Baustahlschweißen Baustähle schneller und hochwertiger MAG-schweißen

Autor / Redakteur: J. Kumpulainen / Peter Königsreuther

Kemppi hat mit dem Verfahren Wisesteel das MAG-Schweißen von Baustahl verbessert, heißt es. Trotz geringerem Wärmeeintrag, reduzierten sich Schweißfehler und die Produktivität steige.

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Kemppi hat mit dem Wisesteel-Prozess das MAG-Baustahlschweißen durch Lichtbogensteuerung verbessert. Es gibt weniger Fehler, es geht schneller und es kann mit niedrigerem Wärmeeintrag gefügt werden.
Kemppi hat mit dem Wisesteel-Prozess das MAG-Baustahlschweißen durch Lichtbogensteuerung verbessert. Es gibt weniger Fehler, es geht schneller und es kann mit niedrigerem Wärmeeintrag gefügt werden.
(Bild: Kemppi)

Alles steht und fällt mit dem Wärmeeintrag ins zu schweißende Material. Und was Baustähle betrifft, so sind Kohlenstoffstähle gemeint, die vor allem für tragende Strukturen gedacht sind, wie sie in Gebäuden und Brücken oder in Fahrzeugen typisch sind. Speziell der Fahrzeugbau sucht nach Materialien für Leichtbaustrukturen und nach Möglichkeiten, mit denen sich die Energieeffizienz der Fahrzeuge verbessern lässt. Deshalb greift die Branche verstärkt zu Feinkornstahl. Und mittlerweile gibt viele Baustählen in verschiedenen Festigkeitsklassen.

Beim Schweißen von hochfesten Stahlsorten wird, wie oben schon angedeutet, der Wärmeeintrag zu einem wichtigen Thema. Denn die mechanischen Eigenschaften des Stahls müssen sowohl im Bereich der Schweißnaht als auch in der Wärmeeinflusszone (WEZ) erhalten bleiben. Wird es zu heiß, wird die Wärmeeinflusszone des Stahls weicher. Das aber geht auf Kosten der statischen Festigkeit des Stahls.

Hier fokussieren wir uns auf die Strenx-Produktfamilie von SSAB. Es gibt die Baustähle mit einer Streckgrenze zwischen 700 und 1300 MPa. Das folgende Diagramm gibt eine Empfehlung zum maximal zulässigen Wärmeeintrag für verschiedene Plattenstärken von Stählen aus dieser Produktfamilie. Sie gelten, wenn kein Vorwärmen vor dem Schweißen erfolgt. Man erkennt, dass der Wärmeeintrag bei den stärksten Klassen und dünnsten Platten 0,5 kJ/mm nicht überschreiten darf.

Für diverse Strenx-Baustähle von SSAB empfohlene Wärmeeinträge, wenn das Material nicht vorgewärmt werden soll.
Für diverse Strenx-Baustähle von SSAB empfohlene Wärmeeinträge, wenn das Material nicht vorgewärmt werden soll.
(Bild: SSAB)

Verbesserungen durch einen sinnvoll gesteuerten Lichtbogen

Die immer anspruchsvolleren Baustähle von heute verlangen auch mehr von der Schweißausrüstung. Kemppi hat deshalb Systeme entwickelt, die auf der Lichtbogensteuerung basieren. Und digital gesteuerte Schweißinverter können Ströme in den verschiedenen Phasen des Schweißprozesses sehr präzise und schnell regeln.

Auch das neue Verfahren Wisesteel für das MAG-Schweißen von Baustählen gehört dazu. Damit können massiver Baustahl und Zusatzwerkstoffe in verschiedenen Festigkeitsklassen mit einem Schutzgasmix aus Argon und 8 bis 18 % CO2 gefügt werden.

Im Schweißlabor von Kemppi begann man die Entwicklung des Wisesteel-Schweißens mit dem Ziel, jeden Lichtbogentyp für das traditionelle MAG-Schweißen zu verbessern. Nicht zuletzt steigt im Erfolgsfall auch die Qualität und Produktivität beim Baustahlschweißen von verschiedenen Plattenstärken. Die Schweißfehlergefahr wird so auch bei hohen Schweißgeschwindigkeiten geringer. Sehr wichtig: Das MAG-Schweißen gelingt auch mit geringerem Wärmeeintrag, was für höherfeste Stahlsorten erforderlich ist.

Was den nötigen Kurzlichtbogen betrifft, so wird während des Prozesses die Kurzschlussfrequenz gemessen und die Spannung adaptiv angepasst. Verringert sich etwa die Kurzschlussfrequenz, wird die Spannung entsprechend niedriger eingestellt, was die Frequenz erhöht.

Man darf auch nicht vergessen, dass versierte Schweißer Augen und Ohren entwickelt haben, um die Kurzschlussfrequenz beim Kurzlichtbogenschweißen zu bestimmen. Beim richtigen Spannungslevel für einen Kurzlichtbogen ist die Kurzschlussfrequenz etwa hoch genug, sodass der Schweißer einen gut fokussierten Lichtbogen sieht und ein sattes Brummgeräusch ohne Störungen wahrnimmt. Der Kurzlichtbogenbereich des Wisesteel-Prozesses kann sowohl für 1 bis 3 mm dünne Platten als auch für dickere Platten beim Wurzellagen- und Positionsschweißen eingesetzt werden.

Beim Wisesteel-Prozess wird die Kurzschlussfrequenz gemessen und die Schweißspannung entsprechend angepasst.
Beim Wisesteel-Prozess wird die Kurzschlussfrequenz gemessen und die Schweißspannung entsprechend angepasst.
(Bild: Kemppi)

Eigentlich spritzt es beim MAG-Schweißen

Der Übergangslichtbogen ist beim MAG-Schweißen ein Typ, der von Haus aus Schweißspritzer erzeugt. Deshalb wird er normalerweise nicht geschätzt. Beim Wisesteel-Prozess wird die Drahtvorschubgeschwindigkeit aber mit einer Frequenz von etwa 2 Hz zwischen den Kurzlichtbogen- und den Sprühlichtbogenwerten variiert. Das sorgt dafür, dass die durchschnittliche Stromstärke im Übergangslichtbogenbereich wirken kann, während das Schweißen mit Kurz- und Sprühlichtbogen für kurze Phasen erfolgt. Der Strom im Übergangslichtbogenbereich des Wisesteel-Prozesses liegt bei etwa 200 A auf beiden Seiten. So können Platten von 4 bis 5 mm Stärke geschweißt werden.

Der Wisesteel-Prozess ist in der Lage, im Übergangslichtbogen-Bereich die Drahtvorschubgeschwindigkeit beim Schweißen zu variieren (WFS).
Der Wisesteel-Prozess ist in der Lage, im Übergangslichtbogen-Bereich die Drahtvorschubgeschwindigkeit beim Schweißen zu variieren (WFS).
(Bild: Kemppi)

Und im sogenannten Sprühlichtbogen-Bereich pulsiert der Schweißstrom mit einer Frequenz von etwa 200 bis 300 Hz, was die Ausrichtung und Stabilität des Lichtbogens auch bei niedrigen Lichtbogenspannungen verbessert. Um hohe Schweißgeschwindigkeiten zu nutzen und dabei einen geringen Wärmeeintrag zu haben, sind eine gute Lichtbogenkonzentration und eine niedrige Lichtbogenspannung (kurzer Lichtbogen) entscheidend. Der Sprühlichtbogen-Bereich des Wisesteel-Prozesses entwickelt sich bei einer Stromstärke von etwa 250 A. Mit ihm können Stahlplatten ab einer Stärke von 5 mm in Querposition und in Wannenlage gefügt werden.

Blick auf den Übergangslichtbogen-Bereich, den der Wisesteel-Prozess hinterlässt. Der Baustahl wird dabei abwechselnd mit Kurz- und Sprühlichtbogen geschweißt, was dass schuppenartige Muster auf der Naht erklärt.
Blick auf den Übergangslichtbogen-Bereich, den der Wisesteel-Prozess hinterlässt. Der Baustahl wird dabei abwechselnd mit Kurz- und Sprühlichtbogen geschweißt, was dass schuppenartige Muster auf der Naht erklärt.
(Bild: Kemppi)

So sehen die Mikropulse für den Sprühlichtbogen aus. Die hohen Peaks markieren Kurzschlüsse, die aufgrund der Kürze des Lichtbogens verursacht werden.
So sehen die Mikropulse für den Sprühlichtbogen aus. Die hohen Peaks markieren Kurzschlüsse, die aufgrund der Kürze des Lichtbogens verursacht werden.
(Bild: Kemppi)

Was heißt nun „schnelleres“ MAG-Schweißen von Baustahl?

Das Schweißlabor von Kemppi hat verschiedene Tests mit dem Wisesteel-Prozess durchgeführt. Die folgenden Beispiele zeigen zwei Kehlnähte im Detail. Die Prüfwerkstoffe waren S355-Baustahl, 1, 2 mm starker G3Si1-Massivdraht (ER70S-6) und Argon + 18 % CO2-Schutzgas. Bei der 6 mm starken Platte sollte eine effektive Nahtdicke von 4 mm bei guter Qualität und Produktivität hergestellt werden. Bei dem etwas dünneren, 5 mm starken Material, bestand das Ziel darin, eine effektive Nahtdicke von 3 mm bei maximal möglicher Schweißgeschwindigkeit zu erreichen. Im Aufmacherbild ist die Schweißnaht in Querposition bei einer Plattenstärke von 6 mm in Großaufnahme zu sehen. Folgende Parameter wurden eingestellt:

  • Drahtvorschubgeschwindigkeit: 11 m/min
  • Schweißstrom: 330 A
  • Lichtbogenspannung: 28,8 V
  • Schweißgeschwindigkeit: 600 mm/min
  • Wärmeeintrag: 0,76 kJ/mm
  • Effektive Nahtdicke: 4,36 mm

MAG-Schweißverfahren im Vergleich mit dem Neuling

Das folgende Bild lässt auf Testschweißungen blicken, die an einer 5 mm starken Baustahlplatte durchgeführt wurden. Eine effektive Nahtdicke von 3 mm war das Ziel, das mit dem Wisesteel-Verfahren erreicht werden sollte. Um möglichst flott schweißen zu können, muss der Lichtbogen sehr konzentriert werden. Das heißt, dass er kurz sein muss, und folglich mit geringer Spannung zu erzeugen ist. Bei den Vergleichstets mit anderen MAG-Verfahren wurden deshalb die selben Parameter eingestellt:

  • Drahtvorschubgeschwindigkeit: 12 m/min
  • Schweißstrom: 370 A
  • Lichtbogenspannung: 28,7 V
  • Schweißgeschwindigkeit: 1100 mm/min
  • Wärmeeintrag: 0,46 kJ/mm

Vergleich verschieder MAG-Schweißprozesse an Baustahl von links: Synergetisches MAG, Puls-MAG und das neue Wisesteel-Verfahren. Die Nahtübergänge zum Bauteil sind beim Wisesteel sanfter, die Schweißung tiefer.
Vergleich verschieder MAG-Schweißprozesse an Baustahl von links: Synergetisches MAG, Puls-MAG und das neue Wisesteel-Verfahren. Die Nahtübergänge zum Bauteil sind beim Wisesteel sanfter, die Schweißung tiefer.
(Bild: Kemppi)

Beim Schweißen mit hohen Schweißgeschwindigkeiten steigt die Gefahr von Einbrandkerben, was an den Punkten A und B im obigen Bild zu erkennen ist. Ein weiterer typischer Fehler beim Schweißen mit hoher Geschwindigkeit und geringem Wärmeeintrag ist ein zu konvexe Schweißnaht. Mit Blick auf Letzteres erfüllen alle Schweißnähte hier die Anforderungen der EN ISO 5817 Klasse B. Unterschiede fallen aber bei der effektiven Nahtdicke auf:

Der synergetische Lichtbogen erreicht 2,99 mm, der Puls-MAG 3,07 mm und Wisesteel 3,23 mm. Das heißt, dass eine hohe Decklage die effektive Nahtdicke reduziert, obwohl das Schweißen bei gleicher Abschmelzleistung geschieht.

Neues MAG-Baustahlschweißen erleichter die Arbeit

Wisesteel ist nun für die Industrieschweißsysteme X5 Fastmig und X8 MIG Welder von Kemppi erhältlich. Diese Systeme machen auch die Berechnung des Wärmeeintrags einfacher. Die Ausrüstung misst die Lichtbogenspannung direkt an der Stromdüse, um Spannungsverluste zu vermeiden. Sie können außerdem die Schweißgeschwindigkeit ermitteln, wenn der Anwender nach dem Schweißen die Länge der Schweißnaht eingibt. Diese Funktion erleichtert zum Beispiel das Ausfüllen von Prüfprotokollen für Schweißverfahren, weil die notwendigen Informationen zu Schweißparametern, -geschwindigkeit und Wärmeeintrag nach dem Schweißen auf dem Display der Schweißmaschine angezeigt werden.

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