Schnell zur sauberen Naht

Das MIG-Schweißen von Aluminium-Baugruppen stellt hohe Anforderungen an die Stromquelle. Nach wie vor dürfte MIG-Schweißen das am weitesten verbreitete Schmelzschweißverfahren für Aluminium sein. Und...

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Das MIG-Schweißen von Aluminium-Baugruppen stellt hohe Anforderungen an die StromquelleNach wie vor dürfte MIG-Schweißen das am weitesten verbreitete Schmelzschweißverfahren für Aluminium sein. Und das mit Recht: es ist manuell wie maschinell an den unterschiedlichsten Nahtformen über einen weiten Blechdickenbereich hin anwendbar. Zwei Schwerpunkte sind es, welche von den Herstellern entsprechend dem Bedarf der Anwender besonders bearbeitet werden: die Leistungssteigerung an langen Blechen durch zwei gleichzeitig abschmelzende Drahtelektroden und die Erweiterung des Blechdickenbereiches nach unten, zu Dünnblechen hin. Dort wird das MIG-Schweißen zum Konkurrenten des WIG-Verfahrens, das hinsichtlich der möglichen Schweißgeschwindigkeiten abgehängt werden kann.Zweidrahtschweißen im SchienenfahrzeugbauDas Zweidrahtschweißen (mit zwei Stromquellen zur getrennten Stromversorgung als Tandemschweißen bezeichnet) setzt sich zum Beispiel im Schienenfahrzeugbau durch. Beim Schweißen der bis zu 25 m langen Baugruppen des ICE 3 im Boden-, Dach- und Seitenwandbereich werden auf Portalschweißanlagen Schweißgeschwindigkeiten von 1,2 bis 1,8 m/min erreicht. Das ist das Zwei- bis Dreifache der bisher mit der Eindrahttechnik möglichen Leistungen. Bei einem 8 mm dicken Profil reicht anstelle der bisher zwei bis drei Lagen nunmehr eine einzige. Eine Überlappnaht an 6 mm dicken Blechen aus AlMg3 kann in Horizontalposition mit 1 m/min geschweißt werden. Eine der Bedingungen für erfolgreiches Tandemschweißen ist ein leistungsfähiger Maschinenbrenner, der zur sicheren und schwankungsfreien Übertragung des Schweißstroms auf die Drahtelektrode durch die Gestaltung des Drahteinlaufs mit einer Zwangskontaktierung ausgerüstet ist.Neben den maschinell zu schweißenden Längsnähten fallen im Schienenfahrzeugbau noch zahlreiche andere Schweißarbeiten an, die zum Teil mit dem Roboter, zum größeren Teil aber manuell ausgeführt werden. Das Pulsen (Impulslichtbogenschweißen) ist bei MIG-Geräten, die für Aluminium eingesetzt werden, längst Stand der Technik. Für das Schweißen von Aluminium gibt es aber neuerdings noch einige Besonderheiten, die von Herstellern als Option oder als spezielle Geräteausführung (bei Fronius unter der Bezeichnung Alu Edition) angeboten werden.Spezielle Konfigurationen für das Al-SchweißenDazu gehört beispielsweise das spritzerfreie Zünden (SFI = Spatter Free Ignition). Dies ist ein spezielles Zündprogramm für Aluminium. Zum Zünden wird die Drahtelektrode mit genau definierter Geschwindigkeit langsam gegen das Werkstück geschoben. Die Steuerung erkennt den Kontakt durch einen geringen Zündstrom und veranlasst augenblicklich ein definiertes Zurückziehen der Drahtelektrode und den Aufbau eines Pilotlichtbogens für eine definierte Zeit. Nach deren Ablauf folgt der erste Impuls des Schweißstroms mit der Ablösung des ersten Tropfens. Aus dieser Schilderung eines komplizierten Vorganges ist leicht erkennbar, dass auch der Drahtvorschub ganz genau geregelt werden muss und einen leistungsfähigen Vorschubapparat besitzen muss. Hier ist es ein Vierrollenantrieb, der selbst weiche Aluminiumdrähte bei geringen Anpresskräften abriebfrei fördert.Eine andere Spezialität für Aluminium ist beispielsweise der Synchro Puls, der zur Erzielung von Schweißnähten mit geschupptem Aussehen dient, die damit WIG-Nähten ähnlich werden. Dieser Effekt wird durch das Pendeln der Schweißleistung zwischen zwei Arbeitspunkten mit einstellbarer Frequenz erreicht. Diese geringen Frequenzen (beispielsweise zwischen 0,5 und 5 Hz) haben aber nichts mit der eigentlichen Pulsfrequenz des Schweißstromes zu tun. Wird eine solche Stromquelle zusammen mit einem Roboter verwendet, dann wird sie nicht nur auf den erforderlichen Zweitaktbetrieb umgeschaltet, sondern aktiviert die Funktion Wire-Stick. Diese Funktion erkennt nach Schweißende ein etwaiges Festsitzen des Drahtes im erstarrenden Schmelzbad und meldet den Fehler dem Bediener, der dann das festsetzende Drahtende abschneiden muss.Das allerdings sollte bei einer volldigitalen Stromquelle kaum mehr vorkommen, die sogar den Widerstand und die Induktivität des Schweißstromkreis messen und anzeigen kann. Ersteres dient der Kompensation unterschiedlicher Längen des Schlauchpaketes und soll sicherstellen, dass die Schweißspannung am Lichtbogen unabhängig von Länge und Querschnitt des Schlauchpaketes immer exakt geregelt wird - Letzteres soll ungünstige Lagen des Schlauchpaketes anzeigen, welche durch Erhöhung der Induktivität den Stromanstieg während des Tropfenübergangs in einer für den Prozess ungünstigen Weise begrenzen. Damit sind schon einige Möglichkeiten volldigitaler Stromquellen genannt.Digitaler Prozessregler ersetzt analogenZu einer solchen Bauart kommt man, indem man bei einer herkömmlichen primärgetakteten Stromquelle den analog gesteuerten Prozessregler gegen einen digital gesteuerten Prozessor (DSP) austauscht. Hierdurch wird eine starre Form von Hardware durch eine auf reiner Software basierenden Prozesscharakteristik ersetzt. Alle mit dem Lichtbogen in Verbindung stehenden Kriterien werden von der Stromquelle in digitaler Form geliefert. Damit ergibt sich nicht nur eine weitere Verringerung von Volumen und Gewicht der Stromquelle, sondern auch die Möglichkeit, die als Software abgebildeten Kennlinien schnell durch ein mobiles Software-Update programmieren und modifizieren zu können. Es war also kein Problem für den oben genannten Hersteller, in seiner Alu Edition noch die Schweißprogramme für AlMg4,5Mn und AlSi12 zu integrieren.Eigentlich müsste ja der Schweißer bei der Vielzahl der ihm möglicherweise vorgegebenen Werkstoffe für Drahtelektroden mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich Stromübertragung, elektrischem Widerstand und Wärmeleitung und bei der Vielzahl der Schweißaufgaben hinsichtlich Blechdicke, Fugenform, Schweißposition und Wärmeableitung am Werkstück (um jeweils nur einige Einflussgrössen zu nennen) für jede Schweißaufgabe eine besondere Optimierung aller Schweißparameter vornehmen.Damit aber wäre er in der Werkstatt sowohl zeitlich als auch mangels lichtbogenphysikalischen Wissens hoffnungslos überfordert. Der Maschinenhersteller liefert deshalb dem Anwender vorgespeicherte Kennlinien, welche die Mehrzahl der vorkommenden Schweißzusätze und Schutzgasmischungen abdecken und welche lediglich an der Maschine eingestellt werden müssen. Am Schweißplatz selbst kann der Schweißer dann die eingestellte Kennlinie in ihrem gesamten Leistungsspektrum mit einem einzigen Einstellorgan durchfahren (Einknopfbedienung) und notfalls wichtige Parameter (Lichtbogenlänge, Pulshöhe) mit einem Korrekturknopf innerhalb gewisser Grenzen der tatsächlichen Situation am Werkstück anpassen. Eine Besonderheit beim Schweißen dünner Aluminiumbleche ist bei den dabei erforderlichen niedrigen Stromwerten noch die Forderung nach einer wirksamen Glättung der durch den Taktbetrieb der Transistoren hervorgerufenen Oberwelligkeit des Schweißstroms, die sich bei Grundströmen von wenigen Ampere in der Impulspause bereits bemerkbar macht. Besonders kritische Punkte beim MIG-Schweißen von Aluminium - und erst recht dann, wenn an dünnen Blechen das WIG-Schweißen ersetzt werden soll - sind Nahtanfang und Nahtende. Mit einer Viertakt-Schaltung lassen sich mittels erhöhtem Startstrom die starke Wärmeableitung des kalten Grundwerkstoffes am Nahtanfang und mittels Stromabsenkung der Wärmestau am Nahtende kompensieren.Elektronische Stabilisierung des LichtbogensGerade auch beim Schweißen dünner Bleche ist die Stromübertragung auf die Drahtelektrode wichtig. Konstante und reproduzierbare Verhältnisse im Lichtbogen sind nur durch die weiter oben schon genannte Zwangskontaktierung im MIG-Brenner erreichbar. Wenn sich der Punkt der Stromübertragung durch Verschleiß der Stromdüse oder durch schwankende Dressur der Drahtelektrode ändert, dann ändert sich unkontrolliert der elektrische Widerstand im Schweißstromkreis - mit nachteiligen Folgen für die Stabilität des Lichtbogens und sein Zündverhalten.Das betrifft auch die Problematik der Tropfenablösung. Beim Wiederzünden macht sich der Zustand des Drahtelektroden-Endes nachteilig bemerkbar, wenn sich dort nach dem Löschen des Lichtbogens eine Kugel gebildet hat. Dies vermeidet eine moderne digitale Stromquelle, indem sie kurz vor dem Verlöschen des Lichtbogens noch einen kurzen gezielten Stromimpuls (Peak) setzt. Ohne Kugel am Drahtende ist dann ruckfreies und störungsfreies Wiederzünden möglich.Die innere Regelung der Lichtbogenlänge durch Stromquellen mit Konstantstrom-Charakteristik ist seit Jahrzehnten beim Metallschutzgasschweißen bekannt. Sie hat beim manuellen Schweißen auch befriedigend funktioniert. Höhere Anforderungen aber, insbesondere beim Impulslichtbogenschweißen mit der Forderung ein Tropfen pro Impuls, haben zu neuen Lösungen geführt. So wird bei der digitalen Stromquelle, bei welcher wegen des Fehlens analoger Bauteile keine messtechnischen Abweichungen durch Erwärmung der Bauteile (Temperaturdrift) auftreten, die hohe Rechen- und Regelgeschwindigkeit des digitalen Signal-Prozessors genutzt. Er errechnet aufgrund der vorgegebenen Hintergrundparameter und der gemessenen Spannungswerte die Einzelheiten notwendiger Korrekturen, wenn bauteilbedingte Toleranzen oder Heftstellen die Lichtbogenlänge ändern. Damit bleibt die Voraussetzung eines stabilen Gesamtprozesses, nämlich ein Tropfen pro Impuls, erhalten. Für die praktische Anwendung gibt es zwei Ausführungen des Schweißbrenners: entweder die herkömmliche Bauart mit der in das Schlauchpaket geschobenen Drahtelektrode, wobei mit dem Jobmaster der Schweißer an einem kleinen Display am Brenner die Schweißparameter kontrollieren und die Schweißleistung mit einer Up/Down-Taste stufenlos einstellen kann. Oder für sehr weiche Aluminiumdrähte und sehr lange Schlauchpakete die Pull-Mig-Version, welche eine schon früher bekannte, aber wenig eingesetzte Bauart wieder neu belebt, bei welcher der Draht von einem Vorschub im Brenner gezogen wird. Dass für spezielle Zwecke der Schweißer die Leistungseinstellung auch mit einem Fußregler innerhalb gewissen Grenzen verändern kann, ist beim Schweißen kleinerer Teile - wenn der Schweißer bei der Arbeit sitzen kann - sicher ein Vorteil. Die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Duisburg hat die günstigsten Arbeitsbereiche für das MIG-Schweißen typischer Aluminiumwerkstoffe untersucht. Dabei wurden die Einstellbereiche von 1,2 mm und 1,6 mm dicken Drahtelektroden der Werkstoffe S-Al 99,5, S-AlMg3, S-AlMg4,5Mn und S-AISi5 mit verschiedenen Schutzgasen sowie mit gleich- und impulsförmigem Strom untersucht.Bei höheren Spannungen folgt SpritzerbildungMit niedrigen Lichtbogenspannungen und Schweißströmen erfolgte der Werkstoffübergang bei gleichmäßiger Kurzschlussfrequenz im Kurzschluss. Bei höheren Spannungen und Strömen tritt wie bei Stahl der Übergangslichtbogen mit unregelmäßigen Kurzschlüssen und vereinzelten freien Tropfenübergängen auf und führt zu starker Spritzerbildung. Erst die weitere Erhöhung von Spannung und Strom ergibt den Sprühlichtbogen, der in der Praxis als kürzerer Sprühlichtbogen bevorzugt wird und dabei auch einzelne kurzzeitige Kurzschlüsse aufweisen darf, die wegen der nur geringfügigen Spannungseinbrüche nicht zur Spritzerbildung führen. Dieser kürzere Sprühlichtbogen ist infolge seiner höheren Richtungsstabilität verfahrenssicherer als ein langer.