Zur Durchführung des Metall-Schutzgasschweißens sind eine Schweißpistole, eine Drahtvorschubeinheit, eine Schweißstromversorgung, ein Schweißelektrodendraht und eine Schutzgasversorgung erforderlich.
Schweißpistole und DrahtvorschubeinheitBearbeiten
Die typische GMAW-Schweißpistole besteht aus einer Reihe von Schlüsselteilen – einem Steuerschalter, eine Stromdüse, ein Stromkabel, eine Gasdüse, eine Elektrodenleitung und -einlage sowie einen Gasschlauch. Wenn der Bediener den Steuerschalter oder den Auslöser drückt, werden der Drahtvorschub, der Strom und der Schutzgasstrom eingeleitet und ein Lichtbogen gezündet. Die Stromdüse, die normalerweise aus Kupfer besteht und manchmal chemisch behandelt wird, um Spritzer zu reduzieren, ist über das Stromkabel mit der Schweißstromquelle verbunden und überträgt die elektrische Energie auf die Elektrode, während sie auf den Schweißbereich gerichtet ist. Sie muss fest sitzen und richtig dimensioniert sein, da sie den Durchgang der Elektrode ermöglichen und gleichzeitig den elektrischen Kontakt aufrechterhalten muss. Auf dem Weg zur Stromdüse wird der Draht durch die Elektrodenleitung und die Auskleidung geschützt und geführt, was dazu beiträgt, Knicken vorzubeugen und einen ununterbrochenen Drahtvorschub zu gewährleisten. Die Gasdüse leitet das Schutzgas gleichmäßig in den Schweißbereich. Ein ungleichmäßiger Gasfluss kann den Schweißbereich nicht ausreichend schützen. Größere Düsen sorgen für einen stärkeren Schutzgasstrom, was bei Hochstromschweißarbeiten, bei denen ein größeres Schmelzbad entsteht, nützlich ist. Das Gas wird über einen Gasschlauch von den Schutzgasbehältern zur Düse geleitet. Manchmal ist auch ein Wasserschlauch in die Schweißpistole eingebaut, der die Pistole bei hohen Temperaturen kühlt.
Die Drahtvorschubeinheit führt die Elektrode durch die Leitung zur Kontaktspitze. Die meisten Modelle liefern den Draht mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit, aber modernere Maschinen können die Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Lichtbogenlänge und der Spannung variieren. Einige Drahtvorschubgeräte können Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 30 m/min (1200 in/min) erreichen, aber die Vorschubgeschwindigkeiten für halbautomatische MSG-Maschinen liegen typischerweise zwischen 2 und 10 m/min (75 – 400 in/min).
WerkzeugstilBearbeiten
Der häufigste Elektrodenhalter ist ein halbautomatischer luftgekühlter Halter. Er wird von Druckluft durchströmt, um moderate Temperaturen aufrechtzuerhalten. Er wird bei niedrigeren Stromstärken zum Schweißen von Überlappungen oder Stumpfstößen verwendet. Der zweithäufigste Elektrodenhalter ist ein halbautomatischer wassergekühlter Halter, bei dem der einzige Unterschied darin besteht, dass Wasser anstelle von Luft verwendet wird. Er verwendet höhere Stromstärken für das Schweißen von T- oder Eckverbindungen. Der dritte typische Haltertyp ist ein wassergekühlter automatischer Elektrodenhalter, der in der Regel mit automatisierten Anlagen verwendet wird.
StromversorgungBearbeiten
Die meisten Anwendungen des Metall-Schutzgasschweißens verwenden eine Stromversorgung mit konstanter Spannung. Infolgedessen führt jede Änderung der Lichtbogenlänge (die direkt mit der Spannung zusammenhängt) zu einer großen Änderung der Wärmezufuhr und des Stroms. Eine kürzere Lichtbogenlänge führt zu einer viel größeren Wärmezufuhr, wodurch die Drahtelektrode schneller schmilzt und dadurch die ursprüngliche Lichtbogenlänge wiederhergestellt wird. Dies hilft dem Bediener, die Lichtbogenlänge auch beim manuellen Schweißen mit Handschweißpistolen konstant zu halten. Um einen ähnlichen Effekt zu erzielen, wird manchmal eine Konstantstromquelle in Kombination mit einer lichtbogenspannungsgesteuerten Drahtvorschubeinheit verwendet. In diesem Fall wird bei einer Änderung der Lichtbogenlänge die Drahtvorschubgeschwindigkeit angepasst, um eine relativ konstante Lichtbogenlänge zu erhalten. In seltenen Fällen können eine Konstantstromquelle und ein Gerät mit konstanter Drahtvorschubgeschwindigkeit gekoppelt werden, insbesondere beim Schweißen von Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Aluminium. Dies gibt dem Bediener zusätzliche Kontrolle über die Wärmeeinbringung in die Schweißnaht, erfordert jedoch ein hohes Maß an Geschicklichkeit, um das Verfahren erfolgreich durchzuführen.
Wechselstrom wird beim MSG-Schweißen nur selten verwendet; stattdessen wird Gleichstrom eingesetzt und die Elektrode ist im Allgemeinen positiv geladen. Da die Anode in der Regel eine höhere Wärmekonzentration aufweist, führt dies zu einem schnelleren Abschmelzen des Vorschubdrahtes, was den Einbrand und die Schweißgeschwindigkeit erhöht. Die Polarität kann nur umgekehrt werden, wenn spezielle emissiv beschichtete Elektrodendrähte verwendet werden, aber da diese nicht weit verbreitet sind, wird eine negativ geladene Elektrode nur selten eingesetzt.
ElektrodeBearbeiten
Die Elektrode ist ein Draht aus einer Metalllegierung, ein so genannter MIG-Draht, dessen Auswahl, Legierung und Größe, in erster Linie auf der Zusammensetzung des zu schweißenden Metalls, der verwendeten Prozessvariante, der Verbindungskonstruktion und der Materialoberflächenbeschaffenheit beruht. Die Wahl der Elektrode hat großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht und ist ein Schlüsselfaktor für die Schweißqualität. Im Allgemeinen sollte das fertige Schweißgut mechanische Eigenschaften aufweisen, die denen des Grundmaterials ähnlich sind, und keine Fehler wie Unterbrechungen, mitgerissene Verunreinigungen oder Porosität in der Schweißnaht aufweisen. Um diese Ziele zu erreichen, gibt es eine große Auswahl an Elektroden. Alle im Handel erhältlichen Elektroden enthalten desoxidierende Metalle wie Silizium, Mangan, Titan und Aluminium in geringen Anteilen, um Sauerstoffporosität zu verhindern. Einige enthalten denitrierende Metalle wie Titan und Zirkonium, um Stickstoffporosität zu vermeiden. Je nach Verfahrensvariante und zu schweißendem Grundwerkstoff liegen die Durchmesser der beim MSG-Schweißen verwendeten Elektroden in der Regel zwischen 0,7 und 2,4 mm, können aber auch bis zu 4 mm groß sein. Die kleinsten Elektroden, in der Regel bis zu 1,14 mm, werden mit dem Kurzschluss-Metalltransfer-Verfahren verbunden, während die am häufigsten verwendeten Elektroden für das Sprüh-Transfer-Verfahren in der Regel mindestens 0,9 mm groß sind.
SchutzgasBearbeiten
Schutzgase sind für das Metall-Lichtbogenschweißen erforderlich, um den Schweißbereich vor atmosphärischen Gasen wie Stickstoff und Sauerstoff zu schützen, die zu Schmelzfehlern, Porosität und Versprödung des Schweißguts führen können, wenn sie mit der Elektrode, dem Lichtbogen oder dem Schweißgut in Kontakt kommen. Dieses Problem tritt bei allen Lichtbogenschweißverfahren auf. Beim älteren Schutzgasschweißverfahren ist die Elektrode mit einem festen Flussmittel beschichtet, das beim Aufschmelzen durch den Lichtbogen eine schützende Wolke aus Kohlendioxid bildet. Beim Schutzgasschweißen hingegen ist der Elektrodendraht nicht mit einem Flussmittel beschichtet, und die Schweißnaht wird durch ein separates Schutzgas geschützt. Dadurch entfällt die Schlacke, der harte Rückstand des Flussmittels, der sich nach dem Schweißen bildet und abgekratzt werden muss, um die fertige Schweißnaht freizulegen.
Die Wahl des Schutzgases hängt von mehreren Faktoren ab, vor allem von der Art des zu schweißenden Materials und der verwendeten Verfahrensvariante. Reine Schutzgase wie Argon und Helium werden nur für das Schweißen von Nichteisenmetallen verwendet; bei Stahl sorgen sie nicht für einen ausreichenden Einbrand (Argon) oder verursachen einen unregelmäßigen Lichtbogen und fördern Spritzer (bei Helium). Reines Kohlendioxid hingegen ermöglicht tiefe Schweißnähte, fördert aber die Oxidbildung, was die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht beeinträchtigt. Seine geringen Kosten machen es zu einer attraktiven Wahl, aber aufgrund der Reaktivität des Lichtbogenplasmas sind Spritzer unvermeidlich und das Schweißen dünner Materialien ist schwierig. Aus diesem Grund werden Argon und Kohlendioxid häufig in einem Verhältnis von 75 %/25 % bis 90 %/10 % gemischt. Im Allgemeinen erhöht ein höherer Kohlendioxidgehalt beim Kurzschlussschweißen die Schweißwärme und -energie, wenn alle anderen Schweißparameter (Spannung, Strom, Elektrodentyp und Durchmesser) gleich bleiben. Wenn der Kohlendioxidgehalt über 20 % steigt, wird das Sprühübertragungsschweißen zunehmend problematisch, insbesondere bei kleineren Elektrodendurchmessern.
Argon wird häufig auch mit anderen Gasen, Sauerstoff, Helium, Wasserstoff und Stickstoff gemischt. Die Zugabe von bis zu 5 % Sauerstoff (wie die oben erwähnten höheren Konzentrationen von Kohlendioxid) kann beim Schweißen von rostfreiem Stahl hilfreich sein, bei den meisten Anwendungen wird jedoch Kohlendioxid bevorzugt. Erhöhter Sauerstoff führt dazu, dass das Schutzgas die Elektrode oxidiert, was zu Porosität in der Schweißschicht führen kann, wenn die Elektrode nicht genügend Desoxidationsmittel enthält. Ein Übermaß an Sauerstoff, insbesondere bei Anwendungen, für die er nicht vorgeschrieben ist, kann zu Sprödigkeit in der Wärmeeinflusszone führen. Argon-Helium-Gemische sind äußerst inert und können für Nichteisenwerkstoffe verwendet werden. Eine Heliumkonzentration von 50-75 % erhöht die erforderliche Spannung und steigert die Wärme im Lichtbogen aufgrund der höheren Ionisationstemperatur von Helium. Beim Schweißen von Nickel und dicken Werkstücken aus nichtrostendem Stahl wird dem Argon manchmal Wasserstoff in geringen Konzentrationen (bis zu etwa 5 %) zugesetzt. In höheren Konzentrationen (bis zu 25 % Wasserstoff) kann er zum Schweißen von leitfähigen Materialien wie Kupfer verwendet werden. Es sollte jedoch nicht bei Stahl, Aluminium oder Magnesium verwendet werden, da es zu Porosität und Wasserstoffversprödung führen kann.
Schutzgasmischungen aus drei oder mehr Gasen sind ebenfalls erhältlich. Gemische aus Argon, Kohlendioxid und Sauerstoff werden zum Schweißen von Stählen vermarktet. Andere Gemische fügen den Argon-Sauerstoff-Kombinationen eine kleine Menge Helium hinzu. Diese Mischungen sollen höhere Lichtbogenspannungen und Schweißgeschwindigkeiten ermöglichen. Manchmal dient Helium auch als Grundgas, dem geringe Mengen Argon und Kohlendioxid zugesetzt werden. Da Helium jedoch eine geringere Dichte als Luft hat, schirmt es die Schweißnaht weniger gut ab als Argon, das eine höhere Dichte als Luft hat. Außerdem kann es aufgrund des viel energiereicheren Lichtbogenplasmas zu Problemen mit der Lichtbogenstabilität und dem Einbrand sowie zu vermehrten Spritzern führen. Helium ist auch wesentlich teurer als andere Schutzgase. Andere spezialisierte und oft firmeneigene Gasmischungen versprechen noch größere Vorteile für bestimmte Anwendungen.
Obwohl es giftig ist, können Spuren von Stickstoffoxid verwendet werden, um die Bildung des noch problematischeren Ozons im Lichtbogen zu verhindern.
Die wünschenswerte Durchflussmenge des Schutzgases hängt in erster Linie von der Schweißgeometrie, der Geschwindigkeit, der Stromstärke, der Gasart und der Art der Metallübertragung ab. Das Schweißen von flachen Oberflächen erfordert einen höheren Durchfluss als das Schweißen von gerillten Materialien, da sich das Gas schneller verteilt. Schnellere Schweißgeschwindigkeiten bedeuten im Allgemeinen, dass mehr Gas zugeführt werden muss, um eine angemessene Abdeckung zu gewährleisten. Darüber hinaus erfordert ein höherer Strom einen größeren Durchfluss, und im Allgemeinen ist mehr Helium erforderlich, um eine angemessene Deckung zu erzielen, als wenn Argon verwendet wird. Am wichtigsten ist vielleicht, dass die vier primären Varianten des MSG unterschiedliche Anforderungen an den Schutzgasstrom stellen – für die kleinen Schweißbäder der Kurzschluss- und Impulsspritzverfahren sind im Allgemeinen etwa 10 l/min (20 ft3/h) geeignet, während für die kugelförmige Übertragung etwa 15 l/min (30 ft3/h) bevorzugt werden. Die Sprühübertragungsvariante erfordert in der Regel einen größeren Schutzgasstrom, da die Wärmezufuhr höher ist und somit das Schweißbad größer ist. Typische Gasdurchflussmengen liegen bei etwa 20-25 L/min (40-50 ft3/h).
3-D-Drucken mit GMAWEdit
GMAW wurde auch als kostengünstige Methode zum 3-D-Drucken von Metallobjekten verwendet. Es wurden verschiedene Open-Source-3-D-Drucker entwickelt, die GMAW verwenden. Solche aus Aluminium gefertigten Komponenten konkurrieren mit traditionell gefertigten Komponenten hinsichtlich ihrer mechanischen Festigkeit. Durch die Bildung einer schlechten Schweißnaht in der ersten Schicht können GMAW-3D-gedruckte Teile mit einem Hammer vom Substrat entfernt werden.