40 Prozent Zeit gespart

Schweißautomation erhöht die Qualität und reduziert die Gesamtprozesszeit. Ein Beispiel ist die Fronius-Schweißanlage für so genannte »Christbäume«, Unterwasser-Verteilsysteme mit zum Teil über 100 Anschlüssen.

02. März 2007
Schweißexperte Derek Bence beziffert die Genauigkeit beim Zentrieren der Schweißbrenner auf die Bohrungsmittelpunkte mit einer Präzision von 0,1 mm.
Bild 1: 40 Prozent Zeit gespart (Schweißexperte Derek Bence beziffert die Genauigkeit beim Zentrieren der Schweißbrenner auf die Bohrungsmittelpunkte mit einer Präzision von 0,1 mm.)

Seine führende Position sowohl im FMC-Konzern als auch in der Fertigungstech­nologie für Offshore-Anwendungen will die schottische Tochtergesellschaft der FMC-Technologies halten und ausbauen. Das in Dunfermline nahe Edinburgh angesiedelte Unternehmen verknüpft Tradition mit technologischen Highlights. Das Entwickeln der komplexen »Christmas Trees« (Unterwasser-Verteilsysteme mit zum Teil über 100 Anschlüssen) geht z.B. von den Offshore-Experten aus Dunferm­line aus. Fertigungstechnisch konzentrieren die Fachleute sich auf die Kernprodukte und Schlüsseltechnologien. Das trifft u. a. auf das Herstellen der komplexen Ventilblöcke zu. Kennzeichnend für diese Bauteile sind zahlreiche Bohrungen in unterschiedlichen Positionen, hochfeste Werkstoffe und das Erhöhen der Verschleißfestigkeit durch Plat­tieren per Auftragsschweißen. Trotz großer geometrischer Abmessungen stehen hier hohe Genauigkeiten im Vordergrund. Dies kennzeichnet die Hauptanforderungen an die Partner für Fertigungstechnologien, so auch für das Auftragsschweißen.

Neues Konzept

Chemisch aggressiv und mechanisch abrasiv sind die zu gewinnenden Offshore-Erdöl- und Erdgasmedien. Qualität rangiert bei den hoch beanspruchten Ventilsitzen deshalb an erster Stelle. Wegen der Schicht- und Oberflächen­eigenschaften ist das WIG-Verfahren eine unverzichtbare Forderung. Um trotzdem eine höhere Produktivität zu erreichen, setzt die schottische FMC seit 16 Jahren auf das WIG-Heißdraht-Schweißen. So erreicht sie höhere Abschmelzraten und einen schnelleren Schichtauftrag. Die gängige Lösung besteht aus einer WIG-Heißdraht-Schweißanlage mit einem Drehtisch zum Einrichten des Werkstückes. Dieses muss der Schweißer dabei mit dem Mittelpunkt der jeweiligen Ventilsitzbohrung zentrisch auf dem Drehtisch positionieren. Bei den komplexen Werkzeuggeometrien und den zum Teil sehr großen Abmessungen ist das ein aufwändiges und vor allem wenig exaktes Verfahren. Zwischen einzelnen Auftragsschweißungen an unterschiedlichen Ventilsitzen sind dabei zusätzliche mechanische Be­arbeitungen erforderlich. Bis zu sechs Werkstücktransporte zwischen der Schweißwerkstatt und verschiedenen Bearbeitungszentren sind notwendig: Ein Arbeitsablauf, der von Nebenzeiten bestimmt ist.

Innovation: ETR

Im Jahr 2003 kam Betriebsleiter Iain Robertson mit dem schottischen Repräsentanten von TPS-Fronius Ltd. (Sitz in Kilmarnock/Schottland) ins Gespräch. »Ziel war eine deutliche und nachhaltige Verbesserung der Produktivität unter Beibehaltung unseres bisherigen hervorragenden Qualitätsniveaus. Beeindruckt haben mich schon damals die Zielstrebigkeit und Professionalität der Fronius-Fachleute. Sie arbeiteten im Dialog mit uns, bis das ETR-System in die Produktion ging, und lange danach«, erinnert sich Betriebsleiter Iain Robertson. Der Kern der Innovation (ETR - Endless Torch Rotation) besteht im innovativen Denkansatz und seiner Lösung: Statt das gewichtige komplexe Werkstück stets neu zu positionieren und nach jedem Plattiervorgang zu drehen, haben die Schweißfachleute diese Bewegungen in das Werkzeug beziehungsweise die Schweißbrenner-Führung verlagert. Aus der konstruktiv völlig neuen Lösung mit dem ETR- beziehungsweise »Endless Torch Rotation«-System resultieren einige gravierende Veränderungen, und in deren Folge bedeutende Fortschritte. Das ETR-System erübrigt ein Neupositionieren des Werk­stückes, um mit dem nächsten Plattiervorgang beginnen zu können. Das Zentrieren des Systems erfolgt mittels Automatenträger und Kreuzschlitten. Die grobe Positionierung erfolgt manuell, und die genaue Ausrichtung übernimmt eine automatische Selbstzentrierfunktion der FPA 9000-Steuerung. Da das ETR-System inklusive Brenner wesentlich beweglicher als das komplexe schwere Werkstück ist, geschieht dies mit geringem Aufwand und in hoher Genauigkeit. Derek Bence, einer der Schweiß­experten in Dunferm­line, beziffert den Genauigkeitsvorteil so: »Wir zentrieren den Schweißbrenner bei der ersten Bohrung auf einfache Weise und mit einer Genauigkeit von 0,1 mm zum Bohrungsmittelpunkt, dann fahren wir die anderen Schweißpositionen ebenso exakt NC-gesteuert an. So reduzieren wir bei bis zu zwölf Bohrungen beziehungsweise Schnittflächen mit Vollauftragsschweißungen je Werkstück die Ein- und Ausrichtzeiten drastisch.« Die NC-Bewegungsabläufe der Brenner realisieren inzwischen einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem nicht elektronisch gesteuerten Verfahren. Dieser erhöht die Qualität und Produktivität zusätzlich: Viele der zu plattierenden Bohrungsmantelflächen weisen Schnittflächen mit anderen Bohrungen oder Querbohrungen auf, das heißt ihre Umfänge sind an diesen Flächen unterbrochen. Bei der konventionellen Technik muss der Schweißer den Schweißprozess händisch steuern und den Lichtbogen beim Erreichen solcher Schnittbereiche abbrechen. Ist die Stelle überfahren, folgt ein Wiederzünden des händisch gesteuerten Lichtbogens durch den Schweißer. Die von Fronius konzipierten und hergestellten NC-Systeme schalten dagegen programmiert vor diesen Schnittbereichen ab und starten anschließend automatisch. Und dies ebenfalls mit der geometrischen Genauigkeit von 0,1 mm! Typische in Dunfermline hergestellte Ventilblöcke wiegen zwischen 0,5 und 10 Tonnen. Ein Werkstück hat bis zu 12 Bohrungen beziehungsweise Schnittflächen pro Werkstück. Sie werden mit bis zu drei Schweißschichten plattiert. Dies ergibt Plattierdicken (vor der Fertigbearbeitung) von 5 bis 12 mm. Die Durchmesser der Bohrungen liegen zwischen 30 und 450 mm. Um einige der zu plattierenden Flächen zu erreichen, beträgt die Eintauchtiefe für den Schweißbrenner 2,5 m.

Besonderheiten

Die in Dunfermline produ­zierenden WIG-Heißdraht-Auftragsschweißsysteme bestehen aus den mechanischen Anlagenkomponenten, dem Schweiß-Equipment und der Systemsteuerung. Zu den mechanischen Anlagenkomponenten gehören ein Kreuzschlitten FCS 2000/1000, verfahrbar angeordnet auf einem Automatenträger mit 4 m Verfahrweg in horizontaler und vertikaler Richtung. Die eventuell erforderliche Rotationsbewegung des Werkstückes führt der separate horizontale Drehtisch FRT für Werkstückgewichte bis zehn Tonnen aus. Das Schweiß-Equipment besteht aus einer Stromquelle »TransTig 450« mit Heißdraht-Stromquelle »TransPocket 1500 RC HD«, einem Drahtvorschub »VR 149/FPA 9000« und einem Innenplattierbrenner »AW45-ZMH«. Das Besondere des Brenners resultiert aus seiner Rotationsbewegung um die eigene Achse während des Schweißens innerhalb dieser Bohrungen. Alle Medien inklusive des Schweißstroms müssen unterbrechungsfrei und sicher fließen bzw. strömen. Für diese Anwendung hat Fronius das »Endless Torch Rotation«-System, ETR, entwickelt. Sein Herzstück besteht aus dem Transfermodul, das alle zum Schweißen erforderlichen Medien wie Schutzgas und Brennerkühlflüssigkeit, Schweißstrom und die elektrischen Steuersignale zum Brenner leitet. Dieser und der Drahtvorschub sind innerhalb des Systems montiert und rotieren beide zusammen um die Bohrungsachse. Der Brenner ist auf dem Linearschlitten des ETR-Systems montiert. So kann das System zwei zusätzliche Funktionen ausführen, wie den erforderlichen Bohrungsdurchmesser sowie eine automatische Lichtbogen-Längenkorrektur (Arc Voltage Con­trol/AVC-Funktion) während des Schweißens einstellen. Sowohl die Schweißprozesse als auch die Bewegungen in allen Achsen, das heißt in zwei linearen, der Dreh- und der Drahtachse, steuert die zentrale Systemsteuerung FPA9000. Diese ist mit einer Kombination aus Industrie-PC und SPS/RPS-Steuerung ausgestattet. Zu ihren Kennzeichen zählen die einfache Bedienung und die Sprach­auswahl für die Benutzeroberfläche. So gewährleistet die FPA9000 eine optimale Kontrolle der Schweißprozesse und der geometrischen Bewegungen. Die Systemsteuerung arbeitet bei FMC mit einer spe­ziellen »Bore-to-Bore«-Software. Ihre Spezialität besteht im vollautomatischen Steuern der Schweißprozesse an den Durchdringungsbohrungen der Ventile. Eine weitere Besonderheit stellt das automatische Zentrieren des Schweißbrenners in der Bohrung dar. Das Einstellen der exakten Schweißposition erfolgt in zwei Schritten. In der FPA 9000 sind dazu alle erforderlichen Parameter gespeichert. Zuerst bringt der Schweißer den Automatenträger und den Kreuzschlitten manuell grob in Position. Dann folgt die Softwarefunktion »Automatic-Centering-System«. Die Innenflächen der Bohrung werden dazu an vier Punkten abgetastet, anschließend wird der Bohrungsmittelpunkt bestimmt. Danach bringt das ETR-System den Brenner automatisch in die exakte Schweißposition. Sehr beeindruckt äußert sich Iain Robertson von der Zusammenarbeit mit Fronius und deren Ergebnissen: »Sie haben sich unsere Vorstellungen und Wünsche genau angehört. Aus dem Zusammenbringen unserer Ziele mit Ihrer Technologie sind dann die für uns neuen Lösungen entstanden. Und diese haben sich trotz der anspruchsvollen technischen Randbedingungen seit zwei Jahren an sieben Tagen pro Woche im 24-Stunden-Betrieb bewährt. Überzeugt hat mich auch das Engagement von Fronius. Solche Lösungen können nur Profis realisieren.«

Fazit

Das Umstellen auf das ETR- und WIG-Heißdraht-Schweißsystem von Fronius zeigt nachhaltige Wirkungen in Dunfermline und dem FMC-Konzern. Die Durchlaufzeiten je Ventilblock haben sich um 40 % reduziert. Gleichzeitig sind die Arbeitsaufwände gesunken und die Qualität gestiegen.

Background

Kenndaten zum Auftragsschweißen von Ventilsitzen für Offshore-Anwendungen

Werkstück _ Ventilblock, Werkstoff _ 8630/F 22

Ventilsitze _ 1 bis 12 je Ventilblock

Auftragsschweißung?_?Dicke 5 bis 12 mm,?Lagen 1 bis 3, Zusatzwerkstoff Inconel 625, geom. Genauigkeit 0,1 mm

Schweißdaten _ Schweißstrom DC-negativ; 240 A; ­Spannung 11 bis 12 V

Brennerposition _ stechend

Drahtvorschub _ 2,5 m/min

Nahtlänge _ ≤ 1.500 mm

Stickout _ 10 bis 15 mm

Werkstück-Vorwärmtemperatur _ 200 °C

Inspektion _ Ultraschallüberprüfung, Magnetteilchen-Inspektion (MPI), Härte, Sichtprüfung, Druckprüfung

Erschienen in Ausgabe: 01/2007