Schweißschutzgasmischung am Kanadischen Zentrum für Schweißen und Fügen - Universität von Alberta

Präzision bei der Schutzgasmischung kann die Schweißqualität, Effizienz und Sicherheit optimieren. Das Verständnis der Auswirkungen der Schutzgaszusammensetzung auf die Schweißeigenschaften kann zu Innovationen führen, die die Rauchgasemissionen reduzieren, die Auftragungsraten verbessern und die Automatisierung steigern. Das Canadian Centre for Welding and Joining (CCWJ) an der University of Alberta steht bei dieser Forschung an vorderster Front und setzt fortschrittliche Gasmischtechnologien ein, um die Grenzen der Schweißtechnik zu erweitern.

Alicat verwenden^® Scientifics FusionFlow™ IMX Industriegasmischer konnte das CCWJ seine Gasspeichersysteme erheblich rationalisieren und präzise Gasmischungen nach Bedarf herstellen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für industrielle und wissenschaftliche Anwendungen.

Das Forschungsteam der University of Alberta verändert in Zusammenarbeit mit Alicat das Schweißen durch innovative Schutzgasmischtechniken und ebnet damit den Weg für sicherere, kostengünstigere und umweltfreundlichere Schweißverfahren.

Das Canadian Centre for Welding and Joining (CCWJ) an der University of Alberta (UofA) ist ein Forschungs- und Ausbildungszentrum von Weltrang, das 2010 gegründet wurde, um den Bedürfnissen der rohstoffbasierten Industrie in Kanada gerecht zu werden. Unsere Forschungsaktivitäten erstrecken sich von den Grundlagen bis hin zur angewandten Forschung und decken praktisch alle Schweiß- und Fügeverfahren in einem breiten Spektrum von Werkstoffsystemen ab. Da sich das CCWJ direkt im Zentrum der Fertigung für die Öl- und Gasindustrie befindet, interagiert es täglich mit der gesamten Lieferkette der Fertigung und Herstellung, von den Endverbrauchern über die Hersteller bis hin zu den Lieferanten von Verbrauchsmaterialien. Großzügige Spenden aus der Industrie und staatliche Zuschüsse haben mehr als $3 Millionen an Ausrüstung für die vier Labore des Zentrums bereitgestellt, zu denen auch das FusionFlow™ von Alicat gehört. IMX-Industriegasmischer zur Herstellung kundenspezifischer Gasmischungen; bis zu 4 auf einmal.

FusionFlow verwendet Alicat Massendurchfluss Steuergeräte (MFCs) ausschließlich. Mit diesen MFCs konnten wir 2016 von Einzelflaschen auf ein zentrales Gasversorgungssystem mit reinen Gasen umsteigen. Die reinen Gase werden für jede Maschine gemischt und je nach den Anforderungen der Anwendung eingestellt. Dies hat uns nicht nur geholfen, unsere wissenschaftlichen Fähigkeiten zu verbessern, sondern auch den Lagerbestand von ca. 40 Gasflaschen auf nur noch 15 zu reduzieren. Jetzt besteht der Großteil unserer Schweißgase aus reinem Argon (Ar) und Kohlendioxid (CO₂), denen wir Spezialgase hinzufügen und für jede Anwendung ein optimiertes Gemisch mit hoher Präzision mischen. Der Rest besteht aus einigen speziellen Hochgasen für hochempfindliche Analysatoren. Dadurch wurde dringend benötigter Platz für den Aufbau von Geräten und Experimenten frei, außerdem hat sich unser Gasbedarf enorm vereinfacht und zu spürbaren Kosteneinsparungen geführt.

Mit diesen Fähigkeiten haben wir eine Reihe von Studien über die Auswirkungen von Schutzgasen bei verschiedenen Schweißanwendungen mit dem Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) durchgeführt. Das GMAW-Verfahren ist aufgrund seiner hohen Effizienz und der Verwendung einer breiten Palette von Eisen- und Nichteisenlegierungen von großer industrieller Bedeutung. Schutzgase spielen bei diesem Verfahren eine zentrale Rolle, da sie das geschmolzene Schweißbad schützen, aber auch den Metalltransfer beeinflussen [1].

Eine sorgfältige Auswahl der Schutzgase optimiert die Effizienz des Prozesses und kann erhebliche Auswirkungen auf das Aussehen der Schweißnaht, den Einbrand, die Seitenwandschweißung und die Schweißnahtkontur, die Benetzung der Zusatzelemente (z. B. Metallkern, Wolframkarbide), den Lichtbogenstart und die Stabilität sowie die Bildung und den Verbleib von Oxiden haben.

Zu den üblicherweise für das Verfahren verwendeten Gasen gehören reines Ar und CO₂einige binäre Gemische in unterschiedlichen Anteilen (z. B. Ar + CO₂Ar + Sauerstoff, Ar + Helium, Ar + Wasserstoff), sowie ternäre Gasmischungen. Dies hängt von der Art des verwendeten Metalls sowie von anderen Faktoren wie der Schweißposition ab, und kleine prozentuale Abweichungen haben spürbare Auswirkungen auf das Erscheinungsbild, die Abscheidungseffizienz und die Schweißleistung.

Bei der Erforschung der zugrundeliegenden Grundlagen untersuchten wir insbesondere die Temperatur von Tropfen bei verschiedenen Metallübertragungsarten und Materialien sowie die Fallspannungen, die sich auf die Erwärmung von Tropfen, Anode und Kathode auswirken. Von besonderem Interesse war für uns der Übergangsbereich zwischen Kugel- und Sprühübertragung, den wir mit einem Kalorimeteraufbau in Verbindung mit dem FusionFlow-Gasmischer untersucht haben. Über ihren wissenschaftlichen Beitrag hinaus sind diese Studien von industrieller Bedeutung, da sie die Möglichkeiten zur Verringerung der Schweißrauchemissionen untersucht haben. Die Experimente haben gezeigt, dass die Tröpfchentemperatur durch gezielte Einstellung der Schweißparameter und der Schutzgaszusammensetzung in der Übergangszone gesenkt werden kann, wodurch die Rauchentwicklung bei gleichbleibender Abscheiderate reduziert wird [2].

Die Schutzgaszusammensetzung verschiebt die Tropfentemperaturkurve zu höheren Strömen hin, scheint aber die Kurve bei anderen Temperaturen nicht wesentlich zu verschieben. Bei der Untersuchung von Fallspannungen und fortgeschrittenen Wellenformen für Aluminiumdrähte zeigten die Ergebnisse ebenfalls einen starken Einfluss der Schutzgaszusammensetzung, und es werden weitere Studien durchgeführt, um die Wechselwirkung grundlegend zu erklären [3].

Diese Studien lieferten deutliche Hinweise darauf, dass eine sorgfältige Auswahl von Schweißparametern und Schutzgasen die Rauchgasemissionen bei Verwendung vorhandener Materialien unter Beibehaltung ihrer Materialeigenschaften und Ablagerungsraten verringern kann. Die Verwendung von Gasmischungen bietet somit eine weitere Möglichkeit zur Einhaltung neuer Arbeitsplatzgrenzwerte (OEL) für Elemente wie Mangan mit dem Potenzial, die erforderliche Menge an PSA oder Filtern zu reduzieren.

Die Möglichkeit, das FusionFlow-Gasmischsystem mit reinen Gasen zu verwenden und die Mischungen "on the fly" für jede Anwendung anzupassen, führt zu Kosteneinsparungen auf der Gasseite und optimiert die Wirtschaftlichkeit der Schweißung durch Verbesserung:

1. Sicherheit beim Schweißen
2. Qualität
3. Wirkungsgrad
4. Erhebliche Verbesserung der Schweißautomatisierung, bei der die Gasmischungen angepasst werden können, um Änderungen der Schweißposition innerhalb eines Programms zu berücksichtigen
5. Reagieren Sie auf Feedback-Schleifen, um die Ablagerung zu optimieren

Ein angenehmer Nebeneffekt sind die eingebauten Druckmanagementfunktionen, die eine zentrale Überwachung für Qualitätssicherungszwecke ermöglichen, Schweißfehler durch Stabilisierung der Durchflussraten und Rückmeldung von Druckverlusten im System reduzieren und den Einkauf vereinfachen, indem sie anzeigen, wann der Vorrat wieder aufgefüllt werden muss.

• [1] J. Nadzam, F. Armao, L. Byall, D. Kotecki, und D. Miller, "Gas Metal Arc Welding Product and Procedure Selection", C4.200, S. 96, 2014.
• [2] C. McIntosh, J. Chapuis und P. Mendez, "Effect of Ar-CO₂ Gasblends on Droplet Temperature in GMAW," Weld. J., vol. 95, no. 8, pp. 273s - 279s, 2016.
• [3] C. McIntosh und P. F. Mendez, "Fall voltages in advanced waveform aluminum GMAW," Weld. J., vol. 96, no. 9, pp. 354s - 366s, 2017.

• Patricio Mendez ist Professor für Chemie- und Werkstofftechnik an der Universität von Alberta.
• Götz Dapp ist stellvertretender Direktor des CCWJ.