Projekt 20470/01

Produktionsintegrierter Umweltschutz beim Schweißen von Feinblechen und Kleinteilen durch Entwicklung eines High-Speed-WIG-Brenners mit geregelter Drahtzuführung über neuartigen Planetenantrieb

Projektträger

TBi Industries GmbH & Co. KG
Ruhberg 14
35463 Fernwald
Telefon: 06404/9171-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die großen Vorteile beim WIG-Schweißen liegen in der relativ geringen Wärmeeinbringung bei einer sehr guten Schmelzbad-Abdeckung, einem ruhigen, nahezu spritzerfreien Schweißprozess und der dadurch möglichen guten Nahtoberfläche, wodurch die Kosten für eine Nacharbeit deutlich reduziert werden können. Diesen technologischen Vorteilen steht im Vergleich zu konkurrierenden Lichtbogenschweißverfahren, hier insbesondere dem MIG/MAG-Schweißen, bisher die deutlich geringere Produktivität gegenüber. Kennzeichen dafür sind die deutlich geringeren Vorschubgeschwindigkeiten des Schweißbrenners. Vor diesem Hintergrund bestand bei dem Entwicklungsvorhaben das Ziel, die Produktivität des WIG-Schweißens gegenüber dem Stand der Technik deutlich zu verbessern. Dies sollte durch die Entwicklung eines High-Speed-WIG-Brenners umgesetzt werden, mit dem die Schweißgeschwindigkeit erheblich gesteigert werden kann. Als umweltrelevante Zielsetzung galt es, den Gasverbrauch des neuen Brennersystems zu senken. Die Entwicklungsschwerpunkte lagen in der konstruktiven Ausgestaltung eines neuen Brennerkopfes sowie den verfahrentechnischen Untersuchungen zur Prozesssteuerung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine Steigerung der WIG-Schweißgeschwindigkeit lässt sich nur über eine höhere Konzentration des Lichtbogens erreichen. Die ersten entwickelten Brenner führten nicht zu den gewünschten Ergebnissen bezüglich Schutzgasabdeckung des Schmelzbades. Deshalb wurde ein neues Brennerkonzept erarbeitet und unterschiedliche Schutzgasformen und -größen mit differenzierten Strömungsprofilen hergestellt und getestet. Um eine optimale Fokussierung des Gasstrahles und der Lichtbogenstrecke zu erreichen, war es nötig, Zentrumsgasdüsen zu entwickeln. Alle Zentrumsgasdüsen wurden ausführlich schweiß-technisch untersucht, wobei eine Vielzahl von Einflussfaktoren variiert werden musste (Positionierung der Wolfram-Elektroden; Abmessungen der Zentrumsgasdüsen; Schutzgasarten und Schutzgasmengen).
Die schweißtechnischen Versuche wurden an Chrom-Nickel-Blechen der Abmessungen 500/250 x 80 x 2/5 mm ausgeführt. Gerade diese Werkstofftypen sind gute Indikatoren für die Schweißbereichs-Oxidation und Wärmeeinbringung beim Schweißen.


Ergebnisse und Diskussion

Mit dem neuen High-Speed-WIG-Brenner sind hohe Schweißgeschwindigkeiten zu erreichen. Sehr gut haben sich die zylindrischen und konischen Zentrumsgasdüsen mit zusätzlichen Fokussierbohrungen bewährt. Zu weit über die Zentrumsgasgasdüse hervorstehende Wolfram-Elektroden sind zu vermeiden und nicht zu empfehlen. Die Wolfram-Nadel sollte bündig oder bis zu 1 mm vor der Zentrumsgasdüse positioniert werden. Die Zentrumsgasdüse wird dadurch thermisch nicht hoch belastet, das Zentrumsgas hervorragend fokussiert und in einem gebündelten Parallelstrahl zum Werkstück geführt.
Mit dem High-Speed-WIG-Brenner ist es deshalb möglich, Materialien im Stumpfstoß in einer Lage mit Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 500mm/min äußerst wirtschaftlich zu verbinden.
Dabei werden zwar nicht ganz die Schweißgeschwindigkeiten des Laserschweißens erreicht, dafür müssen die Nahtvorbereitungen bezüglich der Nahttoleranz aber bei weitem nicht so exakt sein. Die Spaltüberbrückbarkeit des High-Speed-WIG-Brenners ist wesentlich besser als beim Laser. Die Nahtvorbereitung ist deshalb nicht so aufwendig.
Die Entwicklung und der Einsatz dieses neuartigen Brennersystems führt für den Anwender nicht nur zu wirtschaftlichen Vorteilen, sondern hat auch eine besondere Umweltrelevanz.
Der typische Schutzgasverbrauch für einen leistungsstarken WIG-Brenner beträgt etwa 10 bis 12 l/min. Der neuentwickelte Brenner High-Speed-WIG hat aufgrund der Gasführung im Brenner und der zusätzlichen Zentrumsgasmenge einen geringeren Schutzgasverbrauch. Die benötigte Schutzgasmenge beim Schweißen für eine gute Schmelzbadabdeckung liegt bei 6 bis 8 l/min. Als Zentrumsgas werden noch einmal ca. 2 bis 4 l/min benötigt, so dass sich als Summe 8 bis 10 l/min. ergeben. Diese Menge liegt un-terhalb der Schutzgasmenge der nach dem Stand der Technik gebauten leistungsstarken WIG-Brenner.
Aber nicht nur der Gasverbrauch pro Zeiteinheit ist beim High-Speed-WIG-Brenner vorbildlich, sondern auch der absolute Verbrauch für eine Schweißaufgabe. So kann davon ausgegangen werden, dass die Schweißzeit beim Stichlochschweißen z. B. für ein 6 mm dickes Blech oder Bauteil nur etwa 30 % der WIG-Schweißzeit ausmacht. Hinzu kommt, dass der Verbrauch an Zusatzwerkstoffen ebenfalls drastisch reduziert wird. Beim WIG-Schweißen muss die gesamte V-Naht wieder mit Zusatzwerkstoff aufgefüllt werden, während beim Stichlochschweißen mit dem High-Speed-WIG-Brenner lediglich der die Nahtunterwölbung ausmachende Teil ausgeglichen werden muss. Die Verringerung des Zusatzwerkstoffes ist etwa mit 70 bis 80 % anzusetzen. Natürlich entfällt dabei auch die teure V-Nahtvorbereitung.
Der Preisunterschied des High-Speed-WIG-Brenners zu herkömmlichen WIG-Brennern ist äußerst gering, da der High-Speed-WIG-Brenner aus Standardteilen der WIG-Brenner hergestellt wird. Lediglich eine zusätzliche Gasführung und die Befestigung für die Zentrumsgasdüse ist erforderlich. Für diesen Mehraufwand werden besondere wirtschaftliche Vorteile erhalten.
Die Zusatzwerkstoffe können manuell oder über ein Drahtvorschubsystem dem Schweißprozess zugeführt werden. Besonders bewährt hat sich ein Planetenvorschubgerät, das eine wesentlich bessere Kraftübertragung als die üblicherweise eingesetzten Vorschubeinheiten auf den Draht ausübt. Selbst bei weichem Drahtmaterial wird eine Drahtverformung vermieden; eine exakte, reproduzierbare Einstellung wird erreicht. Auch bei ungünstigen Verhältnissen sind über größere Distanzen keine Förderschwierigkeiten zu erwarten. Zusätzlich kann auch noch ein push/pull-System genutzt werden. Die notwendigen Halterungen zur genauen Drahtpositionierung stehen zur Verfügung.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es ist vorgesehen, in Fachzeitschriften Aufsätze über diese Brennerentwicklung zu platzieren. Außerdem werden Experimental-Vorträge unter Einschaltung des Deutschen Verbandes für Schweißtechnik (wissenschaftlicher Verein) angeboten. Eine Information für Fachhändler ist vorgesehen.


Fazit

Das vorgesehene Forschungsziel wurde erreicht. Es wird ein Weg aufgezeigt, die Wirtschaftlichkeit beim Einsatz der jetzt auf dem Markt befindlichen WIG-Brenner deutlich zu verbessern, ohne dass sich die Kosten für die Herstellung nennenswert erhöhen. Dabei wurde noch der Effekt eines geringeren Gas-verbrauchs beim Schweißen realisiert, also eine Möglichkeit geschaffen, mit den Rohstoffressourcen sorgfältiger umzugehen.