Was sind Schweiß-Werkstoffübergänge?
Beim GMAW (MIG-Schweißen) wird die Art und Weise, wie geschmolzenes Metall vom Elektrodendraht zum Schweißbad (Schmelzbad) gelangt, als Werkstoffübergang bezeichnet. Der Modus hängt von Schweißstrom, Spannung, Schutzgaszusammensetzung und Elektrodendurchmesser ab. Jeder Modus erzeugt unterschiedliche Einbrandprofile, Schweißspritzer und Positionierungsfähigkeiten.
D1.1:2025 behandelt Werkstoffübergänge als eigenständige Schweißverfahren mit unterschiedlichem Vorqualifizierungsstatus. Für Fertigungsbetriebe, die Schweißanweisungen erstellen, ist es unerlässlich zu verstehen, welche Modi D1.1 unter vorqualifizierten Schweißanweisungen zulässt und welche eine Qualifizierungsprüfung gemäß Clause 6 erfordern.
Die vier Modi, von der niedrigsten zur höchsten Streckenenergie, sind: Kurzlichtbogen, Tropfenübergang, Sprühlichtbogen und Impuls-Sprühlichtbogen.
Kurzlichtbogen (GMAW-S)
Beim Kurzlichtbogen berührt der Elektrodendraht physisch das Schweißbad (Schmelzbad) und erzeugt einen Kurzschluss, wobei das Metall durch wiederholten Kontakt und nicht über den Lichtbogen übertragen wird. Dies geschieht gemäß AWS A5.18 A6.4 50 bis 200 Mal pro Sekunde. Das Schweißverfahren verwendet Elektroden mit kleinem Durchmesser (0.030 bis 0.045 in) bei niedriger Spannung und Stromstärke.
Der Kurzlichtbogen erzeugt die niedrigste Streckenenergie aller GMAW-Modi. Dies macht ihn geeignet für dünne Materialien, Wurzellagen und das Schweißen in allen Positionen, einschließlich vertikal und über Kopf. Die geringe Streckenenergie bedeutet auch einen geringeren Einbrand, was ein Risiko für Bindefehler bei dickeren Abschnitten birgt.
D1.1 Vorqualifizierungsstatus: GMAW-S ist nicht vorqualifiziert. Clause 5.5.1 listet explizit vorqualifizierte Schweißverfahren als „SMAW, SAW, GMAW (außer GMAW-S) und FCAW“ auf. Um GMAW-S gemäß D1.1 zu verwenden, müssen Sie die Schweißanweisung durch Prüfung gemäß Clause 6 qualifizieren. D1.1 behandelt GMAW-S gemäß Table 6.6 als separates Schweißverfahren.
Als Alternative zur internen Qualifizierung können Sie gemäß Clause 6.2.1.2 eine AWS Norm-Schweißverfahrensspezifikation (SWPS) aus der B2.1-Reihe übernehmen.
Sprühlichtbogen
Der Sprühlichtbogen erzeugt einen gerichteten Strom feiner geschmolzener Tröpfchen, etwa 250 pro Sekunde gemäß AWS A5.18 A6.2.2, die den Lichtbogen ohne Kurzschluss überqueren. Dieser Modus wird oberhalb eines kritischen Übergangsstroms aktiviert, der vom Elektrodendurchmesser, der Zusammensetzung und dem Schutzgas abhängt. Für 1/16 in (1.6 mm) Kohlenstoffstahl-Elektroden beträgt der Übergangsstrom ungefähr 270 Ampere.
Der Sprühlichtbogen liefert hohe Abschmelzleistungen, ausgezeichnete Bindung, minimale Schweißspritzer und ein glattes Nahtprofil. Die hohe Streckenenergie erzeugt einen tiefen Einbrand.
Positionsbeschränkung: Der Sprühlichtbogen ist in der Praxis auf die flache (1G/1F) und horizontale (2G/2F) Position beschränkt. Die hohe Streckenenergie erzeugt ein großes, flüssiges Schweißbad (Schmelzbad), das nicht gegen die Schwerkraft kontrolliert werden kann. D1.1 Clause 10 schließt den Sprühlichtbogen von vorqualifizierten Rohrverbindungsdetails aus.
Typische Sprühlichtbogen-Übergangsströme
Die Werte sind annähernd und variieren je nach Elektrodenzusammensetzung, Oberflächenzustand und Kontaktspitze-Werkstück-Abstand. Konsultieren Sie das Datenblatt Ihres Elektrodenherstellers für genaue Werte.
| Wire Diameter | Shielding Gas | Transition Current (A) |
|---|---|---|
| 0.023 in (0.6 mm) | 98% Ar / 2% O2 | ~135 |
| 0.030 in (0.8 mm) | 98% Ar / 2% O2 | ~150 |
| 0.035 in (0.9 mm) | 98% Ar / 2% O2 | ~165 |
| 0.035 in (0.9 mm) | 95% Ar / 5% O2 | ~155 |
| 0.035 in (0.9 mm) | 85% Ar / 15% CO2 | ~180 |
| 0.035 in (0.9 mm) | 80% Ar / 20% CO2 | ~195 |
| 0.045 in (1.1 mm) | 98% Ar / 2% O2 | ~220 |
| 0.045 in (1.1 mm) | 85% Ar / 15% CO2 | ~240 |
| 0.045 in (1.1 mm) | 80% Ar / 20% CO2 | ~255 |
| 0.062 in (1.6 mm) | 98% Ar / 2% O2 | ~270 |
| 0.062 in (1.6 mm) | 80% Ar / 20% CO2 | ~345 |
Quelle: AWS A5.18 A6.2.2 (270 A Anker für 1/16 in Draht) und Daten des Elektrodenherstellers.
Die D1.1-Vorqualifizierungsfalle
Dies ist die häufigste D1.1-Prüffeststellung im Zusammenhang mit GMAW: Ein Betrieb schreibt „GMAW“ auf seine vorqualifizierte Schweißanweisung, ohne den Werkstoffübergang anzugeben, und verwendet dann Sprühlichtbogen in flacher Position und Kurzlichtbogen in vertikaler Position. Gemäß dem Regelwerk sind dies zwei separate Schweißverfahren.
Der Kommentar zu D1.1 Clause 5 ist explizit: „Wenn das Schweißverfahren auf der vorqualifizierten Schweißanweisung GMAW mit Variablen ist, die zu Sprühlichtbogen führen, wäre es nicht akzeptabel, der vorqualifizierten Schweißanweisung Variablen hinzuzufügen, die zu Kurzlichtbogen führen würden.“ Der Kurzlichtbogen-Anteil erfordert eine eigene Schweißanweisung, die durch Prüfung gemäß Clause 6 qualifiziert wurde.
Die praktische Konsequenz: Ein Fertigungsbetrieb, der Sprühlichtbogen in flacher und horizontaler Position verwendet und für vertikale und Überkopf-Positionen auf Kurzlichtbogen umstellt, benötigt zwei separate Schweißanweisungen. Die Sprühlichtbogen-Schweißanweisung kann gemäß Clause 5 vorqualifiziert werden. Die Kurzlichtbogen-Schweißanweisung muss durch Prüfung gemäß Clause 6 qualifiziert oder aus einer AWS SWPS gemäß Clause 6.2.1.2 übernommen werden.
D1.1 fordert gemäß Clause 5.5.4 auch Konstantspannungs-Stromquellen (CV) für vorqualifiziertes GMAW und FCAW.
Tropfenübergang
Der Tropfenübergang tritt bei Stromstärken zwischen Kurzlichtbogen und Sprühlichtbogen auf, typischerweise mit 100% CO2-Schutzgas gemäß AWS A5.18 A6.3. Große, unregelmäßig geformte Tröpfchen, die größer als der Elektrodendurchmesser sind, lösen sich von der Drahtspitze und werden unter Schwerkraft übertragen. Elektroden mit 0.045 bis 1/16 in Durchmesser werden normalerweise bei 275 bis 400 Ampere verwendet.
Der Tropfenübergang erzeugt die meisten Schweißspritzer aller GMAW-Modi und ist auf flache und horizontale Positionen beschränkt, da die großen Tröpfchen schwer gegen die Schwerkraft zu kontrollieren sind. Mit einer Technik des vergrabenen Lichtbogens (niedrige Spannung, Lichtbogen im Schweißbad (Schmelzbad) versenkt) können Schweißspritzer erheblich reduziert werden.
Der Tropfenübergang wird selten absichtlich in einer Schweißanweisung spezifiziert. Er tritt typischerweise als Übergangszustand auf, wenn Parameter zwischen Kurzlichtbogen- und Sprühlichtbogenbereichen eingestellt werden oder wenn 100% CO2-Schutzgas verwendet wird. Edelstahlelektroden werden in diesem Modus im Allgemeinen nicht verwendet, da der hohe CO2-Gehalt die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen kann.
Impuls-Sprühlichtbogen
Beim Impuls-Sprühlichtbogen wechselt die Stromquelle zwischen einem hohen Spitzenstrom (bei dem Sprühlichtbogen auftritt) und einem niedrigen Hintergrundstrom (bei dem der Lichtbogen aufrechterhalten wird, aber kein Metall übertragen wird). Dieser Zyklus findet gemäß AWS A5.18 A6.2.3 mit 60 bis 120 Impulsen pro Sekunde statt. Jeder Spitzenimpuls löst ein Tröpfchen von der Elektrode im Sprühlichtbogenmodus, während der Hintergrundstrom das Schweißbad (Schmelzbad) teilweise erstarren lässt.
Das Ergebnis sind Schweißnähte in Sprühlichtbogenqualität in allen Positionen, einschließlich vertikal und über Kopf. Der Impuls-Sprühlichtbogen kombiniert die Abschmelzeffizienz und Nahtqualität des Sprühlichtbogens mit der Positionsflexibilität des Kurzlichtbogens.
D1.1 Vorqualifizierung: D1.1 schließt den Impuls-Sprühlichtbogen (GMAW-P) nicht explizit von der Vorqualifizierung aus, wie es GMAW-S ausschließt. Der Impuls-Sprühlichtbogen verwendet jedoch wellenformgesteuerte Stromquellen gemäß Clause C-6.8.5.1, die unterschiedliche Streckenenergieberechnungen unter Verwendung der Gleichungen 2 und 3 von Clause 6.8.5.1 anstelle der konventionellen Gleichung 1 erfordern. Da Clause 5.5.4 Konstantspannungs-Stromquellen (CV) für vorqualifiziertes GMAW vorschreibt und Impulsmaschinen anders als konventionelle CV-Quellen arbeiten, weist der Vorqualifizierungsweg praktische Hindernisse auf. Konsultieren Sie den Ingenieur für Ihre spezifische Anwendung.
Positionsbeschränkungen nach Werkstoffübergang
| Transfer Mode | Positions | D1.1 Vorqualifiziert? | Typical Use |
|---|---|---|---|
| Short Circuit (GMAW-S) | All positions | No — requires Clause 6 qualification | Thin material, root passes, out-of-position |
| Globular | Flat, horizontal | Generally avoided; 100% CO2 | Thick sections, deep penetration (buried arc) |
| Spray | Flat, horizontal | Yes — prequalified per Clause 5 | High deposition, structural flat/horizontal |
| Pulsed Spray (GMAW-P) | All positions | Practical barriers (CV requirement per Cl. 5.5.4) | All-position spray quality |