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Das Fast-Root-Schweißen ist ein neues abgeändertes Kurzlichtbogen-Schweißverfahren. Es ermöglicht das Fügen von Baustahl und Edelstahl in allen Positionen. Der Fast-Root-Schweißprozess steuert die Strom- und Spannungsparameter der Stromquelle digital. Er überwacht den Kurzschlussstrom und regelt den korrekten Übertragungstakt der Tropfen vom Zusatzwerkstoff zum Schweißbad.

Bei dem Fast-Root-Schweißprozess handelt es sich um ein MIG/MAG-Schweißverfahren für das Wurzellagen- und Dünnblechschweißen, der sich für Baustahl und Edelstahl eignet. Der Prozess ermöglicht das Schweißen in allen Positionen und führt zur gewünschten Einbrandtiefe und zu einer spritzerfreien Schweißnaht.

Des Weiteren stellt der Fast-Root-Prozess einen abgewandelten Kurzlichtbogen-Schweißprozess dar, der eine höhere Schweißgeschwindigkeit und -produktivität als beim WIG-Schweißen gewährleistet. Alle Kemppi-Schweißmaschinen der Produktreihe Fast-Mig-Synergic können mit der Fast-Root-Funktion ausgestattet werden. Die Kunden zeigen zunehmendes Interesse an der Entwicklung von Wurzellagen- und Dünnblechschweißverfahren.

Die Schweißindustrie ist verstärkt auf der Suche nach Mitteln, um die Schweißproduktivität und -qualität zu verbessern, weil es sich bei den derzeitigen Verfahren, die beim Elektroden-, WIG- und dem traditionellen MIG/MAG-Schweißen eingesetzt werden, nicht um Verfahren handelt, die ausschließlich für das Wurzellagenschweißen (Bild 1) konzipiert sind. Es gibt bereits Schweißmaschinen, bei denen abgeänderte MIG/MAG-Schweißverfahren für das Wurzellagenschweißen eingesetzt werden, aber auch diese Maschinen sind mit Einschränkungen behaftet.

Der Fast-Root-Schweißprozess steuert die Strom- und Spannungsparameter der Stromquelle digital. Er überwacht den Kurzschlussstrom und regelt den korrekten Übertragungstakt der Tropfen vom Zusatzwerkstoff zum Schweißbad. Das Arbeitsprinzip des neuen Prozesses basiert darauf, dass der Schweißstrom in zwei Phasen unterteilt wird. Diese Phasen haben Einfluss auf die Kurzschluss- und Lichtbogendauer und die dazugehörigen Anstiegsphasen (Bild 2).

Der Fast-Root-Prozess stellt einen abgewandelten Kurzlichtbogen-Schweißprozess dar und darf nicht mit Impulsschweißen verwechselt werden. In der ersten Anstiegsphase wird der Zusatzwerkstoff während des Kurzschlusses zum Schweißbad geleitet. Während der zweiten Anstiegsphase nimmt die Kraft des Lichtbogens schlagartig zu und wird auf dem gewünschten Niveau gehalten (Bild 2).

Vor der ersten Anstiegsphase weist der Schweißstrom eine kurze Stromspitze auf, bei welcher der Schweißdraht das Schweißbad berührt. Während der ersten Anstiegsphase ruft die schnelle Stromerhöhung auf das gewünschte Niveau eine sogenannte Abschnürkraft hervor, die dem Tropfen ermöglicht, sich von der Spitze des Schweißdrahts abzulösen. Die eigentliche Ablösung wird dabei durch langsame Reduzierung des Stroms gewährleistet.

Sobald der Tropfen das Schweißbad erreicht hat, beginnt die zweite Stromanstiegsphase, welche die Lichtbogenphase einleitet. Die Gerätesteuerung überwacht den Augenblick der Tropfenablösung im gesamten Lichtbogen. Das richtige Timing für die Stromzunahme und -abnahme gewährleistet einen spritzerfreien Übergang vom Kurzschluss zum offenen Lichtbogen.

In der so genannten zweiten Anstiegsphase bildet sich das Schweißbad, wobei diese Phase einen ausreichenden Einbrand in der Wurzellage gewährleistet. Diese beiden Anstiegsphasen treten hintereinander auf, worauf der Strom auf das gewünschte Grundniveau gesenkt wird. Das festgelegte Stromgrundniveau sorgt dafür, dass der nächste Zusatzwerkstofftropfen während des nächsten Kurzschlusses zum Schweißbad geleitet wird.

Die schnelle und zeitlich abgepasste Steuerung der Stromquelle in Verbindung mit der korrekten Stromkurvenform im Prozess ermöglicht eine störungs- und spritzerfreie Tropfenablösung und -übertragung zum Schweißbad. Dies hält den Lichtbogen stabil und der Schweißprozess ist einfach zu steuern.

Die Kemppi-Schweißgeräte der Reihe Fast-Mig-Synergic ermöglichen dem Schweißer, den Drahtvorschub, das Niveau der zweiten Anstiegsphase und das Grundstromniveau einzustellen. In Bild 3 wird der Effekt des ansteigenden Grundstromniveaus auf die Form der Schweißlage bei Edelstahl verglichen. In Bild 4 wird der Effekt des zweiten Anstiegsniveaus auf die Form der Schweißlage in Betracht gezogen.

Beim Schweißen der Wurzellage können verschiedenartige Techniken eingesetzt werden. Der Fast-Root-Prozess ermöglicht das Schweißen von Rohren, fallend von der 12-Uhr-Position bis zur 6-Uhr-Position oder von der 12-Uhr-Position bis zur 9-Uhr-Position, während beim typisches Kurzlichtbogenverfahren steigend von der 6-Uhr-Position bis zur 9-Uhr-Position geschweißt wird. Beim Schweißen von der 12-Uhr-Position bis zur 6-Uhr-Position wird der Brenner in einem Winkel von 10 bis 15° geführt.

Den Lichtbogen oben auf dem Schweißbad zu halten und nicht an der Schweißbadseite, ist dabei von größter Bedeutung für die Bewegungstechnik. Es steckt genügend Kraft im Lichtbogen, um den Schweißdraht durch eine Seite des Schweißbads zu drücken, wodurch keine Spritzer an der Seite der Wurzellage verursacht werden. Der Lichtbogen muss während des Pendelns oben auf dem Schweißbad gehalten werden. Der Schweißer darf nicht an den Seiten verbleiben: Stattdessen muss die Bewegungsrichtung beim Pendeln sofort geändert werden.

Das Pendeln ist schneller als beim normalen Kurzlichtbogenschweißen in steigender Position. Der Fast-Root-Prozess ermöglicht auch das Schweißen ohne Pendeln, was zu einer höheren Schweißgeschwindigkeit führt, allerdings wird die Oberfläche nach einer Schweißlage eine nicht so glatte Form aufweisen wie bei der Pendeltechnik. Der Fast-Root-Prozess wurde speziell für das Wurzellagenschweißen entwickelt, er kann aber auch für das Dünnblechschweißen eingesetzt werden.

Bei den am häufigsten geschweißten Werkstoffen handelt es sich um Baustahl und Edelstahl. Dafür sind bereits Synergiekurven im Lieferumfang der Schweißmaschinen der Reihe Fast-Mig-Synergic enthalten. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, in den Maschinen kundenspezifische Kurven zu erstellen, die für verschiedene Produktionsanforderungen ausgelegt sind. Die ersten kundenspezifischen Kurven wurden für ferritischen Edelstahl EN 10088 1.4539-904L und Duplexstahl EN 10088 1.4464 mit 22% Chrom erstellt. Zusätzlich stehen Edelstahl-Schweißkurven zur Verfügung, die für verschiedene Schutzgasgemische ausgelegt sind.

Erfolgreiche Anwender von Fast-Root sind bereits norwegische Unternehmen in der Offshore-Industrie. Die Kunden bezeichnen den Prozess als anwenderfreundlich und einfach regulierbar und heben besonders die spritzerfreien Resultate beim Schweißen von Rohrstahl hervor. Das Verfahren wird zurzeit im Projekt „Ormen Lange“ in Norwegen täglich eingesetzt. Es handelt sich dabei um das zweitgrößte Meeresgasfeld-Projekt mit der größten Nachfrage an Pipelines in der Welt.

Offshore-Kunden haben mit dem Fast-Root-Prozess Schweißtests durchgeführt, indem sie verschiedene Arten von Schweißnähten anfertigten und dabei unterschiedliche Schweißparameter verwendeten. Die Testergebnisse und Schweißparameter sind in den Bildern 5 und 6 zu sehen.

Zum Einsatz kommt Fast-Root auch in der Herstellung von Spiralwärmetauschern bei der Vaahto Oy, die Schweißnähte mit einer Länge von mehreren hundert Metern aufweisen können. In die Fast-Mig-Schweißausrüstung von Kemppi wurde die Fast-Root-Software installiert, um die Schweißarbeit zu beschleunigen und Gleichförmigkeit der Schweißnähte zu ermöglichen. Ein Metallblech mit einer Breite von bis zu 2 m rollt von der Walze auf die Produktionslinie, dann werden die Abstandsbolzen automatisch auf das Blech bolzengeschweißt. Der Zweck ist dabei, die spiralgedrehten Metallbleche getrennt zu halten, so dass sich zwischen den Blechen ein Kanal befindet für eine mittlere Durchflussverteilung.

Bei fast allen Schweißnähten handelt es sich um drucktragende Schweißnähte, wodurch besonders hohe Anforderungen an den Schweißer und die Schweißausrüstung gestellt werden. Spritzer sind nicht erlaubt und jede Schweißnaht wird zumindest visuell überprüft, aber üblicherweise auch mit Hilfe der Farbeindringprüfung oder einer anderen zerstörungsfreien Prüfmethode getestet. Nachdem die Abstandsbolzen an das Metallblech geschweißt worden sind, wird das Blech zu einer großen Spirale gewickelt und die Stirnseiten des gewickelten Blechs werden mit Schweißnähten verschlossen. Bei besonderen Metallqualitäten kann diese Arbeitsstufe Wochen oder sogar einen Monat dauern. Dabei strömt das Schutzgas und der Lichtbogen brennt für eine lange Zeit.

Aus Gründen der Schweißgeschwindigkeit bei derart zeitintensiven Arbeitsstufen hat Vaahto die Fast-Mig-Schweißausrüstung von Kemppi mit der Fast-Root-Funktion erworben, um das Wurzellagenschweißen zu beschleunigen. Dabei soll Fast-Root hauptsächlich das WIG-Schweißen ersetzen, um somit die Produktivität der Schweißarbeit zu erhöhen und auch die Gleichförmigkeit der Schweißnähte zu optimieren. MM

Jyri Uusitalo ist Schweißingenieur bei der Kemppi Oy in 15801 Lathi/Finnland

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