Übertragungstechniken im MIG-Schweißen (GMAW)

Einleitung zur Füllstoffmetallübertragung im MIG-Schweißen

Im MIG-Schweißen, auch bekannt als GMAW (Gas Metal Arc Welding), erfolgt die Übertragung des Füllstoffmetalls auf zwei primäre Arten, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungsbereiche aufweisen:

Kurzschlussübertragung – Dabei kommt es zu einer direkten Kontaktierung der Elektrode mit dem geschmolzenen Schweißpool, was einen transienten Kurzschluss verursacht. Dieser Modus ist gekennzeichnet durch schnelle, wiederholte Kontaktzyklen zwischen Elektrode und Werkstück.
Droptransfer (globale oder Sprühübertragung) – Hierbei werden einzelne metallische Tropfen unter dem Einfluss elektromagnetischer Kräfte oder Schwerkraft vom Draht auf das Werkstück übertragen, was zu einer feineren und gleichmäßigeren Metallverteilung führt.

Die Form, Größe, die Tropfenrichtung (axial oder nicht axial) sowie die Übertragungsart werden durch eine Vielzahl von Einflussfaktoren bestimmt. Zu den wichtigsten Faktoren zählen:

Stromstärke und -art
Energie- und Stromdichte
Zusammensetzung des Elektrodendrahts
Elektrodenerweiterung (Drahtvorschubgeschwindigkeit)
Schutzgasart und -qualität
Eigenschaften der Stromquelle

Die axial gerichtete Übertragung beschreibt die Bewegung der Tropfen entlang einer Linie, die die Längsachse der Elektrode verlängert, während bei nicht axialer Übertragung die Tropfen in andere Richtungen abgelenkt werden. Diese Unterschiede beeinflussen die Nahtqualität und die Schweißparameter erheblich.

Kurzschlussübertragung

Abb.: Kurzschlussübertragung
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Der Kurzschlussmodus nutzt die niedrigsten Stromstärken und Drahtdurchmesser, die für das MIG-Schweißen geeignet sind. Er ist ideal für dünne Materialien, Positionalschweißen und zum Ausfüllen enger Wurzelöffnungen. Dabei ist die Wärmeeinwirkung gering, was zu minimalen Verformungen führt. Während des Schweißprozesses berührt die Elektrode den geschmolzenen Pool, wodurch ein Kurzschluss entsteht, der regelmäßig wiederholt wird. Die Elektrode wird dabei in einem Frequenzbereich von etwa 20 bis über 200 Mal pro Sekunde mit dem Pool in Kontakt gehalten.

Die Steuerung erfolgt durch die Anpassung der Induktivität in der Stromquelle, wodurch die Geschwindigkeit des Kontaktierens beeinflusst wird. Die offene Spannung der Stromquelle muss ausreichend niedrig sein, um einen unkontrollierten Bogen in den Schweißbedingungen zu verhindern. Während des Kurzschlusses erfolgt die Metallübertragung nur in dieser kurzen Kontaktphase, wodurch das Schutzgas nur eine geringe Rolle spielt. Spritzer können auftreten, insbesondere durch Gasentwicklung oder elektromagnetische Kräfte auf die geschmolzene Spitze.

Vorteile der Kurzschlussübertragung

Geringe Stromstärken möglich
Optimal für dünne Materialien
Geeignet für das Schweißen in ungünstigen Positionen

Nachteile der Kurzschlussübertragung

Höhere Spritzentwicklung
Risiko für kalte Naht (kaltes Schweißen)
Unzureichende Penetration bei dickeren Materialien
Begrenzte Anwendbarkeit bei bestimmten Werkstoffen

Globulärer Transfer (Kugelübertragung)

Abb.: Globulärer Transfer
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Bei positiver Elektrode (DCRP) tritt der globuläre Metalltransfer auf, wenn die Stromdichte niedrig gehalten wird, unabhängig von der Schutzgasart. Besonders bei CO₂-Gas entsteht diese Übertragung, die durch größere Tropfen gekennzeichnet ist, im Vergleich zu den Elektrodendurchmessern. Die Tropfen wachsen, bis sie durch Kurzschluss oder Schwerkraft vom Bogen abgelöst werden. Diese Methode eignet sich vor allem bei inertem Gas, wobei die Tropfen in axialer Richtung abgelöst werden können, was zu einer gleichmäßigeren Naht führt. Allerdings führt die nicht-axiale globuläre Übertragung bei CO₂ zu Spritzern, was auf elektromagnetische Abstoßungskräfte zwischen den Tropfen zurückzuführen ist.

Die Kräfte, die auf die geschmolzenen Tropfen wirken, sind die Kriminkraft und die Anodenreaktionskraft, welche proportional zum Schweißstrom und Drahtdurchmesser sind. Die Elektrodenspitze wird durch die Bogenwärme geschmolzen, ohne dass das Plasma die Spitze umhüllt. Die Tropfen wachsen bis zum Ablösen, was zu einer relativ hohen Abscheidungsrate führt.

Vorteile des globulären Transfers

Höhere Ablagerungsrate
Ermöglicht den Einsatz größerer Drahtdurchmesser

Nachteile des globulären Transfers

Spritzerbildung möglich
Nur für horizontale und flache Positionen geeignet

Sprüht transfer

Abb.: Sprühübertragung
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In einem Gasgemisch mit mindestens 80 % Argon oder Helium ändert sich der Metalltransfer bei steigender Stromstärke von globular zu sprühförmig. Die typische feine Bogensäule und die schmale Spitze der Elektrode charakterisieren diese Übertragung. Hierbei werden die Füllstoffmetall-Tropfen in Form eines feinen Sprays axial in den Bogen eingeströmt, wobei die Tropfendurchmesser meist kleiner oder gleich dem Drahtdurchmesser sind. Mit zunehmender Stromstärke erhöht sich die Ablösungsrate der Tröpfchen, was zu mehreren hundert Tröpfchen pro Sekunde führen kann.

Die Sprühübertragung ist bekannt für ihre hohe Effizienz und gleichmäßige Verteilung des Metalls, was zu glatten und gleichmäßigen Nähten führt. Dennoch ist sie nur bei horizontaler oder flacher Position zuverlässig einsetzbar, da bei der Arbeit in aufrechter Position die Tropfen abfallen könnten.

Vorteile des Sprühtransfers

Keine Spritzbildung
Gleichmäßige Nahtqualität
Hohe Ablagerungsrate
Gleichmäßiges Perlenbild

Nachteile des Sprühtransfers

Sehr heißer Bogen, der vor Materialverformung schützt
Nur für flache oder horizontale Positionen geeignet
Begrenzte Penetration bei dickeren Werkstücken
Ungeeignet für sehr dünne Materialien

Impulstransfer (Pulsed Spray)

Der Impulsübertrag ist eine Weiterentwicklung des Sprühtransfers, die die Vorteile beider Modi kombiniert. Hierbei wird der Schweißstrom zyklisch von einem hohen Spitzenwert auf einen niedrigen Hintergrundwert geregelt. Während des Spitzenwerts erleichtert die erhöhte Energie die Ablösung eines einzelnen Tropfens, ähnlich wie beim Sprühmodus. Die Hintergrundphase sorgt dafür, dass der Bogen stabil bleibt, ohne dass Metall übertragen wird, was das Abkühlen der Tropfen begünstigt und vorzeitiges Ablösen verhindert.

Diese periodische Variierung des Stroms ermöglicht eine kontrollierte Metallübertragung, reduziert die Wärmeeinwirkung auf das Werkstück erheblich und minimiert Verzerrungen und Verbrennungen, vor allem bei dünnen oder hitzeempfindlichen Materialien. Die Impulsfrequenz kann variieren, meist zwischen einigen Impulsen pro Sekunde, abhängig von den Schweißparametern.

Vorteile des Impulstransfers:

Reduziert Wärmeeintrag und verzerrt die Naht weniger
Geeignet für alle Positionen
Hohe Ablagerungsrate
Minimiert Spritzerbildung
Hochwertige Nahtoptik
Ideal für dünne oder empfindliche Materialien

Nachteile:

Benötigt spezielle Stromquellen mit Impulsfunktion
Präzise Parametereinstellung erforderlich
Falsch eingestellte Impulsparameter können zu schlechter Fusion führen

Fazit: Wahl der optimalen Übertragung

Ein tiefgehendes Verständnis der verschiedenen MIG-Übertragungsmodi – Kurzschluss, globular, spray und pulsierend – ist essenziell, um optimale Schweißergebnisse zu erzielen. Jeder Modus bringt spezifische Vor- und Nachteile mit sich, die je nach Anwendung und Materialbeschaffenheit unterschiedlich gewichtet werden sollten. Während der Kurzschlussmodus hervorragend für dünne Materialien und Positionalschweißen geeignet ist, bieten globulare und sprühförmige Übertragungen hohe Effizienz bei flachen Positionen. Der Pulsmodus vereint die Stärken beider und ermöglicht vielseitige Anwendungen bei minimalen Verzerrungen. Die Auswahl des passenden Modus beeinflusst maßgeblich die Qualität, das Erscheinungsbild und die Effizienz Ihrer Schweißarbeiten. Daher sollten Anwender sorgfältig die jeweiligen Vorteile und Grenzen der Modi abwägen, um die besten Ergebnisse für ihr Projekt zu erzielen.