Emissionsarmes MSG-Heißdraht­schweißen – Reduzierung gefährlicher Schweißrauche durch die partielle Trennung von Lichtbogen und Zusatzwerkstoff

© Martin Hertel

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Vorhabens war eine signifikante Reduzierung gesundheitsgefährdender Schweißrauchkomponenten beim MSG-Schweißen. Im Unterschied zu bisherigen Forschungsansätzen in der Schweißtechnik sollte die Gefährdung der Mitarbeiter direkt bei ihrer Entstehung und nicht, wie heute üblich, durch nachgelagerte Schutzmaßnahmen minimiert werden. Im Rahmen des Vorhabens wurde hierfür ein neuartiger Ansatz systematisch unter-sucht, welcher auf einer partiell lichtbogenlosen Werkstoffeinbringung durch einen Zusatz-draht basiert. Durch Auslagerung aller kritischen Bestandteile wie z. B. Chrom und Nickel aus dem lichtbogentragenden in den lichtbogenlosen Draht kann sowohl die Schweißrauchemission als auch deren Toxizität maßgeblich verringert werden. Auf Grundlage des gewählten Ansatzes kann den steigenden Anforderungen des Arbeitsschutzes bei gleichzeitiger Erhaltung der Wirtschaftlichkeit des MSG-Verfahrens entsprochen werden.

Die Untersuchungen haben ergeben, dass die chemische Zusammensetzung des beim MSG-Zusatzdrahtschweißen entstehenden Schweißrauches unabhängig von den untersuchten technologischen Parametern des Zusatzdrahtes ist. Im Hinblick auf die Abschmelzleistung, die Prozessstabilität sowie die Durchmischung der Legierungselemente im Schmelz-bad wird der Einsatz eines Zusatzheißdrahtes (AC-Modus) mit einem Abstand von 0 mm zur Lichtbogenachse empfohlen. Durch eine Wechselstrombelastung des Zusatzheißdrahtes können die Vorteile einer erhöhten Abschmelzleistung (gleiche Polung beider Drähte) und einer erhöhten Prozessstabilität (gegensätzliche Polung beider Drähte) miteinander kombiniert werden.

Im Rahmen eines Prozessvergleiches am Beispiel eines X5CrNi18-10 konnte festgestellt werden, dass der Einsatz eines Zusatzfülldrahtprozesses mit der größten Gesamtemissionsmenge und der höchsten Emissionsrate korreliert. Sowohl die Gesamtemissionsmenge als auch die Emissionsrate sind bei Verwendung des vorgestellten Zusatzmassivdrahtprozesses vergleichbar mit einem konventionellen MSG-Prozess. Im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung ergeben sich bei beiden Zusatzdrahtprozessen deutlich verringerte prozentuale Chrom- und Nickelanteile im Schweißrauch, wobei der Zusatzfülldrahtprozess auf-grund der nicht gänzlich zu vermeidenden Oxidation von Fülldrahtbestandteilen leicht erhöhte Konzentrationen beider toxischen Elemente aufweist. Die absolut emittierte Menge an Chrom- und Nickel pro Bauteilschweißung nahm vom konventionellen MSG-Prozess über den Zusatzfülldraht- hin zum Zusatzmassivdrahtprozess ab. Im Vergleich zum konventionellen MSG-Prozess konnte durch die Auslagerung von gesundheitsgefährlichen Elementen in einen Zusatzmassivdrahtes eine Reduzierung sowohl des Chrom- als auch des Nickelanteils im Schweißrauch um ca. 95 % realisiert werden. Erste Untersuchungen haben zudem gezeigt, dass die Verwendung eines Zusatzfülldrahtes zu den höchsten und die Anwendung eines Zusatzmassivdrahtes zu den niedrigsten Chrom(VI)-Emissionen führt, wobei weiterführende Untersuchungen von den Autoren als zielführend und notwendig erachtet werden.

Neben der Bewertung des Gefährdungspotentials der entstehenden Schweißrauche konnte durch die Analysen der Verbindungseigenschaften gezeigt werden, dass die Verwendung eines Zusatzfülldrahtes eine unzureichende Durchmischung bedingt und damit weiterführend die Heißrissneigung im Wurzelbereich signifikant erhöht. Es resultiert eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit als auch der Bauteilfestigkeit. Die Durchmischung kann durch die Anwendung eines Zusatzmassivdrahtes signifikant verbessert werden, was zu vergleichbaren Verbindungs- und Bauteileigenschaften wie bei der Verwendung eines konventionellen MSG-Prozesses führt.

Es kann zusammenfassend festgestellt werden, dass durch die Anwendung von Zusatzmassivdrähten das Gefährdungspotenzial des Schweißrauches beim MSG-Schweißen des austenitischen korrosionsbeständigen Stahls X5CrNi18-10 signifikant reduziert werden kann. Für eine praxisnahe Umsetzung des Prozesses ist es zwingend erforderlich, alle gesundheitsgefährlichen Drahtbestandteile durch einen Zusatzmassivdraht zuzuführen, wobei kein derzeitig kommerziell verfügbarer Zusatzdraht die an die chemische Zusammensetzung gestellten Anforderungen erfüllt. Auf Grundlage der Ergebnisse sind im Folgenden Zusatzmassivdrähte mit entsprechend hohen prozentualen Anteilen an Chrom und Nickel zu konzipieren und zu fertigen.