Schweißspritzer-Ursache: MSG-Schweißen und Lichtbögen

von Prof. Emil Schubert verfasst am 06.07.2021 09:21:58
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Das Metall-Schutzgas-Schweißverfahren – abgekürzt auch MSG-Schweißen oder MIG/MAG-Schweißen genannt – ist mit Abstand das in der Schweißtechnik am häufigsten angewandte und am weitesten verbreitete Schweißverfahren. Auf der Suche nach der Schweißspritzer-Ursache landet man bei diesem Verfahren einen sprichwörtlichen Volltreffer. Während beim WIG-Schweißen und Plasmaschweißen nahezu keine Schweißspritzer entstehen, geht MSG-Schweißen nie ganz ohne Spritzerbildung einher. Dabei mag die Frage entstehen, warum man nicht generell WIG- oder Plasmaschweißen anwendet, wenn man Schweißspritzer so weit wie möglich vermeiden möchte. Für die Antwort hierauf muss man ein wenig tiefer in den Prozess des MIG/MAG-Schweißens eintauchen und sich die Schweißspritzer-Ursache genauer anschauen.

Warum MIG/MAG-Schweißen?

Weshalb in der Schweißtechnik das MSG-Schweißverfahren am häufigsten beim Fügen von Blechen angewandt wird, hat primär ökonomische Gründe: Mit dem Metall-Schutzgas-Schweißverfahren erreicht man eine bessere Abschmelzleistung des Zusatzwerkstoffs und eine höhere Schweißgeschwindigkeit im Vergleich zu WIG-Schweißen und Plasmaschweißen. Dies liegt auch an den drei Lichtbogenarten, die beim MIG/MAG-Schweißen eingesetzt werden. Dazu später mehr.

Aufgrund der Spritzerbildung ist das MSG-Schweißverfahren jedoch nicht geeignet, sobald beim Ergebnis eine einwandfreie Optik im Vordergrund steht. Nachträgliches Entfernen von Schweißspritzern ist zeitaufwendig und teuer. Bei manchen Metallen wie Edelstahl möchte man Nacharbeit unbedingt vermeiden, da jeglicher mechanische Eingriff das Oberflächenbild zerstören kann. Möchte man möglichst wenig Nacharbeit haben und spielt auch Zeit keine maßgebende Rolle, sind das WIG- oder das Plasmaschweißverfahren die erste Wahl.

Was passiert beim MSG-Schweißen? Warum nutzt man unterschiedliche Lichtbögen beim MIG/MAG-Schweißen? Und welchen Einfluss haben diese auf die Schweißspritzer-Ursache?

Der Prozess des MSG-Schweißens ­– in Kürze erklärt

Beim Metall-Schutzgasschweißen wird unter großer Hitzeeinwirkung ein Zusatzstoff in Form eines endlosen Schweißdrahts unter einer Schutzgasabdeckung abgeschmolzen. Die erforderliche Energie zum Schmelzen des Zusatzwerkstoffs wird dabei über einen sogenannten Lichtbogen erzeugt. Bei diesem Lichtbogen handelt es sich um ionisiertes Schutzgas, d. h. bei Zündung des Lichtbogens entstehen so hohe Temperaturen, dass sich das neutrale Schutzgas in positiv geladene Atomrümpfe und negativ geladene Elektronen zersetzt. Da das Werkstück meist am negativen Pol des Schweißkreises anliegt, bildet sich zwischen der Drahtspitze und dem Werkstück eine Lichtbogensäule. In dieser wird der Draht dann abgeschmolzen und in das Schweißbad transportiert.

Dabei gibt es abhängig von den verwendeten Schutzgasen und den Stromstärkebereichen unterschiedliche Lichtbogenarten.

Die durch das Gas gebildete Schutzgasglocke verhindert Schweißfehler wie beispielsweise, dass Sauerstoff, Wasserstoff und andere Partikel aus der Umgebungsluft die Schweißstelle verunreinigen und ungewünschte Reaktionen verursachen wie Porenbildung, Risse oder den Einschluss von Partikeln.

Unter der Schutzgasglocke füllt der schmelzflüssige Draht die zu verbindende Fuge zwischen zwei Blechen bzw. Bauteilen. Die geschweißte Stelle kühlt ab und schafft eine dauerhafte Verbindung der beiden Werkstücke. Dies ist der erwünschte Ablauf.

Verfahrensübersicht_MSG_Prozessprinzip

Beim MIG/MAG-Schweißen werden in der Schweißtechnik verschiedene Lichtbogenarten angewandt, die von der Dicke der zu schweißenden Bleche abhängen sowie von der Geschwindigkeit, die beim Schweißen erzielt werden soll. Dies sind die drei gängigsten Lichtbogenarten:

  • Kurzlichtbogen
  • Sprühlichtbogen
  • Impulslichtbogen

Lichtbogenarten und die Schweißspritzer-Ursache

Über 90 Prozent aller Anwendungen werden mit Kurzlichtbogen, Sprühlichtbogen oder Impulslichtbogen geschweißt.

Der Kurzlichtbogen

Charakteristisch für das MSG-Schweißen mit einem Kurzlichtbogen ist der Kurzschluss, der immer dann stattfindet, wenn ein Stück Draht schmelzflüssig auf das Schmelzbad übergeht. Dieses ist ein nicht kontrollierbarer Vorgang und somit ein stark spritzerbehafteter Prozess. Mit dem Kurzlichbogen kommt es regelmäßig vor, dass einer der übergehenden Drahttropfen aufplatzt und als Schweißspritzer neben dem Schweißbad landet. Durch einen sogenannten geregelten Kurzlichtbogen kann man diesen Prozess maßgeblich verbessern. Beispiele für einen geregelten Kurzlichtbogen in der Schweißtechnik sind Marken* wie Cold Steel (CMT = Cold Metal Transfer), Cold Arc und Steel Root, die zwar jeder für sich spezielle Eigenschaften haben, doch alle den Kurzschlussstrom begrenzen und den Spritzereffekt sehr stark unterdrücken. Ohne geregelten Kurzlichtbogen ist der Kurzlichtbogenprozess also generell sehr stark spritzerbehaftet.

MSG_Lichtbogen-1Der Kurzlichtbogen wird meist beim Schweißen dünnerer Bleche bis ca. 2 mm und bei niedrigeren Schweißstromstärken bis maximal 200 Ampere eingesetzt.

Der Sprühlichtbogen

Müssen dickere Bleche ab ca. 2 mm geschweißt werden, steigen auch die Stromstärken, um einen tiefen Einbrand zu gewährleisten. Für diesen oberen Leistungsbereich bei 200 bis 500 Ampere arbeitet man mit dem Sprühlichtbogen, der ohne Kurzschlussunterbrechung brennt. Der Schweißdraht wird unter hoher Leistung angeschmolzen und in sehr feine Tröpfchen verteilt. Gelangen diese Tröpfchen in das Schweißbad, spricht man von einem spritzerarmen Prozess. Allerdings fliegen einige davon sehr fein und regelmäßig verteilt neben das Schweißbad, was durchaus eine beträchtliche Menge an Schweißspritzern sein kann.Spruehlichtbogen_auf_flachem_Bauteil-1Beispiele für einen Sprühlichtbogen sind unter anderem die Marken Power Steel und Fast Steel, die auch eine höhere Schweißgeschwindigkeit erlauben und zusätzlich vergleichsweise spritzerarm sind. Durch die höhere Schweißgeschwindigkeit erfolgt auch ein geringerer Wärmeeintrag in das Werkstück, was wiederum dessen Verzug verringert.

Der Impulslichtbogen

Unter den MSG-Verfahren ist der Impulslichtbogen der Lichtbogen, mit dem man am besten den Schweißprozess kontrollieren kann. Das Verfahren eignet sich am besten für Bleche mit einer Stärke von 0,5 bis 4 mm. Beim Impulslichtbogen wechseln sich nach vorgegebener Frequenz und Impulszeit Grundstrom und Impulsstrom ab. Hierbei wird die Stromstärke entsprechend hochgefahren bis der Draht anschmilzt und genau ein Tropfen übergeht, jedoch ohne einen Kurzschluss zu verursachen. Bei jedem Impuls geht somit ein flüssiger Tropfen ins Schmelzbad über. Theoretisch fällt jeder Tropfen ins Schmelzbad und es entstehen bei diesem Vorgang normalerweise keine Schweißspritzer. In der Praxis kommt es allerdings vor, dass zwischen einzelnen Impulsen unbeabsichtigt Kurzschlüsse entstehen. Manchmal zieht sich solch ein Schweißtropfen nämlich so lang, dass er sich vom Drahtende noch nicht abgelöst hat, unten jedoch bereits das Schweißbad berührt. Es kommt zu einer leitenden Verbindung zwischen Draht und Schweißbad und schließlich zum Kurzschluss. In Folge platzt dieser Tropfen auf, was wiederum vermehrte Spritzeranhaftung nach sich zieht wie bei einem einzelnen Kurzlichtbogen.

Impuls

Bei der Suche nach der Schweißspritzer-Ursache sind also die drei Lichtbogenverfahren Kurzschlusslichtbogen, Sprühlichtbogen und Impulslichtbogen zu betrachten. Sie geben Aufschluss darüber, wie grundsätzlich die Spritzerbildung stattfindet und wie häufig sie vorkommt.

Optik oder Geschwindigkeit – wann nutzt man welchen Lichtbogen?

Für eine optisch schöne und qualitativ sehr hochwertige Schweißnaht bei dünnen Blechen ist der Impulslichtbogen die erste Wahl. Die Abschmelzleistung ist bei diesem Lichtbogen allerdings nicht sehr hoch, denn hier werden im Vergleich zum Sprühlichtbogen pro Stunde weniger Kilogramm Draht in die Schweißfuge gebracht. Aus diesem Grund werden dicke Bleche generell mit dem Sprühlichtbogen geschweißt. Auch sind die Schweißstromquellen bzw. Schweißgeräte, wie diese umgangssprachlich oft genannt werden, durch die zusätzlich benötigte Impulsregelung teurer, denn es müssen viele weitere Parameter eingestellt werden. Eine günstige Variante für dünne Bleche ist ein Kurzlichtbogen, der keiner aufwendigen Regelung bedarf – allerdings entsprechend hohe Spritzerbildung aufweist.

Möchte man mit einem Kurzlichtbogen die Spritzerbildung beherrschen und entsprechend einschränken können, gelingt dies durch geregelte Kurzlichtbögen. Die Schweißstromquellen hierzu sind allerdings ebenfalls teurer, weil diese entsprechend mit einer zusätzlichen elektronischen Regelung ausgestattet sein müssen.

Vorteil: die Schweißspritzer-Ursache kennen

Letztendlich kommt es bei der Wahl des Schweißlichtbogens immer darauf an, welche Ansprüche der Anwender hat. Sind die Qualitätsanforderungen weniger hoch und kann auf eine Nacharbeit verzichtet werden, ist Spritzerbildung nicht problematisch. Wird ein Werkstück nach dem Schweißen noch weiterverarbeitet durch zum Beispiel Lackieren, ist das nachträgliche Entfernen von Spritzern mühsam, zeit- sowie kostenintensiv.

Das am häufigsten geschweißte Material in der Schweißtechnik ist Baustahl, der bekannterweise zu hoher Spritzerbildung neigt. Bei Edelstählen ist die Schmelze ein wenig dickflüssiger, was die Spritzerbildung bereits herabsetzt. Beim Schweißen von Aluminium fallen ebenfalls viele Spritzer an, allerdings wird dabei mit Wechselstrom oder Impulsschweißen gearbeitet, was die Spritzerhäufigkeit wiederum reduziert.

Die Wahl der Lichtbogenart ist eine technisch-wirtschaftliche Entscheidung. Wer die Schweißspritzer-Ursachen kennt, kann gezielt mit der richtigen Technik gegensteuern – oder sein Werkstück und den Schweißbrenner mit speziellen Trennmitteln vor Spritzeranhaftung schützen.

Spritzeranhaftung vermeiden mit Schweißtrennmitteln

Selbst unter besten technischen Voraussetzungen lassen sich Schweißspritzer beim MIG/MAG-Schweißen nicht vollständig verhindern. Um Spritzeranhaftung möglichst zu vermeiden, sind Schweißtrennmittel als Vorbehandlung für Werkstück, aber auch für die Verschleißteile am Schweißbrenner bzw. Brennerhals und auch die Spannelemente sehr zu empfehlen. Aufgetragen auf das Werkstück lässt der durch das Trennmittel entstandene Schutzfilm umherfliegende Partikel aus dem Schweißprozess abprallen bzw. nur leicht anhaften. Aufgesprüht auf Spannvorrichtungen, ist auch hier durchweg eine sichere Aufnahme und Entnahme des Werkstücks gewährleistet. Auch auf das Frontend des Schweißbrenners können Trennmittel aufgesprüht werden, um die Verschleißteile Gasdüse, Stromdüse und Gasverteiler vor Spritzeranhaftung optimal zu schützen.

Setzen sich Partikel an der Innenwand der Gasdüse und am Gasverteiler ab, gibt es Störungen in der Gasabdeckung. Ein Spritzeraufbau an der Stromdüse führt zu Drahtrückbrennern bzw. Drahtfestbrennern. Bildet sich zwischen Gasdüse und Stromdüse eine sogenannte Spritzerbrücke, führt dies zum Kurzschluss und der Schweißbrenner in seiner Funktion eingeschränkt oder sogar zerstört.

Folgende Schweißtrennmittel von ABICOR BINZEL sind empfehlenswert als Vorbereitung auf den Schweißprozess:

Für das Werkstück

➡️ ABIBLUE NF

Für die Brenner-Verschleißteile

➡️ Super Pistolenspray NF, Schweißschutzpaste Düsofix, Keramikspray

Für Werkstück + Verschleißteile + Spannelemente

➡️ Super Pistolenspray NF

Da die Schweißspritzerbildung viele Ursachen haben kann, ist es zum einen gut zu wissen, wie Schweißspritzer entstehen und zum anderen, wie man der Spritzeranhaftung durch die Nutzung von wirksamen Trennmitteln vorbeugen kann. Schweißausrüstung muss auf jeden Fall regelmäßig geprüft werden und in diesem Zusammenhang speziell die Verschleißteile. Wer diese Dinge beim Schweißen beachtet und entsprechend vorbeugt, hat lange Freude an seinem Brenner und der Qualität des Schweißergebnisses. Denn am Ende geht es immer um eine qualitativ hochwertige Schweißnaht.

Happy Welding!

*Alle hier genannten Warenzeichen sind Eigentum der jeweiligen Firmen.

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Themen: Schweißchemie