In Industrieländern mit hochentwickelter Maschinenbauindustrie stammen rund 50 % des gesamten Produktionswerts aus Unternehmen der Schweißtechnik. Um ihre Wettbewerbsfähigkeit zu steigern, fordern die Hersteller zunehmend höhere Produktionseffizienz und niedrigere Produktkosten. Zur Verbesserung der Schweißeffizienz werden verschiedene Ansätze verfolgt, wie beispielsweise die Verwendung optimierter Schweißparameter.HybridschweißenMehrdraht- oder Mehrlichtbogenschweißen sowie verbesserte Schweißdrähte können zum Einsatz kommen. Diese fortschrittlichen Schweißverfahren haben die Effizienz der Schweißproduktion deutlich gesteigert, breite Anwendung gefunden und wichtige Beiträge geleistet zuWeiterentwicklung der Schweißtechnologie.

Mit Beginn des 21. Jahrhunderts und der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technik hat das Hocheffizienzschweißen zunehmend an Bedeutung gewonnen und sich zu einem Entwicklungstrend in der Schweißtechnikforschung und -anwendung im In- und Ausland entwickelt. Früher lag der Schwerpunkt beim Hocheffizienzschweißen auf der Verbesserung der Schweißmaterialien. In den letzten Jahren hat die verbesserte Schweißautomatisierung die Entwicklung der Hocheffizienzschweißtechnologie vorangetrieben, und Hochgeschwindigkeitsschweißen oderSchweißen mit hoher Abschmelzleistunghat sich zur zukünftigen Entwicklungsrichtung entwickelt. Die sogenannte „Hocheffizienz-Schweißtechnologie“ bezeichnet im Wesentlichen eine Reihe von Technologien wie Hochgeschwindigkeitsschweißen, Schweißen mit hoher Abschmelzleistung und Schweißen mit hoher Schweißeffizienz.

(1) Ansätze zur Verbesserung der Schweißeffizienz

Die Verbesserung der Effizienz der Schweißproduktion umfasst zwei Aspekte: Zum einen das Schweißen mit hoher Abschmelzleistung, bei dem mehr Schweißmaterial pro Zeiteinheit aufgeschmolzen werden muss. Dieses Verfahren wird hauptsächlich beim Schweißen dicker Bleche eingesetzt und erreicht eine Abschmelzleistung von bis zu 30 kg/h. Zum anderen das Hochgeschwindigkeitsschweißen, bei dem die Schweißgeschwindigkeit erhöht wird. Hierbei wird der Schweißstrom erhöht, während gleichzeitig die Schweißgeschwindigkeit gesteigert wird, um die Wärmeeinbringung beim Schweißen annähernd konstant zu halten. Dieses Verfahren wird hauptsächlich beim Schweißen dünner Bleche eingesetzt und erreicht eine Schweißgeschwindigkeit, die etwa 3- bis 8-mal höher ist als beim herkömmlichen CO₂-Schutzgasschweißen.

Aus dem aktuellen Stand von Forschung, Entwicklung und Produktionsanwendung ergeben sich folgende Ansätze zur Verbesserung der Effizienz der Schweißproduktion:

• Durch die Verwendung unterschiedlicher Schutzgaskombinationen lässt sich die maximale Drahtschmelzgeschwindigkeit steigern, um die Schweißgutabschmelzrate zu erhöhen.
• Nutzen Sie hybride Wärmequellen, um die Schweißeffizienz zu verbessern, wie z. B. Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen, Laser-Plasma-Lichtbogen-Hybridschweißen usw.
• Um die Effizienz der Schweißproduktion zu steigern, kann man Mehrdraht- oder Heißdrahtzufuhr einsetzen, z. B. Doppeldraht- (oder Mehrdraht-)Schutzgasschweißen, Mehrdraht-Unterpulverschweißen, Heißdraht-Schutzgasschweißen usw.
• Nutzen Sie die einzigartigen chemischen Eigenschaften aktiver Elemente, um die Lichtbogenpenetrationsfähigkeit zu verbessern, die Schweißnahtquerschnittsgröße zu verringern und die Schweißeffizienz zu steigern, wie z. B. beim A-TIG-Schweißen, beim A-Laser-Verfahren usw.
• Verringert man die Nutgröße, um die Schweißnahtquerschnittsfläche zu verringern und die Menge des abgeschiedenen Metalls zu reduzieren, z. B. durch Schmalspaltschweißen.
• Um die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen, werden spezielle Ausgangssignalformen der Schweißstromquellen verwendet.

Aktuell lautet die internationale Definition vonHocheffizientes Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG)(Siehe DVS-Nr. 0909-1) besagt: Bei einem Drahtdurchmesser von 1,2 mm wird das MAG-Schweißen mit einer Drahtvorschubgeschwindigkeit von über 15 m/min oder einer Abschmelzleistung von über 8 kg/h als hocheffizientes MAG-Schweißen bezeichnet. Die Abschmelzleistung einiger hocheffizienter MAG-Schweißverfahren kann bis zu 20 kg/h erreichen.

(2) Hocheffiziente MAG-Schweißmaterialien

Zur Verbesserung der Abschmelzleistung beim MAG-Schweißen wird derzeit häufig der Einsatz von Fülldrähten anstelle von Massivdrähten angewendet. Die Verwendung von Fülldrähten mit Eisenpulver kann die Abschmelzleistung im Vergleich zu Massivdrähten um mehr als 50 % steigern. Darüber hinaus lässt sich die Abschmelzleistung durch die Anpassung der Schutzgaszusammensetzung deutlich verbessern.

• Massive Drähte eignen sich für Durchmesser von 1,0–1,2 mm. Zu dünne Drähte sind aufgrund unzureichender Steifigkeit schwer für die Hochgeschwindigkeits-Drahtzuführung geeignet; Drähte mit einem Durchmesser von mehr als 1,2 mm hingegen erzeugen selbst bei hohen Strömen nur schwer einen stabilen Drehlichtbogen.
• Fülldrähte können Durchmesser von 1,2 bis 1,6 mm aufweisen. Sowohl metallgefüllte als auch schlackenbildende Fülldrähte ermöglichen hocheffizientes MAG-Schweißen mit großen Schweißparametern. Insbesondere bei metallgefüllten Drähten kann aufgrund des hohen Füllgrades von Metallpulver (bis zu 45 %) bei Verwendung eines 1,6 mm dicken Fülldrahts mit Schweißparametern von 380 A Schweißstrom und 38 V Schweißspannung eine Drahtschmelzrate von bis zu 9,6 kg/h erreicht werden.

Der Tropfenübergang von Fülldrähten ähnelt dem von Massivdrähten. Fülldrähte lassen sich im Sprühverfahren und im Hochgeschwindigkeits-Kurzschlussschweißen verarbeiten, jedoch nicht im Drehlichtbogenschweißen. Die maximale Drahtvorschubgeschwindigkeit von Rutil-Fülldrähten beträgt 30 m/min, die von Basis-Fülldrähten liegt bei etwa 45 m/min, bei einer Drahtschmelzrate von bis zu 20 kg/h.

(3) Arten des Tropfenübergangs beim hocheffizienten MAG-Schweißen

Beim konventionellen MAG-Schweißen ändert sich mit steigendem Schweißstrom die Tropfenübergangsform von Kurzschluss- über Kugel- zu Sprühübergang. Um eine gute Schweißnaht zu gewährleisten, liegt der Grenzstrom für den Sprühübergang bei etwa 400 A.

Beim MAG-Schweißen mit hoher Abschmelzleistung lässt sich durch die umfassende Nutzung der physikalischen Eigenschaften von Mehrkomponenten-Schutzgasen und eine entsprechende Erhöhung der Drahtvorschublänge die Drahtschmelzgeschwindigkeit im Hochstrom- und Hochspannungsbereich des unkonventionellen MAG-Schweißens deutlich steigern. Gleichzeitig verändert sich die Tropfenübergangsmorphologie grundlegend. Zu den Grundformen zählen: gewöhnlicher Sprühübergang, Hochgeschwindigkeits-Kurzschlussübergang, rotierender Sprühübergang und Hochgeschwindigkeits-Sprühübergang.

• Gewöhnlicher SprühtransferbogenIm BereichHochgeschwindigkeitsschweißenDie Drahtvorschubgeschwindigkeit des Sprühlichtbogens liegt im Bereich von 15-20 m/min.
• Hochgeschwindigkeits-Kurzschluss-TransferbogenEin Hochgeschwindigkeits-Kurzschlusslichtbogen wird durch Reduzierung der Schweißspannung und Erhöhung des Trockenvorschubs im Drahtvorschubbereich von 15–20 m/min erzielt. Durch die Erhöhung des Trockenvorschubs auf 40 mm erweicht das Drahtende und beginnt sich mit einem Versatz von 1–2 mm zur Drahtachse zu drehen. Das rotierende Drahtende erzeugt einen periodischen Kurzschlussübergang auf beiden Seiten der Schweißnaht.
• Rotierender SprühübertragungsbogenEin Drehlichtbogen entsteht, wenn das Drahtende durch hohen Strom erweicht und durch die Lichtbogenkraft abgelenkt wird. Bei Drähten mit einem Durchmesser von 1–2 mm ist eine Drahtvorschubgeschwindigkeit von mindestens 25 m/min erforderlich, der entsprechende Mindestschweißstrom beträgt etwa 450 A. Die Abweichung des freien Drahtendes von der Drahtachse beträgt mehrere Millimeter und ist während des Schweißens mit bloßem Auge erkennbar.
• Hochgeschwindigkeits-SprühübertragungsbogenDas Verfahren zeichnet sich durch axialen Tropfentransfer bei einer Drahtvorschubgeschwindigkeit von über 20 m/min aus, wobei die Tropfengröße in etwa dem Drahtdurchmesser entspricht. Im Vergleich zum sequenziellen Tropfentransfer im Lichtbogen erzielt dieses Verfahren die besten Ergebnisse. Der Tropfentrennungsprozess wiederholt sich, und ein schmaler, konzentrierter und blendender Plasmastrahl ist charakteristisch für den Hochgeschwindigkeits-Sprühlichtbogen. Beim Absinken des erweichten Drahtendes verringert sich die Lichtbogenlänge, die Plasmasäule verbreitert sich, und es bildet sich eine Flüssigkeitsbrücke zwischen dem geschmolzenen Tropfen und dem Drahtende. Diese Flüssigkeitsbrücke wird durch die elektromagnetische Kontraktionskraft kontinuierlich komprimiert, wodurch sich der Lichtbogen verbreitert. Sobald die Brücke zwischen Drahtende und Tropfen klein genug ist, bildet sich Plasma um die Brücke herum. Im Moment des Brückenbruchs zündet der Hochgeschwindigkeits-Sprühlichtbogen erneut und bildet wieder einen schmalen und konzentrierten Plasmastrahl. Aufgrund der tiefen, aber schmalen Einbrandform kann die Schweißwurzel beim Hochgeschwindigkeits-Sprühlichtbogen nicht vollständig mit geschmolzenem Metall gefüllt werden.