Schweißverfahren für Edelstahlrohre

Bei der Produktion vonEdelstahlrohreZunächst wird ein flacher Stahlstreifen geformt und anschließend zu einem runden Rohr geformt. Nach der Formgebung müssen die Rohrnähte miteinander verschweißt werden. Diese Schweißung beeinflusst die Umformbarkeit des Bauteils maßgeblich. Daher ist die Wahl des richtigen Schweißverfahrens von entscheidender Bedeutung, um ein Schweißnahtprofil zu erzielen, das den strengen Prüfanforderungen der Fertigungsindustrie genügt. Bei der Herstellung von Edelstahlrohren werden unter anderem das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG), das Hochfrequenzschweißen (HF) und das Laserschweißen eingesetzt.

Hochfrequenz-Induktionsschweißen
Beim Hochfrequenz-Kontaktschweißen und Hochfrequenz-Induktionsschweißen arbeiten die Strom- und die Extrusionskraftversorgung unabhängig voneinander. Beide Verfahren nutzen einen Stabmagneten – ein weichmagnetisches Element im Inneren des Rohrs –, der den Schweißfluss an der Kante des Bandes fokussiert. In beiden Fällen wird das Band vor dem Aufrollen und dem Transport zur Schweißstelle zugeschnitten und gereinigt. Die Induktionsspulen werden während des Heizprozesses gekühlt. Auch beim Extrusionsprozess wird Kühlmittel verwendet. Um Poren im Schweißbereich zu vermeiden, wird eine hohe Kraft auf die Pressrolle ausgeübt. Eine zu hohe Presskraft führt jedoch zu mehr Graten (Schweißraupen). Daher werden speziell entwickelte Messer zum Entgraten der Rohrinnen- und -außenseite eingesetzt.

Der Hauptvorteil des Hochfrequenzschweißens liegt in der Möglichkeit der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Stahlrohren. Wie bei den meisten Schmiedeteilen aus festem Material lassen sich Hochfrequenzschweißverbindungen jedoch nicht zuverlässig mit herkömmlichen zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) 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 wählen Rohrhersteller für den Schweißprozess das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG). Beim WIG-Schweißen entsteht ein Lichtbogen zwischen zwei nicht abschmelzenden Wolframelektroden. Gleichzeitig wird ein Schutzgas aus dem Brenner zugeführt, um die Elektroden abzuschirmen, einen ionisierten Plasmastrom zu erzeugen und das Schmelzbad zu schützen. Dieses etablierte und bewährte Verfahren liefert wiederholbare, qualitativ hochwertige Schweißnähte. Zu den Vorteilen zählen die Wiederholgenauigkeit, das spritzerfreie Schweißen und die Vermeidung von Poren. Da WIG ein elektrisches Leitungsverfahren ist, ist es vergleichsweise langsam.

Hochfrequenz-Lichtbogenimpuls
In den letzten Jahren ermöglichen GTAW-Schweißstromquellen, auch bekannt als Hochgeschwindigkeitsschalter, Lichtbogenimpulse von über 10.000 Hz. Kunden in der Stahlrohrverarbeitung profitieren von dieser neuen Technologie, da die hochfrequenten Lichtbogenimpulse im Vergleich zum konventionellen GTAW einen fünffach höheren Lichtbogendruck nach unten bewirken. Typische Verbesserungen sind eine höhere Berstfestigkeit, schnellere Schweißnahtgeschwindigkeiten und weniger Ausschuss. Kunden von Stahlrohrherstellern stellten jedoch schnell fest, dass das mit diesem Schweißverfahren erzielte Schweißnahtprofil reduziert werden muss. Zudem ist 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. Die Besonderheit des Laserschweißens liegt jedoch in seiner hohen Energiedichte. Der Laserstrahl schmilzt nicht nur die Oberflächenschicht des Materials, sondern erzeugt auch ein Keyhole, was zu einem schmalen Schweißnahtprofil führt. Leistungsdichten unter 1 MW/cm², wie sie beispielsweise beim WIG-Schweißen (GTAW) auftreten, erzeugen nicht genügend Energiedichte für die Keyhole-Bildung. Daher resultiert das Keyhole-lose Verfahren in einem breiten und flachen Schweißnahtprofil. Die hohe Präzision des Laserschweißens ermöglicht einen effizienteren Einbrand, wodurch das Kornwachstum reduziert und eine bessere metallografische Qualität erzielt wird. 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, führen jedoch zu besseren metallografischen Eigenschaften, was wiederum eine höhere Berstfestigkeit und bessere Umformbarkeit zur Folge hat. Im Vergleich zum Hochfrequenzschweißen bearbeitet der Laser Werkstoffe ohne Oxidation, 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 Reduzierung der Schweißnahtbreite bei gleichzeitig höherer Geschwindigkeit zu verbessern. Bei der Auswahl des am besten geeigneten Lasers dürfen nicht nur die Strahlqualität, sondern auch die Genauigkeit des Walzwerks berücksichtigt werden. Bevor Maßabweichungen des Rohrwalzwerks relevant werden, muss zudem die Begrenzung der Spotgröße berücksichtigt werden.

Beim Schweißen von Stahlrohren treten zahlreiche dimensionale Probleme auf. Der Hauptfaktor, der das Schweißergebnis beeinflusst, ist jedoch die Schweißnaht im Schweißkasten (genauer gesagt, die Schweißspule). Nach dem Aufbringen des Bandes auf das Schweißgut werden Schweißnahtmerkmale wie Bandspalte, starke/leichte Schweißnahtversatz und Abweichungen der Schweißnahtachse bestimmt. Der Spalt beeinflusst die Materialmenge, die für das Schmelzbad verwendet wird. Zu hoher Druck führt zu Materialüberschuss am oberen oder inneren Rohrdurchmesser. Starke oder leichte Schweißnahtversatz kann hingegen ein schlechtes Schweißnahtprofil zur Folge haben. Nach dem Durchlaufen des Schweißkastens wird das Stahlrohr weiter beschnitten. Dies umfasst Größen- und Formkorrekturen. Durch diese Nachbearbeitung lassen sich einige größere/kleinere Schweißfehler beheben, jedoch nicht alle. Unser Ziel ist natürlich eine fehlerfreie Schweißung. Als Faustregel gilt: Schweißfehler sollten fünf Prozent der Materialstärke nicht überschreiten. Eine Überschreitung dieses Wertes beeinträchtigt die Festigkeit des Schweißprodukts.

Schließlich ist das Vorhandensein einer Schweißnahtmittellinie für die Herstellung hochwertiger Edelstahlrohre von entscheidender Bedeutung. Der zunehmende Fokus auf Umformbarkeit im Automobilmarkt führt zu einem Bedarf an kleineren Wärmeeinflusszonen (WEZ) und reduzierten Schweißnahtprofilen. Dies wiederum fördert die Entwicklung der Lasertechnologie, d. h. die Verbesserung der Strahlqualität zur Reduzierung des Spotdurchmessers. Mit der fortschreitenden Verkleinerung des Spotdurchmessers 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.

Dies verdeutlicht die Notwendigkeit eines Nahtverfolgungssystems. Die zwei gängigsten Verfahren sind das mechanische und das Laserscanning. Mechanische Systeme verwenden Sonden, die das Schmelzbad vor der Naht berühren. Dabei entstehen Staub, Abrieb und Vibrationen. Die Genauigkeit dieser Systeme liegt bei 0,25 mm (0,01 Zoll), was für hochwertiges Laserschweißen nicht ausreicht. Lasernahtverfolgung hingegen ermöglicht die erforderliche Präzision. Dabei wird Laserlicht oder Laserpunkte auf die Schweißnahtoberfläche projiziert und das resultierende Bild an eine CMOS-Kamera zurückgesendet. Diese ermittelt mithilfe von Algorithmen die Position von Schweißnähten, Fehlstellen und Spalten. Neben der Bildgebungsgeschwindigkeit benötigt ein Lasernahtverfolger eine Steuerung, die schnell genug ist, um die Schweißnahtposition präzise zu erfassen und gleichzeitig die notwendige Regelung zu gewährleisten, damit der Laserfokuskopf direkt über der Naht positioniert wird. Daher ist neben der Genauigkeit der Nahtverfolgung auch die Reaktionszeit entscheidend.

Die Nahtverfolgungstechnologie hat sich im Allgemeinen so weit entwickelt, dass Stahlrohrhersteller nun auch Laserstrahlen höherer Qualität einsetzen können, um besser umformbare Edelstahlrohre herzustellen. Laserschweißen wird daher zur Reduzierung der Schweißnahtporosität und des Schweißnahtprofils bei gleichbleibender oder sogar erhöhter Schweißgeschwindigkeit eingesetzt. Lasersysteme wie diffusionsgekühlte Plattenlaser haben die Strahlqualität verbessert und die Umformbarkeit durch Verringerung der Schweißnahtbreite weiter optimiert. Diese Entwicklung hat in Stahlrohrwerken zu einem Bedarf an präziserer Maßkontrolle und Lasernahtverfolgung geführt.