Fortschritte in der Materialverarbeitung haben einzigartige Möglichkeiten im Bereich der Edelstahlrohrfertigung eröffnet. Typische Anwendungsbereiche sind Abgasrohre, Kraftstoffleitungen, Einspritzdüsen und weitere Bauteile. Bei der Herstellung von Edelstahlrohren wird zunächst ein Flachstahlband geformt und anschließend zu einem Rundrohr verarbeitet. Nach der Formgebung müssen die Rohrnähte miteinander verschweißt werden. Diese Schweißung beeinflusst die Umformbarkeit des Bauteils maßgeblich. Daher ist die Wahl des geeigneten Schweißverfahrens von entscheidender Bedeutung, um ein Schweißprofil zu erzielen, das den strengen Prüfanforderungen der Fertigungsindustrie genügt. Es ist unbestritten, dass Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), Hochfrequenzschweißen (HF) und Laserschweißen in der Edelstahlrohrfertigung Anwendung finden.
Hochfrequenz-Induktionsschweißen
Beim Hochfrequenz-Kontaktschweißen und Hochfrequenz-Induktionsschweißen sind die Strom- und die Presskrafteinrichtung voneinander unabhängig. Beide Verfahren können zudem Stabmagnete einsetzen – weichmagnetische Elemente im Inneren des Schweißrohrs –, die den Schweißfluss an der Kante des Schweißbandes konzentrieren.
In beiden Fällen wird der Streifen zugeschnitten, gereinigt, aufgerollt und zur Schweißstelle transportiert. Zusätzlich wird ein Kühlmittel verwendet, um die im Heizprozess eingesetzten Induktionsspulen zu kühlen. Auch für den Extrusionsprozess wird Kühlmittel benötigt. Hierbei wird eine hohe Kraft auf die Pressrolle ausgeübt, um Poren im Schweißbereich zu vermeiden. Eine zu hohe Presskraft führt jedoch zu vermehrtem Grat (bzw. Schweißraupen). Daher werden speziell entwickelte Messer verwendet, um die Innen- und Außenseite des Rohrs zu entgraten.
Der Hauptvorteil des Hochfrequenzschweißens liegt in der Möglichkeit der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Stahlrohren. Wie bei den meisten Schmiedeverbindungen im festen Zustand lassen sich Hochfrequenzschweißverbindungen jedoch mit herkömmlichen zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) nicht zuverlässig prüfen. In flachen, dünnen Bereichen von Verbindungen mit geringer Festigkeit können Schweißrisse auftreten, die mit traditionellen Methoden nicht erkennbar sind und in anspruchsvollen Automobilanwendungen die Zuverlässigkeit beeinträchtigen können.
Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW)
Traditionell setzen Stahlrohrhersteller beim Schweißen auf das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG). Beim WIG-Schweißen entsteht ein Lichtbogen zwischen zwei nicht abschmelzenden Wolframelektroden. Gleichzeitig wird ein Schutzgas aus dem Schweißbrenner zugeführt, um die Elektroden abzuschirmen, einen ionisierten Plasmastrom zu erzeugen und das Schmelzbad zu schützen. Dieses etablierte und bewährte Verfahren gewährleistet einen reproduzierbaren Schweißprozess von hoher Qualität.
Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der Wiederholbarkeit, dem spritzerfreien Schweißen und der Vermeidung von Poren. Da es sich beim WIG-Schweißen um ein elektrisches Leitungsverfahren handelt, ist der Prozess vergleichsweise langsam.
Hochfrequenter Lichtbogenimpuls
In den letzten Jahren haben WIG-Schweißstromquellen, auch bekannt als Hochgeschwindigkeitsschalter, Lichtbogenimpulse von über 10.000 Hz ermöglicht. Kunden von Stahlrohrverarbeitungsanlagen profitieren von dieser neuen Technologie: Der hochfrequente Lichtbogenimpuls erzeugt einen Lichtbogendruck, der fünfmal höher ist als beim herkömmlichen WIG-Schweißen. Zu den wichtigsten Verbesserungen zählen eine höhere Berstfestigkeit, schnellere Schweißgeschwindigkeiten und weniger Ausschuss.
Der Kunde des Stahlrohrherstellers stellte schnell fest, dass das mit diesem Schweißverfahren erzielte Schweißnahtprofil reduziert werden musste. Außerdem war die Schweißgeschwindigkeit noch relativ gering.
Laserschweißen
Bei allen Stahlrohrschweißverfahren werden die Kanten des Stahlbandes angeschmolzen und verfestigt, wenn die Rohrenden mithilfe von Klemmbacken zusammengepresst werden. Eine Besonderheit des Laserschweißens ist jedoch seine hohe Energiedichte. Der Laserstrahl schmilzt nicht nur die Oberflächenschicht des Materials, sondern erzeugt auch ein Schlüsselloch, wodurch das Schweißnahtprofil sehr schmal wird. Leistungsdichten unter 1 MW/cm², wie sie beispielsweise beim WIG-Schweißen auftreten, reichen nicht aus, um Schlüssellöcher zu erzeugen. Dadurch entsteht beim WIG-Schweißen ohne Schlüsselloch ein breites und flaches Schweißnahtprofil. Die hohe Präzision des Laserschweißens führt zu einem effizienteren Einbrand, was wiederum das Kornwachstum reduziert und zu einer besseren metallografischen Qualität führt. Im Gegensatz dazu führen der höhere Wärmeeintrag und der langsamere Abkühlprozess beim WIG-Schweißen zu rauen Schweißnähten.
Im Allgemeinen gilt das Laserschweißen als schneller als das WIG-Schweißen. Beide Verfahren weisen eine vergleichbare Ausschussrate auf, und das Laserschweißen führt zu besseren metallografischen Eigenschaften, was eine höhere Berstfestigkeit und bessere Umformbarkeit zur Folge hat. Im Vergleich zum Hochfrequenzschweißen findet bei der Laserbearbeitung des Materials keine Oxidation statt, was zu geringeren Ausschussraten und einer höheren Umformbarkeit führt. Einfluss der Spotgröße: Beim Schweißen von Edelstahlrohren wird die Schweißtiefe durch die Wandstärke des Stahlrohrs bestimmt. Ziel der Produktion ist es daher, die Umformbarkeit durch Verringerung der Schweißnahtbreite bei gleichzeitig höheren Geschwindigkeiten zu verbessern. Bei der Auswahl des am besten geeigneten Lasers müssen neben der Strahlqualität auch die Genauigkeit des Walzwerks berücksichtigt werden. Darüber hinaus müssen die Grenzen der Spotverkleinerung beachtet werden, bevor Maßabweichungen des Rohrwalzwerks relevant werden.
Beim Schweißen von Stahlrohren treten zahlreiche dimensionale Probleme auf. Der Hauptfaktor, der den Schweißprozess beeinflusst, ist jedoch die Naht am Schweißkasten (genauer: am Schweißband). Sobald das Band geformt und schweißbereit ist, werden Merkmale der Schweißnaht wie Bandspalt, Schweißnahtversatz (leicht/stark) und Schweißnahtmittellinienänderungen bestimmt. Der Spalt beeinflusst die Materialmenge, die für das Schmelzbad verwendet wird. Zu hoher Druck führt zu Materialüberschuss am oberen Ende oder am Innendurchmesser des Rohrs. Ein starker oder leichter Schweißnahtversatz kann hingegen ein schlechtes Schweißnahtprofil zur Folge haben. Nach dem Durchlauf durch den Schweißkasten wird das Stahlrohr weiter beschnitten. Dies umfasst die Anpassung von Größe und Form. Durch zusätzliche Bearbeitung können einige, wenn auch kleinere, Lötfehler beseitigt werden, jedoch nicht alle. Unser Ziel ist natürlich eine fehlerfreie Schweißung. Als Faustregel gilt, dass Schweißfehler fünf Prozent der Materialstärke nicht überschreiten sollten. Eine Überschreitung dieses Wertes beeinträchtigt die Festigkeit des Schweißprodukts.
Schließlich ist die präzise Schweißnahtmittellinie für die Herstellung hochwertiger Edelstahlrohre von entscheidender Bedeutung. Angesichts der zunehmenden Bedeutung der Umformbarkeit im Automobilmarkt besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Bedarf an einer kleineren Wärmeeinflusszone (WEZ) und einem reduzierten Schweißnahtprofil. Dies wiederum hat zu Fortschritten in der Lasertechnologie geführt, die die Strahlqualität verbessern und so die Spotgröße verringern. Da die Spotgröße immer kleiner wird, muss der Genauigkeit des Scannens der Nahtmittellinie mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden. Generell versuchen Stahlrohrhersteller, diese Abweichung so gering wie möglich zu halten, doch in der Praxis ist es sehr schwierig, eine Abweichung von 0,2 mm (0,008 Zoll) zu erreichen. Daher ist der Einsatz eines Nahtverfolgungssystems erforderlich. Die beiden gängigsten Verfahren sind das mechanische und das Laserscannen. Mechanische Systeme verwenden Sonden, die die Naht stromaufwärts des Schmelzbades berühren, welches Staub, Verschleiß und Vibrationen ausgesetzt ist. Die Genauigkeit dieser Systeme beträgt 0,25 mm (0,01 Zoll), was für das Laserschweißen mit hoher Strahlqualität nicht präzise genug ist.
Andererseits kann die Lasernahtverfolgung die erforderliche Genauigkeit erreichen. Typischerweise wird ein Laserstrahl oder Laserpunkt auf die Schweißnahtoberfläche projiziert, und das resultierende Bild wird an eine CMOS-Kamera zurückgesendet. Diese Kamera ermittelt mithilfe von Algorithmen die Position von Schweißnähten, Fehlverbindungen und Spalten. Obwohl die Bildgebungsgeschwindigkeit wichtig ist, benötigen Lasernahtverfolger eine Steuerung, die schnell genug ist, um die Position der Schweißnaht präzise zu erfassen und gleichzeitig die notwendige Regelung im geschlossenen Regelkreis zu gewährleisten, um den Laserfokuskopf direkt über die Naht zu bewegen. Daher sind sowohl die Genauigkeit der Nahtverfolgung als auch die Reaktionszeit von Bedeutung.
Im Allgemeinen ist die Nahtverfolgungstechnologie so weit entwickelt, dass Stahlrohrhersteller auch Laserstrahlen höherer Qualität einsetzen können, um besser umformbare Edelstahlrohre herzustellen. Dadurch hat sich das Laserschweißen etabliert, um die Schweißporosität und das Schweißnahtprofil zu reduzieren und gleichzeitig die Schweißgeschwindigkeit beizubehalten oder sogar zu erhöhen. Lasersysteme wie diffusionsgekühlte Plattenlaser haben die Strahlqualität verbessert und die Umformbarkeit durch die Reduzierung der Schweißnahtbreite weiter optimiert. Diese Entwicklung hat in Stahlrohrwerken zu einem Bedarf an präziserer Maßkontrolle und Lasernahtverfolgung geführt.
Veröffentlichungsdatum: 29. August 2022