Obwohl die Orbitalschweißtechnik nicht neu ist, entwickelt sie sich stetig weiter und wird immer leistungsfähiger und vielseitiger, insbesondere beim Rohrschweißen. Ein Interview mit Tom Hammer, einem erfahrenen Schweißer bei Axenics in Middleton, Massachusetts, zeigt die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dieser Technik zur Lösung komplexer Schweißprobleme. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Axenics)
Das Orbitalschweißen gibt es seit etwa 60 Jahren und es automatisiert das GMAW-Verfahren. Es ist eine zuverlässige und praktische Methode zur Durchführung mehrerer Schweißnähte, obwohl einige OEMs und Hersteller die Vorteile von Orbitalschweißgeräten noch nicht nutzen und stattdessen auf Handschweißen oder andere Strategien zum Verbinden von Metallrohren setzen.
Die Prinzipien des Orbitalschweißens sind seit Jahrzehnten bekannt, doch die Leistungsfähigkeit moderner Orbitalschweißgeräte macht sie zu einem noch leistungsfähigeren Werkzeug im Werkzeugkasten eines jeden Schweißers. Viele verfügen mittlerweile über intelligente Funktionen, die die Programmierung und Vorbereitung vor dem eigentlichen Schweißvorgang vereinfachen. Schnelle und präzise Einstellungen gewährleisten gleichmäßige, saubere und zuverlässige Schweißverbindungen.
Das Schweißerteam von Axenics in Middleton, Massachusetts, ist ein Auftragsfertiger von Komponenten, der viele seiner Kunden in Orbitalschweißverfahren anleitet, sofern die richtigen Voraussetzungen für die jeweilige Aufgabe gegeben sind.
„Wo immer möglich, wollten wir den menschlichen Faktor beim Schweißen ausschalten, da Orbitalschweißgeräte im Allgemeinen qualitativ hochwertigere Schweißnähte erzeugen“, sagt Tom Hammer, ein erfahrener Schweißer bei Axenics.
Obwohl die ersten Schweißverfahren vor 2000 Jahren durchgeführt wurden, ist das moderne Schweißen ein hochentwickeltes Verfahren, das integraler Bestandteil anderer moderner Technologien und Prozesse ist. Beispielsweise kann das Orbitalschweißen zur Herstellung der hochreinen Rohrleitungssysteme eingesetzt werden, die zur Produktion von Halbleiterwafern benötigt werden, welche heute praktisch in allen Elektronikgeräten Verwendung finden.
Einer der Kunden von Axenics ist Teil dieser Lieferkette. Er suchte einen Auftragsfertiger, der ihm bei der Erweiterung seiner Produktionskapazität helfen sollte, insbesondere bei der Herstellung und Installation von sauberen Edelstahlkanälen, die es Gasen ermöglichen, den Wafer-Herstellungsprozess zu durchlaufen.
Bei Axenics stehen zwar für die meisten Rohrschweißarbeiten Orbitalschweißanlagen und Drehtische mit Brennerklemmen zur Verfügung, dies schließt jedoch gelegentliches Handschweißen nicht aus.
Hammer und das Schweißteam prüften die Anforderungen des Kunden und stellten Fragen unter Berücksichtigung von Kosten- und Zeitfaktoren:
Die von Hammer eingesetzten Rotationsschweißgeräte sind Swagelok M200 und Arc Machines Modell 207A. Sie können Rohre mit einem Durchmesser von 1/16 bis 4 Zoll aufnehmen.
„Mit Mikro-Schweißköpfen können wir auch sehr enge Stellen erreichen“, sagte er. „Eine Einschränkung beim Orbitalschweißen besteht darin, ob ein Schweißkopf für die jeweilige Verbindung geeignet ist. Heutzutage kann man aber auch eine Kette um das zu schweißende Rohr legen. Der Schweißer kann dann über die Kette fahren, und die Größe der Schweißnähte ist praktisch unbegrenzt. Ich habe schon Anlagen gesehen, die 20-Zoll-Rohre schweißen. Es ist beeindruckend, was diese Maschinen heute leisten können.“
Angesichts der Reinheitsanforderungen, der erforderlichen Schweißnahtanzahl und der geringen Wandstärke ist Orbitalschweißen für diese Art von Projekt eine sinnvolle Wahl. Bei Rohrleitungsarbeiten zur Steuerung der Luftströmung schweißt Hammer häufig Edelstahl 316L.
„Dann wird es richtig knifflig. Wir schweißen hauchdünnes Metall. Beim Handschweißen kann schon die kleinste Korrektur die Schweißnaht unterbrechen. Deshalb verwenden wir am liebsten einen Orbitalschweißkopf. Damit können wir jedes Rohrsegment präzise einstellen und perfektionieren, bevor wir das Werkstück einsetzen. Wir reduzieren die Leistung auf einen bestimmten Wert, damit wir sicher sein können, dass das Werkstück perfekt sitzt, wenn wir es einsetzen. Beim Handschweißen erfolgt die Anpassung nach Augenmaß, und wenn wir zu viel Kraft aufwenden, kann das Schweißgerät direkt durch das Material hindurchdringen.“
Die Arbeit besteht aus Hunderten von Schweißnähten, die identisch sein müssen. Das für diese Arbeit verwendete Orbitalschweißgerät benötigt drei Minuten für eine Schweißnaht; wenn Hammer mit Höchstgeschwindigkeit arbeitet, kann er dasselbe Edelstahlrohr manuell in etwa einer Minute schweißen.
„Die Maschine wird aber nicht langsamer. Man lässt sie morgens gleich mit Höchstgeschwindigkeit laufen, und am Ende des Tages läuft sie immer noch mit Höchstgeschwindigkeit“, sagte Hammer. „Ich lasse sie morgens gleich mit Höchstgeschwindigkeit laufen, aber letztendlich ist das nicht der Fall.“
Es ist von entscheidender Bedeutung, das Eindringen von Verunreinigungen in Edelstahlrohre zu verhindern. Aus diesem Grund wird das Löten von hochreinen Materialien in der Halbleiterindustrie häufig in einem Reinraum durchgeführt, einer kontrollierten Umgebung, die das Eindringen von Verunreinigungen in den Lötbereich verhindert.
Hammer verwendet in seinen Handschweißbrennern dieselbe vorgeschärfte Wolframelektrode wie im Orbiter. Während reines Argon beim manuellen und orbitalen Schweißen für eine äußere und innere Spülung sorgt, profitiert das Schweißen mit Orbitalschweißgeräten zusätzlich von der Arbeit in einem geschlossenen Raum. Beim Austritt der Wolframelektrode füllt sich das Gehäuse mit Gas und schützt die Schweißnaht vor Oxidation. Beim Einsatz eines Handschweißbrenners wird das Gas nur auf die Seite des Rohrs geblasen, die gerade geschweißt wird.
Orbitalschweißungen sind im Allgemeinen sauberer, da das Gas das Rohr länger umhüllt. Sobald der Schweißvorgang beginnt, bietet Argon Schutz, bis der Schweißer sicher ist, dass die Schweißnaht ausreichend abgekühlt ist.
Axenics arbeitet mit einer Reihe von Kunden im Bereich alternativer Energien zusammen, die Wasserstoff-Brennstoffzellen herstellen, welche verschiedene Fahrzeuge antreiben. Beispielsweise nutzen einige Gabelstapler für den Innenbereich Wasserstoff-Brennstoffzellen, um zu verhindern, dass chemische Nebenprodukte Lebensmittel verderben. Das einzige Nebenprodukt einer Wasserstoff-Brennstoffzelle ist Wasser.
Einer der Kunden hatte viele der gleichen Anforderungen wie ein Halbleiterhersteller, beispielsweise hinsichtlich Schweißnahtreinheit und -konsistenz. Er wollte Edelstahl 321 für Dünnwandschweißungen verwenden. Die Arbeit bestand jedoch in der Prototypenfertigung eines Verteilers mit mehreren Ventilbänken, die jeweils in eine andere Richtung ragten und somit wenig Platz zum Schweißen ließen.
Ein für diese Aufgabe geeignetes Orbitalschweißgerät kostet etwa 2.000 US-Dollar und kann zur Herstellung einer kleinen Stückzahl mit geschätzten Kosten von 250 US-Dollar verwendet werden. Das ist wirtschaftlich nicht sinnvoll. Hammer bietet jedoch eine Lösung an, die manuelle und Orbitalschweißtechniken kombiniert.
„In diesem Fall würde ich einen Drehtisch verwenden“, sagt Hammer. „Das Prinzip ist dasselbe wie beim Orbitalschweißen, nur dass man das Rohr dreht, nicht die Wolframelektrode um das Rohr. Ich benutze meinen Handbrenner, den ich mit einem Schraubstock fixieren kann. So habe ich die Hände frei und die Schweißnaht wird nicht durch Zittern oder Schütteln der Hand beschädigt. Dadurch werden viele menschliche Fehlerquellen ausgeschlossen. Es ist nicht so perfekt wie Orbitalschweißen, da es nicht in einem geschlossenen Raum stattfindet, aber diese Art des Schweißens kann in einem Reinraum durchgeführt werden, um Verunreinigungen zu vermeiden.“
Obwohl die Orbitalschweißtechnologie Reinheit und Wiederholgenauigkeit bietet, wissen Hammer und seine Schweißerkollegen, dass die Integrität der Schweißnaht entscheidend ist, um Ausfallzeiten aufgrund von Schweißfehlern zu vermeiden. Das Unternehmen verwendet zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP) und manchmal auch zerstörende Prüfverfahren für alle Orbitalschweißungen.
„Jede Schweißnaht wird einer Sichtprüfung unterzogen“, sagt Hammer. „Anschließend werden die Schweißnähte mit einem Heliumspektrometer geprüft. Je nach Spezifikation oder Kundenanforderungen werden einige Schweißnähte radiografisch geprüft. Auch zerstörende Prüfverfahren sind möglich.“
Zu den zerstörenden Prüfverfahren kann die Zugfestigkeitsprüfung gehören, um die maximale Zugfestigkeit der Schweißnaht zu bestimmen. Um die maximale Spannung zu messen, die eine Schweißnaht an einem Werkstoff wie beispielsweise Edelstahl 316L vor dem Versagen aushalten kann, wird das Metall bei der Prüfung bis zum Bruchpunkt gedehnt.
Schweißnähte von Kunden im Bereich alternativer Energien werden manchmal einer zerstörungsfreien Ultraschallprüfung unterzogen, insbesondere bei Bauteilschweißungen von Dreikanal-Wärmetauschern für Wasserstoff-Brennstoffzellen, die in Maschinen und Fahrzeugen für alternative Energien eingesetzt werden.
„Dies ist ein entscheidender Test, da die meisten von uns versendeten Komponenten potenziell gefährliche Gase durchströmen. Es ist uns und unseren Kunden sehr wichtig, dass der Edelstahl makellos ist und keinerlei Leckstellen aufweist“, sagt Hammer.
Das Tube & Pipe Journal war 1990 die erste Zeitschrift, die sich ausschließlich der Metallrohrindustrie widmete. Auch heute noch ist sie die einzige Publikation in Nordamerika, die sich dieser Branche widmet, und hat sich zur vertrauenswürdigsten Informationsquelle für Fachleute im Rohrleitungsbereich entwickelt.
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