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CMT und SAW-P: ein Vergleich

Cold Metal Transfer (CMT) und Super Active Wire Process (SAW-P) erklärt

Dieser Artikel wirft einen tieferen Blick auf zwei Metallübertragungstechniken. Sie werden verwendet bei der Additiven Draht- und Lichtbogenfertigung (WAAM) – Cold Metal Transfer (CMT) und Super Active Wire Process (SAW-P). Bei beiden Verfahren handelt es sich um Abwandlungen des Kurzschluss-Metalllichtbogenschweißens. Dieser Artikel bietet eine Einführung in die Kurzschlussmetallübertragung und erörtert die Vorteile der additiven Fertigung mit CMT und SAW-P.

Abb. 1: Grundlegende Erläuterung der additiven Fertigung mit Drahtlichtbogen. Klicken Sie hier, um die Einführung zu WAAM zu lesen

Übertragungsmodi von WAAM

Zunächst zur Definition: WAAM ist eine Abwandlung des Lichtbogenschweißverfahrens, das für die additive Fertigung eingesetzt wird. Bei der additiven Fertigung (AM), auch bekannt als 3D-Druck, werden Objekte mithilfe von computergestütztem Design Schicht für Schicht aufgebaut. Dies steht im Gegensatz zur traditionellen Fertigung, bei der unerwünschte Überschüsse aus einem massiven Stück Material, häufig Metall, geschnitten, gebohrt und weggeschliffen werden [ASTM-Norm]. WAAM ist ein auf dem GMAW-Verfahren basierendes Verfahren mit einem Roboterarm und einer Positioniervorrichtung, die in eine Schweißstromquelle integriert sind, sowie einem Drahtvorschubsystem, das Metall in additiven Schichten auftragen kann, um die gewünschte Geometrie und den gewünschten Freiheitsgrad zu bilden.

Der Mechanismus der Drahtablagerung auf der Druckoberfläche wird als „Metallübertragungsmodus“ bezeichnet und durch die Parameter des Schweißprozesses bestimmt. Die abgeschiedene Raupengeometrie (Breite, Höhe, Eindringtiefe, Wärmeeinflusszone (HAZ) und Oberflächenbeschaffenheit) hängt vom Metallübertragungsmodus ab. Es gibt drei allgemeine Arten der Metallübertragung: Kugelförmig, Impuls und Kurzschluss. Der Metallübertragungsmodus wird durch die Strom- und Spannungswellenform bestimmt, wobei jeder Übertragungsmodus in einem anderen VI-Bereich arbeitet. Die Kurzschlussübertragung wird sowohl für CMT- als auch für SAW-P-Prozesse verwendet.

waveforms CMT SAWP RAMLAB_Short circuit welding waveforms

Abbildung 2: Die Strom- und Spannungsverläufe beim Kurzschlussschweißen

Kurzschlussübertragungsmodus

Unter den verschiedenen Übertragungsarten weist die Kurzschlussübertragung aufgrund des relativ geringen Stroms und der relativ geringen Spannung den geringsten Wärmeeintrag auf. In diesem Modus wird Metall durch eine Reihe elektrischer Kurzschlüsse vom Draht in das flüssige Schmelzbad übertragen. Der Draht wird kontinuierlich durch den Schweißbrenner geführt und berührt das Schmelzbad, wodurch der Lichtbogen erlischt und kurzschließt. In diesem Kurzschlusszustand fließt ein Strom durch den Draht und löst den Metalltropfen vom Draht auf das Schmelzbad und zündet den Lichtbogen erneut. Dieser Vorgang wiederholt sich bei der Metallabscheidung 50-200 Mal pro Sekunde. Die Strom- und Spannungsverläufe beim Kurzschlussschweißen sind in der Abb. 2 dargestellt..

In den letzten 20 Jahren wurden Modifikationen der traditionellen Kurzschlussübertragung entwickelt, um die Qualität der Schweißung und die Effizienz der Produktion zu verbessern. Diese Modifikationen werden am Drahtvorschubsystem und den VI-Wellenformen vorgenommen, um die Tropfenablösung zu unterstützen und spritzerfreie Schweißnähte mit einer guten Oberflächengüte zu erzeugen.

Zwei dieser modifizierten Kurzschlussprozesse werden im Folgenden besprochen – Cold Metal Transfer (CMT) und Super Active Wire Process. SAWP wird für den WAAM-Betrieb bei RAMLAB mit Panasonic-Schweißrobotersystemen verwendet.

waveforms CMT SAWP RAMLAB_Fronius CMT Voltage

Abbildung 3: CMT-Wellenform (Basierend auf dem verlinkten Bild [4])

Kalter Metalltransfer (CMT)

Die Kaltumformung (Wellenform in Abbildung 3) hat ihren Namen von dem Verfahren, das bei einer niedrigeren Temperatur als das herkömmliche Kurzschlussschweißen stattfindet. Die Reduzierung der Schweißwärmeeinbringung verringert den Verzug und minimiert die Eigenspannungen im Werkstück. Außerdem wird der Elektrodendraht bei jedem Kurzschluss durch den Drahtvorschub im Roboterarm zurückgezogen, wenn der Strom auf nahezu Null sinkt, was unerwünschte Schweißspritzer reduziert. Aufgrund der geringeren Wärmeentwicklung eignet sich CMT ideal zum Schweißen dünner Verbindungen und zur Verringerung des Risikos des Durchbrennens (Löcher, die durch hohe Wärmezufuhr entstehen). Aufgrund der geringen Wärmeeinbringung ermöglicht dieses Verfahren auch das Verbinden von unterschiedlichen Metallen wie Aluminium mit Stahl. [3]

waveforms CMT SAWP RAMLAB_Panasonic SAWP Voltage

Abbildung 4: SAW-P-Wellenform (Daten aufgezeichnet von MaxQ.)

Superaktiver Drahtprozess (SAW-P)

Bei SAWP erkennt das Schweißsystem zunächst einen Kurzschluss und kehrt anschließend die Drahtvorschubrichtung um, um die Tropfenübertragung zu unterstützen und Spritzer zu reduzieren. Außerdem passt das System die eingestellte Drahtvorschubgeschwindigkeit dynamisch an, um einen stabilen Lichtbogen zu erhalten und fehlerfreie Schweißnähte zu erzeugen. SAWP bietet eine größere Auswahl an Raupengeometrien, da es einen stabilen Kurzschlussübergang bei einer höheren Stromstärke als dem kritischen kugelförmigen Kurzschlussstrom aufrechterhalten kann. SAWP ermöglicht auch höhere Verfahrgeschwindigkeiten ohne Beeinträchtigung der Raupengeometrie, was zu höheren Produktionsraten führt.

Die SAW-P-Wellenformen finden Sie in Abbildung 4. Die Daten werden aufgezeichnet von MaxQ. (Abbildung 5)

Abbildung 5: MaxQ. dient der Datenaufzeichnung

Fazit

Bei CMT und SAW-P handelt es sich um Innovationen, die entwickelt wurden, um den geringen Wärmeeintrag des Kurzschlussschweißens mit einer modifizierten Wellenform zu nutzen, um die Effizienz zu steigern und Spritzer zu reduzieren. Beide Methoden reduzieren die Verformung des Teils und können zum Schweißen unterschiedlicher Metalle verwendet werden, um funktionell abgestufte Komponenten herzustellen. SAW-P kann jedoch im Vergleich zu CMT einen stabilen Lichtbogen in einem höheren Stromstärkebereich aufrechterhalten. SAW-P ermöglicht zudem höhere Verfahrgeschwindigkeiten, was in der Folge die Produktionsrate erhöhen kann.

Die WAAM-Roboter von RAMLAB sind mit einer Panasonic-Stromquelle ausgestattet, die das SAW-P-Schweißen ermöglicht. Es besteht auch die Möglichkeit, MaxQ mit einer Fronius-Stromquelle zu integrieren.

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Referenzen

[1] Kim, YS, & Eagar, TW (1993). Analyse der Metallübertragung beim Metallschutzgasschweißen. WELDING JOURNAL-NEW YORK-, 72, 269-s. https://eagar.mit.edu/publications/Eagar117.pdf

[2] Webseite: https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/mig-mag-developments-in-low-heat-input-transfer-modes-133

[3] S. Selvi, A. Vishvaksenan, E. Rajasekar. Cold Metal Transfer (CMT)-Technologie – Ein Überblick, Defence Technology, Band 14, Ausgabe 1, 2018. ISSN 2214-9147. https://doi.org/10.1016/j.dt.2017.08.00

[4] Cong, B., Ding, J. & Williams, S. (2014). Einfluss des Lichtbogenmodus im Kaltmetallübertragungsprozess auf die Porosität der additiv gefertigten Al-6.3%Cu-Legierung. Das International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 76(9–12), 1593–1606. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6346-x