02 Schmelzschweißen/Gasschmelzschweißen Flashcards
Schmelzschweißen - Definition
Schmelzschweißen ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von (meist metallischen) Werkstoffen, wobei lokal die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe überschritten wird.
Schmelzschweißen - Bedingungen (4)
- Benötigt wird eine lokal wirkende Wäremequelle
- Die Bauteile müssen über den gesamten Verbindungsquerschnitt aufgeschmolzen werden
- Evtl. notwendiger Zusatzwerkstoff muss ebenfalls von der Wärmequelle aufgeschmolzen werden
- Heißes und flüssiges Metall reagiert mit dem Luftsauerstoff -> Abschirmung der Schmelze vor Umgebungsluft notwendig
Charakteristika des Schmelzschweißens (8)
- Wärmequelle zum Aufschmelzen des Werkstoffs/der Werkstoffe
- Lokal begrenzter Wärmeeintrag ins Werkstück
- Ausbildung eines thermischen Feldes mit sehr hohen Temperaturgradienten
- Entstehung eines meist sehr kleinen Schmelzbades in Relation zur Werkstückgröße
- Hohe Erstarrungsgeschwindigkeit
- Umwandlungsvorgänge/Gefügemodifikationen des Grundwerkstoffs
- Änderungen der chemischen Zusammensetzung möglich (z.B. Aufmischung, Abbrand von Legierungselementen, Zusatzstoffe)
- Änderung der mechanisch-technologischen Eigenschaften des Grundwerkstoffs
Gasschmelzschweißen - Verfahrensprinzip
- Als Energieträger zum Aufschmelzen von Grund- und Zusatzwerkstoff dient die bei der Verbrennung eines Sauerstoff-Brenngas-Gemisches freiwerdende Energie
- Sauerstoff und Brenngas werden über Druckminderer den Vorratsbehältern entnommen und durch separate Schläuche (Zusammengefasst im Schlauchpaket) einem Brennergriffstück zugeführt
- Das Brennergriffstück besteht aus Absperrventilen und einer Mischvorrichtung für die beiden Gase -> Bauart ist abhängig von der Art des Brenngases
- Gasgemisch wird über eine auswechselbare Schweißdüse bis zur Schweißstelle geleitet, wo es mit hoher Geschwindigkeit ausströmt -> Verbrennt vor der Düsenmündung
- Die hohe Ausströmgeschwindigkeit (höher als Flammengeschwindigkeit) verhindert einen Flammenrückschlag
- Flammrückschlagsicherung (unmittelbar vor dem Griffstück in der Brenngaszuleitung) schützt die Leitung zusätzlich vor Flammenrückschlag
Gasschmelzschweißen - Vorteile (3)
- Mobil
- Geringe Anschaffungskosten
- Einfache Handhabung
Gasschmelzschweißen - Nachteile (3)
- Geringe Energiedichte
- Schlecht automatisierbar
- Geringe Abschmelzleistung
Gasschmelzschweißen - Brenner: Bestandteile (4)
- Griffstück
- Brennerhals
- Brennerdüse/Düsenmündung
- Schweißeinsätze
Gasschmelzschweißen - Aufgabe des Schweißbrenners
Einstellung des Mischungsverhältnisses zwischen Sauerstoff und Brenngas, deren konstante Mischung sowie die Anpassung des Gasvolumenstromes an den Wärmebedarf der Schweißaufgabe
Gasschmelzschweißen - Schweißeinsätze: Anpassung der Flammleistung
Kleine Flammenleistungen
- kleine Düsenbohrungen
- hohe Ausströmgeschwindigkeit
Größere Flammenleistungen
- größere Düsenquerschnitte
- hoher Volumenstrom
Notwendige Bedingung für Flammrückschlagssicherheit
Ausströmgeschwindigkeit > Flammengeschwindigkeit
Gasschmelzschweißen - Daumenregelen
- Größe des Schmelzbades
- Dicke Bleche
Die Größe des Schmelzbades ist der pro Streckeneinheit und Zeit zugeführten Wärmemenge in etwa proportional.
Je dicker die Bleche, umso mehr Wärmeenergie kann in den umgebenden Bauteilen aufgenommen werden.
- Für dickere Bleche wird mehr Wärmeenergie pro Streckeneinheit und Zeit benötigt
- Wärmeenergie wird beim Gasschweißen über die Menge des verbrannten Gases eingestellt
Zu beachten:
- Zu hohe Ausströmgeschwindigkeit: Abheben der Flamme von der Düsenmündung
- Zu kleine Ausströmgeschwindigkeit: Kann zu Flammrückschlag führen
Eigenschaften der Brenngase: Acetylen, Propan, Erdgas
Acetylen, Propan und Erdgas haben ungefähr denselben Brennwert -> Setzen bei der Verbrennung in etwa die gleiche Energiemenge frei
Acetylen kann unter vergleichbaren Bedingungen sehr viel höhere Flammentemperaturen und Flammenleistungen erreichen
- Grund: Sehr viel höhere Flammengeschwindigkeit des Acetylen-Sauerstoff-Gemisches
-> Höhere Flammengeschwindigkeit erlaubt es, über höhere Ausbreitungsgeschwindigkeiten vor der Düsenmündung erheblich mehr Brenngas zu verbrennen -> erreicht somit höhere Leistungsdichten
-> Aufgrund der hohen Flammenleistung und der hohen Flammentemperatur ist Acetylen das bevorzugte Brenngas in der Autogentechnik
Flammeinstellung - Flammenarten
- Neutrale Flamme
- Reduzierende Flamme
- Oxidierend
Flammeinstellung - Neutrale Flamme
- Schweißen von Stählen
- Aller Sauerstoff, der für die erste Verbrennungszone benötigt wird, wird aus der Sauerstoffflasche entnommen
- Flamme wirkt weder oxidierend noch reduzierend auf das Material
Flammeinstellung - Reduzierende Flamme
- Geeignet für nicht-Eisen-Metalle
- Es kann zum Eintrag von unverbranntem Kohlenstoff in das Schmelzbad kommen -> Bei Gusseisenschweißen verhindert das die Entkohlung des Materials, Stähle können aufkohlen und aufhärten (i.d.R. unerwünscht)
- Einfluss auf metallurgische Eigenschaften der Schweißverbindung: Martensitbildung
Flammeinstellung - Oxidierende Flamme
- Sauerstoffüberschuss in der ersten Verbrennungsstufe
- Höhere Wärmeeinbringung -> Steigerung der Schweißgeschwindigkeit
- Wird beim Schweißen von Messing eingesetzt
- Abbrand von Legierungselementen -> Schlackebildung
- Gefahr der Porenbildung -> Sauerstoff gelangt ins Schmelzbad und reagiert mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid. Bei schneller Erstarrung bleibt das CO in Form von Poren in der Naht eingeschlossen
Gasschmelzschweißen - Gasdruck
Entsprechend der Anwendung, der zu schweißenden Blechdicke und der Viskosität der Schmelze, wird die Gasausströmgeschwindigkeit angepasst:
„Harte“ Flamme:
- Hohe Ausströmgeschwindigkeit
- Hohe Flammleistung
- Bis zu 200m/s
„Weiche“ Flamme:
- Geringe Ausströmgeschwindigkeit
- 80 – 130m/s
Gasschmelzschweißen
- Wirkquerschnitt und Energiedichte
- Wäremtransportmechanismen
- Schweißbäder
- Gasschmelzschweißen: Flamme weist vergleichsweise großen Wirkquerschnitt bei relativ niedriger Energiedichte auf
- Wärmetransportmechanismen: Wärmeleitung und Konvektion (durch den Strömungsdruck der Flamme bewirkt) -> Großflächige Ausbreitung der Energie in den Grundwerkstoff -> Vergleichsweise große Schmelzbäder
- Schweißbäder können nur durch gezielte Variation der Wärmezufuhr und der Kühlung durch das Eintauchen des Schweißstabes unter Kontrolle gehalten werden
- Große Schweißbäder führen zu vergleichsweise hohem Verzug
Gasschmelzschweißen - 2 verschiedene Arbeitstechniken
Bleche bis ca. 3mm Dicke: Nach-Links-Schweißen
- Schweißzusatz wird in Schweißrichtung gesehen vor der Flamme in das Schmelzbad gegeben
-> Schirmt den noch nicht aufgeschmolzenen Bereich der Schweißnahtvorbereitung von der unmittelbaren Flammeneinwirkung ab
-> Begrenzt den Einbrand in die Tiefe - Regelmäßiges Eintauchen des Schweißstabes in die Schmelze wird dieser nach und nach abgeschmolzen und gleichzeitig die Schmelze gekühlt -> Bleibt gut beherrschbar
- Leichtes Pendeln des Brenners nach links und rechts verteilt die Wärme und nimmt den Flammendruck von der Mitte des Schmelzbades -> Vermeiden des Absackens der Nahtwurzel
Bleche > 3mm Blechdicke: Nach-Rechts-Schweißen
- Schweißzusatz in Schweißrichtung gesehen hinter der nicht gependelten Flamme
- Hoher Strömungsdruck der Flamme
-> Tiefer Einbrand in den Grundwerkstoff
-> Wird beim vollständigen Aufschmelzen des Querschnitts als Schweißöse am vorderen Rande des Schmelzbades sichtbar - Schweißstab wird kreisend abgeschmolzen -> Begrenzt durch kühlende Wirkung die Breite der Naht
Gasschmelzschweißen - Auswirkung der Energiedichte
Je größer die Energiedichte der Energiequelle, desto konzentrierter und lokaler erfolgt die Wärmeeinbringung
- Bei gleicher Leistung der Energiequelle muss weniger Material bis zum Aufschmelzen erhitzt werden -> Insgesamt benötigte Energiemenge sinkt
- Schmelzbäder bleiben schmaler und werden heißer, da die Schmelze zunehmend überhitzt
- Energiedichte kann auch durch den Abstand des Brenners zum Werkstück beeinflusst werden (Brenner weiter weg geringere Energiedichte)
Gasschmelzschweißen - Auswirkung der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs
Je größer die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs (und je größer die Temperaturdifferenz), desto schneller und weiter breitet sich die Wärme im Bauteil aus
- Wirkt dem Effekt einer höheren Energiedichte entgegen leitet die eingebrachte Energie weiter
- Maßgebliche Eigenschaft: Wärmeleitkoeffizient des Grundwerkstoffs
-> Je größer der Wärmeleitkoeffizient, desto schneller und weiter breitet sich die Wärme aus
-> Wärme verteilt sich auf ein größeres Volumen und Wärmeverluste werden größer -> Schmelzbäder werden breiter und „kälter“ - Je besser ein Werkstoff die Wärme leitet, umso höher müssen Energiedichte und Leistung der Wärmequelle sein.
Wärmetransport - Einflussgrößen auf den Wärmetransportmechanismus
- Wärmetransportmechanismen hängen im Wesentlichen von der Energiedichte ab
- Schmelzfluss noch nicht erreicht: Ausschließlich Wärmeleitung im festen Material in die Tiefe des Materials
Wärmetransport - Flüssige Phase
Energiedichte klein:
Wärmeleitung überwiegt -> Flache, breite Einbrände
Energiedichte höher:
Konvenktion zusätzlich zur reinen Wärmeleitung
- Konvektion: Wärmtransport durch Schmelzbadströmung
- Getrieben durch Temperaturgradienten oder durch mechanische Anregung des Schmelzbades (z.B. durch den Strömungsdruck der Energiequelle hervorgerufen)
- Schmelzbadströmungen transportieren heiße überhitzte Schmelze in die Tiefe des Bauteils, wo sie ihre Wärme abgeben und dort zusätzliches Material aufschmelzen
- Effektiver als reine Wärmeleitung -> höhere Einbrände
Energiedichte sehr hoch:
Lokales Verdampfen des Materials unter der Wärmequelle
- Entstehender Dampfdruck verdrängt das umgebende flüssige Metall und öffnet einen Kanal, über den die Wärmequelle sehr effektiv in die Tiefe vordringen kann
- Sehr tiefe und gleichzeitig schmale Nähte
- Tiefenwirkung ist verfahrenstechnisch begrenzt
Wärmetransport - Schweißung besonders dicker Bleche
Sollen dickere Bleche verarbeitet werden, als es möglich ist in das Bauteil einzudringen, müssen andere Wege zum Transport der Wärme gefunden werden
- Nahtvorbereitung beim Schmelzschweißen: Erlaubt durch Wegnehmen von Material den direkten Angriff der Wärmequelle im Bereich der Nahtwurzel.
- Entferntes Material muss bei der Schweißung durch Zusatzwerkstoff wieder aufgefüllt werden
Arbeitssicherheit - Gefährdungen aus dem Arbeitsumfeld und Schutzmaßnahmen (5)
- Lärm: Gehörschutz
- Quetschen, Anstoßen: Sicherheitsschuhe, Kopfschutz
- Schneiden: Handschuhe
- Herumfliegende Teilchen: Schutzbrille
- Abstürzen: Absicherung, Absturzsicherung
Grundsätzlich: Gefährdungen, wo möglich vermeiden, ansonsten Persönliche Schutzausrüstung (PSA)
Arbeitssicherheit - Gefährdungen Schmelzschweißen allgemein und Schutzmaßnahmen (zus. zu Gefährdungen aus dem Arbeitsumfeld)
Hitze
- Verbrennungen: Schweißerschutzanzug, vor heißen Teilen warnen
- Körperliche Belastung: Arbeitsorganisation
Strahlung
- Verbrennung: Schweißerschutzanzug
- Augenschädigung: Schweißermaske, Schweißschirm
Allgemeine Brandgefahr:
- Schweißgenehmigung, Brandwache
Arbeitssicherheit - Verfahrensspezifische Gefährdungen: Gasschmelzschweißen
Brand- und Explosionsgefahr
- Räume ausreichend lüften
- Gasflaschen in gut belüfteten Räumen lagern
- Nie mit reinem Sauerstoff belüften
- Keine Öle und Fette an Sauerstoff führende Teile bringen
- Acetylenflaschen nur stehend verwenden, Acetylendruck begrenzen
- Für Acetylen keine Kupfer oder Messing (> 70% CU) verwenden, Armaturen nicht mit Silberlot löten
- Flammrückschlagssicherungen und Gebrauchsstellenvorlagen verwenden
Arbeitssicherheit
- Vergiftungsgefahr durch CO -> ausreichend lüften
- Erstickung durch CO2 -> ausreichend lüften
- Schweißrauche
- Öle und Beschichtungen entfernen, lüften, Schweißräuche absaugen
Arbeitssicherheit - Verfahrensspezifische Gefährdungen: Untere Explosionsgrenze
- 2,3% Acetylen in Umgebungsluft
- Wird diese überschritten, reichen bereits geringe Energien zur Zündung aus
Gasschmelzschweißen - Flammrückschlagsicherung: Aufgaben (3)
- Vermeiden der Bildung von explosionsfähigen Gemischen in der Gasversorgung
- Löschen von Flammrückschlägen
- Löschen von Flammenrückbränden
Montage in der Entnahmestelle oder am Handstück
Gasschmelzschweißen - Flammrückschlagsicherung: Funktion
Verhinderung des Rückströmens von Gasen (besonders Sauerstoff, der dem Handstück bei höheren Drücken zugeführt wird als das Brenngas) in den jeweils anderen Schlauch:
- Enthält ein Rückschlagventil, das anspricht, wenn sich die Fließrichtung des Gases umkehrt
Verhinderung des Zurückschlagens oder -brennens der Flamme in die Schläuche:
- Zylinder aus porösem Stahl -> Heiße Gase der Flamme werden so weit heruntergekühlt, bis sie nicht mehr in der Lage sind, das nachfließende Gas zu entzünden
- Flammsperre heizt sich dabei auf -> Nach gewisser Zeit kann sie ihre Funktion nicht mehr erfüllen
- Um in diesem Fall ein Weiterlaufen der Flamme zu verhindern, schmilzt ein Kunststoffelement und schließt ein federbelastendes Absperrventil, das den Gasnachfluss endgültig stoppt
Weitere Anwendungsbereiche des Prinzips des Gasschmelzschweißens
- Autogenes Hartlöten/Flammlöten
- Autogenes Brennschneiden
-> Stahl wird durch die Flamme auf Entzündungstemperatur gebracht und dann durch einen konzentrierten Strahl in der Schnittzone verbrannt - Fugenhobeln -> Erstellen von Nuten und Fugen (Prinzip wie Brennschneiden)
Sicherheitsaspekte - Schweißen
Sicherheitseinrichtungen sind zum einen direkt mit der Schweißausrüstung verbunden, um im Falle eines technischen Fehlers schwerwiegende Folgen zu verhindern, andererseits zählt hierzu auch die persönliche Schutzausrüstung (PSA) des Schweißers, welche ihn vor schädlichen Einflüssen des Schweißprozesses schützt.
Sicherheitsaspekte - Brenner
- In der Regel Saugbrenner -> Brenngas wird vom Sauerstoffgasstrom mitgerissen -> Zündreihenfolge beachten!
-> Erst Sauerstoff aufrehen, dann Acetylen
-> Beim Abstellen des Brenners umgekehrte Reihenfolge - Acetylenbrenner weisen verschiedene Griffstücke auf, die für unterschiedliche Gasdrücke und damit Blechdickenbereiche geeignet sind. -> Auf korrekte Auswahl achten!
Sicherheitsaspekte: PSA-Schutzbrille
Thermisch emittierte IR-Strahlung birgt die Gefahr einer schleichenden Trübung der Augenlinsen (Feuerstar). Im Gegensatz zur sehr intensiven UV-Strahlung beim Lichtbogenschweißen führt die IR-Strahlung, beispielsweise des glühenden Werkstücks nicht zu einem reflexartigen Verschließen der Augen.
Sicherheitsaspekte: Gasflasche - Lagerung von Acetylen
- Explosionsartiges Zersetzen unter hohen Drücken -> Poröse Calciumsilicathydrat-Füllung um große Mengen bei niedrigen Drücken zu speichern.
- Bei Brand besonderes Vorgehen erforderlich, da Zersetzungsprozess zeitverzögert auftreten kann
- IGV Merkblatt zur Verhütung von Acetylenflaschen-Explosionen beachten
- Nicht in geschlossenen Räumen lagern
Flammrichten
-
Formänderung durch schnelle lokale Erwärmung
-> Schnelles lokales Erwärmen führt zur Absenkung der Streckgrenze und plastischer Verformung - Anschließende Abkühlung und Schrumpfung führt zu gewünschter Verformung
- Anwendbar bei allen schweißgeeigneten Werkstoffen
- Anwendungsgebiete
-> Stahlbau
-> Maschinenbau
-> Schweißtechnik (Ausgleich von Schweißverzug)
Brennschneiden/Fugenhobeln
„Verbrennen“ des Werkstoffs zum Schneiden dicker Bleche
- Material wird auf Zündtemperatur erwärmt
- Fokussierter Sauerstoffstrahl führt zum Verbrennen des Werkstoffs
- Verbrennungswärme führt zu selbstverstärkendem Effekt
-
Voraussetzungen:
-> Tzünd < Tschmelz
-> geringe Wärmeleitfähigkeit
-> dünnflüssige Schlacke - Materialien: Hauptsächlich Baustahl, reaktive Metalle
- Anwendung im Schiffbau, Stahlbau, Maschinenbau, Schweißtechnik (Nahtvorbereitung)
Autogenbrennschneiden und Fugenhobeln vom Prinzip gleicher Prozess
- Allein Brenneranstellung macht den Unterschied
- Fugenhobeln: Brenner wird fast parallel zur Werkstückoberfläche angestellt geringer Einbrand und definierter Materialabtrag
Flammwärmen
Thermische Vor- und Nachbehandlung des Bauteils
- Örtliche Warmformgebung
- Vor- und Nachwärmen beim Schweißen z.B. um Aufhärtung zu vermeiden
- Glühbehandlung z.B. um Wasserstoffeffusion bei hochfesten Stählen zu ermöglichen
