Fortschritte in der Materialverarbeitung haben einzigartige Möglichkeiten im Bereich der Edelstahlrohrproduktion eröffnet.Zu den typischen Anwendungen gehören Auspuffrohre, Kraftstoffleitungen, Kraftstoffeinspritzdüsen und andere Komponenten.Bei der Herstellung von Edelstahlrohren wird zunächst ein flaches Stahlband geformt und anschließend in ein Rundrohr geformt.Nach der Formung müssen die Nähte der Rohre miteinander verschweißt werden.Diese Schweißnaht hat großen Einfluss auf die Formbarkeit des Teils.Daher ist es äußerst wichtig, die geeignete Schweißtechnik auszuwählen, um ein Schweißprofil zu erhalten, das den strengen Prüfanforderungen in der Fertigungsindustrie gerecht wird.Es besteht kein Zweifel, dass bei der Herstellung von Edelstahlrohren jeweils das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW), das Hochfrequenzschweißen (HF) und das Laserschweißen eingesetzt wurden.
Hochfrequenz-Induktionsschweißen
Beim Hochfrequenz-Kontaktschweißen und Hochfrequenz-Induktionsschweißen sind die Geräte, die den Strom bereitstellen, und die Geräte, die die Anpresskraft bereitstellen, unabhängig voneinander.Darüber hinaus können bei beiden Methoden Stabmagnete verwendet werden, bei denen es sich um weichmagnetische Elemente im Rohrkörper handelt, die dabei helfen, den Schweißfluss am Rand des Bandes zu konzentrieren.
In beiden Fällen wird das Band geschnitten und gereinigt, aufgerollt und zur Schweißstelle geschickt.Darüber hinaus wird ein Kühlmittel zur Kühlung der im Heizprozess verwendeten Induktionsspulen verwendet.Schließlich wird etwas Kühlmittel für den Extrusionsprozess verwendet.Dabei wird viel Kraft auf die Quetschrolle ausgeübt, um eine Porosität im Schweißbereich zu vermeiden;Die Verwendung einer höheren Presskraft führt jedoch zu einer stärkeren Bildung von Graten (oder Schweißperlen).Daher werden speziell entwickelte Messer verwendet, um die Innen- und Außenseite des Rohrs zu entgraten.
Der Hauptvorteil des Hochfrequenzschweißverfahrens besteht darin, dass es eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Stahlrohren ermöglicht.Allerdings lassen sich Hochfrequenzschweißverbindungen, wie es bei den meisten Festphasenschmiedeverbindungen üblich ist, mit herkömmlichen zerstörungsfreien Techniken (NDT) nicht einfach und zuverlässig prüfen.Schweißrisse können in flachen, dünnen Bereichen von Verbindungen mit geringer Festigkeit auftreten, die mit herkömmlichen Methoden nicht erkannt werden können und bei einigen anspruchsvollen Automobilanwendungen möglicherweise nicht zuverlässig sind.
Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW)
Traditionell haben sich Stahlrohrhersteller für das Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) entschieden, um den Schweißprozess abzuschließen.GTAW erzeugt einen Lichtbogen zwischen zwei nicht verbrauchbaren Wolframelektroden.Gleichzeitig wird vom Brenner ein inertes Schutzgas eingeleitet, um die Elektroden abzuschirmen, einen ionisierten Plasmastrom zu erzeugen und das geschmolzene Schweißbad zu schützen.Hierbei handelt es sich um einen etablierten und verstandenen Prozess, der zu einem wiederholbaren Schweißprozess von hoher Qualität führt.
Die Vorteile dieses Prozesses sind Wiederholgenauigkeit, spritzerfreies Schweißen und die Beseitigung von Porosität.GTAW gilt als elektrischer Leitungsprozess und ist daher relativ langsam.
Hochfrequenter Lichtbogenimpuls
GTAW-Schweißstromquellen, auch Hochgeschwindigkeitsschalter genannt, ermöglichen in den letzten Jahren Lichtbogenimpulse über 10.000 Hz.Die Kunden des Stahlrohrverarbeitungswerks profitieren von dieser neuen Technologie, der hochfrequente Lichtbogenimpuls verursacht einen fünfmal höheren Lichtbogenandruck als beim herkömmlichen GTAW.Zu den repräsentativen Verbesserungen gehören eine erhöhte Berstfestigkeit, schnellere Schweißnahtgeschwindigkeiten und weniger Ausschuss.
Der Kunde des Stahlrohrherstellers stellte schnell fest, dass das durch dieses Schweißverfahren erzielte Schweißnahtprofil reduziert werden musste.Zudem ist die Schweißgeschwindigkeit noch relativ langsam.
Laserschweißen
Bei allen Anwendungen zum Schweißen von Stahlrohren werden die Kanten des Stahlbandes geschmolzen und verfestigt, wenn die Stahlrohrkanten mithilfe von Klemmklammern zusammengedrückt werden.Eine einzigartige Eigenschaft des Laserschweißens ist jedoch seine hohe Energiestrahldichte.Der Laserstrahl schmolz nicht nur die Oberflächenschicht des Materials auf, sondern erzeugte auch ein Schlüsselloch, sodass das Schweißprofil sehr schmal ist.Leistungsdichten unter 1 MW/cm2, wie etwa die GTAW-Technologie, erzeugen nicht genügend Energiedichte, um Schlüssellöcher zu erzeugen.Auf diese Weise führt das schlüssellochfreie Verfahren zu einem breiten und flachen Schweißnahtprofil.Die hohe Präzision des Laserschweißens führt zu einem effizienteren Einbrand, was wiederum das Kornwachstum reduziert und zu einer besseren metallografischen Qualität führt;Andererseits führen der höhere Wärmeenergieeintrag und der langsamere Abkühlungsprozess von GTAW zu einer rauen Schweißkonstruktion.
Im Allgemeinen gilt der Laserschweißprozess als schneller als GTAW, er weist die gleiche Ausschussrate auf und ersterer bringt bessere metallografische Eigenschaften mit sich, was zu einer höheren Berstfestigkeit und einer besseren Formbarkeit führt.Im Vergleich zum Hochfrequenzschweißen kommt es bei der Laserbearbeitung des Materials zu keiner Oxidation, was zu geringeren Ausschussraten und einer höheren Umformbarkeit führt.Einfluss der Punktgröße: Beim Schweißen von Edelstahlrohrfabriken wird die Schweißtiefe durch die Dicke des Stahlrohrs bestimmt.Das Produktionsziel besteht dabei darin, die Umformbarkeit durch Reduzierung der Schweißnahtbreite zu erhöhen und gleichzeitig höhere Geschwindigkeiten zu erreichen.Bei der Auswahl des am besten geeigneten Lasers muss nicht nur die Strahlqualität berücksichtigt werden, sondern auch die Genauigkeit der Mühle.Darüber hinaus müssen die Einschränkungen der Punktreduzierung berücksichtigt werden, bevor der Maßfehler der Rohrmühle ins Spiel kommen kann.
Beim Schweißen von Stahlrohren gibt es viele spezifische Dimensionsprobleme. Der Hauptfaktor, der sich auf das Schweißen auswirkt, ist jedoch die Naht am geschweißten Kasten (genauer gesagt, das geschweißte Coil).Sobald das Band geformt und zum Schweißen bereit ist, umfassen die Eigenschaften der Schweißnaht einen Bandspalt, starke/leichte Fehlausrichtung der Schweißnaht und Änderungen der Schweißmittellinie.Der Spalt bestimmt, wie viel Material zur Bildung des Schweißbades verwendet wird.Zu viel Druck führt zu überschüssigem Material an der Oberseite oder am Innendurchmesser des Rohrs.Andererseits kann eine starke oder leichte Schweißnahtfehlausrichtung zu einem schlechten Schweißnahtprofil führen.Darüber hinaus wird das Stahlrohr nach dem Durchlaufen des Schweißkastens weiter besäumt.Dazu gehören Größenanpassung und Formanpassung.Andererseits können durch zusätzliche Arbeit einige schwerwiegende/kleinere Lötfehler behoben werden, aber wahrscheinlich nicht alle.Selbstverständlich wollen wir Null-Fehler erreichen.Als allgemeine Faustregel gilt, dass Schweißfehler fünf Prozent der Materialstärke nicht überschreiten sollten.Eine Überschreitung dieses Wertes beeinträchtigt die Festigkeit des geschweißten Produkts.
Schließlich ist das Vorhandensein einer Schweißmittellinie wichtig für die Herstellung hochwertiger Edelstahlrohre.Mit der zunehmenden Betonung der Formbarkeit im Automobilmarkt besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Notwendigkeit einer kleineren Wärmeeinflusszone (HAZ) und einem reduzierten Schweißprofil.Dies wiederum hat zu Fortschritten in der Lasertechnologie geführt, die die Strahlqualität verbessern und die Punktgröße verringern.Da die Punktgröße immer kleiner wird, müssen wir der Genauigkeit des Scannens der Nahtmittellinie mehr Aufmerksamkeit schenken.Im Allgemeinen werden Stahlrohrhersteller versuchen, diese Abweichung so weit wie möglich zu reduzieren, aber in der Praxis ist es sehr schwierig, eine Abweichung von 0,2 mm (0,008 Zoll) zu erreichen.Dies bringt die Notwendigkeit mit sich, ein Nahtverfolgungssystem zu verwenden.Die beiden gebräuchlichsten Trackingtechniken sind das mechanische Scannen und das Laserscannen.Einerseits kontaktieren mechanische Systeme mit Sonden die Naht vor dem Schweißbad, die Staub, Verschleiß und Vibrationen ausgesetzt ist.Die Genauigkeit dieser Systeme beträgt 0,25 mm (0,01 Zoll), was für Laserschweißen mit hoher Strahlqualität nicht präzise genug ist.
Andererseits kann mit der Laser-Nahtverfolgung die erforderliche Genauigkeit erreicht werden.Typischerweise wird ein Laserstrahl oder Laserpunkt auf die Oberfläche der Schweißnaht projiziert und das resultierende Bild an eine CMOS-Kamera zurückgegeben, die mithilfe von Algorithmen die Position von Schweißnähten, Fehlverbindungen und Lücken bestimmt.Während die Abbildungsgeschwindigkeit wichtig ist, müssen Laser-Nahtverfolgungsgeräte über eine Steuerung verfügen, die schnell genug ist, um die Position der Schweißnaht genau zu erfassen und gleichzeitig die erforderliche Regelung im geschlossenen Regelkreis bereitzustellen, um den Laserfokuskopf direkt über die Naht zu bewegen.Daher ist die Genauigkeit der Nahtverfolgung wichtig, ebenso wie die Reaktionszeit.
Im Allgemeinen ist die Nahtverfolgungstechnologie so weit entwickelt, dass auch Stahlrohrhersteller Laserstrahlen höherer Qualität nutzen können, um besser formbare Edelstahlrohre herzustellen.Infolgedessen hat das Laserschweißen einen Platz gefunden, um die Schweißporosität zu verringern und das Schweißprofil zu reduzieren und gleichzeitig die Schweißgeschwindigkeit beizubehalten oder zu erhöhen.Lasersysteme wie diffusionsgekühlte Slab-Laser haben eine verbesserte Strahlqualität und eine weitere Verbesserung der Formbarkeit durch Reduzierung der Schweißnahtbreite.Diese Entwicklung hat dazu geführt, dass in Stahlrohrwerken eine strengere Maßkontrolle und Laser-Nahtverfolgung erforderlich ist.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 29. August 2022