Unterpulverschweißen: Wie es funktioniert – und warum es so viel leistet

Lange Nähte, dicke Bleche: der Einsatzfall für Unterpulver

Eine Längsnaht an einem Rohrschuss, eine Ringnaht am Behälter, eine durchgehende Naht am schweren Träger: Solche Verbindungen können große Mengen Schweißgut erfordern. Je länger der Lichtbogen unter gleichmäßigen Bedingungen arbeiten kann, desto besser lässt sich die hohe Abschmelzleistung des UP-Verfahrens nutzen. Bei kurzen Anschlussnähten fällt dagegen das Einrichten der Anlage stärker ins Gewicht. Die Frage lautet deshalb: Passt der Prozess zur Naht?

UP steht für Unterpulver. International heißt das Verfahren Submerged Arc Welding (SAW). Wie beim MAG-Schweißen brennt ein Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden Drahtelektrode und dem Werkstück. Beim MAG-Schweißen schützt ein zugeführtes Gas das Schmelzbad; beim UP-Schweißen übernimmt das Schweißpulver diese Aufgabe zusammen mit den entstehenden Schutzgasen und der Schlacke. Der Lichtbogen bleibt unter der Pulverschicht verborgen.

DIN EN ISO 4063 ordnet Unterpulverschweißen der Gruppe 12 zu. Die Grundform mit einer Massivdrahtelektrode trägt die Nummer 121. Diese Prozessnummer begegnet Ihnen in Schweißanweisungen und Verfahrensprüfungen, teilweise auch auf Zeichnungen.

Ablauf: Pulver, Draht, Lichtbogen und Schlacke

Ein UP-Schweißkopf erledigt mehrere Aufgaben gleichzeitig, während er mit gleichbleibender Geschwindigkeit an der Naht entlangfährt:

• Pulver aufschütten: Vor dem Lichtbogen fließt körniges Schweißpulver aus einem Behälter am Schweißkopf in die Fuge. Die Schicht ist so hoch, dass sie den Lichtbogen vollständig abdeckt.
• Draht zuführen: Die Drahtelektrode läuft endlos von der Spule durch ein Kontaktrohr, das den Schweißstrom überträgt. Der Lichtbogen brennt zwischen dem Drahtende und dem Werkstück, mitten im Pulver.
• Schmelzbad und Schlacke: Draht und Grundwerkstoff schmelzen zum Schweißgut. Ein Teil des Pulvers schmilzt mit und bildet Schlacke. Sie schirmt das flüssige Metall gegen die Luft ab, formt die Nahtoberfläche und verlangsamt die Abkühlung.
• Pulver zurückgewinnen: Das nicht aufgeschmolzene Pulver wird hinter dem Schweißkopf abgesaugt und wieder verwendet.
• Schlacke entfernen: Nach dem Erkalten liegt die Schlacke als Kruste auf der Naht. Vor jeder weiteren Lage wird sie vollständig entfernt, sonst bleiben Schlackeneinschlüsse in der Naht.

Weil der Lichtbogen im Pulver brennt, entstehen kaum Spritzer, und Blendung und Schweißrauch sind deutlich geringer als beim offenen Lichtbogen. Die Kehrseite: Niemand sieht das Schmelzbad. Fuge, Schweißkopf und Fahrweg müssen deshalb vor dem Start genau eingerichtet sein, und die Nahtlage wird während der Fahrt mechanisch geführt.

3 bis 16 kg pro Stunde: Was die Abschmelzleistung aussagt

Die Abschmelzleistung beschreibt, wie viel Schweißgut ein Verfahren während einer Stunde Lichtbogenzeit einbringt. Das britische Schweißinstitut TWI nennt für UP mit einem Draht 3 bis 16 kg/h. Damit liegt es im oberen Bereich der hier verglichenen Verfahren. Die Spannen überschneiden sich jedoch: Ein bestimmter UP-Arbeitspunkt liegt nicht automatisch über jedem MAG-Arbeitspunkt.

TWI-Richtwerte bei brennendem Lichtbogen, keine Bock-Leistungsdaten. Einrichten, Heften, Wenden, Schlackeentfernen und Prüfen kommen zur Fertigungszeit hinzu. Für die Verfahrenswahl zählt deshalb die Zeit bis zur fertigen, geprüften Naht. Strom, Drahtdurchmesser, Polung und freie Drahtlänge beeinflussen die Abschmelzleistung.

Pulver, Strom, Drahtvorschub: Woher die hohe Leistung kommt

Die Pulverschicht, der hohe Schweißstrom und die kontinuierliche Drahtzufuhr wirken zusammen. Die mechanisierte Führung macht ihre Wirkung entlang einer langen Naht nutzbar:

• Hoher Strom schmilzt viel Draht ab: TWI nennt für einen einzelnen UP-Draht je nach Durchmesser 200 bis 1.000 A. An dicken Blechen arbeitet ein 4-⁠mm-Draht häufig mit 600 bis 900 A. Mit dem Strom steigt die Menge des abschmelzenden Drahts. Die zulässigen Werte bestimmt die Schweißanweisung.
• Das Pulver hält die Wärme am Prozess: Es bedeckt den Lichtbogen, begrenzt Wärmeverluste und ermöglicht einen spritzerfreien Schweißprozess. Das unterstützt die hohe Abschmelzleistung. Gleichzeitig entstehen Schutzgase und Schlacke, die das heiße Metall gegen die Umgebung abschirmen.
• Kontinuierlicher Vorschub hält den Prozess in Gang: Der Draht läuft von der Spule nach, während der Kopf die Fuge entlangfährt. Anders als beim Handschweißen mit Stabelektrode gibt es keinen regelmäßigen Stopp zum Elektrodenwechsel. An Ringnähten übernimmt die Drehvorrichtung den gleichmäßigen Vorschub des Werkstücks.

Mehr Schweißgut pro Stunde allein macht eine Naht noch nicht wirtschaftlicher. Der Vorteil wächst, wenn der Lichtbogen lange arbeiten kann und der Aufwand für Einrichten und Positionieren dazu passt. Zugleich müssen Wärmeeinbringung, Einbrand und Nahtqualität innerhalb der Vorgaben bleiben.

Das Pulver schützt die Naht – und bestimmt ihre Eigenschaften mit

Das Schweißgut entsteht aus drei Anteilen: dem abgeschmolzenen Draht, dem aufgeschmolzenen Grundwerkstoff und den Bestandteilen, die das Pulver beisteuert oder bindet. Das Pulver schützt also nicht nur. Es verändert die chemische Zusammensetzung des Schweißguts und damit dessen Festigkeit und Zähigkeit. Derselbe Draht ergibt mit zwei verschiedenen Pulvern zwei verschiedene Schweißgüter.

Deshalb werden Draht und Pulver als Paar eingeteilt. DIN EN ISO 14171 klassifiziert Draht-Pulver-Kombinationen für unlegierte Stähle und Feinkornstähle anhand der Eigenschaften des Schweißguts. DIN EN ISO 14174 teilt die Pulver selbst ein, unter anderem nach Herstellungsart und chemischer Zusammensetzung. Welche Kombination für ein Bauteil gilt, legt die Schweißanweisung fest, abgesichert durch die Verfahrensprüfung des Schweißbetriebs.

Nach der Herstellung unterscheidet DIN EN ISO 14174 erschmolzene, agglomerierte und gemischte Pulver. Erschmolzene Pulver werden aus der Schmelze gewonnen und gemahlen, agglomerierte aus pulverförmigen Rohstoffen mit einem Bindemittel zu Körnern gebunden. Nach der chemischen Zusammensetzung reicht die Spanne von sauren bis zu stark basischen Pulvern. Als grobe Richtung gilt: Je basischer das Pulver, desto zäher wird das Schweißgut, besonders bei tiefen Temperaturen. Saurere Pulver lassen sich leichter verarbeiten und ergeben eine glattere Nahtoberfläche. Welches Ende der Spanne ein Bauteil braucht, folgt aus Werkstoff und geforderter Kerbschlagarbeit.

Pulver nimmt Feuchtigkeit aus der Luft auf. Feuchtigkeit bringt Wasserstoff ins Schweißgut, und Wasserstoff erhöht die Gefahr von Kaltrissen, besonders bei höherfesten Stählen und dicken Querschnitten. Pulver wird deshalb trocken gelagert und, wo der Hersteller es vorschreibt, vor dem Einsatz rückgetrocknet.

Längsnaht oder Ringnaht: Was sich beim Schweißen bewegt

Für eine Längsnaht steht das Werkstück still, und der Schweißkopf fährt am Ausleger oder auf einem Fahrwagen die Naht entlang. Für eine Ringnaht ist es umgekehrt: Der Kopf bleibt stehen, und das Werkstück dreht sich unter ihm auf einer Rollendrehvorrichtung. Die Drehzahl der Rollen bestimmt dann die Schweißgeschwindigkeit, und jede Lage einer Ringnaht entsteht ohne Absetzen in einem Umlauf.

Damit Schmelzbad und Schlacke auf einer gekrümmten Oberfläche nicht abfließen, bevor sie erstarren, steht der Draht nicht genau im Scheitel, sondern um ein kleines Maß versetzt. Wie groß der Versatz ist, hängt vom Durchmesser ab: Je kleiner das Rohr, desto stärker ist die Oberfläche gekrümmt und desto enger wird das Fenster. Innen liegende Ringnähte erreicht der Kopf am Ausleger, der dafür in das Rohr hineinfährt, solange Durchmesser und Ausladung es zulassen.

Bei uns drehen Rohre und Behälter auf sechs Rollendrehvorrichtungen für Durchmesser von Ø 150 bis 7.500 mm und Bauteile bis 60 t. Kleinere Baugruppen kippen Schweißpositionierer bis 2.000 kg so, dass die Naht in Wannenlage liegt. Genau das ist der Zweck dieser Vorrichtungen: Sie bringen die Naht in die eine Lage, in der unter Pulver geschweißt werden kann.

Varianten: ein Draht, Fülldraht, mehrere Drähte, Band

Die Grundform arbeitet mit einem Massivdraht. Daneben gibt es Varianten, die die Abschmelzleistung weiter steigern oder einem anderen Zweck dienen:

• Eine Massivdrahtelektrode (Prozess 121): die Grundform und das häufigste UP-Verfahren im Stahlbau. Auf sie bezieht sich auch die Norm zur Nahtvorbereitung, DIN EN ISO 9692-2.
• Fülldrahtelektrode (Prozess 125): Ein Röhrchendraht trägt im Inneren eine Füllung, die das Schweißgut zusätzlich legiert oder die Abschmelzleistung erhöht.
• Mehrere Drähte: Zwei oder mehr Drähte schmelzen in einem gemeinsamen Schmelzbad oder kurz hintereinander ab. So entsteht mehr Schweißgut pro Meter Fahrweg, etwa an sehr langen, dicken Längsnähten.
• Bandelektrode: Statt eines Drahts schmilzt ein breites Metallband ab. Die Variante dient vor allem dem flächigen Auftragschweißen, etwa um eine verschleiß- oder korrosionsbeständige Schicht aufzubringen.

Für die Frage, ob eine Naht unter Pulver geschweißt werden kann, zählt meist die Grundform. Die Varianten verschieben die Abschmelzleistung, aber nicht die Grenzen bei Schweißposition und Zugänglichkeit.

UP, MAG und WIG im Vergleich

Welches Verfahren eine Naht bekommt, folgt aus ihrer Länge, ihrer Lage, der Blechdicke und der Zugänglichkeit. Die Kurzform:

Die Merkregel: Ist die Naht lang, gerade oder rund, das Blech dick und die Lage waagerecht, ist es UP. Ist sie kurz, verwinkelt oder in Zwangslage, ist es MAG. Ist das Blech dünn und die Naht sichtbar, ist es WIG. In vielen Konstruktionen kommen mehrere Verfahren zusammen, etwa die Wurzel mit MAG und die Füll- und Decklagen unter Pulver.

Wann Unterpulverschweißen nicht das richtige Verfahren ist

Die hohe Abschmelzleistung nutzt wenig, wenn der Kopf die Naht nicht erreicht, die Wärmeeinbringung zu groß wird oder das Einrichten länger dauert als das Schweißen. Diese Fälle begrenzen den Einsatz:

• Zwangslagen: Pulver und flüssige Schlacke halten nur auf einer waagerechten Fläche. Die Norm zur Nahtvorbereitung deckt deshalb nur die Wannenposition PA und die horizontale Kehlnaht PB nach DIN EN ISO 6947 ab. Die Quernaht PC braucht eine besondere Vorbereitung. Steigend und überkopf wird nicht unter Pulver geschweißt.
• Kurze oder unterbrochene Nähte: Schweißkopf positionieren, Pulver auffüllen, Fahrweg einstellen und Auslaufbleche anheften kostet Zeit. Das lohnt sich erst bei einer gewissen Nahtlänge. Viele kurze Anschlussnähte sind mit MAG schneller fertig.
• Schwer zugängliche Nähte: Der Schweißkopf mit Pulverzuführung braucht Platz und eine geführte Bahn. Nähte in engen Ecken oder im Inneren kleiner Querschnitte erreicht er nicht.
• Dünne Bleche: Hoher Schweißstrom und tiefer Einbrand bringen dünne Bleche an die Grenze zum Durchbrennen. Hier sind MAG oder WIG die sichere Wahl.
• Hohe Anforderungen an die Wärmeführung: UP bringt viel Wärme ins Bauteil. Bei vergüteten Feinkornbaustählen begrenzt die Schweißanweisung deshalb die Wärmeeinbringung, weil zu viel Wärme die Zähigkeit neben der Naht mindert. Möglich ist UP dort trotzdem, aber mit engeren Parametern und oft mit mehr Lagen.

Die passende Naht für UP ist lang, gut zugänglich und in geeigneter Lage schweißbar. Häufig ergänzen sich die Verfahren am selben Bauteil: MAG für die Wurzel oder kurze Anschlüsse, UP für die langen Füll- und Decklagen.

Unterpulverschweißen bei Bock: Anlagen, Werkstoffe, Zertifizierung

Nahtvorbereitung und Wurzel: worauf es bei UP ankommt

Der tiefe Einbrand erlaubt beim UP-Schweißen andere Fugenformen als beim Handschweißen. Deshalb hat das Verfahren eine eigene Norm für die Nahtvorbereitung: DIN EN ISO 9692-2 beschreibt Fugenformen für das Unterpulverschweißen von Stahl mit einer Drahtelektrode, für durchgeschweißte Nähte in den Positionen PA und PB. Für nicht durchgeschweißte Nähte können die Fugen abweichen, wenn eine Anwendungsnorm das vorsieht oder die Beteiligten es vereinbaren.

Die Wurzel braucht besondere Aufmerksamkeit, weil das Schmelzbad bei hohem Strom durchbrechen kann. Üblich sind drei Wege: eine Badsicherung auf der Rückseite, eine Wurzellage mit MAG, auf die die UP-Lagen folgen, oder eine Gegenlage von der zweiten Seite. Welcher Weg passt, hängt von Blechdicke, Zugänglichkeit der Rückseite und Prüfanforderung ab.

Bei Längsnähten beginnen und enden die Nähte häufig auf angehefteten Ein- und Auslaufblechen. So liegen der unruhige Nahtanfang und der Endkrater außerhalb des Bauteils, und die Naht hat über die ganze Bauteillänge dieselbe Qualität.

Weil der Schweißkopf der Fuge mechanisch folgt, verzeiht UP ungleichmäßige Fugen schlechter als die Hand. Die Fugenflanken entstehen bei uns deshalb maschinell: als Fase im Brennschnitt, die das schwenkbare Aggregat bis ±45° im selben Arbeitsgang wie die Kontur schneidet, oder an der Kantenfräsmaschine mit Fasen bis 12 × 45°. Wie die Fase im Brennschnitt entsteht, zeigt der Beitrag Wie funktioniert Brennschneiden?

Die Zeichnung legt das Ergebnis fest – die Fertigung wählt den Weg

Die Zeichnung muss das Schweißverfahren nicht nennen. Sie muss die Angaben enthalten, aus denen die Verfahrenswahl folgt: Nahtart und Nahtdicke oder die Forderung nach Durchschweißung, den Werkstoff, die Bewertungsgruppe nach DIN EN ISO 5817, im Stahlbau die Ausführungsklasse nach DIN EN 1090-2 und den geforderten Prüfumfang.

Ein vorgeschriebenes Verfahren legt dagegen den Weg fest statt des Ergebnisses. Steht an einer langen Längsnaht „MAG", bleibt die wirtschaftlichere UP-Naht ungenutzt. Steht an einer kurzen Anschlussnaht „UP", ist der Weg unnötig aufwendig. Welche Naht mit welchem Verfahren und in welcher Lagenfolge entsteht, gehört zur Fertigungsverantwortung des Schweißbetriebs und ist in dessen Schweißanweisungen festgelegt. Maßgeblich ist, dass die Naht die geforderte Bewertungsgruppe erreicht. Den Nachweis liefern Prüfung und Dokumentation.

Hilfreich sind Angaben, die die Zeichnung nicht zeigt: welche Nähte im Einsatz tragen oder dynamisch beansprucht werden, ob das Bauteil nach dem Schweißen mechanisch bearbeitet wird und ob eine Vorgabe des Endkunden ein bestimmtes Verfahren verlangt. Solche Hinweise beeinflussen die Verfahrenswahl stärker als eine Verfahrensangabe ohne Begründung.

Typische Bauteile mit UP-Nähten

Woran man ein Bauteil für das Unterpulverschweißen erkennt: Es hat lange, durchgehende Nähte, die waagerecht liegen oder sich dorthin drehen lassen. Typisch sind:

• Rohre und Rohrschüsse aus gewalztem Blech: Jeder Schuss bekommt eine Längsnaht. Werden mehrere Schüsse zu einem langen Rohr verbunden, kommen Ringnähte dazu.
• Behälter und zylindrische Mäntel: Längsnähte am Mantel und Ringnähte zu Böden, Flanschen und Nachbarschüssen, geschweißt auf Rollendrehvorrichtungen.
• Kasten- und Vollwandträger: Die Halsnähte zwischen Gurt und Steg laufen über die ganze Trägerlänge, als Kehlnaht in Horizontalposition PB oder, mit gekipptem Träger, in Wannenposition PA.
• Schwere Schweißkonstruktionen aus dickem Blech: Große Stumpfnähte, deren Wurzel mit MAG gelegt und deren Füll- und Decklagen unter Pulver geschweißt werden.

Weniger geeignet sind Baugruppen, deren Nähte kurz sind, oft die Richtung wechseln oder in Ecken liegen. Viele Bauteile tragen deshalb beides: die langen Nähte unter Pulver, die Anschlüsse mit MAG.

Von der Zeichnung zur geprüften Naht: so läuft eine UP-Naht bei Bock

Zwischen Anfrage und fertiger Naht liegen sieben Schritte. Das Schweißen unter Pulver ist nur einer davon:

• Zeichnung lesen: Nahtart, Nahtdicke, Werkstoff, Bewertungsgruppe und Ausführungsklasse bestimmen, welche Nähte unter Pulver laufen und welche mit MAG. Die Zuordnung verantwortet unsere Schweißaufsicht mit IWE- und EWE-Qualifikation.
• Schweißanweisung festlegen: Draht-Pulver-Kombination, Lagenfolge, Strom, Spannung und Geschwindigkeit stehen in der Schweißanweisung, gestützt auf die Verfahrensprüfung. Die Prozesse 121 (UP) und 135 (MAG) stehen beide im Zulassungsumfang unseres Schweißbetriebs nach EN ISO 3834-2, für die Ausführungsklasse EXC3 nach DIN EN 1090-2.
• Fuge vorbereiten und heften: Fase im Brennschnitt oder an der Kantenfräsmaschine, Fugenflanken säubern, Teile heften, Ein- und Auslaufbleche anbringen.
• Wurzel legen: mit MAG oder auf einer Badsicherung, je nach Blechdicke und Zugänglichkeit der Rückseite.
• Positionieren und schweißen: Das Bauteil kommt auf Rollendrehvorrichtung oder Positionierer, der Kopf wird zur Fuge ausgerichtet. Dann folgen die UP-Lagen, nach jeder Lage wird die Schlacke vollständig entfernt.
• Prüfen: Sichtprüfung, Farbeindringprüfung und Magnetpulverprüfung führen wir mit Level-2-Qualifikation nach DIN EN ISO 9712 selbst durch, Ultraschall und Durchstrahlung über qualifizierte Partner. Maßstab ist die Bewertungsgruppe aus der Zeichnung.
• Weiterbearbeiten: Wo das Bauteil danach zerspant wird, kann Vibrationsentspannen die Eigenspannung aus dem Schweißen vorher abbauen. CNC-Bearbeitung, Strahlen und Lackieren folgen im selben Werk.

Weil alle sieben Schritte im selben Werk liegen, ist beim Planen der Naht schon bekannt, ob das Bauteil danach zerspant wird. An den späteren Bearbeitungsflächen bleibt dann die nötige Zugabe stehen.

Vibrationsentspannen nach dem Schweißen

Verdecktes Schmelzbad: Warum der Bediener entscheidend bleibt

Vollmechanisiert heißt nicht unbeaufsichtigt. Bevor der Kopf fährt, richtet ihn der Bediener zur Fuge aus, stellt Drahtvorschub, Strom, Spannung und Fahrgeschwindigkeit nach der Schweißanweisung ein und füllt das Pulver nach. Während der Fahrt bleiben Nahtführung und Schweißdaten unter Beobachtung, und läuft der Kopf aus der Fuge, wird nachgeführt. Zwischen den Lagen kommt die Schlacke ab, und jede Lage wird angesehen, bevor die nächste folgt.

Auch die Qualifikation unterscheidet sich vom Handschweißen. Wer von Hand schweißt, weist sein Können in der Schweißerprüfung nach DIN EN ISO 9606-1 nach. Wer eine vollmechanisierte Anlage bedient und dabei die Schweißparameter steuert, wird nach DIN EN ISO 14732 als Bediener geprüft. Dort geht es nicht um die ruhige Hand, sondern um Einrichten, Parameter und das Verständnis der Anlage.

Bei uns gehören beide Seiten zu einer Stelle. Die Ausschreibung Schweißer (m/w/d) für MAG, WIG und Unterpulver umfasst das Handschweißen an Baugruppen ebenso wie die Arbeit an den UP-Masten.

Zur Stelle: Schweißer (m/w/d)

Die Anlagen: drei UP-Masten in Lorch

In unserer Fertigung in Lorch stehen drei ESAB-UP-Masten mit Säule und Ausleger. Alle drei verarbeiten Draht bis 4 mm Durchmesser:

• ESAB ROMAR RM7070 SAR 400 mit 7 m Ausladung, 7 m Arbeitshöhe und bis zu 1.250 A Schweißstrom
• ESAB MKP mit 5 m Ausladung, 5 m Arbeitshöhe und 800 A
• ESAB CAB 300M mit 4 m Ausladung, 5 m Arbeitshöhe und 800 A

Ausladung und Arbeitshöhe legen fest, wie weit der Kopf von der Säule entfernt und wie hoch über dem Hallenboden er eine Naht erreicht, also auch, wie tief er in ein Rohr hineinfahren kann. Die drei Masten arbeiten mit den Rollendrehvorrichtungen zusammen, schwere Teile bis 50 t bewegt das Kransystem der Halle.

Maschinenpark mit allen Anlagen