank der hervorragenden Spalt-überbrückung, der deutlich geringeren Wärmeeinbringung und der praktisch spritzer- und verzugsfreien Schweißungen erzielen Anwender mit CMT eine deutlich höhere Schweiß- und Oberflächenqualität. Besonders wichtig: weniger oder keine Nacharbeit für das Beseitigen von Schweißfehlern, Spritzern oder das Richten von Bauteilen.

Jedes Schweißverfahren ist leistungsmäßig jedoch eingegrenzt. CMT sind in der Praxis nach oben Grenzen gesetzt. Für viele Anwendungen benötigen Schweißer jedoch mehr Leistung und ein ausgeprägtes Einbrandverhalten. Fronius hat den Bedarf erkannt und Puls-Mix entwickelt, eine Kombination des CMT-Prozesses mit dem klassischen Impulslichtbogen.

Impulse als Turbolader für den CMT-Schweißprozess

Im reinen CMT-Modus lassen sich nach wie vor alle Vorteile des kalten Metalltransfers nutzen. Alternativ kann der Anwender beliebig viele Takte des Impulslichtbogen-Prozesses zwischen die CMT-Takte geben. Dies wirkt wie ein Turbolader für CMT und sorgt für eine hohe Leistungsbreite und Variabilität. Sie beginnt im unteren Dünnblechbereich ab 0,3 mm mit allen Vorzügen der reinen CMT-Technik und endet im oberen Bereich von etwa 1,5 bis 4 mm mit der Puls-Mix-Technik.

Mit einer Leistungsgrenze von etwa 350 A liegt Puls-Mix weit über dem Arbeitsbereich des konventionellen Kurzlichtbogens, der nur bis etwa 200 A reicht. Das bringt prozesstechnisch signifikante Vorteile bei der höheren Leistung. Die Länge und Stabilität des Lichtbogens, der Wärmeeintrag, die Menge an Zusatzwerkstoff, die Nahtgeometrie sowie das Maß des Durchschweißens lassen sich im Puls-Mix-Verfahren gezielt beeinflussen.

Verhältnis der Takte steuert den Wärmeeintrag

Bei einem Verhältnis von 3:1, das heißt drei CMT-Takte gefolgt von einem Impulslichtbogen-Takt, überwiegt der CMT-Einfluss mit seinem geringen Wärmeeintrag. Wählt der Schweißer dagegen ein Verhältnis von 1:1, folgt auf einen CMT-Takt je ein Impulslichtbogen-Takt. Der Wärmeeintrag liegt dann zwischen dem beider Einzelverfahren.

Im oberen Leistungsbereich bedeutet eine Einstellung von zum Beispiel 1:30, dass ein CMT-Takt zwischen 30 Impulslichtbogen-Takten liegt. Der CMT-Prozess wirkt dann praktisch nur noch als Regelgröße für die Lichtbogenlänge.

Kombiniertes Schweißverfahren bereits praxiserprobt

Die Lohnschweißerei HABS in Mogendorf arbeitet unter anderem für namhafte Automobilkunden. Sowohl den CMT-Prozess als auch das kombinierte Puls-Mix-Verfahren setzt man dort ein. Beim Dünnblechschweißen zwischen 0,3 und 1,5 mm nutzen die Schweißer ausschließlich das reine CMT-Verfahren. Bei dickeren Blechen dagegen bietet Puls-Mix deutliche Vorteile.

Dabei ist die Wurzelbildung der wichtigste Aspekt. Reines CMT-Schweißen ergibt bei dickeren Blechen keine ausgeprägte Wurzelbildung, aber je mehr Impulslichtbogen-Takte hinzugefügt werden, umso gezielter lassen sich Einbrand und Wurzelausbildung definieren – und das ist bei dynamisch belasteten Bauteilen ein Muss. Dank der stufenlos einstellbaren Proportion von CMT-Takten zu Impulstakten lässt sich Puls-Mix ideal an die jeweiligen Anforderungen anpassen.

Puls-Mix zum Schweißen von hochchromigem Material

Ein konkreter Anwendungsfall des Lohnschweißunternehmens HABS zeigt dies: In einem Lkw-Abgassystem befindet sich in Motornähe ein Rohrabschnitt mit Gewindeanschluss für die Lambda-Messsonde. Die vorgefertigten Werkstücke mit Lasernaht und eingearbeitetem Loch erhält das Unternehmen vom Auftraggeber. Der Grundwerkstoff, das hochchromige Material mit der Typenbezeichnung 1.4509, gewährleistet die erforderliche Beständigkeit in den extremen Temperaturunterschieden zwischen —60 und 500 °C. Es ist jedoch stark rissempfindlich.

Weitere Prozessbedingungen: Keinesfalls darf das 1,5 mm dicke Blech durchgeschweißt werden, es muss aber einen ausreichend tiefen Einbrand aufweisen. Wegen des Rissrisikos infolge der Vibration im Fahrzeug muss das Schutzgas frei von Sauerstoff-Anteilen sein. Dieser Werkstoff gilt normalerweise als nicht schweißbar, erst recht unter den einschränkenden Bedingungen.

Mit Puls-Mix und einer eigens entwickelten Kennlinie, dem Zusatzwerkstoff 40.15 und einem Schutzgas aus 20% Helium, 78% Argon und 2% CO2 (Helistar 281 von Praxair) gelingt es, die Aufgabe zu lösen. 1,5 mm beträgt das a-Maß der 8,8 cm langen Kehlnaht, 1 mm die Spaltbreite und 5 mm das Stickout.

Klaus-Peter Schmidt ist Leiter Tech Support national bei der Fronius Deutschland GmbH, 36119 Neuhof-Dorfborn, Gerd Trommer ist Inhaber des Redaktionsbüros rgt in 64579 Gernsheim.