Spritzschweißen (Spray Welding) erklärt: Prozesse, Techniken & Sicherheitsrichtlinien

Was ist Spritzschweißen?

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

Spritzschweißen umfasst den Einsatz von industriellem Plasma, Flamme, Detonationsbrennern, Lichtbogenspritzen und Hochgeschwindigkeits-Oxyfuel. Aufgrund der erheblichen Hitzeentwicklung beim Spritzschweißen müssen Verfahren und Vorschriften sorgfältig und konsequent befolgt werden, um Schäden an Mensch und Umwelt zu vermeiden.

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Wie funktioniert Spritzschweißen?

Thermisches Spritzen ist ein Sammelbegriff für mehrere Beschichtungsverfahren. Der gesamte Prozess beinhaltet die Verwendung von Beschichtungsmaterial, beispielsweise einem Stab, Pulver oder Draht, das durch verschiedene Energiequellen geschmolzen wird.

Einfach ausgedrückt: Es handelt sich um ein industrielles Beschichtungsverfahren, bestehend aus einer Wärmequelle und einem Beschichtungsmaterial, das in Tropfen geschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit gespritzt wird. Das Spritzen wird durch einen Zerstäubungsstrahl oder Gas auf ein Substrat getrieben.

Thermisches Spritzen ist ein sehr vielseitiger Prozess und als hocheffizient bekannt. Es kann eine gute Alternative für verschiedene Oberflächenbehandlungen sein, darunter Wärme- oder Nitrierbehandlungen, Chrom-, Nickelbeschichtung, Eloxieren und andere Methoden.

Die Beschichtungsdicke variiert je nach individuellen Präferenzen. Die Beschichtung repariert verschlissene Komponenten und grundlegende Maschinenteile. Sie kann auch zur Verbesserung der Leistung und Haltbarkeit des Elements aufgebracht werden. Bei guter Behandlung kann dies die Lebensdauer um bis zu 70 % verlängern.

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Verschiedene Arten von Spritzschweiß-Techniken

1. Lichtbogen-Spritzschweißen (Spray Arc Welding)

Lichtbogen-Spritzschweißen ist eine Methode zum Übertragen von geschmolzenem Material in Form vieler kleiner Tropfen, deren Durchmesser kleiner ist als der des Zusatzdrahts. Da keine Kurzschlüsse auftreten, ist der Lichtbogen stabil und spritzerfrei.

Eine Voraussetzung für erfolgreiches Lichtbogen-Spritzschweißen ist, dass Strom- und Spannungswerte bestimmte Grenzwerte überschreiten. Dadurch wird mehr Wärme dem Werkstück zugeführt als beim Kurzlichtbogenschweißen, und nur Materialien mit einer Dicke von 5 mm oder mehr eignen sich für Lichtbogen-Spritzschweißen.

Aufgrund der hohen Wärmeeinbringung ist das Schmelzbad ebenfalls groß, sodass in Horizontalposition geschweißt werden muss. Es ist zu beachten, dass ein reiner Spritzlichtbogen mit CO₂ als Schutzgas nicht erreicht werden kann.

Das Schutzgas muss reines Argon sein, vorzugsweise mit einer kleinen Menge CO₂ (maximal 25 %) oder O₂. Lichtbogen-Spritzschweißen eignet sich besonders für MIG-Schweißen von Aluminium und rostfreiem Stahl, wo das Schutzgas hauptsächlich Argon ist.

Lichtbogen-Spritzschweißen kann bei niedrigeren Strömen mit dünnem Zusatzdraht erfolgreicher durchgeführt werden als mit dickerem Draht.

Die Lichtbogenspannung sollte gerade hoch genug eingestellt werden, um einen kurzschlussfreien Lichtbogen aufrechtzuerhalten. Der Zusatzdraht wird meist an den Pluspol angeschlossen.

Vorteile

Lichtbogen-Spritzschweißen ist ein sehr effizienter Prozess. Zu den Hauptvorteilen gehören:

• Hohe Abscheiderate
• Gute Fusion und Durchdringung
• Gutes Nahtbild
• Verwendung größerer Elektrodendurchmesser möglich
• Sehr wenig Spritzer

Einschränkungen

Die Einschränkungen des Lichtbogen-Spritzschweißens sind:

• Nur für Material ab 3 mm Dicke (handgeführt) und dicker
• Begrenzt auf Flach- und Horizontal-Kehlnahtpositionen
• Gute Passung ist immer erforderlich, da keine Wurzelöffnung möglich ist

2. Flammspritzen (Flame Spraying Process)

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, um geschmolzene Partikel auf das Substrat zu treiben.

Das Beschichtungsmaterial kann entweder in Draht- oder Pulverform vorliegen. Flammspritzbeschichtungen werden oft nach dem Auftragen geschmolzen, um Haftung und Beschichtungsdichte zu verbessern.

Vorteile

• Hohe Abscheideraten
• Geringe Oberflächenaufheizung
• Vielseitig
• Prozess ist einfach und benutzerfreundlich

Nachteile

• Relativ geringe Haftung
• Erhöhte Heizeffizienz (Anm.: im Original „Increased heating efficiency“ als Nachteil gelistet, vermutlich Tippfehler für „geringe Effizienz“ oder ähnlich)
• Nicht kompatibel mit Metallen, deren Schmelzpunkt 2.800 °C übersteigt

3. Hochgeschwindigkeits-Oxyfuel (HVOF)

Der HVOF-Prozess (High-Velocity Oxy-Fuel) verbrennt Sauerstoff und eine ausgewählte Gruppe brennbarer Gase einschließlich Propan, Propylen oder Wasserstoff. Obwohl das HVOF-System das Grundprinzip der Verbrennung nutzt, ist die Spritzpistole anders konstruiert als die Standard-Oxyfuel-Spritzpistole.

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 Partikel des Beschichtungsmaterials „abzuflachen“. Der HVOF-Prozess erzeugt überlegene Haftfestigkeit und Beschichtungsdichte.

Der HVOF-Prozess wird am häufigsten verwendet, um hochschmelzende Metalle und Metalllegierungen wie Wolframcarbid und Chromcarbid abzuscheiden.

Vorteile

• Unterstützt dicke Beschichtungen hervorragend
• Niedrige Porosität
• Hohe Haftwerte
• Mehr erhaltene Carbide im Vergleich zu Flammspritzen oder Plasmaspritzen

Nachteile

• Relativ laut mit Geräuschpegel bis 130 dB
• Niedrige Abscheiderate
• Etwas teurer

4. Plasmaspritzen (PTA)

Der Plasmaspritzprozess (nicht übertragener Lichtbogen) verwendet Inertgase, die an einer Elektrode vorbeigeführt werden und den „Plasma“-Zustand der Gase induzieren. Wenn die Gase die Düse der Pistolenapparatur verlassen und in ihren Normalzustand zurückkehren, wird eine enorme Menge Wärme freigesetzt.

Ein pulverförmiges Beschichtungsmaterial wird in die Plasmas „Flamme“ injiziert und auf das Substrat getrieben.

Keramische Beschichtungen werden am häufigsten mit Plasmaspritzen aufgebracht, da sie hohe Schmelztemperaturen haben (oft > 1925 °C / 3500 °F). Mehrere Arten keramischer Beschichtungen können mit Plasmaspritzen aufgebracht werden.

Vorteile

• Einfach anzuwenden
• Cermet-Partikel sind größer
• Verschleißfestigkeit
• Sehr niedrige oder null Porosität
• Dicke Beschichtung
• Geringe Substrataufheizung im Vergleich zu WIG

Nachteile

• Hohe Oxidation des gespritzten Materials
• Schwierig, eine dünne Schicht von 1 mm oder weniger zu erhalten

5. Detonationsspritzen (Detonation Spraying)

Detonationsspritzen ist eine der vielen Formen thermischer Spritztechniken, die verwendet werden, um eine Schutzbeschichtung mit Überschallgeschwindigkeit auf ein Material aufzubringen, um seine Oberflächeneigenschaften zu verändern. Dies dient hauptsächlich der Verbesserung der Haltbarkeit einer Komponente.

Es wurde 1955 von H.B. Sargent, R.M. Poorman und H. Lamprey erfunden und mit einer speziell entwickelten Detonationspistole (D-Gun) auf ein Bauteil aufgebracht. Das zu bespritzende Bauteil muss korrekt vorbereitet werden, indem alle Oberflächenöle, Fette, Schmutz entfernt und die Oberfläche aufgeraut wird, um eine stark haftende Detonationsspritzbeschichtung zu erreichen.

Dieser Prozess beinhaltet die höchsten Geschwindigkeiten (≈ 3500 m/s Stoßwelle, die die Beschichtungsmaterialien antreibt) und Temperaturen (≈ 4000 °C) der Beschichtungsmaterialien im Vergleich zu allen anderen thermischen Spritztechniken.

Dies bedeutet, dass Detonationsspritzen niedrigporöse (unter 1 %) und niedrigsauerstoffhaltige (zwischen 0,1–0,5 %) Schutzbeschichtungen aufbringen kann, die vor Korrosion, Abrieb und Adhäsion unter geringer Belastung schützen.

Dieser Prozess ermöglicht das Aufbringen sehr harter und dichter Oberflächenbeschichtungen, die als verschleißfeste Beschichtungen nützlich sind. Aus diesem Grund wird Detonationsspritzen häufig für Schutzbeschichtungen in Flugzeugtriebwerken, Steck- und Ringmessern, Schneidkanten (Schabmesser), Rohrbohrer, Rotor- und Statorblätter, Führungsleisten oder jedes andere metallische Material eingesetzt, das hohem Verschleiß ausgesetzt ist.

Üblicherweise werden bei Detonationsspritzen Pulver von Metallen, Metalllegierungen und Cermets sowie deren Oxide (Aluminium, Kupfer, Eisen usw.) auf Bauteile aufgebracht.

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

6. Kaltspritzen (Cold Spray Process)

Kaltspritzen (CS) ist ein Beschichtungsabscheidungsverfahren. Feste Pulver (1 bis 50 Mikrometer 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.

Um eine gleichmäßige Dicke zu erreichen, wird die Spritzdüse entlang des Substrats geführt. Metalle, Polymere, Keramiken, Verbundwerkstoffe und nanokristalline Pulver können mit Kaltspritzen abgeschieden werden.

Die kinetische Energie der Partikel, geliefert durch die Gasexpansion, wird während der Bindung in plastische Verformungsenergie umgewandelt. Im Gegensatz zu thermischen Spritztechniken wie Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Flammspritzen oder HVOF werden die Pulver während des Spritzprozesses nicht geschmolzen.

Vorteile des Spritzschweißens

• Spritzschweißen gewährleistet eine glatte Naht
• Hohe Durchdringung, geeignet für Metall dicker als 3/16 Zoll (ca. 5 mm)
• Hohe Abscheideraten, was die Produktivität erhöht
• Sehr wenig Spritzer
• Kostengünstig: Verwendung günstigerer Materialien und Verstärkung durch Spritzen
• Spritzschweißen ist vielseitig, die meisten Metalle, Keramiken und Kunststoffe können gespritzt werden
• Funktioniert in verschiedenen Dicken
• Schnelle Verarbeitungsgeschwindigkeit: Spritzraten von 3 bis 60 lb/h (je nach Verfahren)

Nachteile des Spritzschweißens

• Erfordert spezielle Schweißerausbildung für das Spritzen
• Gaskosten sind höher (> 85 %) aufgrund höherer Argonkonzentrationen
• Nur für Flachposition und horizontale Kehlnähte empfohlen
• Hohe Hitze kann Schweißer unangenehm machen
• Möglichkeit von Unterschnitt, besonders an den Nahtkanten
• Die Beschichtung ist mechanisch gebunden, nicht metallurgisch
• Line-of-Sight-Prozess (Sichtlinienprozess)
• Geringe Beständigkeit der Beschichtungen gegen punktuelle Belastung

FAQs

Was ist Spritzschweißen?
Spritzschweißen ist ein Begriff, der mehrere Schweißverfahren in Form des thermischen Spritzens klassifiziert. Es ist eine industrielle Tätigkeit, bei der ein Pulver oder Draht zerstäubt und mit hoher Geschwindigkeit mit Druckgas auf eine Metalloberfläche gespritzt wird.

Was ist Lichtbogen-Spritzschweißen?
Lichtbogen-Spritzschweißen ist eine Methode, geschmolzenes Material in Form vieler kleiner Tropfen zu übertragen, deren Durchmesser kleiner ist als der des Zusatzdrahts. Da keine Kurzschlüsse auftreten, ist der Lichtbogen stabil und spritzerfrei.

Wie richte ich einen Spritzlichtbogen ein?
Für höhere Produktionsgeschwindigkeiten Spritzübertragung verwenden. Über 80 % Argon-Mischung, Spannung auf 23–24 Volt einstellen. Drahtvorschub auf ca. 300–400 Zoll/min (ca. 7,6–10 m/min) einstellen, um ca. 150 Ampere zu erreichen. Drahtvorschub anpassen, bis 150 A erreicht sind.

Wie dick kann man spritzschweißen?
Thermisches Spritzen kann dicke Beschichtungen liefern (ca. 20 µm bis mehrere mm, abhängig vom Verfahren und Feedstock), über große Flächen bei hoher Abscheiderate im Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren wie Galvanisieren, PVD und CVD.