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Orbitalschweißen mit Impulstechnik zum Verbinden von Rohren

| Redakteur: MM

Beim Orbitalschweißen wird der WIG-Schweißbrenner mit konstanter Geschwindigkeit in einer Kreisbahn über den Schweißstoß geführt. Die Länge des Lichtbogens kann mit einer spannungsabhängigen...

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( Archiv: Vogel Business Media )

Beim Orbitalschweißen wird der WIG-Schweißbrenner mit konstanter Geschwindigkeit in einer Kreisbahn über den Schweißstoß geführt. Die Länge des Lichtbogens kann mit einer spannungsabhängigen Steuerung automatisch geregelt werden. Der im Antriebsmotor der Schweißzange eingebaute Impulsgeber sorgt für eine genaue Positionsangabe.Die meisten der über 100 Verfahren zum Schweißen, Löten und thermischen Trennen tragen ihren Namen nach der Energiequelle, die den Schweißprozess auslöst. Eine der Ausnahmen davon ist das Orbitalschweißen: Hier richtet sich der Name nach der Schweißaufgabe, die erledigt werden soll. Beim Orbitalschweißen ist dies das vollmechanisierte Rundnahtschweißen von Rohrstößen, wobei sich die feststehenden Rohre in einer beliebigen Lage im Raum befinden können.Das bedeutet nicht nur, dass das Schweißbad in allen möglichen ungünstigen Zwangslagen gehalten werden muss, sondern erschwerend, dass sich diese Zwangslagen laufend ändern. Man kann sich leicht vorstellen, wie dabei die Schwerkraft im Kampf gegen Oberflächenspannung und Lichtbogendruck zu einer unterschiedlichen Ausbildung des Schweißbades tendiert - genau das, was für eine qualitativ hochwertige und über den ganzen Rohrumfang gleichmäßige Naht nicht geschehen darf.Erschwerend kommt noch hinzu, dass sich während des Schweißens das Rohr erwärmt und sich so mit zunehmendem Schweißfortschritt (Bild 1) durch die steigende Vorwärmung die Energiebilanz im Schweißbad ändert. Ohne die Pulstechnik, also das periodische Verändern des Schweißstroms zwischen Grundstrom und Pulsspitze, waren alle früheren Versuche, das WIG-Schweißen für diese schwierige Aufgabe zu nutzen, erfolglos gewesen. Erst das Pulsen ermöglicht das kontrollierte Erstarren des Schweißbades.Das Schweißwerkzeug für das Rohrfügen ist der Orbital-Schweißkopf, oft auch als Schweißzange bezeichnet. Dieses Präzisionswerkzeug wird auf das zu schweißende Rohr aufgesetzt und führt den WIG-Schweißbrenner in einer Kreisbahn über den Schweißstoß. Bei der Konstruktion des Schweißkopfes muss ein Kompromiss eingegangen werden: Einerseits will der Anwender mit einer einzigen Zange einen möglichst großen Durchmesserbereich erfassen - was von der mechanischen Ausführung her durchaus machbar ist -, andererseits aber darf der Schweißkopf nicht zu schwer werden und soll in seinen Außenabmessungen möglichst klein sein, damit er auch an Rohrbündeln eingesetzt werden kann. Länge des Lichtbogens wird automatisch geregeltDie Hersteller liefern deshalb eine Baureihe gleichartig aufgebauter Schweißköpfe, deren Durchmesserbereiche sich überlappen. Eine solche Baureihe mit acht unterschiedlichen Größen beginnt beispielsweise mit einer kleinen Zange für Rohraußendurchmesser von 14 bis 28 mm und endet mit eine Zange für die Durchmesser von 101 bis 245 mm. Zum raschen und gleichzeitig sicheren Befestigen des Schweißkopfes am Rohr verwendet man entweder Spannzangen mit kontinuierlicher Anpassung an den gesamten Durchmesserbereich (ohne weitere Zwischenstücke) oder Halbschalen, die an den vorliegenden Rohrdurchmesser angepasst sind.Ein wassergekühlter WIG-Schweißbrenner mit geringer Bauhöhe (Aufmacherbild) wird mit Hilfe eines Planetengetriebes mit konstanter Geschwindigkeit in einer Kreisbahn geführt. Es ist möglich, die Länge des Lichtbogens mit Hilfe einer spannungsabhängigen Steuerung automatisch zu regeln und damit eine konstante Lichtbogenspannung zu gewährleisten. Außerdem kann, falls erforderlich, entsprechend dem Nahtverlauf eine Pendelbewegung des Brenners programmiert werden.Ein für die Steuerung des Schweißprozesses wichtiges Bauelement einer Schweißzange ist der im Antriebsmotor eingebaute Impulsgeber für die Wegsteuerung. Bei dieser Impulswegsteuerung informiert der Schweißkopf die Steuerung der Stromquelle ständig über seine genaue Position. Dies geschieht mit einer Genauigkeit von weniger als einem Winkelgrad: Bei einem Rohr mit 25 mm Außendurchmesser also mit einer Genauigkeit besser als 0,2 mm.Die Anwendung solcher Zangen setzt jedoch hoch entwickelte Stromquellen und ebensolche Steuerungen voraus. Dann ist es außerdem möglich, bei der Pendelbewegung des WIG-Brenners eine Verweilzeit auf den Nahtflanken zu programmieren oder die Pendelamplitude wie auch die Drahtzufuhr mit Änderungen des Schweißstroms zu synchronisieren. Schutzgaskammer umgibt die SchweißnahtFür dünnere Rohre kleineren Durchmessers, die ohne Drahtzusatz verschweißt werden können, sind Schweißzangen mit Schutzgaskammern entwickelt worden. Die ganze Schweißnaht wird dabei von einer Schutzgaskammer umgeben und kann deshalb ohne Anlauffarben geschweißt werden - eine Forderung, wie sie beispielsweise beim Schweißen von Reinstgasleitungen für bestimmte hochreine Fertigungsprozesse erhoben wird. Auch hier gibt es Baureihen, die beispielsweise mit neun Größen mit jeweils großer Überlappung den Durchmesserbereich von 1,6 mm bis 177,8 mm abdecken (Bild 3).Die früher gelegentlich gestellte Frage, ob Thyristor-Stromquellen hinsichtlich Reaktionszeiten und Stabilität ausreichend sind, hat sich durch die Entwicklung von transistorisierten Stromquellen nahezu erledigt. Damit ist alles programmierbar, was für den Schweißprozess erforderlich ist, bis hin zu den Pulsformen. Gleichzeitig sind noch kleinere und leichtere Geräte auf den Markt gekommen, die für viele Orbitalschweißaufgaben ausreichen. Ein für die Baustelle geeignetes Gerät mit einem Schweißstrombereich bis 200 A wiegt nur noch 35 kg - einschließlich voll ausgebauter Steuerung für konstante oder pulsierende Drehbewegung des Brenners sowie pulsierenden Drahtvorschub, synchronisierbar mit dem pulsierenden Schweißstrom (Bild 4). Ein Kühlgerät gleicher Abmessungen kann untergebaut werden.Auch hinsichtlich der Bedienung und Qualitätssicherung darf ein kleines Gerät nicht klein sein: Es führt den Bediener über Pfeiltasten und Display zur Programmierung, speichert Programme im internen Speicher oder auf Memo-Karten und druckt zur Dokumentierung und Archivierung die Ist-Werte des abgelaufenen Programms nach Abschluss der Schweißung im integrierten Drucker aus (Bild 5).Mit dem Kauf eines Gerätes allein ist es allerdings nicht getan. Erfolgreiches Orbitalschweißen beginnt bei der sorgfältigen Vorbereitung der Schweißstöße. Die Schweißkanten müssen frei von Zunder und Verunreinigungen sein. Als Nahtvorbereitung genügt bei kleinen Wanddicken bis zu mittleren Rohrabmessungen ein guter Sägeschnitt. Dieser muss absolut plan sein und genau rechtwinklig zur Rohrachse liegen. Die Grenze für die I-Naht wird in der Regel bei einer Wanddicke von 3,6 mm angesetzt - Abweichungen nach oben oder unten sind jedoch je nach Einsatzgebiet möglich.Bei größeren Wanddicken ist eine Nahtvorbereitung als Y-Naht oder U-Naht erforderlich. Für Steghöhe und Stegbreite ebenso wie für den günstigsten Flankenwinkel gibt es Richtwerte, die jedoch vom Anwender noch optimiert werden können. Spezialwerkzeuge wie bewegliche Rohrkanten-Fräsmaschinen können dafür sorgen, dass sich Rohrtoleranzen nicht nachteilig auf des Schweißergebnis auswirken.Bei der Auswahl des Schutzgases hat der Anwender einen gewissen Handlungsspielraum. Bekannt sind Zusätze von Wasserstoff oder Helium zum Argon, mit denen gewisse Wirkungen auf des Schweißbad erzielt werden können. Ein Kriterium für ausreichenden Gasschutz sind die Anlauffarben, über deren zulässiges Erscheinungsbild zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer diskutiert werden kann.Formiergase auf Stickstoffbasis dienen als Wurzelschutzgas, denn beim Orbitalschweißen kann das durch den Schweißspalt dringende Schutzgas keinen Schutzgasstau an der Unterseite erzeugen und dort die Nahtwurzel schützen. Besonders wirkungsvoll ist dieser Schutz durch eine begrenzte Menge an Wasserstoff, der bei den Formiergasen dem Stickstoff zugegeben wird (üblicherweise zwischen 2 und 25%). An Stählen kann man dessen reduzierende Wirkung auf entstehende Oxide nutzen. Damit werden Restmengen von Sauerstoff abgebunden und die Bildung von Anlauffarben weitgehend verhindert. Außerdem wirkt der Wasserstoffzusatz positiv auf einen gleichmäßigen Übergang von der Wurzel zum Grundwerkstoff. Wasserstoffzusätze auf 5% begrenzenMit zunehmendem Wasserstoffgehalt steigt die reduzierende Wirkung, aber auch die Brand- und Explosionsgefahr. In geschlossenen Räumen sollte deshalb mit Wasserstoffzusätzen von höchstens 5% gearbeitet werden. Wegen der zunehmenden Beachtung sicherheitstechnischer Gesichtspunkte geht der Anteil der bisher in der Praxis bevorzugt verwendeten Gemische mit Anteilen von 8 oder 10% Wasserstoff zurück. Im Außenbereich aber werden häufig Gemische mit 15 oder 20% Wasserstoff benutzt - sie müssen dann abgefackelt werden. Welche Gasgemische beim WIG-Schweißen generell als Wurzelschutzgas angewendet werden können, zeigt die Tabelle.Entscheidend für den Erfolg des Wurzelschutzes aber ist die Methode, wie das Wurzelschutzgas an die zu schützende Nahtunterseite gebracht wird. Während bis zu Rohrdurchmessern von 12 mm das Schutzgas meistens im Vollstrom durch die Leitung geführt wird, werden bei größeren Durchmessern unterschiedliche Systeme (beispielsweise Gasbrausen mit Absperrballons oder mit Abdeckmanschetten) angewendet.Ein Problem, das die Anwender immer wieder trifft, sind Chargenunterschiede von Rohren aus Chromnickelstahl. Unterschiedliche Schwefelgehalte führen zu unerwarteten Einbrandverhältnissen. Der Grund dafür ist der Einfluss des Schwefels auf die Bewegungen im Schweißbad. Höherer Schwefelgehalt fördert den Einbrand, kleinerer verringert ihn. Stoßen Rohre aus verschiedenen Chargen in der Schweißnaht aufeinander, kann es zu unsymmetrischem Einbrand kommen. Chargen mit unterschiedlicher, wenn auch innerhalb der Norm liegender chemischer Zusammensetzung können das Ergebnis von Vorversuchen zur Festlegung des günstigsten Schweißprogramms zunichte machen. Wolframelektroden maschinell nachschleifenÜber den Einfluss von Delta-Ferrit auf die Korrosionsbeständigkeit austenitischer Stähle wird seit Jahrzehnten diskutiert. Wegen des selektiven Korrosionsangriffes auf die Ferritphase wird beispielsweise in der Basler Chemischen Industrie der Stahl 1.4435 nur mit eingeschränkter Analyse verwendet. Dabei wird auch der Stickstoffgehalt auf weniger als 0,1% begrenzt, weil er zwar den Austenit stabilisiert, bei höheren Gehalten aber zu vermehrten Ausscheidungen und zu einem Absinken der Beständigkeit führt. Als maximaler Ferritgehalt werden im Grundmaterial 0,2% und im Schweißgut 0,5% zugelassen. Ein Zusatz von 2% Stickstoff zum Argon als Schutzgas ist bei der Absenkung des Ferritgehaltes hilfreich, fördert gute Flankenbenetzung und erlaubt niedrigere Ströme, erfordert aber häufigeres Nachschleifen der Wolframelektrode und lässt die Zangen schneller verschmutzen.Die Wolframelektroden müssen nach einer bestimmten Anzahl von Schweißungen neu angeschliffen werden, und zwar unbedingt maschinell. Die Schweißbrenner und Schweißköpfe müssen regelmäßig kontrolliert und gereinigt werden, sonst können Schmutzpartikel in das Schweißbad gelangen. Außerdem lässt sich damit der mechanische Verschleiß des Schweißkopfes verringern. In extremen Fällen könnte dies zu Schwankungen der Vorschubgeschwindigkeit führen und damit reproduzierbare Schweißungen unmöglich machen. Spezielle Rohrtrennmaschinen für Anwendungen im ReinraumBesondere Vorkehrungen verlangen Rohrschweißungen für den Reinstraum. Das beginnt bei den Toleranzen der Rohre hinsichtlich Rundheit und Wanddicke. Auch die Lagerung (Temperatur, Feuchtigkeit) kann schwerwiegenden Einfluss haben. An verpackten Rohren kann bei größeren Temperaturänderungen Kondensation auftreten. Auch auf der Baustelle müssen Rohre unter trockenen, warmen und staubfreien Bedingungen gelagert werden. Normale Rohrsägen sind unter hochreinen Bedingungen ungeeignet. Hier müssen spezielle Rohrtrennmaschinen und Spezialgeräte zur Bearbeitung der Rohrenden unter konstantem Formiergasfluss verwendet werden. Mit Spannvorrichtungen wird das Orbitalschweißen leichter und sicherer, insbesondere auch hinsichtlich des Versatzes.