Spritzschweißen erklärt: Verfahren, Techniken und Sicherheit

Was ist Spritzschweißen?

Spritzschweißen bezeichnet mehrere Schweißverfahren in Form des thermischen Spritzens. Es handelt sich um einen industriellen Prozess, bei dem ein Pulver oder Draht mit Druckluft zerstäubt und mit hoher Geschwindigkeit auf eine Metalloberfläche aufgespritzt wird.

Beim Spritzschweißen kommen industrielles Plasma, Flamme, Detonationspistolen, Lichtbogenspritzen und Hochgeschwindigkeits-Oxyfuel (HVOF) zum Einsatz. Aufgrund der erheblichen Wärmeentwicklung durch Spritzer müssen Verfahren und Vorschriften sorgfältig und konsequent eingehalten werden, um Schäden für Mensch und Umwelt zu vermeiden.

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Wie funktioniert Spritzschweißen?

Thermisches Spritzen ist ein Sammelbegriff für mehrere Beschichtungsprozesse. Dabei wird ein Beschichtungsmaterial – Stab, Pulver oder Draht – durch verschiedene Energiequellen geschmolzen.

Einfach ausgedrückt: Ein industrielles Beschichtungsverfahren, bei dem eine Wärmequelle und ein Beschichtungsmaterial zu Tröpfchen geschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit aufgespritzt werden. Das Spritzen wird durch einen Zerstäubungsstrahl oder Gas auf ein Substrat beschleunigt.

Thermisches Spritzen ist ein vielseitiger und hocheffizienter Prozess. Er kann eine gute Alternative zu verschiedenen Oberflächenbehandlungen sein, wie Wärme- oder Nitrierbehandlungen, Verchromen, Vernickeln, Eloxieren und anderen Methoden.

Die Schichtdicke variiert je nach individuellen Anforderungen. Die Beschichtung repariert verschlissene Bauteile und Grundmaschinenteile. Sie kann auch zur Verbesserung der Leistung und Haltbarkeit des Elements aufgebracht werden. Bei guter Behandlung kann die Lebensdauer um bis zu 70 % verlängert werden.

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Verschiedene Spritzschweiß-Techniken

1. Lichtbogenspritzen (Spray Arc Welding)

Lichtbogenspritzen ist eines der Verfahren zum Übertragen von Metall von der Elektrode oder dem Draht auf die Schweißnaht. Winzige Tropfen geschmolzenen Metalls wandern durch den Lichtbogen auf das Grundmaterial oder die bearbeitete Naht.

Der Spritzübergang eignet sich ideal für dickere Metalle für Stumpf- oder Kehlnähte. Er ist nicht für Zwangspositionen geeignet, da die fliegenden Metalltröpfchen und die Schwerkraft keine ideale Situation für den Schweißer oder die Schweißarbeit schaffen.

Technisch gesehen ist Lichtbogenspritzen ein Sprühnebel aus geschmolzenem Metall, der über den Lichtbogen übertragen wird – ähnlich wie Wasser, das aus einem Gartenschlauch mit verengter Düse austritt. Lichtbogenspritzen reduziert Schweißspritzer und erzeugt eine feinere Schweißnaht.

Prozess

Der Prozess arbeitet mit hohen Strom- und Spannungswerten. Wenn sich der Draht dem Grundmaterial nähert, fließt Strom, bevor er das Metall berührt. Der Strom erhitzt den Draht sehr schnell und schmilzt ihn. Das geschmolzene Metall wandert in Form winziger Tropfen über den erzeugten Lichtbogen – daher der Name Lichtbogenspritzen.

Lichtbogenspritzen kann hohe Metallauftragsraten erreichen, wenn die ideale Kombination aus Schutzgas, Metall, Drahtdurchmesser und Kontaktspitzendistanz vorliegt. Mit der perfekten Kombination aller Parameter können sehr hohe transiente Ströme erzeugt werden. Der Prozess wird auch als axiales Spritzen bezeichnet.

Die verwendeten Stromwerte müssen höher sein als der transiente Strom. Nur dann wird das Metall in Form von Tropfen übertragen, nicht nur geschmolzen. Der Prozess erfordert hohe Ströme bei ausreichender Spannung, um eine spritzerfreie Schweißnaht zu gewährleisten.

Vorteile

Lichtbogenspritzen ist ein sehr effizienter Prozess. Zu den wesentlichen Vorteilen gehören:

• Hohe Metallauftragsraten
• Gute Metallschmelze und -durchdringung
• Hervorragendes Schweißnahtbild
• Einsatz größerer Elektrodendrahtdurchmesser möglich
• Sehr geringe Spritzerbildung

Trotz dieser umfangreichen Vorteile hat das Spritzlichtbogenverfahren erhebliche Einschränkungen.

Einschränkungen

Die Einschränkungen des Spritzlichtbogenübergangs umfassen, sind aber nicht beschränkt auf:

• Nur für dicke Materialien geeignet (ca. 3 mm und dicker)
• Begrenzt auf Flach- und horizontale Kehlnähte
• Keine Wurzeigenschaften (Open Root)

2. Flammspritzen

Flammspritzen, auch Oxy/Acetylen-Verbrennungsspritzen genannt, ist die ursprüngliche thermische Spritztechnik, die vor etwa 100 Jahren entwickelt wurde. Sie nutzt die Grundprinzipien eines Schweißbrenners mit der Ergänzung eines Hochgeschwindigkeits-Luftstroms, der geschmolzene Partikel auf das Substrat treibt.

Das Beschichtungsmaterial kann in Draht- oder Pulverform vorliegen. Flammspritzschichten werden oft nach dem Aufbringen aufgeschmolzen, um Haftung und Schichtdichte zu verbessern.

Vorteile

• Hohe Auftragsraten
• Geringe Substraterwärmung
• Vielseitig
• Einfacher und benutzerfreundlicher Prozess

Nachteile

• Relativ geringe Haftung
• Erhöhte Heizeffizienz (Anm.: im Original „Increased heating efficiency“, vermutlich als Nachteil im Sinne von unerwünschter Wärmeeintrag gemeint)
• Nicht kompatibel mit Metallen, deren Schmelzpunkt 2.800 °C übersteigt

3. Hochgeschwindigkeits-Oxyfuel (HVOF)

Das HVOF-Verfahren (High-Velocity Oxy-Fuel) verbrennt Sauerstoff und eine Auswahl brennbarer Gase wie Propan, Propylen oder Wasserstoff. Obwohl HVOF das Grundprinzip der Verbrennung nutzt, ist die Spritzpistole anders konstruiert als eine herkömmliche Oxyfuel-Pistole.

Die Unterschiede der HVOF-Pistole erzeugen höhere Flammentemperaturen und höhere Geschwindigkeiten. Das Ergebnis ist ein gründlicher geschmolzenes Pulver und mehr kinetische Energie, um die geschmolzenen Beschichtungspartikel „abzuflachen“. Das HVOF-Verfahren erzeugt überlegene Bindungsfestigkeit und Schichtdichte.

HVOF wird am häufigsten zum Aufbringen von hochschmelzenden Metallen und Legierungen wie Wolframcarbid, Chromcarbid eingesetzt.

Vorteile

• Unterstützt dicke Beschichtungen hervorragend
• Niedrige Porosität
• Hohe Haftfestigkeit
• Mehr zurückgehaltene Karbide im Vergleich zu Flammspritzen oder Plasmaspritzen

Nachteile

• Relativ laut mit Geräuschpegeln bis zu 130 dB
• Niedrige Auftragsrate
• Etwas teurer

4. Plasmaspritzen (PTA)

Beim Plasmaspritzen (nicht übertragenem Lichtbogen) werden Inertgase an einer Elektrode vorbeigeführt, wodurch der „Plasma“-Zustand der Gase induziert wird. Wenn die Gase die Düse der Pistole verlassen und in ihren normalen Zustand zurückkehren, wird eine enorme Wärmemenge freigesetzt.

Ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial wird in die Plasma-„Flamme“ injiziert und auf das Substrat aufgespritzt.

Keramische Beschichtungen werden am häufigsten per Plasmaspritzen aufgebracht, da sie hohe Schmelztemperaturen haben (oft > 3500 °F). Verschiedene Arten keramischer Beschichtungen können per Plasmaspritzen aufgebracht werden.

Vorteile

• Einfach aufzubringen
• Cermet-Partikel sind größer
• Verschleißfestigkeit
• Sehr niedrige oder null Porosität
• Dicke Beschichtung
• Geringe Substraterwärmung im Vergleich zu WIG-Schweißen (GTAW)

Nachteile

• Hohe Oxidation des aufgespritzten Materials
• Schwierig, dünne Schichten von 1 mm oder weniger zu erhalten

5. Detonationsspritzen

Detonationsspritzen ist eine der vielen thermischen Spritztechniken, um Schutzschichten mit Überschallgeschwindigkeit auf ein Material aufzubringen, um dessen Oberflächeneigenschaften zu verändern – primär zur Verbesserung der Bauteilhaltbarkeit.

Es wurde 1955 von H.B. Sargent, R.M. Poorman und H. Lamprey erfunden und mit einer speziell entwickelten Detonationspistole (D-Gun) aufgebracht. Das zu beschichtende Bauteil muss sorgfältig vorbereitet werden: Entfernen aller Öle, Fette, Verunreinigungen und Aufrauen der Oberfläche, um eine stark haftende Detonationsspritzschicht zu erzielen.

Dieser Prozess erreicht die höchsten Geschwindigkeiten (≈ 3500 m/s Stoßwelle, die die Beschichtungsmaterialien antreibt) und Temperaturen (≈ 4000 °C) aller thermischen Spritztechniken.

Dadurch kann Detonationsspritzen niedrigporöse (unter 1 %) und sauerstoffarme (0,1–0,5 %) Schutzschichten aufbringen, die vor Korrosion, Abrasion und Adhäsion bei niedriger Belastung schützen.

Das Verfahren ermöglicht sehr harte und dichte Oberflächenschichten, die als verschleißfeste Beschichtungen nützlich sind. Daher wird Detonationsspritzen häufig für Schutzschichten in Flugzeugtriebwerken, Lehren, Schneidkanten (Schabmesser), Rohrbohrer, Rotor- und Statorflügel, Führungsleisten oder andere metallische Materialien eingesetzt, die hohem Verschleiß ausgesetzt sind.

Üblicherweise werden Pulver von Metallen, Legierungen, Cermets und deren Oxiden (Aluminium, Kupfer, Eisen etc.) aufgespritzt.

Detonationsspritzen ist ein industrieller Prozess, der gefährlich sein kann, wenn er nicht korrekt und in sicherer Umgebung durchgeführt wird. Daher müssen viele Sicherheitsvorkehrungen bei dieser thermischen Spritztechnik beachtet werden.

6. Kaltgasspritzen (Cold Spray)

Kaltgasspritzen (CS) ist ein Beschichtungsauftragsverfahren. Feste Pulver (1–50 µm Durchmesser) werden in einem Überschallgasstrahl auf Geschwindigkeiten bis ca. 1200 m/s beschleunigt. Beim Aufprall auf das Substrat erfahren die Partikel plastische Verformung und haften an der Oberfläche.

Für gleichmäßige Schichtdicke wird die Spritzdüse entlang des Substrats geführt. Metalle, Polymere, Keramiken, Verbundwerkstoffe und nanokristalline Pulver können per Kaltgasspritzen aufgebracht werden.

Die kinetische Energie der Teilchen, bereitgestellt durch die Gasexpansion, wird bei der Bindung in plastische Verformungsenergie umgewandelt. Im Gegensatz zu thermischen Spritztechniken (Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Flammspritzen, HVOF) werden die Pulver während des Spritzprozesses nicht geschmolzen.

Vorteile des Spritzschweißens

• Glatte Schweißnaht
• Hohe Durchdringung (ab Materialstärke 3/16″ / ca. 5 mm)
• Hohe Auftragsraten
• Minimale Spritzer
• Kostensenkung: Spritzen verstärkt ein günstigeres Basismaterial
• Geringer Wärmeeintrag: Beschichtungen dringen nicht in das Basismaterial ein
• Vielseitig: Die meisten Metalle, Kunststoffe und Keramiken können aufgespritzt werden
• Breiter Dickenbereich: 0,001 bis 0,1 Zoll (ca. 25 µm bis 2,5 mm), kann über 1 Zoll (25 mm) betragen
• Hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit: Auftragsraten von 3 bis 60 lb/h (ca. 1,4–27 kg/h), abhängig vom Verfahren

Nachteile des Spritzschweißens

• Erfordert Schweißerausbildung
• Gaskosten können durch höheren Argonanteil (> 85 %) steigen
• Empfohlen nur für Flachposition und horizontale Kehlnähte
• Hohe Wärme kann Schweißerunbehagen verursachen
• Kerbenbildung möglich, besonders an der oberen Schweißkante
• Bindung der Beschichtung ist mechanisch, nicht metallurgisch
• Linie-des-Sichts-Verfahren (Line-of-sight)
• Geringe Beständigkeit der Beschichtungen gegen punktuelle Belastung

FAQs

Was ist Spritzschweißen?

Spritzschweißen ist ein Sammelbegriff für mehrere Schweißverfahren in Form des thermischen Spritzens. Es ist eine industrielle Tätigkeit, bei der ein Pulver oder Draht zerstäubt und mit Druckluft mit hoher Geschwindigkeit auf eine Metalloberfläche aufgespritzt wird.

Was ist Lichtbogenspritzen?

Lichtbogenspritzen ist eines der Verfahren zum Übertragen von Metall von der Elektrode oder dem Draht auf die Schweißnaht. Winzige geschmolzene Metalltröpfchen wandern durch den Lichtbogen auf das Grundmaterial oder die bearbeitete Naht. Spritzübergang ist ideal für dickere Metalle bei Stumpf- oder Kehlnähten.

Wie richte ich einen Spritzlichtbogen ein?

Für höhere Produktionsgeschwindigkeiten Spritzübergang nutzen. Bei über 80 % Argon-Mischung Spannung auf 23–24 Volt einstellen. Drahtvorschub auf ca. 300–400 Zoll/min (ca. 7,6–10 m/min) einstellen, bis ca. 150 Ampere erreicht sind.

Wie dick kann man spritzschweißen?

Thermisches Spritzen kann dicke Beschichtungen liefern (ca. 20 µm bis mehrere mm, abhängig vom Prozess und Zusatzwerkstoff), über große Flächen mit hoher Auftragsrate im Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren wie Galvanisieren, PVD und CVD.

Ist Spritzschweißen fest?

HVOF-Spritzschweißen: Das Gas erreicht Überschallgeschwindigkeit, während Pulver in die Flamme injiziert wird. Der Prozess liefert dichte thermische Spritzschichten mit weniger als 1 % Porosität. Das Ergebnis zeigt hohe Bindungsfestigkeit und feine Oberflächen im Spritzzustand.