Das Unterpulverschweißen wird für das automatisierte Schweißen langer Nähte eingesetzt. Die hohe Abschmelzleistung des Verfahrens macht es in der Anwendung verhältnismäßig günstig und beschleunigt den Arbeitsprozess. Das Unterpulverschweißen, kurz auch UP-Schweißen genannt, ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem der Schweißlichtbogen unsichtbar zwischen einer endlosen Elektrode und dem Werkstück brennt.
Der Lichtbogen bringt durch seine hohe Temperatur die Werkstoffe zum Schmelzen. Über der Nahtstelle befindet sich ein Schweißpulver aus bestimmten Materialien – auch das wird zum Schmelzen gebracht. Es schwimmt anschließend auf der Oberfläche des Schmelzbads, da es leichter als die Metallschlacke ist.
Durch das verflüssigte Pulver wird das Schmelzbad selbst vor der Luft geschützt und zugleich dem Entweichen von Wärme vorgebeugt. Daher auch die hohe Abschmelzleistung. Der Nachteil dabei ist, dass eine Sichtkontrolle der entstehenden Schweißnaht aufgrund der Pulverschicht nicht mehr möglich ist – gleichzeitig ist damit aber auch das Schweißen ohne Schutzgas möglich.
Beim Unterpulverschweißen verwendet man auch Zusatzwerkstoffe. Dafür dient die Draht- bzw. Bandelektrode. Diese wird automatisch nachgeführt. Darüber hinaus wird auch das Pulver automatisch auf die Schweißstelle aufgebracht. Ein Kontaktrohr überträgt den Strom auf die Elektrode, wobei der Lichtbogen entsteht. Dieser brennt in einer Kaverne und ist von dem geschmolzenen Pulver umgeben. Der verwendete Strom bewegt sich im Bereich von 600 bis 800 Ampere, was ebenfalls die Abschmelzleistung verbessert.
Für das Unterpulverschweißen stehen insgesamt 4 verschiedene Verfahren zur Verfügung.
Was ist Unterpulver-Eindrahtschweißen?
Das Unterpulver-Eindrahtschweißen ist das am häufigsten verwendete Verfahren des Unterpulverschweißens. Dabei kommen Massiv- und Fülldrähte zum Einsatz. Deren Durchmesser bewegt sich im Bereich von 2,0 bis 4,0 mm. Sind die zu verschweißenden Bleche sehr dünn und soll eine höhere Geschwindigkeit erreicht werden, dann ist auch die Verwendung von Drähten möglich, deren Dicke zwischen 1,2 und 1,6 mm liegt.
In den meisten Fällen arbeitet man mit Gleichstrom. Die Elektrode weist darüber hinaus oftmals ein Stickout auf – ein feines Endstück mit einer Länge von 20 bis 40 mm. Mit einem kleineren Durchmesser erreicht man eine höhere Abschmelzleistung bei gleichbleibendem Strom, damit erhöht sich die Stromdichte. Darüber hinaus bedeuten dünnere Drähte auch schmalere Schweißnähte und einen tieferen Einbrand.
Was ist Unterpulver-Doppeldrahtschweißen?
Das Unterpulver-Doppeldrahtschweißen ist auch als Twinschweißen bekannt. Dabei kommen zwei Drahtelektroden zum Einsatz. Diese weisen beide nur einen geringen Durchmesser auf – der Abstand zwischen ihnen beträgt maximal 15 mm. Auch sind beide mit die gleichen Stromquelle verbunden.
Der Schweißkopf hält die Drähte in einer Doppelantriebsrolle. Der Lichtbogen zwischen den beiden Drähten erlaubt es, eine Abschmelzleistung zu erreichen, die etwa 30 % über der des Eindrahtschweißens liegt. Werden Fülldrähte eingesetzt, steigt die Abschmelzleistung noch mehr. Das erhöht gleichzeitig die Schweißgeschwindigkeit für das Kehlnahtschweißen. Die entstehenden Schweißnähte sind sehr stabil und Spalten können dabei sehr gut überbrückt werden.
Was ist Unterpulver-Bandschweißen?
Das Unterpulver-Bandschweißen ähnelt in seinem Prinzip dem Unterpulver-Eindrahtschweißen. Dabei verwendet man nur eine Elektrode. Anstatt jedoch eines Drahtes, kommt ein Band zum Einsatz. Ist das Band breiter, können damit sogar mehrere parallele Lichtbögen erschaffen werden. In der Anwendung erfolgt das Abschmelzen des Werkstoffes durch einen Lichtbogen, der an der Kante des abzuschmelzenden Materials pendelt. Mit dem Unterpulver-Bandschweißen plattiert man hochlegierte Werkstoffe.
Was ist Unterpulver-Tandemschweißen?
Das Unterpulver-Tandemschweißen ermöglicht es, die Abschmelzleistung und damit die Schweißgeschwindigkeit noch weiter zu erhöhen. Damit ist es möglich, bis zu 6 Elektroden, die aufeinander folgen, gleichzeitig einzusetzen. Normalerweise kommen jedoch nur 2 oder 3 Drahtelektroden zum Einsatz.
Für gewöhnlich haben die Elektroden einen Durchmesser von 3,0 bis 5,0 mm. Jede der Elektroden besitzt ihre eigene Stromquelle. Ist der Abstand zwischen den Elektroden größer, erzeugt jede einzelne ihren eigenen Lichtbogen. Der Draht wird dabei mit einer jeweils eigenen Vorschubeinheit nachgeführt. Die erste Drahtelektrode erlaubt einen großen Einbrand. Die nachfolgenden Drähte füllen dann die Fugen der Naht aus. Die letzte Drahtelektrode bearbeitet die Naht nach. Dabei entstehen breite Schweißnähte mit einer glatten Oberfläche. Der Lichtbogen an der ersten Stelle arbeitet mit Gleichstrom, die nachfolgenden Lichtbögen werden mit Wechselstrom erzeugt.
Was ist Unterpulverschweißen und seine Einsatzgebiete?
Das Unterpulverschweißen wird für das Bearbeiten von legierten und unlegierten Stählen in diesen Bereichen eingesetzt:
- Stahlbau
- Schiffsbau
- Brückenbau
- Behälterfertigung
Ab einer Blechdicke von 6,0 mm ist das Unterpulverschweißen gegenüber anderen Schweißverfahren wirtschaftlicher. Neben dem Herstellen von Verbindungen lassen sich damit auch Korrosionsschutz- und Verschleißschutzschichten aufbringen. Dank der hohen Abschmelzleistung und der Automatisierung kann man auch längere Schweißnähte in einem Durchgang setzen.
Wie erfolgt das Prinzip des Unterpulverschweißens in der Anwendung?
Aus einem Zuflussrohr wird das Pulver auf die zu verschweißende Stelle aufgetragen. Direkt danach kommt die leitfähige Düse, über die der Draht in das Pulver auf die Schweißstelle geführt wird. Eine Stromquelle ist mit der Düse verbunden, über die der Strom nun fließen kann. Der Lichtbogen brennt innerhalb einer Kaverne im Flussmaterial, dem Pulver. Alle Geräte sind auf einen Wagen montiert, der sich bei der Arbeit vorwärtsbewegt und so die Schweißnaht erzeugt.
Was sind die Vorteile des Unterpulverschweißens?
Während das Aufbringen von Pulver und das Schweißen innerhalb dieser Schicht aufwendig erscheint, bewirkt das Verfahren in der Praxis das Gegenteil. Hier sind die Vorteile, die sich mit dem Unterpulverschweißen ergeben:
- Hohe Produktivität: Die kurze Abzugslänge der Düse erlaubt es, einen größeren Stromfluss einzusetzen. Das Flussmittel isoliert und beugt einem Wärmeverlust vor. Das erhöht den thermischen Wirkungsgrad und die Abschmelzleistung. Zugleich ist die Eindringtiefe der Schweißnaht sehr groß. Insgesamt ermöglicht dies eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit.
- Gute Qualität der Schweißnaht: Das Flussmittel und die Schlacke schützen das Schmelzbad vor Kontakt mit der Luft. Somit hat auch eine windige Umgebung keinen Einfluss auf das Schweißergebnis. Die Schweißparameter lassen sich automatisch anpassen, um einen stabilen Lichtbogen zu erhalten. Das Schmelzbad hat eine längere Kristallisationszeit, so dass die Schweißnaht glatter, schöner, ohne Defekte und insgesamt stabiler ist.
- Weniger Schweißmaterial und Energie: Aufgrund der höheren Einbrandtiefe benötigt das Unterpulverschweißverfahren gegenüber dem Schutzgasschweißen keine so große Nut. Damit braucht man weniger Füllmaterial. Auch verkürzt sich die Bearbeitungszeit, was Energie spart. Das Flussmaterial konzentriert die Wärme des Lichtbogens. Darüber hinaus verdampft und verspritzt das Metall weniger.
- Auch dicke Bauteile können geschweißt werden: Aufgrund der hohen Einbrandtiefe und der hohen Abschmelzleistung kann man auch dickere Bauteile miteinander verbinden.
- Bessere Arbeitsbedingungen: Aufgrund der Automatisierung sind die Arbeitsbedingungen viel besser. Darüber hinaus entfällt die Strahlung des Lichtbogens, da dieser abgedeckt ist, und die Rauchentwicklung.
Was sind die Nachteile des Unterpulverschweißens?
Das Unterpulverschweißen verlangt nach hohen Standards in der Montage und Verarbeitung. Es lässt sich nur in horizontaler Lage oder in einer leicht geneigten Position ausführen. Damit lassen sich nur lange Nähte setzen. Auch bestehen gegenüber dem Aluminium-Schweißen Einschränkungen: Das Setzen von Rundnähten mit einem nur geringen Durchmesser und der Einsatz in eingeengten Umgebungen ist beim Unterpulverschweißen nicht möglich. Darüber hinaus kann man keine dünnen Bleche schweißen. Auch benötigt man einen Stromfluss mit mindestens 100 Ampere, um eine ausreichende Stabilität des Lichtbogens zu garantieren.
Wie wählen Sie das richtige Flussmittel und den richtigen Schweißdraht?
Soll das Unterpulverschweißen die besten Ergebnisse bringen, dann ist die Verwendung des richtigen Drahtes und Flussmittels entscheidend. Das Flussmittel schützt nicht nur das Schweißbad. Es beeinflusst auch die mechanischen Eigenschaften der entstehenden Schweißnaht und die Geschwindigkeit, mit der die Naht erstellt wird.
Das richtige Flussmittel finden
Für das Flussmittel gibt es zwei Faktoren, die beachtet werden müssen: die Stromtragefähigkeit und die Schlackenfreisetzung. Die Strombelastbarkeit entscheidet über die Effizienz der Arbeiten und das Schweißprofil. Die Schlackenfreisetzung richtet sich nach der Schweißkonstruktion, für die sie geeignet ist. Sowohl reaktive als auch neutrale Pulver können als Flussmittel verwendet werden. Die neutralen Flussmittel verändern nicht die chemische Zusammensetzung der Schweißnaht. Die reaktiven Flussmittel dagegen reagieren mit den Werkstoffen und verändern deren chemische Eigenschaften.
Was ist Flussmittel-Pulver?
Aktive Flussmittel enthalten Mangan und Silizium. Damit lässt sich die Zugfestigkeit der Schweißnaht auch bei einem höheren Wärmeeintrag sicherstellen. Auch bleibt die Schweißnaht damit auch bei höheren Bewegungsgeschwindigkeiten der Schweißapparate glatt. Schlussendlich sorgen beide Stoffe dafür, dass eine gute Menge an Schlacke freigesetzt wird.
Reaktive Flussmittel sind dazu geeignet, das Risiko einer schlechten Qualität der Schweißnaht zu verringern. Sie sind jedoch mehr für Schweißungen in Einzel- und Zweilagen geeignet. Neutrale Flussmittel sind dagegen besser, wenn Mehrlagenschweißnähte gesetzt werden. Sie helfen, spröde Schweißnähte, die leicht reißen, zu verhindern.
Für den Draht gibt es eigene Optionen, die hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile abgewogen werden müssen. Hier muss man die Drahtchemie und den Wärmeeintrag beachten, die beide einen erheblichen Einfluss auf die Schweißnaht und ihre Qualität ausüben. Verwendet man einen Metallfülldraht, kann dies die Arbeitseffizienz um 15 % bis 30 % steigern. Zugleich wird im Vergleich zum Massivdraht eine Schweißnaht entwickelt, die weniger tief eindringt und dafür breiter ausfüllt. Mit einem Metallfülldraht kann eine höhere Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden, wobei auch die Wärmezufuhr reduziert werden kann. Das wiederum senkt das Risiko eines Durchbrennens oder eines Schweißverzuges.
Wie erfolgt das Unterpulverschweißen in der Ausführung?
Das Ergebnis des Unterpulverschweißens steht und fällt mit der richtigen Vorbereitung. Hierfür müssen die Schweißparameter festgelegt und das Werkstück entsprechend den Erfordernissen präpariert werden.
Die Rillen vorbereiten
Die Rillen für das Schweißen richten sich nach der Dicke der Stahlbleche. Ist das Stahlblech weniger als 14 mm dick, kann von dem Einbringen von Nuten abgesehen werden. Liegt die Dicke jedoch darüber, sind Nuten erforderlich, um eine entsprechend feste Schweißnaht zu ermöglichen. Nuten kann man mit Brennschneidern, Kohlefugenhobeln oder Kantenhobeln herstellen. Sie müssen gerade sein und der Form für das Material und Schweißverfahren entsprechen.
Wie reinigen Sie den Schweißbereich?
Die Nut und der gesamte Schweißbereich müssen in einer Breite von 20 bis 50 mm auf jeder Seite gereinigt werden. Dabei ist es wichtig, Ätzungen, Feuchtigkeit, Oxide, Öl und alles andere zu entfernen. Für das Reinigen lassen sich tragbare Schleifmaschinen, Poliermaschinen, Drahträder, Drahtbürsten, Kugelstrahler und das Flammenbrennen nutzen.
Die Schweißteile
Die zu schweißenden Stücke müssen genau so zusammengelegt werden, wie sie später verbunden sein sollen. Dabei ist auf die richtigen Spaltmaße und ebene Oberflächen zu achten. Auch müssen Fluchtungsfehler vermieden werden.
Draht und Flussmittel
Der Schweißdraht und das Flussmittel sind beide an der metallurgischen Reaktion, die beim Schweißen stattfindet, beteiligt. Daher muss sichergestellt werden, dass der Schweißdraht gereinigt und das Flussmittel trocken ist. Kommt der Schweißdraht mit einer Kupferbeschichtung, muss man Öl und andere Verunreinigungen der Oberfläche beseitigen. Für saure Flussmittel gilt, dass sie zuerst bei 250 °C getrocknet und anschließend für 1 bis 2 Stunden warmgehalten werden müssen. Fluoridhaltige Flussmittel eignen sich nur für Gleichstrom und müssen bei 300 bis 400 °C getrocknet werden.
Wie wählen Sie den Schweißparameter?
Als erstes muss man den Schweißstrom auswählen. Dieser bestimmt über die Tiefe der Naht. Nimmt der Schweißstrom zu, steigt die Einbrandtiefe und die Stärke der Schweißnaht. Ein höherer Schweißstrom bewirkt auch eine höhere Produktivität, doch ab einer bestimmten Schweißgeschwindigkeit bedeutet ein zu hoher Strom, dass zu viel Wärme eingebracht wird – Fehler wie Schweißklumpen und Durchbrennen können entstehen. Ist der Schweißstrom zu gering, fällt die Eindringtiefe zu gering aus, was Schlackeneinschlüsse und eine schlechte Qualität der Schweißnaht bewirkt.
Die Schweißspannung
Die Schweißspannung beeinflusst die Breite des Schmelzbades. Eine höhere Spannung bedeutet eine geringere Einbringtiefe, die Breite der Naht nimmt zu. Wird die Schweißspannung zu hoch gewählt, wird mehr Flussmittel abgeschmolzen, was den Lichtbogen instabil macht und Defekte sowie Poren bewirkt. Daher muss mit einer höheren Schweißspannung auch ein höherer Schweißstrom einhergehen.
Die Schweißgeschwindigkeit
Die Schweißgeschwindigkeit beeinflusst die Tiefe und die Breite des Einbrands. Wird die Schweißgeschwindigkeit erhöht, nehmen sowohl Einbrandtiefe als auch -breite ab. Um einen ausreichenden Einbrand zu erhalten, müssen mit der Schweißgeschwindigkeit auch Strom und Spannung erhöht werden. Ist die Schweißgeschwindigkeit hingegen zu gering, fällt das Schmelzbad zu groß aus, was Überlaufen, grobe Schweißnaht und Schlackeneinschlüsse bewirkt.
Welchen Durchmesser braucht der Schweißdraht?
Ein Schweißdraht mit einem geringeren Durchmesser bewirkt einen tieferen Einbrand. Für die Drahtlänge gilt: mehr Länge bedeutet mehr Widerstand. Im Allgemeinen wird mit einer Drahtlänge von 30 bis 40 mm gearbeitet. Ist die Überstandlänge zu gering, kann die Hitze des Lichtbogens auch die leitfähige Düse beschädigen.
Welchen Neigungswinkel des Drahtes zum Werkstück?
Für das Eindraht-Unterpulverschweißen steht der Draht für gewöhnlich senkrecht zum Werkstück. Für das Zwei- und Dreidrahtschweißen hat jeder Draht eine eigene Funktion und damit einen entsprechenden Neigungswinkel. Ist der Draht nach vorn geneigt, fällt der Einbrand geringer aus. Ist der Draht nach hinten geneigt, ist der Einbrand tiefer und die Schweißnaht wird tief und schmal.
Wie sollen Dichte und Granularität des Flussmaterials sein?
Ist die Schicht aus dem Flussmittel nicht dicht genug, wird der Lichtbogen nur unzureichend geschützt. Es kann sogar zu einem offenen Lichtbogen kommen. Eine normale Dicke der Schicht liegt bei 20 bis 30 mm. Für einen Schweißstrom von 600 Ampere sollte die Körnung bei 0,25 bis 1,6 mm liegen. Für 1200 Ampere ist eine Körnung von 0,4 bis 2,5 mm zu empfehlen und bei mehr als 1200 Ampere sollte die Körnung bei 1,6 bis 3,0 mm liegen.
Wie funktioniert das einseitige Schweißen bei beidseitiger Ausbildung?
Für das einseitige Schweißen mit beidseitiger Ausbildung der Schweißnaht muss das Werkstück auf einer Unterlage mit dem Flussmittel befestigt sein. Dabei ist zu beachten, dass immer ein enger kontakt von Werkstück und Flussmittel vorhanden ist. Hier ist es wichtig, über eine Plattform und einen Druckrahmen für ein gleichmäßiges Pressen zu sorgen, damit die Schweißnaht nicht hängt.
Wie funktioniert doppelseitiges Unterpulverschweißen?
Für Stumpfschweißungen wird meistens doppelseitig geschweißt. Damit lassen sich mittlere bis dicke Bleche verbinden. Dabei werden die Werkstücke auf einem Flussmittelkissen auf einer Seite verschweißt und nach dem Umdrehen auf der anderen Seite nach einer Reinigung verbunden.
Für das beidseitige Schweißen kann mit einer Trägerplatte gearbeitet werden – gewöhnlich ein Stahlband mit einer Stärke von 3 bis 4 mm und einer Breite von 30 bis 40 mm. Eine andere Methode ist das Aufhängen für das doppelseitige Schweißen. Der Spalt zwischen beiden Werkstücken sollte nur 1 mm oder weniger betragen. Das Schweißen auf der Vorderseite wird so eingestellt, dass dabei weniger als die Hälfte der Dicke der Werkstücke als Einbrandtiefe erreicht wird. Nach dem Umdrehen wird dann der Schweißstrom so ausgerichtet, dass nun 60 % bis 70 % der Dicke der Werkstücke verschweißt werden.
Wie funktioniert das Stumpfschweißen dicker Bleche?
Werden dicke Werkstücke im Mehrlagenschweißverfahren verbunden, beträgt der Querschnitt der Schweißraupe nur 70 % der Dicke. Für die Rillenform gilt: Bei einer Dicke der Schweißnähte von 22 bis 36 mm gewöhnlich V-Form, ab einer Dicke von mehr als 38 mm sollte mit U-förmigen, UV-förmigen oder Doppel-U-förmigen Nuten gearbeitet werden.
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Häufige Fragen zum Unterpulverschweißen
Das Eindrahtschweißen ist das einfachste und häufigste UP-Verfahren mit einer einzelnen Drahtelektrode. Das Tandemschweißen setzt dagegen 2 bis 6 aufeinanderfolgende Elektroden ein, jede mit eigener Stromquelle. Das ermöglicht eine deutlich höhere Abschmelzleistung und Schweißgeschwindigkeit, ist aber auch technisch aufwändiger.
Ab einer Blechdicke von 6,0 mm ist das Unterpulverschweißen gegenüber anderen Schweißverfahren wirtschaftlicher. Für dünnere Bleche ist es wegen des Mindeststroms von 100 Ampere und der eingeschränkten Positionsmöglichkeiten nicht geeignet.
Nein. Das Unterpulverschweißen lässt sich nur in horizontaler Lage oder in einer leicht geneigten Position ausführen. Das Schweißen in Zwangslagen oder eingeengten Umgebungen ist nicht möglich. Das ist einer der wesentlichen Nachteile gegenüber manuellen Lichtbogenschweißverfahren.
Es werden Draht- oder Bandelektroden sowie ein Schweißpulver (Flussmittel) verwendet. Das Flussmittel kann aktiv, reaktiv oder neutral sein und beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht. Die Wahl des richtigen Drahtes und Flussmittels ist entscheidend für Qualität und Produktivität.
Das Unterpulverschweißen kommt hauptsächlich im Stahlbau, Schiffsbau, Brückenbau und in der Behälterfertigung zum Einsatz. Es ist besonders für das Schweißen langer, gerader Nähte an legierten und unlegierten Stählen geeignet.