Spezifische Schweißtechniken

Dieser Artikel beleuchtet die drei spezifischen Schweißtechniken. Die Techniken sind: 1. MIAB-Schweißen (Magnetic Impelled Arc Butt) 2. Rohrherstellung durch Schweißen 3. Schmalfugenschweißen.

Verfahren Nr. 1: MIAB-Schweißen (magnetisch getriebener Lichtbogenstoß):

Beim MIAB-Schweißen, das zum Verschweißen von rohrförmigen oder hohlen Querschnittsteilen verwendet wird, sind die zu verbindenden Rohrflächen durch einen kleinen Spalt von 1 bis 2 mm getrennt, und ein Schweißlichtbogen wird durch Hochfrequenzentladung über den Spalt geschlagen eine Konstantstromquelle, wie in Abb. 22.25 gezeigt. Gleichzeitig wird ein statisches radiales Magnetfeld, das mit Hilfe einer angelenkten Magnetspule erzeugt wird, in dem Spalt überlagert, wodurch sich der Bogen aufgrund der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld um die Rohrenden bewegt.

Die Rotationsgeschwindigkeit des Bogens ist sehr hoch, bis zu 150 m / s oder mehr, was zu einer sehr schnellen und gleichmäßigen Erwärmung der Rohrenden führt. Die Zeit, die benötigt wird, um die gewünschte Erwärmung zu erreichen, beträgt ½ bis 2 Sekunden, abhängig von der Masse des zu erwärmenden Metalls. CO ₂ wird häufig als Schutzgas zum Schutz des Lichtbogens und der Metallschmelze verwendet. Nach dem Erhitzen werden die Rohrenden unter einem Druck von bis zu 2200 N zusammengeschmiedet. Der maximale Schweißstrom beträgt normalerweise 1000 A.

Die durch MIAB-Schweißen erzeugte Festphasenschweißung hat einen charakteristischen Grat, der durch Stauchwirkung erhalten wird. Die Festigkeit und Qualität von Schweißnähten ist im Vergleich zu Schweißnähten, die durch Reibschweißen und Stumpfschweißverfahren hergestellt werden, günstig. Die Hauptvorteile, die für das MIAB-Schweißen gegenüber alternativen Widerstandsschweiß-, Stoß- und Reibschweißverfahren beansprucht werden, sind hohe Schweißgeschwindigkeiten, niedriger Energieverbrauch, einfache Automatisierung und die Fähigkeit, nichtrunde Rohre zu verbinden.

Die Vorbereitung der Rohroberflächen ist nicht kritisch. Daher ist jede Oberfläche vom Boden bis zum Schnitt durch eine Metallsäge für das MIAB-Schweißen geeignet. Schweißnähte mit großem Durchmesser (mehr als 100 mm) erfordern jedoch eine gleichmäßige Stromverbindung um den gesamten Umfang, um eine gute Lichtbogenrotation zu gewährleisten. Die Produktionsrate beim MIAB-Schweißen kann das 8- bis 10-Fache derjenigen von Reibungs- und Schnellstoßschweißprozessen betragen.

Das MIAB-Schweißen wurde bisher hauptsächlich von der europäischen Automobilindustrie zum Schweißen von Bauteilen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, niedrigem Legierungsanteil und Edelstahl verwendet. Spezielle Anwendungen des Verfahrens umfassen das Fügen von Propellerwellen, Antriebswellen, Hinterachsseitenenden, Stoßdämpfern (Kappe, die am Ende des Rohrs angeschweißt sind) und gasgefüllten Streben. Gegenwärtig liegt der Bereich der Rohrdurchmesser, die durch MIAB-Schweißen geschweißt werden können, bei 10 bis 300 mm bei einer Wandstärke von 0, 7 bis 13 mm.

Die Prozessausrüstung wurde sowohl für die Laden- als auch für die Feldfertigung entwickelt.

Dieses Verfahren kann nicht zum Schweißen von Vollstäben verwendet werden, und die Qualität der Verbindung kann durch NDT nicht gewährleistet werden, da sehr dünne Oxidschichten oder abgeflachte Einschlüsse an der Schweißnaht vorhanden sein können. Trotz dieser Einschränkungen wird jedoch erwartet, dass der Prozess in Industriezweigen wie Haushaltsgeräten, Klimaanlagen, Kälteerzeugung und Möbelherstellung breite Anwendung findet.

Technik Nr. 2: Rohrherstellung durch Schweißen:

Die Produktion von Rohren und Rohren mit hoher Geschwindigkeit wird durch die folgenden drei Varianten des Widerstandsnahtschweißens erreicht:

(i) elektrisches Widerstandsstoßnahtschweißen (ERW-Verfahren),

(ii) Hochfrequenz-Widerstandsschweißen (HFRW) und

(iii) Hochfrequenzinduktionsschweißen (HFIW).

(i) ERW-Prozess:

Große Mengen an Stahlrohren und -rohren werden durch Widerstandsnahtschweißen aus Band hergestellt, das vor dem Schweißen kontinuierlich mit der Kante geschert und zu einem Rohr mit dem gewünschten Durchmesser gewalzt wird. Ein Wechselstrom von bis zu 4000 A bei etwa 5 Volt wird durch Elektroden des Typs mit geteilter Walze über die Verbindung eingeführt, und die Kraft wird durch die Druckwalzen aufgebracht, wie in Fig. 22.26 gezeigt. Zum direkten Einleiten von Starkstrom in die sich bewegenden Elektroden wird ein rotierender Transformator mit Schleifringen auf der Primärseite eingesetzt. Im Gegensatz zum normalen Nahtschweißen sind Strom und Arbeitsbewegung in diesem Prozess kontinuierlich.

Die maximale Produktionsrate ist durch die Schweißstromfrequenz begrenzt, da einzelne Stromhalbzyklen mit zunehmender Schweißgeschwindigkeit schließlich zum Punktschweißen statt zum Nahtschweißen führen. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird die Stromfrequenz normalerweise auf 350 Hertz erhöht, um eine Schweißgeschwindigkeit von 36 m / min zu erreichen.

Das durch dieses Verfahren hergestellte Rohr weist entlang der Schweißnaht innen und außen eine Lamelle aus aufgestauchtem Metall auf, die normalerweise durch Anbringen geeigneter Fräser in der Fertigungslinie entfernt wird. Das Rohr wird auf die gewünschten Längen geschnitten, indem ein Fräser verwendet wird, der sich entlang des Rohrs bewegt und synchronisiert wird, um die gewünschte Länge in dem verfügbaren Durchlauf in einem gegebenen Zyklus zu schneiden.

(ii) HFRW-Prozess:

Bei diesem Verfahren wird die Röhre auf die gleiche Weise wie beim ERW-Verfahren durch Walzen geformt, aber der Strom im Bereich von 500 - 5000 A bei einer Frequenz von bis zu 500 KHz und einer Spannung von etwa 100 Volt wird durch Sonden aus Kupferlegierungen eingeführt und Silber hartgelötet zu schweren wassergekühlten Kupferhaltern. Die Kontaktspitzengrößen liegen je nach zu tragender Stromstärke zwischen 15 - 650 mm ² .

Während in ERW die Wärme hauptsächlich durch den Grenzflächenkontaktwiderstand erzeugt wird, wird sie durch den Skin-Effekt erzeugt, aufgrund dessen der Strom in einer geringen Tiefe des Leiters fließt und proportional zu √1 / f ist. Druckwalzen zur Bereitstellung des Schmiededrucks sind in einem kurzen Abstand von den Stromsonden entlang der Linie installiert (siehe Abb. 22.27). Aufgrund des Skin-Effekts liegt der Stromflusspfad entlang des Streifens durch den Scheitelpunkt von Vee, der durch die Stoßflächen gebildet wird, die sich in einem Winkel von 4 ° -7 ° treffen, wenn sie sich schließen, um die Röhre zu bilden. Die Tiefe des erwärmten Bereichs beträgt im Allgemeinen weniger als 0, 8 mm und bietet somit die optimalen Bedingungen für die Schweißverbindung.

Im ERW-Prozess findet kein Schmelzen statt, daher beinhaltet das Schweißen eine erhebliche Verformung des erhitzten Metalls, um die Oxidschicht zu brechen, um einen Metallkontakt für Qualitätsschweißungen herzustellen. Bei HFRW kann jedoch ein oberflächliches Schmelzen stattfinden und das so hergestellte geschmolzene Metall wird unter dem Schmiededruck der Walzen extrudiert, was zum Auspressen von oxidiertem Material oder anderen Verunreinigungen führt. Diese Maßnahme macht dieses Verfahren für das Schweißen von Nichteisenmetallen anwendbar, bei dem die hitzebeständige Oxidschicht aufgrund der Erwärmung sehr schnell gebildet wird.

Die Verwendung von Hochspannung und Hochfrequenz trägt dazu bei, einen guten Kontakt zwischen den Sonden und dem Rohrmaterial zu erzielen, selbst wenn sich auf ihr Kalk befindet. Die wassergekühlten Sonden haben eine lange Lebensdauer und können Tausende von Metern Rohr schweißen, bevor sie ausgetauscht werden tragen. Kontaktsonden, die für HFRW von NE-Metallen verwendet werden, können die dreifache Lebensdauer von Sonden für Eisenmetalle haben. Das Schweißen von 100.000 m NE-Rohren mit einem Sondensatz ist nicht ungewöhnlich.

Da die Schweißgeschwindigkeit von der Rohrdicke und nicht vom Durchmesser abhängt, kann für HFRW von dünnwandigen Rohren eine hohe Schweißgeschwindigkeit von bis zu 150 m / min erreicht werden. Bei Verwendung eines 160-kW-Netzteils mit 400 KHz-Stromversorgung können Rohre und Rohre aus Stahl und Aluminium je nach Wandstärke mit einer hohen Produktionsrate hergestellt werden (siehe Tabelle 22.6).

Beim HF-Schweißen von Rohren und Rohren fließt der Strom sowohl an der Innenfläche der Rohre als auch an der Außenfläche. Dieser zusätzliche Strom, der parallel zum Schweißstrom fließt, führt zu einem Leistungsverlust. Um diesen Leistungsverlust zu minimieren, wird ein Magnetkern oder ein Impeder aus Ferritmaterial wie Schmiedeeisen in die Röhre eingesetzt.

Der Impeder erhöht die induktive Reaktanz des Stromweges um die Innenfläche der Röhre, wodurch der unerwünschte Innenstrom begrenzt und somit der Außenstrom erhöht wird. Dies führt zu höheren Produktionsraten. Um die Temperatur niedrig zu halten, wird der Impeder normalerweise wassergekühlt, damit er seine magnetischen Eigenschaften nicht verliert. Um das Eindringen von dünnwandigen Rohren zu vermeiden, kann die Vorschubvorrichtung mit Stützrollen versehen werden, wie in Abb. 22.28 gezeigt, innerhalb des zu schweißenden Rohres.

Mit dem HFRW-Verfahren werden Rohre und Rohrleitungen mit Durchmessern von 12 bis 1270 mm und einer Wandstärke von 0, 25 bis 25 mm hergestellt. Mit diesem Verfahren kann jedes Metall mit einem Geschwindigkeitsbereich von 5 bis 300 m / Minute je nach Wandstärke geschweißt werden.

Mit dem HFRW-Verfahren können auch Spiral- und Rippenrohre und -rohre hergestellt werden. Abb. 22.29 zeigt eine Transferlinie, die für die Herstellung von spiralgeschweißten Rohren aus Skelp-Spulen ausgelegt ist. Es enthält eine Einrichtung zum automatischen Abwickeln und Abrichten von Schuppen, Zuschneiden der Enden, automatisches Schweißen, Wärmebehandlung der Schweißnaht und Ablängen des Rohrs.

Abb. 22.30 zeigt die Anordnung zum Schweißen von Spiralrippen an Rohrleitungen. Unterschiedliche Metallkombinationen aus Rohr- und Lamellenwerkstoffen können mit HFRW geschweißt werden. Kombinationen, die häufig geschweißt werden, umfassen Edelstahlrohre, Weichstahlflossen; Cupronickel-Rohr und eine Aluminiumflosse; Flussstahlrohr und Flussstahlflosse.

Die Durchmesser reichen von 15 mm bis 250 mm. Typische Flossenhöhen entsprechen dem Radius des Rohrs, die Flosse kann bis zu 6 mm dick sein und die Flankenteilung kann weniger als 1-2 pro cm betragen. Verschiedene Arten von gezackten oder gefalteten Lamellen können auch mit Rohren verschweißt werden.

(iii) HFIW-Prozess:

Das Hochfrequenz-Induktionsschweißen von Rohren ähnelt dem Hochfrequenz-Widerstandsschweißen, mit der Ausnahme, dass die im Arbeitsmaterial erzeugte Wärme durch den darin induzierten Strom entsteht. Da es keinen elektrischen Kontakt mit der Arbeit gibt, kann dieser Prozess nur verwendet werden, wenn sich ein vollständiger Strompfad oder eine geschlossene Schleife innerhalb der Arbeit befindet. Der induzierte Strom fließt nicht nur durch den Schweißbereich, sondern auch durch andere Teile des Werkstücks.

Rohrkanten werden auf dieselbe Weise wie bei ERW- oder HFIW-Prozessen zusammengeführt. Eine wassergekühlte Induktionsspule oder Induktivität aus Kupfer umgibt die Röhre am offenen Ende des Vee, wie in Abb. 22.31 dargestellt. Durch die Spule fließender Hochfrequenzstrom induziert einen Umlaufstrom um die Außenfläche des Rohrs und entlang der Kanten des V-Lochs, wodurch diese auf die Schweißtemperatur erwärmt werden. Es wird Druck ausgeübt, um die Schweißung wie in HFRW auszuführen.

HFIW eignet sich für Rohre aus allen Metallen mit einem Durchmesserbereich von 12 bis 150 mm und einer Wandstärke von 0, 15 bis 10 mm bei einer Schweißgeschwindigkeit zwischen 5 und 300 m / Minute.

HFIW ist nicht auf die Rohrherstellung beschränkt, sondern kann dazu verwendet werden, umlaufende Schweißnähte zum Anschweißen einer Kappe an einem Rohr herzustellen. Das Verfahren kann vorteilhaft für beschichtete Rohre, kleine oder dünnwandige Rohre verwendet werden; und beseitigt die Oberflächenmarkierung durch elektrische Kontakte. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht zum Schweißen von Metallen mit hoher Leitfähigkeit oder solchen, die aus hochschmelzenden Oxiden bestehen

Es gibt keinen wirksamen Mechanismus zur Oxidentsorgung. Im Allgemeinen ist der HFIW-Prozess weniger effizient als der HFRW-Prozess, insbesondere beim Schweißen großer Rohr- und Rohrgrößen.

Technik Nr. 3: Engspaltschweißen:

Unter Engspaltschweißen versteht man alle Schweißverfahren, die zum Verbinden von schweren Profilen (> 30 mm) mit quadratischem Stoß oder nahezu paralleler Kantenvorbereitung und einem kleinen Spalt von etwa 6, 5 ​​bis 9, 5 mm verwendet werden, um eine Schweißnaht mit geringem Volumen zu erhalten Metall. Normalerweise wird das MMAW-Verfahren zur Herstellung der Schweißnähte verwendet, aber andere Verfahren wie SAW und GTAW wurden ebenfalls erfolgreich eingesetzt.

Das Hauptziel des Engspaltschweißens besteht darin, das Schweißgut im Hinblick auf niedrige Kosten, höhere Schweißgeschwindigkeit, verringerten Verzug und Spannungen zu reduzieren und einseitige Schweißtechniken zu verwenden. Das Volumen des Schweißgutes kann bis zu 20% der herkömmlichen Verfahren betragen, wie aus dem Vergleich der Kantenvorbereitung für SAW-Profile mit 150 mm Querschnitt durch die in Abb. 22.32 gezeigten konventionellen und engen Spaltverfahren ersichtlich ist.

Die Stromquelle, die für den GMAW-Prozess mit engem Spalt verwendet wird, ist vom Typ mit konstanter Spannung und einem Drahtvorschub mit konstanter Geschwindigkeit. Der Schweißkopf und die Düsen sind jedoch so konstruiert, dass sie in dem engen Spalt untergebracht sind. Das GMAW-Verfahren mit engem Spalt ist ein vollautomatisches Verfahren und kann in allen Positionen verwendet werden. Normalerweise werden zwei Elektrodendrähte von jeweils etwa 1 mm Durchmesser gleichzeitig verwendet, wobei ein Draht auf jede der Wände gerichtet ist. Jede Elektrode benötigt eine eigene Gleichspannungsversorgung mit konstanter Spannung und ein Drahtzuführungssystem.

Die Kontaktrohre sind mit einem festen Abstand zwischen ihnen auf einem Schlitten montiert. Das Verfahren mit einem engen Spalt kann jedoch auch mit einem Elektrodendraht verwendet werden, der zur Erzielung einer gleichmäßigen Schweißablagerung oszilliert werden kann. Das verwendete Schutzgas ist eine Mischung aus Argon mit 20 bis 25% CO ₂ .

Der verwendete Strom beträgt etwa 230 bis 250 A für einen Elektrodendraht mit 1 mm Durchmesser und einer positiven Elektrode bei 25 bis 26 Volt.

Die Bewegungsgeschwindigkeit beträgt etwa 1 bis 1, 25 m / min, was zu einem Wärmeeintrag von etwa 300 bis 450 J / mm pro Elektrode pro Durchgang führt. Der Abstand der Düsenspitze zum Arbeitsbereich wird bei etwa 13 mm gehalten. Zum Starten des Schweißvorgangs ist ein Stützstreifen erforderlich. Diese müssen dann in der Regel durch Bogenluffen und Schleifen entfernt werden, bevor die Wurzelläufe geschweißt werden. Dies ist nicht nur teuer und zeitaufwendig, sondern beeinträchtigt auch die Schweißnahtqualität. Pro cm Dicke des zu schweißenden Werkstücks sind etwa 4 Durchgänge erforderlich.

Um das Fehlen einer Seitenwandschmelzung zu überwinden, sind die Kontaktröhren so angeordnet, dass der Elektrodendraht an den richtigen Punkt an der Seitenwand geleitet wird. Alternativ werden spezielle Elektrodenzuführvorrichtungen verwendet, um die notwendige Krümmung, Wellung oder Verdrehung des Elektrodendrahts bereitzustellen, wie in Fig. 2 gezeigt 22.33, unmittelbar bevor es zum Kontaktrohr geht. Die Kontaktrohre sind normalerweise wassergekühlt und isoliert, um einen Kurzschluss durch Kontakt mit den Seitenwänden zu vermeiden.

Die Einschränkungen beim Schweißen mit engem Spalt schließen relativ zerbrechliche Schweißköpfe und die mit Reparaturen solcher engen Schweißnähte verbundenen Schwierigkeiten ein. Diese Schwierigkeiten werden nun überwunden, indem ein Verfahren mit einem Spalt von 14 bis 20 mm und 3 Elektrodendrähten verwendet wird. Wenn ein SAW- oder FCAW-Prozess verwendet wird, wird das Schweißen in der Downhand-Schweißposition ausgeführt. Beim Allpositions-Schweißen wird der GMAW-Prozess mit einer einzelnen Elektrode mit einem Durchmesser von etwa 3, 2 mm mit einer Stromeinstellung von 400-450 A und einem Spannungsbereich von 30- 37 Volt. Das eingesetzte Schutzgas ist üblicherweise eine Mischung aus Helium, Argon und CO ₂ zu gleichen Anteilen.

Die erreichte Fahrgeschwindigkeit beträgt ca. 40 cm / min. Die verwendete Stromquelle ist vom Gleichstrom-Typ mit konstanter Spannung, jedoch wird die negative Polarität der Elektrode verwendet. Während der Metalltransfer beim Engspaltschweißen im Sprühmodus ist, ist er kugelförmig mit breiteren Lücken. Bei diesem Verfahren erstreckt sich das Kontaktrohr nicht innerhalb des Spalts, so dass es ein langes Abstehen mit sich ergebender erheblicher Widerstandserwärmung des Elektrodendrahts bietet.

Das Hauptproblem bei diesen beiden Versionen des Engspaltschweißens ist die Vorbereitung der Schweißverbindung, so dass der Spalt zwischen den beiden zu schweißenden Teilen gleichmäßig ist. Die Toleranz der Spaltgeometrie ist zulässig

Mit dem Engspaltschweißen können Kohlenstoffstähle, hochfeste Q & T-Stähle, Aluminium und Titan geschweißt werden. Spezielle Anwendungen des Verfahrens umfassen das Schweißen von Reaktordruckbehältern, Dampfaufnehmern und Wärmetauschern, Antriebswellen mit großem Durchmesser, hochwandigen Hochdruckwasserzuführern, dickwandigen Rohren und Volldurchschweißungen in bis zu 900 mm dicken Komponenten in der Kernkrafttechnik.