Rohrschweißspezialisten mit "Kreiselfunktion"

WIG-Orbitalschweißen an dünn- und dickwandigen Rohren

Das Wort Orbit kommt aus dem Latein der Gelehrten und bezog sich ursprünglich auf die Umlaufbahn des Mondes um die Erde. Was das Mit Rohrschweißen zu tun hat lesen Sie hier.

30. März 2004

Übertragen auf das Schweißen bezeichnet man mit Orbitaltechnik das Herstellen von Rundnähten an einem feststehenden Bauteil. Hierbei umkreist der Schweißbrenner das Rohr oder den Behälter auf einer festgelegten Kreisbahn. Und weil bei den so geschweißten Bauteilen im Hinblick auf die Schweißnahtqualität auf reproduzierbare Ergebnisse hoher Güte ankommt, wird dazu fast ausschließlich der Wolfram-Inertgasschweißprozeß eingesetzt. Standard der Geräteentwicklung ist hierfür inzwischen das Schweißen mit pulsierendem Gleichstrom mit und ohne Zufuhr von Schweißzusatzwerkstoff.

Warum WIG?

Ein Orbitalschweißsystem, besteht aus zwei bis drei Anlagenteilen, wie der Schweißstromquelle mit der Möglichkeit zur Einstellung mehrerer Schweißsektoren beziehungsweise Schweißebenen, dem Orbitalschweißkopf, der den WIG-Schweißbrenner um das zu schweißende Bauteil führt sowie eine Kaltdrahteinheit, die bei Bedarf Schweißzusatz zuführt.

Bei der Orbitalschweißung von Rohren und Formteilen kommt, aufgrund der hohen Anforderungen, überwiegend das WIG-Schweißverfahren infrage. Rohre mit einer Wanddicke bis 4 mm werden stumpf ohne Zusatzwerkstoff verschweißt. Dickwandigere Rohre werden mit einer entsprechenden Nahtvorbereitung und Zusatzwerkstoff verschweißt. Das WIG-Schweißverfahren ermöglicht eine optimale kontrollierbare Energieeinbringung.

Der Lichtbogen brennt zwischen einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode und dem Werkstück im Schutze eines Inertgases, zum Beispiel Argon und Helium. Dieses Schutzgas strömt aus einer Gasdüse und schützt die Elektrode und das Schmelzbad vor Luftzutritt. Inerte-Schutzgase sowie Gemische, zum Beispiel Argon und Helium, verhindern eine Oxidation der Wolframelektrode. Oxidierende Gase, wie zum Beispiel Sauerstoff, können nicht verwendet werden. Bei bestimmten Werkstoffen werden dem Schweißargon jedoch geringe Mengen an Wasserstoff (reduzierend) zugemischt.

Die Stromart (Gleich- oder Wechselstrom) ist werkstoffabhängig. Überwiegend wird jedoch mit Gleichstrom (Elektrode am Minuspol) geschweißt. Wechselstrom kommt für das Schweißen von Aluminium und seinen Legierungen infrage. Das WIG-Schweißen ist ein weitverbreitetes Verfahren. Aufgrund der inerten Atmosphäre treten keine Reaktionen zwischen Schutzgas und Schmelzbad auf. Dadurch ist das WIG-Verfahren zum Fügen aller schweißgeeigneten Metalle einsetzbar.

Analog- und computergesteuerte Schweißstromquellen

Um optimale Schweißergebnisse zu erzielen, empfiehlt sich der Einsatz von Stromquellen, die von vornherein für den Orbitalschweißprozeß ausgelegt sind Nur solche Geräte verfügen in der Regel über die erforderliche hohe Reproduziergenauigkeit der Einstellwerte. Die Rundschweißnaht wird bei einem Orbitalschweißsystem üblicherweise in Sektoren mit unterschiedlichen Einstelldaten eingeteilt. Dadurch wird beispielsweise zum einen das schwerkraftbedingte unterschiedliche Verhalten des Schweißbades in Zwangslagen und zum anderen die zunehmende Erwärmung der Schweißumgebung durch Anpassung der Schweißparameter berücksichtigt. Nicht bewährt haben sich die Versuche verschiedener Hersteller von Komponenten, aus Preisgründen lediglich Steuerungen anzubieten, die an herkömmliche Stromquellen zum Wolfram-Inertgasschweißen angeschlossen werden können. Es hat sich gezeigt, daß hiermit keine optimale Abstimmung des Schweißprozesses möglich ist.

Dank der Invertertechnologie gibt es heute Kompaktgeräte, die durch ihre robuste Bauform bei geringem Gewicht auch auf Baustellen eingesetzt werden können. Diese Geräte wiegen, je nach Leistung zwischen 25 und 40 kg. Je nach Aufgabenstellung und Bedienkomfort stehen Geräte mit analoger Einstellung des Schweißprogramms und computergesteuerte Systeme, die ein Abspeichern der Parameter ermöglichen, zur Verfügung. Im Hinblick auf den Baustelleneinsatz sollte bei rechnergesteuerten Systemen darauf geachtet werden, daß die Speicherung der Schweißprogramme nicht nur im batteriegepufferten Arbeitsspeicher möglich ist. Zusätzlich sollten sie auf Disketten oder eigens für den Baustelleneinsatz entwickelte Speichermodule übertragbar sein. Nur so können die oft mühsam erstellten Parametersätze dauerhaft gesichert werden. Es empfiehlt sich allerdings zusätzlich zur Datensicherung, auch einen Papierausdruck der Parameter vorzunehmen.

Orbitalschweißköpfe - Kassettenschweißkopf

Bei den Orbitalschweißköpfen sind vier verschiedene Bauformen bekannt. Dazu gehören die geschlossenen Kassettenschweißköpfe, Schweißzangen, Fahrwerkköpfe sowie Sonderschweißköpfe. Jede spezifische Bauform hat ihre Vor- und Nachteile, so daß der Anwender entscheiden muß, welche Ausführung den Anforderungen seiner Fertigung am besten entspricht.

Insgesamt mit dem verwendeten Schutzgas gefüllt ist der Kassettenschweißkopf. Da der Schweißprozeß in einer allseits geschlossenen Kammer abläuft, ist eine zusätzliche Abdeckung der Wolframelektrode durch eine Gasdüse überflüssig. Dies läßt eine kompakte Bauform zu. Das Spannen der zu verbindenden Rohrabschnitte erfolgt über Einsätze in der Schweißbrennerführung, die für jeden Rohrdurchmesser beziehungsweise jede geänderte Bauteilgeometrie gewechselt werden müssen. Diesem Aufwand steht der große Vorteil gegenüber, daß die zu verschweißenden Teile beidseitig im Kopf aufgenommen und zentriert werden. Da der gesamte Schweiß bereich durch Schutzgas abgedeckt wird, können auch kaum Anlauffarben an den Rohraußenseiten entstehen.

Orbitalschweißköpfe - Schweißzange

Bei Kassettenschweißköpfen gibt es verschiedene Ausführungen. Geachtet werden sollte darauf, daß beide Spannseiten getrennt voneinander zu schließen sind. Denn nur so ist exaktes Zentrieren der zu verschweißenden Teile möglich. Bei den Kassettenschweißköpfen besteht keine Möglichkeit der Kaltdrahtzuführung. Deshalb ist ihr Einsatzgebiet ausschließlich das Verschweißen von Rohren mit Wanddicken unter 3 mm.

Im jeweils auf ihr angegebenen Durchmesserbereich läßt sich die Orbitalschweißzange stufenlos auf verschiedene Rohrabmessungen einstellen und spannen. Da sie jedoch nur einseitig auf die zu verschweißen- den Teile aufgesetzt wird, ist zusätzliches Fixieren der zweiten Rohrseite durch Zentriereinheiten oder vorheriges Heften erforderlich. Gegenüber einem Kassettenschweißkopf ist zudem der Platzbedarf größer.

Über mechanische oder elektronische Lichtbogenabstandsregelung ist es bei dieser Bauform möglich, den Lichtbogen auch bei etwas unrunden Rohren immer auf der gleichen Länge zu halten. Damit die Schweißzange am Rohr fest verankert werden kann, sollte sie aus einem feststehenden klemmenden Teil und der hierauf anzubringenden Rotationseinheit bestehen. Außer zum Schweißen ohne Zusatzwerkstoff gibt es die Schweißzangen auch mit abnehmbarer Kaltdrahtzuführeinrichtung.

Orbitalschweißköpfe - Der Fahrwerkkopf

Für dickwandige Rohre und Rohrdurchmesser über 200 mm sowie das Schweißen von Behälterschüssen werden im ganzen umlaufende Schweißköpfe eingesetzt. Sie verfügen über ein Fahrwerk, das auf vorher am Werkstück angebrachte Führungseinheiten aufgespannt wird. Einfache Systeme, die mit Walzen, Ketten et cetera ungeführt die komplette Schweißeinheit um das Rohr drehen lassen, erweisen sich besonders bei vertikaler Rohrachse als nachteilig, da in dieser Position nicht die für das Orbitalschweißen notwendige präzise Nahtführung erreicht werden kann. Für jeden Durchmesser müssen passende Führungsringe vorhanden sein, doch kann unabhängig von der Bauteilgröße der Schweißkopf mit dem Fahrwerk für alle Aufgaben verwendet werden. Diese Art Köpfe arbeitet in der Regel mit elektronischer Lichtbogenabstandsregelung, Brennerpendelung und je nach Anforderung mit Kaltdrahtzuführung.

Orbitalschweißköpfe - Sonderschweißköpfe

Für die Rohr-in-Boden-Schweißung wird ein Rohr-in-Boden-Schweißkopf benötigt. Der Schweißkopf ist robust konstruiert, um die hohe Präzision der inneren Feinmechanik zu schützen. Wolframelektrode und Kaltdraht werden mühelos eingestellt. Der Wolframelektrodenwechsel geht einfach und schnell. Schweißstrom , Schutzgas und Kühlwasser werden über eine rotierende Kupplung zum Elektrodenhalter befördert. Damit können eine unbegrenzte Anzahl von Drehungen Zug um Zug geschweißt werden. Für das optimale Schweißergebnis ist eine hochgenaue Zentrierung erforderlich. Dies gilt besonders bei dünnwandigen Rohren und Kehlnähten. Die rotierenden Teile des Schweißkopfes sind perfekt gelagert; das Gewicht des Kopfes darf den Zentriervorgang nicht beeinflussen. Die exakte Zentrierung wird durch Anwendung verschiedener Zentrierpatronen für verschiedene Rohrdurchmesser gewährleistet. Die Zentrierwerkzeuge sind formstabil.

Der Rohr-in-Boden-Schweißkopf für das Schweißen von Titan, Tantal und Zirkonium enthält eine vollkommen geschlossene Gaskammer. Diese Form von Gasabschirmung erspart eine Gasdüsenverwendung und dient für eine ausgezeichnete Abschirmung von Werkstoffen, welche leicht oxidieren, wie zum Beispiel Titan, Tantal und Zirkonium.

Rohrinnenschweißkopf

Wenn die Rohre an der Innenseite der Rohrwand anzuschweißen sind, wird der Schweißkopf mit einem Spezial-Innenschweißbrenner versehen. Dieser dient gleichzeitig als Zentriergerät und als Leitungsorgan für Schweißstrom und Schutzgas zur Wolframelektrode. Das Schutzgas strömt durch kleine Bohrungen an der Elektrodenspitze. Der Brenner ist wassergekühlt. Die Innenschweißbrenner werden nach Kundenspezifikation hergestellt. Dabei sind die Rohrdurchmesser, der gewünschte Elektrodenwinkel und der Abstand zwischen der Außenseite der Rohrwand und der Schweißnaht anzugeben. Das Rohinnenschweißen wird häufig eingesetzt, um eine Spaltkorrosion zu vermeiden.

Standardmäßig betragen die Abmessungen der kleinen Innenschweißköpfe beispielsweise: 10 bis 13 mm, 13 bis 18 mm, 18 bis 30 mm, 30 bis 50 mm und 50 bis 80 mm Durchmesser. Die größeren Innenschweißköpf-Abmessungen beginnen bei etwa 183 mm und enden bei etwa 610 mm Durchmesser.

Kaltdrahtzuführeinrichtung

Für zahlreiche Schweißaufgaben ist beim Orbitalschweißen nach dem WIG-Ver- fahren Schweißzusatzwerkstoff erforderlich. Als günstig hat sich eine unmittelbar am Schweißkopf montierte Drahtfördereinheit erwiesen, da durch den kurzen Förderweg die Drahtzugabe mit dem pulsierenden Schweißstrom synchronisiert werden kann. Natürlich können die vom Metall-Schutzgasschweißen bekannten Drahtfördereinrichtungen auch verwendet werden. Sie müssen jedoch den Draht über lange Förderschläuche zum Schweißkopf schieben, wodurch zusätzlicher Aufwand entsteht und auch keine pulssynchrone Drahtförderung möglich ist.

Kaltdraht - im Gegensatz zum Heißdraht, der durch elektrischen Strom erwärmt wird - wird meist beim Orbitalschweißen ferritischer Stähle eingesetzt. Er dient nicht nur dazu, die Fuge auszufüllen, sondern steuert auch das Wärmeeinbringen. Beim Orbitalschweißen mit pulsierendem Gleichstrom kann beispielsweise die Drahtförderung so programmiert werden, daß sie nur während der Hochstromphase erfolgt.

Positioniergenauigkeit

Vor der Entscheidung für ein bestimmtes Orbitalschweißsystem wird oft die Frage nach den Toleranzen gestellt, die es ausgleichen kann. Da allerdings letztlich alle am Markt erhältlichen Anlagen nach dem gleichen Prinzip des umlaufenden WIG-Schweißbrenners funktionieren, ist diese Art der Fragestellung nicht richtig. Es kommt vielmehr auf die einzuhaltenden Rahmenbedingungen für die Anlagen an. Der Anwender muß sich deshalb vor einer Entscheidung für die Orbitalschweißtechnik vielmehr fragen, ob er bereit ist, die für diese Technik erforderliche Präzision und Sauberkeit bei der Vorbereitung seiner Bauteile zu erbringen. Die oft zitierte Baustelleneignung hängt daher auch weniger von der Anlage als vielmehr von der Art der Baustelle und vor allem dem für die Schweißarbeit vorgesehenen Personal ab.

Das Orbitalschweißen mit gut geschultem Bedienpersonal und dessen Bereitschaft zu Sorgfalt auch auf Baustellen möglich ist, geht aus der Vielzahl der für solche Zwecke eingesetzten Systeme hervor. Und dabei handelt es sich keinesfalls nur um einige wenige Schweißstöße, die nicht in der Werkstatt geschweißt werden konnten. Mit gutem Erfolg wurden beispielsweise etwa tausend Verbindungen an den Kühlrohren im Eisstadion Amberg vor Ort geschweißt.

Erschienen in Ausgabe: 03/2004