Stephan Kallee:

Unterpulverschweißen


UP-Schweißen (EN ISO 4063: Prozess 12), ein Lichtbogenschweißverfahren mit abschmelzender Draht- (Prozess 121) oder Bandelektrode (Prozess 122)

Unterpulverschweißen (UP-Schweißen) ist ein gebräuchliches Lichtbogenschweiß­verfahren mit hoher Abschmelzleistung, bei dem der elektrische Lichtbogen zwischen der kontinuierlich zugeführten, abschmelzenden, draht-, band- oder röhrenförmigen Elektrode und den Werkstücken unter einem Bett aus granuliertem Flussmittel brennt.
  
Der Lichtbogen und die Schmelze werden vor atmosphärischer Kontamination geschützt, indem sie unter eine Decke aus Flussmittel "eingetaucht" werden, das aus Kalk, Siliciumdioxid, Manganoxid, Calciumfluorid und anderen Verbindungen besteht. Wenn das ursprünglich körnige Flussmittel schmilzt, wird es elektrisch leitend und bildet einen Strompfad zwischen der Elektrode und dem Werkstück. Diese dicke Flussmittelschicht bedeckt das geschmolzene Metall vollständig.

    

UP-Schweißen dicker Bleche bei der Weser­Wind GmbH: Der Lichtbogen brennt unsichtbar unter einer Pulverschicht und der Wärmeeintrag ist relativ gering.

© Martinhannes, CC-BY-SA 4.0

    


Geschichte

Das Verfahren wurde 1935, Lloyd Jones, Harry Kennedy und Maynard Rothermund erfunden, patentiert entwickelt. Es wird normalerweise im automatischen oder mechanisierten Modus betrieben, es gibt aber auch halbautomatische, handgehaltene Brenner mit Druck- oder Schwerkraft-Flussmittelzuführung. 

   

Es wurde anfangs unter den Markennamen Unionmelt-Verfahren und  Ellira-Verfahren (Elektro Linde Rapid) entwickelt und vermarktet.

      

Verfahrensbeschreibung

Das Unterpulverschweißen wird für das Verbindungsschweißen von legierten und unlegierten Stählen von 5 bis 70 mm Dicke und für Auftragsschweißungen eingesetzt.
       
Der Lichtbogen wird zwischen einer Nacktdrahtelektrode und dem Werkstück unter Pulver gezogen. Das Flussmittel verhindert Spritzer und Funken und unterdrückt die intensive ultraviolette Strahlung des Lichtbogens und die Entstehung von Dampf und Rauch. Es hat folgende drei Aufgaben:
    
1. Beeinflussung der metallurgischen Zusammensetzung des Nahtgefüges. Die metallurgischen und mechanischen Eigenschaften des Nahtwerkstoffes weichen nur wenig von denen des Werkstoffes ab.
    
2. Fernhalten der atmosphärischen Luft
   
3. Verhinderung des zu schnellen Abkühlen der Naht, indem das geschmolzene Pulver beim Erstatten eine wärmeisolierende Schlackschicht über der noch heißen Naht bildet
    
Zur Zündung des Lichtbogens wurde früher beim Ellira-Verfahren ein Stahlwoll- oder Drehspan-Knäuel als Zündpille an den Nahtanfang gelegt, das beim ersten Stromdurchgang verdampft. Heute wird sie beim Unterpulverschweißen meist durch einen Hochfrequenzstrom eingeleitet.
   
Es kann Gleich- oder Wechselstrom von 200 bis 3000 A bei 25 bis 45 V Spannung verwendet werden.[3] Bei Gleichstrom ist die Plus- oder die Minuspolung der Elektrode möglich.[4] Auch Kombinationen von Gleich- und Wechselstrom sind bei Mehrfachelektrodensystemen üblich. Am häufigsten werden Konstantspannungs-Schweißstromversorgungen verwendet. Es sind jedoch auch Konstantstrom­systeme in Kombination mit einem spannungsabhängigen Drahtvorschub erhältlich.
    
Die Schweißgeschwindigkeit liegt zwischen 20 und 200 cm/min. Sie ist von der Nahtdicke und -breite abhängig.[3] 

    

Statt einer einzelnen Elektrode können bis zu fünf Elektroden gleichzeitig eingesetzt werden, wenn bei dicken Platten hohe Abschmelzleistungen erforderlich sind. Auch Flachbandelektroden (z.B. 60 mm breit x 0,5 mm dick werden verwendet.

 

Die Elektroden werden für schmale Nahtfugen in dicken Werkstoffen hintereinander angeordnet oder nebeneinander für tiefen Einbrand bei breiten Nahtfugen oder dem Auftragsschweißen.

 

Die Drahtelektroden haben 2 bis 8 mm und in Sonderfällen bis 12 mm Elektrodendurchmesser. Der Elektrodendraht läuft üblicherweise mit bis zu 12 kg/h von einer Drahtspule ab.[3]

 

UP-Schweißen einer Rohr-Längsnaht im Drei-Draht-Prozess, Schweißrichtung von rechts nach links: Das Schweißpulver wird durch das linke Rohr zugeführt, rechts davon sind die 3 Schweißbrenner, dahinter die Absaugung des nicht aufgeschmolzenen Pulvers.

© NearEMPTiness, CC-BY-SA 4.0


Normalerweise wird UP-Schweißen nur für Stumpfnähte in Wannenlage und für horizontale Kehlnähte eingesetzt, weil das Pulver sonst nur mit Schwierigkeiten an der richtigen Stelle aufgehäuft werden kann.

 

In Extremfällen sind Abschmelzleistungen von 45 kg/h sind möglich - im Vergleich zu etwa 5 kg/h beim Schutzgasschweißen. Ströme im Bereich von 300 bis 2000 A sind üblich, aber gelegentlich werden beim Mehrfachlichtbogen bis zu 5000 A eingesetzt.[1]

     

Unterpulverschweißen von Tripoden für Offshore-Windturbinen

Tripoden für Offshore-Windenergieanlagen bestehen aus zylindrischen und konischen Rohrsegmenten; die Dicke der rund gewalzten und anschließend geschweißten Bleche beträgt bis zum 100 mm.

 

Mit dem UP-Schweißverfahren werden z.B. aus einzelnen Schüssen, d.h. aus meist 3 Meter langen zylindrischen oder konischen Rohrstücken, die Komponenten der Tripoden von Offshore-Windturbinen zusammengeschweißt.

 

Auf den hier gezeigten Fotos werden bei der Weserwind GmbH Schweiß-Equipment und Schweiß-Zusatzstoffe von Oerlikon eingesetzt.[2]

     Tripoden für Offshore-Windturbinen.

© Martinhannes, CC-BY-SA 4.0


Komponenten der Tripoden von Offshore-Windturbinen: Fuß- und Kopfstreben, Unter- und Mittelteile der Zentralrohre

Komponenten der Tripoden von Offshore-Windturbinen: Fuß- und Kopfstreben, Unter- und Mittelteile der Zentralrohre.

© Martinhannes, CC-BY-SA 4.0

 

Diese UP-geschweißte Verbindungsnaht besteht aus der Wurzel sowie den beidseitig geschweißten Füll- und Decklagen

Diese UP-geschweißte Verbindungsnaht besteht aus der Wurzel sowie den beidseitig geschweißten Füll- und Decklagen.

© Martinhannes, CC-BY-SA 4.0

 


Siehe auch

Quellennachweise

  1. Palagiri (30 %), Scott van der Does (11 %), Glrx (3 %), Triddle (3 %), NearEMPTiness (3 %), Andy Dingley (3 %) et al: Submerged Arc Welding (SAW), auf der englischsprachigen Wikipedia (CC BY-SA 3.0).
       
  2. Martinhannes: UP-Schweißen von Tripoden für Offshore-Windenergieanlagen aus zylindrischen und konischen Rohrsegmenten (CC BY-SA 4.0).
         
  3. Alfred Böge (Hrsg.): Das Techniker Handbuch. Springer Fachmedien, Wiesbaden, 14. Auflage, 1995. S. 813.
        
  4. Ulrich Dilthey: Unterpulverschweißen. In: Schweißtechnische Fertigungsverfahren 1. S. 33-42.

  5. Eugeniusz Turyk und Wojciech Grobosz: Beginnings of submerged arc welding.

Lizenz

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