Zu den wichtigsten Prozessparametern beim Hochfrequenzschweißen von Rohren mit gerader Naht zählen die Wärmeeinbringung, der Schweißdruck, die Schweißgeschwindigkeit, der Öffnungswinkel, die Position und Größe der Induktionsspule sowie die Impedanzposition. Diese Parameter beeinflussen maßgeblich die Qualität, die Produktionseffizienz und die Stückkapazität der hochfrequenzgeschweißten Rohre. Durch die optimale Abstimmung der Parameter können Hersteller erhebliche wirtschaftliche Vorteile erzielen.
1. Wärmeeintrag beim Schweißen
Beim Hochfrequenz-Rohrnahtschweißen bestimmt die Schweißleistung die eingebrachte Wärmemenge. Sind die äußeren Bedingungen gleich und die Wärmezufuhr unzureichend, erreicht die Kante des erhitzten Stahlbandes nicht die erforderliche Schweißtemperatur und behält eine feste Struktur bei, was zu einer Kaltverschweißung oder sogar zu einem unvollständigen Verschmelzen führt. Bei der Prüfung äußert sich dieser unvollständige Zustand üblicherweise in einem nicht bestandenen Abflachungstest, einem Bersten des Stahlrohres während der Wasserdruckprüfung oder in Rissen während des Richtens des Stahlrohres, was einen schwerwiegenderen Fehler darstellt. Darüber hinaus wird die Wärmezufuhr auch durch die Qualität der Bandkante beeinflusst. Beispielsweise verursachen Grate an der Bandkante Funkenbildung vor dem Erreichen des Schweißpunkts durch die Presswalze, was zu Schweißleistungsverlusten und reduzierter Wärmezufuhr führt und somit eine unvollständige oder Kaltverschweißung zur Folge hat. Ist die eingebrachte Wärme zu hoch, überschreitet die erhitzte Bandkante die erforderliche Schweißtemperatur, was zu Überhitzung oder sogar zu einem Überbrennen führt. Die Schweißnaht kann unter Belastung reißen, und manchmal spritzt das geschmolzene Metall und bildet durch Schweißnahtfehler Löcher. Sandporen und durch übermäßige Wärmeeinbringung entstandene Löcher äußern sich hauptsächlich in einem nicht bestandenen 90°-Flachbiegeversuch, einem nicht bestandenen Kerbschlagbiegeversuch sowie in einem Bersten oder einer Leckage des Stahlrohrs während der Wasserdruckprüfung.
2. Schweißdruck (Reduzierung)
Der Schweißdruck ist einer der Hauptparameter beim Schweißen. Nachdem die Bandkante 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 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 deutlichen Reduzierung der Zugfestigkeit der Schweißnaht, und die Schweißnaht neigt unter Belastung zu Rissen. Ist der Schweißdruck hingegen zu hoch, wird ein Großteil des Metalls, das die Schweißtemperatur erreicht hat, herausgepresst. 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 Durchmesseränderung des Stahlrohrs vor und nach der Extrusionswalze sowie der Größe und Form der Grate gemessen und beurteilt. Der Einfluss der Schweißextrusionskraft auf die Gratform ist entscheidend. Ist die Extrusion zu hoch, entstehen viele Schweißspritzer und eine große Menge an extrudiertem Schmelzmetall, wodurch große, beidseitig der Schweißnaht überstehende Grate entstehen. Ist die Extrusion hingegen zu gering, bilden sich kaum Schweißspritzer und die Grate sind klein und häufen sich aneinander. Bei moderater Extrusion stehen die extrudierten Grate aufrecht und weisen eine Höhe von 2,5–3 mm auf. Bei optimaler Steuerung der Schweißextrusion ist der Schweißnahtwinkel symmetrisch und beträgt 55°–65°. Die Schweißnaht erhält somit eine strömungsgünstige Form.
3. Schweißgeschwindigkeit
Die Schweißgeschwindigkeit ist ein entscheidender Parameter 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 Metalloxid beschleunigt. Bei reduzierter Schweißgeschwindigkeit verbreitert sich nicht nur die Heizzone, d. h. die Wärmeeinflusszone der Schweißnaht, sondern auch die Breite der Schmelzzone ändert sich mit der Wärmezufuhr, und es entstehen größere innere Grate. Die Schmelznahtbreite variiert je nach Schweißgeschwindigkeit. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist das Schweißen aufgrund der geringeren Wärmezufuhr schwieriger. Gleichzeitig können aufgrund der Qualität der Blechkante und anderer externer Faktoren, wie z. B. magnetischer Impedanz und Öffnungswinkel, leicht verschiedene Defekte auftreten. Daher sollte beim Hochfrequenzschweißen die höchstmögliche Schweißgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Produktspezifikationen und der durch die Anlagenkapazität und die Schweißausrüstung vorgegebenen Bedingungen gewählt werden.
4. Öffnungswinkel
Der Öffnungswinkel, auch Schweiß-V-Winkel genannt, bezeichnet den Winkel der Bandkante vor der Extrusionswalze (siehe Abbildung 6). Üblicherweise liegt er zwischen 3° und 6°. Seine Größe wird hauptsächlich durch die Position der Führungswalze und die Dicke des Führungsblechs bestimmt. Der V-Winkel hat großen Einfluss auf die Schweißstabilität und -qualität. Mit abnehmendem V-Winkel verringert sich der Abstand zwischen den Bandkanten, wodurch der Nahfeldeffekt des Hochfrequenzstroms verstärkt wird. Dies kann die Schweißleistung reduzieren, die Schweißgeschwindigkeit erhöhen und die Produktivität steigern. Ein zu kleiner Öffnungswinkel führt hingegen zu vorzeitigem Schweißen, d. h. die Schweißstelle wird zusammengepresst und verschmilzt, bevor die erforderliche Temperatur erreicht ist. Dadurch entstehen leicht Fehler wie Einschlüsse und Kaltverschweißungen, was die Schweißqualität mindert. Ein größerer V-Winkel erhöht zwar den Energieverbrauch, gewährleistet aber unter bestimmten Bedingungen eine stabile Erwärmung der Bandkante, reduziert Wärmeverluste an der Kante und verringert die Wärmeeinflusszone. 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, und ihre Größe und Position beeinflussen direkt die Produktionseffizienz.
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 die Gefahr von Funkenbildung an der Rohroberfläche oder Beschädigungen durch den Rohrkopf. Üblicherweise beträgt der Spalt zwischen der Innenfläche der Induktionsspule und dem Rohrkörper etwa 10 mm. Die Breite der Induktionsspule richtet sich nach dem Außendurchmesser des Stahlrohrs. Ist die Spule zu breit, sinkt ihre Induktivität, die Spannung am Sensor und die Ausgangsleistung. Ist sie zu schmal, steigt zwar die Ausgangsleistung, aber auch die Wirkverluste 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 Extrusionswalze sollte dem Rohrdurchmesser entsprechen oder etwas größer sein, d. h. 1 bis 1,2D sind optimal. Ist der Abstand zu groß, verringert sich der Nahfeldeffekt des Öffnungswinkels, was zu einer zu langen Erwärmungsstrecke an der Kante führt und somit die Schweißtemperatur am Schweißpunkt verringert. Ist der Abstand hingegen zu klein, erzeugt die Extrusionswalze zu viel Induktionswärme, was ihre Lebensdauer verkürzt.
6. Funktion und Lage der Impedanz
Der Impedanzmagnetstab dient dazu, den Hochfrequenzstrom, der zur Rückseite des Stahlrohrs fließt, zu reduzieren und gleichzeitig den Strom so zu konzentrieren, dass der V-förmige Bereich des Stahlbandes erhitzt wird. Dadurch wird Wärmeverlust durch Erwärmung des Rohrkörpers verhindert. Ohne Kühlung würde der Magnetstab seine Curie-Temperatur (ca. 300 °C) überschreiten und seinen Magnetismus verlieren. Ohne Impedanz würden sich Strom und induzierte Wärme über den gesamten Rohrkörper verteilen, was die Schweißleistung erhöht und zu einer Überhitzung des Rohrkörpers führen kann. Die thermische Wirkung des Vorhandenseins bzw. Fehlens einer Impedanz im Rohrrohling ist somit gegeben. Die Positionierung der Impedanz hat einen großen Einfluss auf die Schweißgeschwindigkeit und -qualität. In der Praxis hat sich gezeigt, dass ein optimales Abflachungsergebnis erzielt wird, wenn die Vorderkante der Impedanz exakt auf der Mittellinie der Extrusionswalze liegt. Wenn die Impedanz über die Mittellinie der Extrusionswalze hinausragt und sich seitlich an die Kalibriermaschine anschließt, verschlechtert sich das Abflachungsergebnis deutlich. Wenn die Elektrode nicht die Mittellinie, sondern die Seite der Führungsrolle erreicht, verringert sich die Schweißfestigkeit. Die optimale Position ist erreicht, wenn die Elektrode im Rohrrohling unter der Elektrode platziert wird und ihr 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: 08.10.2024