Die wichtigsten Prozessparameter der Hochfrequenzgeradnahtgeschweißte RohreZu den relevanten Parametern gehören die Wärmeeinbringung beim Schweißen, der Schweißdruck, die Schweißgeschwindigkeit, der Öffnungswinkel, die Position und Größe der Induktionsspule, die Position des Widerstands usw. Diese Parameter haben einen großen Einfluss auf die Qualität von hochfrequenzgeschweißten Rohrprodukten, die Produktionseffizienz und die Stückkapazität. Durch die optimale Abstimmung dieser Parameter können Hersteller erhebliche wirtschaftliche Vorteile erzielen.
1. Wärmeeinbringung beim Schweißen: Beim Hochfrequenz-Rohrnahtschweißen bestimmt die Schweißleistung die eingebrachte Wärmemenge. Sind die äußeren Bedingungen gegeben und die Wärmeeinbringung unzureichend, erreicht die Kante des erhitzten Blechs nicht die erforderliche Schweißtemperatur und es entsteht eine feste Struktur, die eine Kaltverschweißung ausbildet, die nicht einmal richtig verschmelzen kann. Dies kann zu Verwirrung führen, wenn die Wärmeeinbringung beim Schweißen zu gering ist.
Diese mangelnde Verschmelzung während der Prüfung äußert sich üblicherweise in einem fehlgeschlagenen Flachbiegeversuch, einem Bersten des Stahlrohrs während der hydrostatischen Prüfung oder Rissen in der Schweißnaht beim Richten des Stahlrohrs, was einen schwerwiegenden Mangel darstellt. Darüber hinaus wird die Wärmeeinbringung beim Schweißen auch durch die Kantenqualität des Bandes beeinflusst. Beispielsweise verursachen Grate an den Bandkanten Funkenbildung, bevor sie den Schweißpunkt der Presswalze erreichen. Dies führt zu einem Verlust an Schweißleistung und reduzierter Wärmeeinbringung, was wiederum zu mangelnder Verschmelzung oder Kaltverschweißung führt. Bei zu hoher Wärmeeinbringung überschreitet die erhitzte Bandkante die Schweißtemperatur, was zu Überhitzung oder sogar Überhitzung führt. Die Schweißnaht reißt unter Belastung. Manchmal spritzt geschmolzenes Metall und bildet durch das Versagen der Schweißnaht Löcher. Blasen und Löcher entstehen durch übermäßige Wärmeeinbringung. Bei der Prüfung äußern sich diese Mängel hauptsächlich in einem Versagen des 90°-Flachbiegeversuchs, einem Versagen des Schlagversuchs sowie einem Bersten oder einer Leckage des Stahlrohrs während der hydraulischen Prüfung.
2. Schweißdruck (Durchmesserreduzierung): Der Schweißdruck ist der Hauptparameter des Schweißprozesses. Nachdem die Kante des Bandes auf Schweißtemperatur erhitzt wurde, verbinden sich die Metallatome unter dem Pressdruck der Presswalze zu einer Schweißnaht. Die Höhe des Schweißdrucks beeinflusst die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht. Ist der angewendete Schweißdruck zu gering, kann die Schweißkante nicht vollständig verschmelzen, und die verbleibenden Metalloxide in der Schweißnaht können nicht entweichen und bilden Einschlüsse. Dies führt zu einer stark reduzierten Zugfestigkeit der Schweißnaht und erhöht die Rissneigung unter Belastung. Ist der angewendete Schweißdruck hingegen zu hoch, wird ein Großteil des Metalls, das die Schweißtemperatur erreicht hat, extrudiert. Dies reduziert nicht nur die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht, sondern führt auch zu Fehlern wie übermäßigen inneren und äußeren Graten oder Überlappungsschweißungen.
Der Schweißdruck wird üblicherweise anhand der Durchmesserreduktion des Stahlrohrs vor und nach der Extrusionswalze sowie der Größe und Form der Grate gemessen und beurteilt. Einfluss der Schweißextrusionskraft auf die Gratform: Bei zu hoher Extrusionsmenge entstehen viele Schweißspritzer und große Mengen an extrudiertem Schmelzmetall, wodurch große Grate entstehen, die beidseitig der Schweißnaht abstehen. Bei zu geringer Extrusionsmenge entstehen kaum Schweißspritzer, und die Grate sind klein und häufen sich aneinander. Bei moderater Extrusionsmenge stehen die extrudierten Grate aufrecht und weisen eine Höhe von 2,5–3 mm auf. Bei optimaler Steuerung der Schweißextrusionsmenge ist der Schweißnahtwinkel symmetrisch (oben, unten, links und rechts) und beträgt 55°–65°. Die Schweißnahtform ist bei optimaler Extrusionsmenge strömungsgünstig.
3. Schweißgeschwindigkeit: Die Schweißgeschwindigkeit ist ein Hauptparameter des Schweißprozesses. Sie hängt vom Heizsystem, der Schweißnahtverformungsgeschwindigkeit und der Kristallisationsgeschwindigkeit der Metallatome ab. Beim Hochfrequenzschweißen verbessert sich die Schweißqualität mit steigender Schweißgeschwindigkeit. Dies liegt daran, dass die verkürzte Heizzeit die Breite der Randheizzone verringert und die Bildung von Metalloxiden beschleunigt. Bei reduzierter Schweißgeschwindigkeit verbreitert sich nicht nur die Heizzone, d. h. die Wärmeeinflusszone der Schweißnaht wird breiter, sondern auch die Breite der Schmelzzone ändert sich mit der zugeführten Wärmemenge, und der entstehende Grat ist größer. Die Schmelznahtbreite variiert je nach Schweißgeschwindigkeit. Beim Schweißen mit niedriger Geschwindigkeit erschwert die entsprechende Reduzierung der zugeführten Wärmemenge das Schweißen. Gleichzeitig wird es durch die Qualität der Blechkante und andere externe Faktoren wie den Magnetismus des Widerstands, die Größe des Öffnungswinkels usw. beeinflusst, was leicht zu einer Reihe von Fehlern führen kann. Daher sollte beim Hochfrequenzschweißen die für die Produktion erforderliche Schweißgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Produktspezifikationen und der durch die Anlagenkapazität und die Schweißausrüstung vorgegebenen Bedingungen so weit wie möglich gewählt werden.
4. Öffnungswinkel: Der Öffnungswinkel, auch Schweiß-V-Winkel genannt, bezeichnet den Winkel zwischen der Bandkante vor der Extrusionswalze (siehe Abbildung 6). Üblicherweise liegt der Öffnungswinkel zwischen 3° und 6° und wird hauptsächlich durch die Position der Führungswalze und die Dicke des Führungsblechs bestimmt. Die Größe des V-Winkels hat einen großen Einfluss auf die Schweißstabilität und -qualität. Durch die Verkleinerung des V-Winkels verringert sich der Abstand zwischen den Bandkanten, wodurch der Nahfeldeffekt des Hochfrequenzstroms verstärkt wird. Dies kann die Schweißleistung reduzieren oder die Schweißgeschwindigkeit erhöhen und somit die Produktivität steigern. Ist der Öffnungswinkel zu klein, führt dies zu vorzeitigem Schweißen. Die Schweißstelle wird zusammengedrückt und verschmilzt, bevor die erforderliche Temperatur erreicht ist. Dies begünstigt die Bildung von Fehlern wie Einschlüssen und Kaltverschweißungen und mindert die Schweißqualität. Obwohl ein größerer V-Winkel den Energieverbrauch erhöht, kann er unter bestimmten Bedingungen die Stabilität der Bandkantenerwärmung gewährleisten, Wärmeverluste an den Kanten reduzieren und die Wärmeeinflusszone verkleinern. In der tatsächlichen Produktion wird der V-Winkel in der Regel auf 4° bis 5° eingestellt, um die Qualität der Schweißnaht zu gewährleisten.
5. Größe und Position der Induktionsspule: Die Induktionsspule ist ein wichtiges Werkzeug beim Hochfrequenz-Induktionsschweißen. Ihre Größe und Position beeinflussen die Produktionseffizienz direkt.
Die von der Induktionsspule auf das Stahlrohr übertragene Leistung ist proportional zum Quadrat des Spalts an der Rohroberfläche. Ist der Spalt zu groß, sinkt die Produktionseffizienz stark. Ist er zu klein, besteht Brandgefahr durch das Stahlrohr oder Beschädigungen. Üblicherweise liegt die Innenfläche der Induktionsspule am Rohr an. Der Spalt beträgt in der Regel etwa 10 mm. Die Breite der Induktionsspule richtet sich nach dem Außendurchmesser des Stahlrohrs. Ist die Spule zu breit, sinken ihre Induktivität, die Spannung und die Ausgangsleistung. Ist sie zu schmal, steigt zwar die Ausgangsleistung, aber auch die Wirkleistungsverluste an der Rohrrückseite und der Spule. Optimal ist eine Spulenbreite von 1 bis 1,5D (D ist der Außendurchmesser des Stahlrohrs).
Der Abstand zwischen dem vorderen Ende der Induktionsspule und der Mitte der Presswalze sollte dem Rohrdurchmesser entsprechen oder etwas größer sein, d. h. 1 bis 1,2D sind optimal. Ist der Abstand zu groß, verringert sich der Effekt des Öffnungswinkels, wodurch der Randheizweg zu lang wird und keine höhere Schweißtemperatur an der Lötstelle erreicht werden kann. Ist der Abstand hingegen zu klein, erzeugt die Presswalze zu viel Wärme, was ihre Lebensdauer verkürzt.
6. Funktion und Position des Widerstands: Der Widerstandsmagnet dient dazu, den Hochfrequenzstromfluss zur Rückseite des Stahlrohrs zu reduzieren und gleichzeitig den Strom so zu konzentrieren, dass der V-förmige Bereich des Stahlbandes erhitzt wird. Dadurch wird verhindert, dass Wärme durch die Erwärmung des Rohrkörpers verloren geht. Bei unzureichender Kühlung überschreitet der Magnetstab seine Curie-Temperatur (ca. 300 °C) und verliert seinen Magnetismus. Ohne den Widerstand würden sich Strom und induzierte Wärme über das gesamte Rohr verteilen, was die Schweißleistung erhöhen und zu einer Überhitzung des Rohres führen würde. Im Rohrrohling selbst hat der Widerstand keine thermische Wirkung. Die Positionierung des Widerstands hat einen großen Einfluss auf die Schweißgeschwindigkeit und -qualität. In der Praxis hat sich gezeigt, dass eine Positionierung des Widerstands genau auf der Mittellinie der Presswalze zu einer Abflachung führt. Wird der Widerstand über die Mittellinie der Extrusionswalze hinaus zur Seite der Kalibriermaschine geschoben, verringert sich dieser Abflachungseffekt deutlich. Befindet sich der Widerstand unterhalb der Mittellinie, aber auf einer Seite der Führungsrolle, verringert sich die Schweißfestigkeit. Die optimale Position ist erreicht, wenn der Widerstand im Rohling unterhalb der Induktivität platziert wird und sein Kopf mit der Mittellinie der Extrusionswalze übereinstimmt oder um 20 bis 40 mm in Formrichtung versetzt ist. Dadurch wird die Gegenimpedanz im Rohr erhöht, der Ausgleichsstromverlust reduziert und die Schweißleistung verringert.
Veröffentlichungsdatum: 07.10.2023