Spaltfreies Schweißen von Halbrohrschlangen mit dem WIG- Heißdraht-Verfahren

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1 Polysoude Praxis-Berichte Spaltfreies Schweißen von Halbrohrschlangen mit dem WIG- Heißdraht-Verfahren Ein alternatives Schweißverfahren für qualitativ hochwertige Schweißaufgaben im Behälter- und Apparatebau

2 Prinzip des WIG-Heißdraht-Schweißens - Größere Abschmelzleistung durch Widerstanderwärmung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffes Bei der klassischen WIG- Schweißung wird die zum Abschmelzen des Kaltdrahtes notwendige Wärme (ca. 30% der Lichtbogen-energie) dem Schmelzbad entzogen. Eine Steigerung der Abschmelzleistung ist bei der Kaltdrahttechnik durch die zum Erwärmen und Abschmelzen des Drahtes notwendige Zeit begrenzt. Die Anlagentechnik zum WIG-Heißdraht-Schweißen basiert auf der zum WIG- Kaltdrahtschweißen. Ein Vorschubsystem fördert den drahtförmigen Zusatzwerkstoff, der im freien Drahtende zwischen dem Kontaktrohr des Drahtauslaufes und dem Schmelzbadkontaktpunkt durch Widerstands-erwärmung aufgeheizt wird. Für diese Widerstandserwärmung ist eine zweite Stromquelle erforderlich, deren sekundärer Stromkreis über den permanenten Schmelzbadkontakt des Drahtes geschlossen wird. Die Drahtvorwärmung lässt sich über den gewählten Heißdrahtstrom in einem weiten Bereich steuern. Durch eine Vorwärmung des Drahtes reduziert sich der dem Schmelzbad zum Abschmelzen des Drahtes entzogene Energiebetrag, wodurch ein wesentlich größeres Volumen an Zusatzwerkstoff bei höherer Schweißgeschwindigkeit und somit reduzierter Streckenenergie umgesetzt werden kann. Der entscheidende Vorteil des WIG-Schweißens gegenüber Verfahren mit abschmelzenden Elektroden besteht in der weitestgehend unabhängigen Steuerung von Energieeintrag des Lichtbogens und Volumen des zugeführten Zusatzwerkstoffes. Mit Anwendung der Heißdrahttechnik kommt diese Flexibilität auch für den Bereich von größeren Abschmelzleistungen zum Tragen. Die Vorteile einer unabhängigen Steuerung zeigen sich besonders am Nahtanfang und Nahtende, wo gezielt Einfluss auf die Schmelzbadgröße genommen werden kann. Gerade das ist eine unabdingbare Voraussetzung für Schweißungen mit höchsten Qualitätsanforderungen. Polysoude Praxis-Berichte 1

3 Schweißen von Halbrohrschlangen im Behälter- und Apparatebau Ein Grossteil der verfahrenstechnischen Anlagen muss zur Aufrechterhaltung der darin stattfindenden Reaktionen von außen beheizt werden. Dazu werden auf die Behälterwandung Halbrohrschlangen durch Schweißen aufgebracht, die von einem Wärmeübertragungsmedium kontinuierlich durchströmt werden. Wenn es die Temperaturbedingungen erlauben, -wird gerne mit Wasser gearbeitet, da es in vielen Regionen preiswert zur Verfügung steht und hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften besitzt Allerdings ist es aufgrund seiner Herkunft mit suspendierten oder gelösten Stoffen angereichert, die sich ungünstig auf einen langfristigen Wärmeaustausch auswirken können oder zu Korrosionserscheinungen an metallischen Oberflächen führen. Korrosionskritische Konstruktionen, wie Spalte und Fugen, sind bei der Auslegung und Fertigung zu vermeiden und zu optimieren. Auch haben sich in den letzten Jahren verstärkt dampfförmige Wärmeübertragungsmedien durchgesetzt. Aus diesen Gründen müssen die auf den Behälter aufzubringenden Halbrohrschlangen spalt-und kerbfrei verschweißt werden. Für die klassische Dichtschweißung (Kehlnaht ohne Durchschweißung) hat sich das MSG- Schweißen als wirtschaftliches und industrietaugliches Verfahren bewährt. Sobald aber die Forderung nach einem spaltfreien Verschweißen gestellt wird, treten die Grenzen des Verfahrens an den Tag. Auch die Impulstechnik und der Einsatz von Fülldrähten haben sich in der Praxis nicht bewährt. Als einzige Alternative bot sich in der Vergangenheit das manuelle Schweißen der Wurzel nach dem WiG-Verfahren an. Aufgrund der geringen erzielbaren Abschmelz-leistung und der Notwendigkeit eines definierten Wurzelspaltes ist die Fertigung jedoch zeit- und kostenintensiv. Es galt somit eine Lösung zu finden, die bei minimalen Aufwand an Nahtvorbereitung eine sichere und reproduzierbare Wurzelschweißung gewährleistet und den Forderungen nach einer wirtschaftlichen Fertigung Rechnung trägt. Als Schweißverfahren bot sich das WIG-Heißdraht-Schweißen an, bei dem eine weitestgehend unabhängige Steuerung von Energieeintrag und Zufuhr des draht-förmigen Zusatzwerkstoffes möglich ist. Mit Anwendung der Heißdrahttechnik kommt diese Flexibilität auch für den Bereich von größeren Abschmelzleistungen zum Tragen. Unabhängig voneinander haben zwei Pilotanlagen in den vergangenen drei Jahren die Praxistauglichkeit dieser Lösung unter Beweis gestellt. Polysoude Praxis-Berichte 2

4 Die praktische Anwendung des WiG-Heißdraht-Verfahrens zum spaltfreien Schweißen von Halbrohrschlagen Durch den Einsatz des WIG-Heißdrahtverfahrens können die Halbrohrschlangen ohne zusätzliche Nahtvorbereitung direkt auf den Behältermantel aufgeschweißt werden. Die Halbrohrschlagen werden vor dem Schweißen weitestgehend spaltfrei auf den Behälterschuss aufgezogen und durch Heftschweißen nach dem WIG-Verfahren fixiert. Bei einer Halbrohschlangen-Wandstärke von 3 mm kann ein partieller Luftspalt von maximal 0,8 mm kompensiert werden, wenn dieser nicht am Beginn der Schweißnaht liegt. Ab einer Wandstärke von 2,5 mm werden die Halbrohrschlangen üblicherweise mit einer Anfasung/ Wandstärkenreduzierunq im Schweißnahtbereich versehen. Für eine kerb- und spaltfreie Wurzelausbildung ist ein Formiergasschutz unumgänglich. Um unnötige Gasverluste zu vermeiden, sollten der Bereich des Schweißstoßes auf der gesamten Länge abgedeckt werden. Je nach gewünschtem a-maß und unter Berücksichtigung der gültigen Abnahmevorschriften kann sich das Schweißen einer Decklage erforderlich machen. Polysoude Praxis-Berichte 3

5 Multiprozessfähige Schweißtechnologie in der Behälter- und Apparatefertigung PC-gesteuerte Multifunktionsanlagen der PC-Serie erlauben neben der Wahl des optimalen Schweißverfahrens auch eine hochpräzise Steuerung und Überwachung des Schweißprozesses. In Verbindung mit standardisierten Peripherie-geräten stellen PC Stromquellen ein integrales und modulares System zur Lösung von mechanisierten Schweißaufgaben dar. Das heißt, dass Schweißparameter und Bewegungseinheiten in einem Schweißprogramm zueinander in Beziehung gesetzt und von der Stromquelle gesteuert werden. Der modulare Aufbau ermöglicht es, die Stromquelle exakt entsprechend der konkreten Aufgabenstellung zu konfigurieren. Jede für die konkrete Schweißaufgabe notwendige Funktion wie z. B. Drahtvorschub, Gassteuerung, Lichtbogenhöhensteuerung oder Brennerpendelung wird als Modul in die Stromquellensteuerung integriert. Ober einen Multi-Achsen-Einschub können Mechanisierungskomponenten wie Automatenträger, Rollenbockanlagen, Drehtische, usw. direkt angesteuert und deren Bewegungen synchronisiert werden. Für ein unterbrechungsfreies Schweißen der Halbrohrschlagen wird die Bewegung des Drehtisches bzw. der Rollenbockanlage mit der Bewegung des Automatenträgers synchronisiert. Je nach Behälterabmessung und Typ des eingesetzten Automatenträgers ergeben sich folgende Konfigurationen: Variante 1: Der Automatenträger wird mit seinem Bodenfahrwerk kontinuierlich verfahren. Das Nahtverfolgungssystem mit taktilem Sensor sorgt für die Feinpositionierung des WIG-Brenners. Polysoude Praxis-Berichte 4

6 Variante 2: Der Ausleger des Automatenträgers wird synchron zur Drehbewegung verfahren. Das Nahtverfolgungssystem mit taktilem Sensor sorgt für die Feinpositionierung des WIG- Brenners. Ein am Ausleger des Automatenträgers montiertes Schweißnahtverfolgungssystem mit taktilem Sensor und Schlitten-Support dient der Positionierung des WIG-Brenners in Bezug zur Halbrohrschlange. Das System wird unabhängig von der Steuerung des PC-Schweißautomaten betrieben und zeichnet sich durch eine robuste Bauweise aus. Orientierbares Interface mit motorisiertem Kreuzschlitten für AVC und Pendelung, Drahtvorschubeinheit, Schnittstelle für Brennerwechsel und Schweißnaht-verfolgungssystem mit taktilem Sensor und Schlitten-Support. Polysoude Praxis-Berichte 5