MIG-Löten von verzinkten Dünnblechen

MIG-Löten von verzinkten Dünnblechen
Heinrich Hackl, Wels
1. Allgemeines
Steigende Forderungen nach Verminderung von
Korrosionsschäden führen in vielen Branchen zum Einsatz von beschichteten Blechen. Unter den verschiedenen Möglichkeiten, den Stahl vor Korrosion zu schützen, kommt dem Zink einerseits wegen seiner günstigen Korrosionseigenschaften und andererseits wegen
seines niedrigen Preises eine besondere Bedeutung
zu.
Der Korrosionsschutz durch eine Zinkoberfläche
kann durch nachträgliches Feuerverzinken fertig bearbeiteter Bauteile bzw. Baugruppen erfolgen. Dazu ist
allerdings eine sorgfältige Vorbereitung bzw. eine genaue Einspannung der zu verzinkenden Bauteile erforderlich. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, veredelte
- also verzinkte - Flachzeuge weiterzuverarbeiten.
Diese vorveredelten Flachzeuge können entweder elektrolytisch oder mittels Feuerverzinkung hergestellt werden. Die auf das Grundmaterial aufgebrachte Zinkschicht
beträgt je nach Herstellverfahren typisch zwischen
1 und 20 mm.
Große Mengen verzinkten Feinbleches werden im Automobilbau, in der Bauwirtschaft, in der Lüftungs- und
Klimatechnik, in der Haustechnik, für die Herstellung
von Weißware und in der Möbelindustrie eingesetzt.
Nicht nur wegen seiner Fähigkeit zur Bildung von Deckschichten mit Barrierewirkung, die erst wegkorrodieren
muß, bevor der Stahl rostet, hat Zink seine große Bedeutung für den Korrosionsschutz von Stahl erlangt,
sondern auch wegen seiner kathodischen Schutzwirkung.
Kommt es zu einer Beschädigung der schützenden
Zinkschicht, so bewirkt der Zinküberzug auf Eisen einen kathodischen Schutz.
Diese Schutzwirkung wirkt auf die Distanz von 1 bis 2
mm der unbeschichteten Fläche.
Durch die kathodische Fernschutzwirkung des Zinks
werden sowohl die nicht beschichteten Schnittkanten
der Bleche als auch Mikrorisse, die durch Kaltumformung entstehen sowie die Umgebung von Schweißnähten, in der das Zink verdampft, geschützt. Ebenso
kann aufgrund des kathodischen Schutzes eine
Unterrostung der Zinkschicht von der Schnittkante her
ausgeschlossen werden.
2. MIG-Löten von verzinkten Blechen
Zink beginnt bei etwa 420° Grad Celsius zu schmelzen
und bei etwa 906° Grad Celsius zu verdampfen. Diese
Eigenschaften wirken sich ungünstig auf den Schweißprozeß aus, da mit der Zündung des Lichtbogens der
Verdampfungsprozeß des Zinks eingeleitet wird. Die
Zinkdämpfe und Oxide können zu Poren, Bindefehlern,
Rißbildung und zu einem instabil brennenden Lichtbogen führen. Daher ist es für verzinkte Bleche günstiger,
wenn weniger Wärme eingebracht wird.
Eine Alternative beim Schweißen verzinkter Bleche ist
der Einsatz von sogenannten Bronzedrähten. Besonders bekannt sind Drähte mit Kupfersilizium-, (z.B.
CuSi3) und Aluminiumbronze-Legierungen.
Folgende Vorteile können sich beim Einsatz dieser
Drähte ergeben:
- keine Korrosion der Schweißnaht
- minimaler Spritzerauswurf
- geringer Abbrand der Beschichtung
- niedrige Wärmeeinbringung
- einfache Nachbearbeitung der Naht
- kathodische Schutzwirkung des Grundwerkstoffes im
unmittelbaren Nahtbereich
Diese Bronzedrähte haben durch den hohen Kupferanteil einen relativ geringen Schmelzpunkt (je nach
Legierungsbestandteile etwa 1000 bis 1080°C). Der
Grundwerkstoff wird nicht aufgeschmolzen, d.h. die
Verbindung entspricht eher einer Lötung. Als Schutzgas wird in der Regel Argon empfohlen. Versuche haben aber gezeigt, daß der CuSi3 auch mit niedrig O 2 oder CO2 - haltigen Schutzgasen geschweißt werden
kann. Der Lichtbogen kann dadurch stabiler werden.[1]
3. Kurz- und Sprühlichtbogen
Bei dickeren Zinkschichten ab 15mm kann die große
Menge an Zinkdämpfen zu deutlichen Instabilitäten beim
Löt- bzw. Schweißvorgang führen. Daher ist es oft günstiger bei derartigen Anwendungsfällen den Kurz- bzw.
Sprühlichtbogen mit sehr kurzer Lichtbogenlänge einzusetzen. Durch eine kurze Bogenlänge kann der Lichtbogen stabiler gehalten werden. Auch in diesem Fall
sind hohe Anforderungen an die Stromquelle und deren
Regelcharakteristik gestellt.
Die Folge ist eine niedrige Wärmeeinbringung in den
Grundwerkstoff und eine reduzierte Menge an Zinkverdampfung. Als Ergebnis aus beiden Effekten tritt eine
geringe Porenzahl auf. Dies wirkt sich wiederum positiv aus sowohl bei der Nachbearbeitung der Naht durch
Schleifen, als auch für erhöhte Festigkeitswerte der
Lötverbindung.
4. Impulslichtbogen
Unter argonreichen Schutzgasen kann durch eine geeignete Parameterauswahl von Grund- und Impulsstrom,
ein gesteuerter kurzschlußfreier Werkstoffübergang erreicht werden.
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3
Bei Veränderung der freien Drahtlänge - also dem Abstand zwischen Stromdüse und Lichtbogen - dürfen
keine oder kaum Spritzer auftreten.
Dies gelingt nur, wenn die Prozeßregelung den „Ein
Tropfen pro Impuls Werkstoffübergang“ auch bei Stickout-Änderungen aufrecht hält.
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Abb. 2: MIG-gelötete Kehlnaht mit Impulslichtbogen, Blechdicke 1,5mm
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Abb.1: Variable Impulsform
Bei optimaler Parameterwahl wird genau ein Tropfen
Zusatzwerkstoff pro Impuls von der Drahtelektrode abgelöst. Das Ereignis ist eine nahezu spritzerfreie
Schweißung.
Untersuchungen im Hause Fronius haben gezeigt, daß
für unterschiedliche Zusatzwerkstoffe und Schutzgase
eine differenzierte Impulsform erforderlich ist.
Das hat dazu geführt, daß für jeden Zusatzwerkstoff
eine „maßgeschneiderte“ Impulsform verwendet wird.
Dies gilt auch ganz besonders für Bronzedrähte.
Damit bei Dünnblechen die Zinkverdampfung möglichst
gering bleibt, muß mit einer geringen Leistung MIG-gelötet werden. Daher besteht die zentrale Forderung, daß
die Stromquelle im unteren Leistungsbereich einen besonders stabilen Lichtbogen liefert. Eine niedrig einstellbare Grundstromstärke ist dabei ebenso wichtig wie eine
schnell reagierende Lichtbogenlängenregelung, damit
die Lichtbogenlänge kurz gehalten werden kann.
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Abb.3: Schweißen über eine Stufe
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Abb.4: Nahtaussehen bei einer KontaktrohrAbstandsänderung von 8 auf 35mm. Durch die exakte Lichtbogen-Längenregelung treten kaum Schweißspritzer auf.
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5. Synergic-Betrieb
Gute Schweiß- bzw. Lötergebnisse auf verzinkten Blechen sind nur mit einer Stromquelle mit umfangreichen
Freiheitsgraden in der Parameterauswahl erzielbar.
Durch eine Vielzahl von stufenlos einstellbaren Parametern (etwa 30 Parameter) kann die Tropfenablösung
beim Impulslichtbogenschweißen bzw. die Kurzschlußbehandlung beim Kurzlichtbogenschweißen für ein großes Feld an Zusatzwerkstoffen problemlos verbessert
werden.
Diese zusätzlichen Parameter erschweren die Bedienung der Stromquellen und würden dadurch den Benutzerkreis auf Experten beschränken.
Mit Hilfe des sogenannten Synergic-Betriebes (Einknopfbedienung) - mit vorprogrammierten Parametern für jede
beliebige Draht/Gaskombination - ist die Anlage für den
Anwender sehr einfach zu bedienen.
Der Gerätehersteller übernimmt die Aufgabe der
Parameteroptimierung für viele verschiedene Grund- und
Zusatzwerkstoffe sowie Schutzgase.
Diese wissensbasierten Ergebnisse werden in einem
EPROM - einem elektronischen Speicherbaustein - in
Form einer Datenbank abgespeichert. Der Anwender
trifft die Zusatzwerkstoffauswahl direkt an der Stromquelle.
Der integrierte Mikroprozessor sorgt für eine stufenlose Leistungsanwahl vom Minimal- bis zum Maximalbereich.
1 - 0+ 1
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U
5 co rr
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1 - 0+ 1
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0
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Power
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CrNi
Al99,5
AlMg5
AlSi5
S G 2/3
1.2
1.0
0.8
0.6
1.4
1.6
1.8
Draht
Material
Synergie
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5
IUP
f
tP
IDOWN
IP
VD
Abb. 5: Synergic Betrieb
6. Drahtförderung
Im Vergleich zu Stahldrähten sind Bronzedrähte sehr
weich. Daher sind besondere Anforderungen an die
Drahtförderung gestellt. Der Drahttransport muß abriebfrei erfolgen.
Abb.6:
Vier-Rollenantrieb
mit
Drahteinlauf und Fronius Zentralanschluß
optimiertem
Ein Vier-Rollen-Antrieb mit geeigneten Vorschubrollen
bringt selbst bei geringen Anpreßkräften eine ausreichende Kraft auf den zu fördernden Draht. Üblicherweise werden glatte, polierte Halbrundnut-Rollen eingesetzt.
Ein präziser Drahteinlauf ist eine weitere Grundvoraussetzung für eine störungsfreie Drahtförderung.
Damit der Reibungswiderstand im Schlauchpacket gering gehalten wird soll eine Teflon- bzw. eine Kunststoff-Graphit-Seele eingesetzt werden.
Ein massives, groß dimensioniertes Kontaktrohr im
Brenner sorgt für einen zuverlässigen Stromübergang
auf den Bronzedraht.
Abb.7: Präziser Drahteinlauf
bei stehender Positionierung des Brenners.[2]
Abb. 8: Fronius Impulsstromquelle
TPS 330/450 für das MIG-Löten
7. Brenneranstellung
Literatur:
Bei stechend gelöteten Blechen wird die Zinkschicht
durch den Grundstrom des Lichtbogens so weit vorgewärmt, daß sie unmittelbar vor Ablösung des
Zusatzdrahttropfens bis auf eine Restzinkschicht verdampfen kann. Durch die Wärmeenergie des schmelzflüssigen Zusatztropfens wird die verbleibende Restzinkschicht verdampft. Da es sich lediglich um geringe Mengen an Zinkdampf im noch schmelzflüssigen
Lot handelt, reicht die Entgasungszeit bis zu Erstarrung aus, um Nähte mit wenigen bzw. ohne Poren zu
erzeugen.
Bei schleppend gelöteten Blechen ist die Vorwärmung
nicht ausreichend, um die Verdampfungstemperatur von
Zink zu erreichen.
Somit kann sehr viel mehr Zinkdampf in den bereits
abgelösten, jedoch noch schmelzflüssigen Zusatztropfen eindringen. Durch die bei dieser Brennerstellung
erfolgende Nachwärmung wird die Entgasungszeit erhöht. Diese reicht jedoch nicht aus, um den höheren
Anteil des Zinkdampfes auf der schmelzflüssigen Naht
entweichen lassen. Darüber hinaus wird der Lichtbogen bei schleppenden Schweißungen durch die Zinkdämpfe sehr viel mehr in seiner Stabilität gestört, als
[1] A. Kersche: Schutzgasauswahl für
das MAG-Schweißen unlegierter
Baustähle
[2] G. Groten: Beitrag zum MSG-Impulslichtbogen
schweißen von unbeschichteten und verzinkten
Feinblechen
Der Verfasser dieses Fachartikels ist Entwicklungsleiter bei Fronius Schweißmaschinen KG - Austria