Längsschweißnähte in Edelstahlstäben werden elektrochemisch entgratet, um eine ordnungsgemäße Passivierung zu gewährleisten. Bild mit freundlicher Genehmigung von Walter Surface Technologies
Stellen Sie sich vor, ein Hersteller schließt einen Vertrag zur Herstellung eines wichtigen Edelstahlprodukts ab. Bleche und Rohrabschnitte werden zugeschnitten, gebogen und geschweißt, bevor sie zur Endbearbeitung geschickt werden. Das Teil besteht aus vertikal an das Rohr geschweißten Platten. Die Schweißnähte sehen zwar gut aus, doch der Preis ist nicht optimal, wie ein Käufer erwartet. Daher benötigt die Schleifmaschine Zeit, um mehr Schweißgut als üblich abzutragen. Dann zeigt sich jedoch eine deutliche Blaufärbung auf der Oberfläche – ein klares Zeichen für zu hohe Wärmezufuhr. In diesem Fall bedeutet dies, dass das Teil die Anforderungen des Kunden nicht erfüllt.
Schleifen und Finishen werden oft von Hand ausgeführt und erfordern Fingerfertigkeit und handwerkliches Geschick. Fehler beim Finishen können angesichts des hohen Wertes des Werkstücks sehr kostspielig sein. Durch die Verwendung teurer, hitzeempfindlicher Materialien wie Edelstahl können Nacharbeit und Ausschussinstallation höhere Kosten verursachen. In Kombination mit Komplikationen wie Verunreinigungen und Passivierungsfehlern kann ein einst profitabler Edelstahlbetrieb unrentabel oder sogar rufschädigend werden.
Wie können Hersteller all dies verhindern? Sie können damit beginnen, ihr Wissen über Schleifen und Endbearbeitung zu erweitern und zu verstehen, welche Rolle diese spielen und wie sie sich auf Werkstücke aus Edelstahl auswirken.
Dies sind keine Synonyme. Tatsächlich verfolgt jeder grundlegend unterschiedliche Ziele. Beim Schleifen werden Materialien wie Grate und überschüssiges Schweißgut entfernt, während beim Finishen die Metalloberfläche fein bearbeitet wird. Die Verwirrung ist verständlich, da beim Schleifen mit großen Schleifscheiben sehr schnell viel Metall abgetragen wird und dabei sehr tiefe Kratzer entstehen können. Beim Schleifen sind Kratzer jedoch nur eine Folge; das Ziel ist der schnelle Materialabtrag, insbesondere bei hitzeempfindlichen Metallen wie Edelstahl.
Die Endbearbeitung erfolgt schrittweise. Der Bediener beginnt mit gröberer Körnung und arbeitet sich dann zu feineren Schleifscheiben, Vliesschleifmitteln und gegebenenfalls Filz und Polierpaste vor, um eine Hochglanzoberfläche zu erzielen. Ziel ist es, ein bestimmtes Endergebnis (Kratzmuster) zu erzielen. Jeder Schritt (feinere Körnung) entfernt die tieferen Kratzer des vorherigen Schritts und ersetzt sie durch kleinere Kratzer.
Da Schleifen und Finishen unterschiedliche Zwecke erfüllen, ergänzen sie sich oft nicht und können sich bei falscher Verbrauchsmaterialstrategie gegenseitig behindern. Um überschüssiges Schweißgut zu entfernen, ritzt der Bediener mit einer Schleifscheibe tiefe Kratzer ein und übergibt das Werkstück anschließend dem Abrichter, der nun viel Zeit mit dem Entfernen dieser Kratzer verbringen muss. Diese Abfolge vom Schleifen bis zum Finishen kann immer noch der effizienteste Weg sein, die Endbearbeitungsanforderungen des Kunden zu erfüllen. Es handelt sich jedoch nicht um zusätzliche Prozesse.
Werkstückoberflächen, die für die Bearbeitung konzipiert sind, müssen in der Regel nicht geschliffen oder nachbearbeitet werden. Geschliffene Teile werden nur deshalb bearbeitet, weil sich Schweißnähte oder anderes Material dadurch am schnellsten entfernen lassen und die tiefen Kratzer der Schleifscheibe genau den Wünschen des Kunden entsprechen. Teile, die nur nachbearbeitet werden müssen, werden so gefertigt, dass kein übermäßiger Materialabtrag erforderlich ist. Ein typisches Beispiel ist ein Edelstahlteil mit einer schönen, durch eine Wolframelektrode geschützten Schweißnaht, die lediglich an das Oberflächenmuster des Substrats angepasst werden muss.
Schleifmaschinen mit Schleifscheiben mit geringem Materialabtrag können bei der Bearbeitung von Edelstahl erhebliche Probleme bereiten. Überhitzung kann zu Blaufärbung und Veränderungen der Materialeigenschaften führen. Ziel ist es, den Edelstahl während des gesamten Prozesses so kühl wie möglich zu halten.
Zu diesem Zweck ist es hilfreich, die Schleifscheibe mit der höchsten Abtragsleistung für die jeweilige Anwendung und das Budget auszuwählen. Zirkoniumscheiben schleifen schneller als Aluminiumoxidscheiben, Keramikscheiben funktionieren jedoch in den meisten Fällen am besten.
Die extrem starken und scharfen Keramikpartikel werden auf einzigartige Weise abgenutzt. Beim allmählichen Zerfall werden sie nicht flach, sondern behalten ihre scharfe Kante. Dadurch können sie Material sehr schnell abtragen, oft um ein Vielfaches schneller als andere Schleifscheiben. Keramikschleifscheiben sind daher in der Regel ihr Geld wert. Sie eignen sich ideal für die Bearbeitung von Edelstahl, da sie große Späne schnell abtragen und weniger Hitze und Verformungen erzeugen.
Unabhängig davon, welche Schleifscheibe ein Hersteller wählt, muss auf mögliche Verunreinigungen geachtet werden. Die meisten Hersteller wissen, dass sie nicht dieselbe Schleifscheibe sowohl für Kohlenstoffstahl als auch für Edelstahl verwenden können. Viele Hersteller trennen daher das Schleifen von Kohlenstoffstahl und Edelstahl physisch. Selbst winzige Funken von Kohlenstoffstahl, die auf Edelstahlteile fallen, können zu Verunreinigungen führen. Viele Branchen, wie die Pharma- und Nuklearindustrie, verlangen, dass Verbrauchsmaterialien als umweltfreundlich eingestuft werden. Das bedeutet, dass Edelstahlschleifscheiben praktisch frei (weniger als 0,1 %) von Eisen, Schwefel und Chlor sein müssen.
Schleifscheiben schleifen nicht von selbst, sondern benötigen ein Elektrowerkzeug. Jeder kann die Vorteile von Schleifscheiben oder Elektrowerkzeugen anpreisen, doch in Wirklichkeit funktionieren Elektrowerkzeuge und ihre Schleifscheiben als System. Keramikschleifscheiben sind für Winkelschleifer mit einer bestimmten Leistung und einem bestimmten Drehmoment ausgelegt. Während einige Druckluftschleifer die erforderlichen Spezifikationen erfüllen, wird das Schleifen von Keramikscheiben in den meisten Fällen mit Elektrowerkzeugen durchgeführt.
Schleifmaschinen mit unzureichender Leistung und Drehmoment können selbst mit den modernsten Schleifmitteln ernsthafte Probleme verursachen. Mangelnde Leistung und Drehmoment können dazu führen, dass das Werkzeug unter Druck deutlich langsamer wird. Dadurch können die Keramikpartikel auf der Schleifscheibe ihre eigentliche Aufgabe nicht mehr erfüllen: große Metallbrocken schnell entfernen und so die Menge an thermischem Material reduzieren, das in die Schleifscheibe eindringt.
Dies verschärft den Teufelskreis: Schleifer merken, dass kein Material abgetragen wird, und drücken instinktiv stärker auf, was wiederum zu übermäßiger Hitze und Blaufärbung führt. Schließlich drücken sie so stark, dass die Schleifscheiben verglasen. Das zwingt sie dazu, härter zu arbeiten und mehr Hitze zu erzeugen, bevor sie merken, dass sie die Schleifscheiben wechseln müssen. Bei dünnen Rohren oder Blechen durchdringen sie das Material.
Natürlich kann dieser Teufelskreis auch bei unzureichender Schulung der Bediener selbst mit den besten Werkzeugen entstehen, insbesondere hinsichtlich des Drucks, den sie auf das Werkstück ausüben. Am besten kommt man so nah wie möglich an die Nennstromstärke des Schleifgeräts heran. Bei einem 10-Ampere-Schleifgerät muss der Bediener so fest drücken, dass das Schleifgerät etwa 10 Ampere zieht.
Der Einsatz eines Amperemeters kann zur Standardisierung von Schleifvorgängen beitragen, wenn ein Hersteller große Mengen teuren Edelstahls verarbeitet. Natürlich verwenden nur wenige Betriebe regelmäßig ein Amperemeter, daher ist es ratsam, genau hinzuhören. Wenn der Bediener hört und spürt, dass die Drehzahl schnell abfällt, drückt er möglicherweise zu stark.
Das Erkennen zu leichter Berührungen (d. h. zu geringer Druck) kann schwierig sein. Daher kann die Beachtung des Funkenflusses in diesem Fall hilfreich sein. Beim Schleifen von Edelstahl entstehen dunklere Funken als bei Kohlenstoffstahl, diese sollten jedoch dennoch sichtbar sein und gleichmäßig aus dem Arbeitsbereich hervortreten. Wenn der Bediener plötzlich weniger Funken sieht, kann dies daran liegen, dass er nicht genügend Kraft aufwendet oder die Scheibe nicht glasiert.
Bediener müssen außerdem einen konstanten Arbeitswinkel einhalten. Nähern sie sich dem Werkstück nahezu im rechten Winkel (fast parallel zum Werkstück), kann es zu erheblicher Überhitzung kommen. Nähern sie sich hingegen in einem zu großen Winkel (fast senkrecht), besteht die Gefahr, dass die Kante der Scheibe in das Metall einschlägt. Bei einer Scheibe vom Typ 27 sollten sie in einem Winkel von 20 bis 30 Grad an das Werkstück herangehen. Bei Scheiben vom Typ 29 sollte der Arbeitswinkel etwa 10 Grad betragen.
Schleifscheiben vom Typ 28 (konisch) werden typischerweise zum Schleifen ebener Oberflächen verwendet, um Material auf breiteren Schleifbahnen abzutragen. Diese konischen Scheiben eignen sich auch am besten für flachere Schleifwinkel (ca. 5 Grad) und tragen so zur Ermüdung des Bedieners bei.
Dies führt zu einem weiteren wichtigen Faktor: der Wahl des richtigen Schleifscheibentyps. Die Scheibe Typ 27 hat einen Kontaktpunkt auf der Metalloberfläche, die Scheibe Typ 28 hat aufgrund ihrer konischen Form eine Kontaktlinie und die Scheibe Typ 29 hat eine Kontaktfläche.
Die heute gängigsten Schleifscheiben vom Typ 27 eignen sich für viele Bereiche, ihre Form erschwert jedoch die Bearbeitung von Teilen mit tiefen Profilen und Kurven, wie beispielsweise geschweißten Edelstahlrohren. Die Profilform der Schleifscheibe vom Typ 29 erleichtert Bedienern das Schleifen von gekrümmten und flachen Oberflächen. Die Schleifscheibe vom Typ 29 vergrößert die Kontaktfläche, sodass der Bediener weniger Zeit mit dem Schleifen an jeder Stelle verbringen muss – eine gute Strategie zur Reduzierung der Wärmeentwicklung.
Dies gilt eigentlich für jede Schleifscheibe. Beim Schleifen sollte der Bediener nicht lange an einer Stelle verweilen. Angenommen, ein Bediener entfernt Metall von einer mehrere Meter langen Rundung. Er kann die Scheibe in kurzen Auf- und Abbewegungen bewegen, aber dies kann zu einer Überhitzung des Werkstücks führen, da die Scheibe so lange in einem kleinen Bereich verbleibt. Um die Wärmezufuhr zu verringern, kann der Bediener die gesamte Schweißnaht an einer Spitze in eine Richtung führen, dann das Werkzeug anheben (damit das Werkstück abkühlen kann) und das Werkstück in der gleichen Richtung an der anderen Spitze vorbeiführen. Andere Methoden funktionieren auch, aber sie haben alle eines gemeinsam: Sie vermeiden eine Überhitzung, indem sie die Schleifscheibe in Bewegung halten.
Dies wird auch durch weit verbreitete „Kämmverfahren“ unterstützt. Angenommen, der Bediener schleift eine Stumpfnaht in flacher Position. Um thermische Belastung und übermäßiges Graben zu reduzieren, vermeidet er es, den Schleifer entlang der Fuge zu schieben. Stattdessen beginnt er am Ende und führt den Schleifer entlang der Fuge. Dies verhindert auch, dass die Scheibe zu tief in das Material einsinkt.
Natürlich kann jede Technik das Metall überhitzen, wenn der Bediener zu langsam arbeitet. Bei zu langsamer Arbeit überhitzt der Bediener das Werkstück; bei zu schneller Arbeit kann das Schleifen lange dauern. Das Finden der optimalen Vorschubgeschwindigkeit erfordert in der Regel Erfahrung. Ist der Bediener mit der Arbeit jedoch nicht vertraut, kann er den Schrott schleifen, um den richtigen Vorschub für das Werkstück zu „erfühlen“.
Die Endbearbeitungsstrategie hängt vom Oberflächenzustand des Materials beim Ein- und Auslauf in die Endbearbeitungsabteilung ab. Bestimmen Sie einen Startpunkt (erreichter Oberflächenzustand) und einen Endpunkt (gewünschte Endbearbeitung) und planen Sie anschließend den optimalen Weg zwischen diesen beiden Punkten.
Oft beginnt man nicht mit einem hochaggressiven Schleifmittel. Das mag kontraintuitiv erscheinen. Warum nicht mit grobem Sand beginnen, um eine raue Oberfläche zu erhalten, und dann zu feinerem Sand übergehen? Wäre es nicht sehr ineffizient, mit einer feineren Körnung zu beginnen?
Nicht unbedingt, denn dies hat wieder mit der Art des Vergleichs zu tun. Da mit jedem Schritt eine feinere Körnung erreicht wird, ersetzt der Conditioner tiefere Kratzer durch immer feinere. Wenn Sie mit Schleifpapier der Körnung 40 oder einer Flip-Pan beginnen, hinterlassen Sie tiefe Kratzer auf dem Metall. Es wäre toll, wenn diese Kratzer die Oberfläche dem gewünschten Finish näher bringen würden, weshalb es Finish-Materialien der Körnung 40 gibt. Wenn ein Kunde jedoch ein Finish Nr. 4 (gerichtetes Schleifen) wünscht, dauert es sehr lange, die tiefen Kratzer der Körnung 40 zu entfernen. Handwerker greifen entweder auf mehrere Körnungen zurück oder verbringen viel Zeit damit, mit Schleifmitteln mit feiner Körnung diese großen Kratzer zu entfernen und durch kleinere zu ersetzen. All dies ist nicht nur ineffizient, sondern erhitzt das Werkstück auch zu stark.
Natürlich kann die Verwendung feinkörniger Schleifmittel auf rauen Oberflächen zeitaufwendig sein und in Kombination mit einer schlechten Technik zu hoher Hitzeentwicklung führen. 2-in-1- oder versetzte Scheiben können hier Abhilfe schaffen. Diese Scheiben enthalten Schleifleinen und Oberflächenbehandlungsmaterialien. Sie ermöglichen dem Handwerker, mit Schleifmitteln effektiv Material abzutragen und gleichzeitig eine glattere Oberfläche zu erzielen.
Der nächste Schritt der Endbearbeitung kann die Verwendung von Vliesstoffen umfassen, was ein weiteres einzigartiges Merkmal der Endbearbeitung verdeutlicht: Der Prozess funktioniert am besten mit Elektrowerkzeugen mit variabler Geschwindigkeit. Ein Winkelschleifer mit 10.000 U/min kann zwar einige Schleifmaterialien verarbeiten, schmilzt jedoch einige Vliesstoffe vollständig. Aus diesem Grund drosseln Endbearbeitungsgeräte vor der Endbearbeitung von Vliesstoffen auf 3.000–6.000 U/min. Die genaue Geschwindigkeit hängt natürlich von der Anwendung und den Verbrauchsmaterialien ab. Beispielsweise rotieren Vliestrommeln typischerweise mit 3.000 bis 4.000 U/min, während Oberflächenbehandlungsscheiben typischerweise mit 4.000 bis 6.000 U/min rotieren.
Mit den richtigen Werkzeugen (Schleifmaschinen mit variabler Geschwindigkeit, verschiedene Endbearbeitungsmaterialien) und der optimalen Anzahl von Schritten lässt sich der optimale Weg zwischen Eingangs- und Endbearbeitungsmaterial ermitteln. Der genaue Weg hängt von der Anwendung ab, erfahrene Trimmer folgen diesem jedoch mit ähnlichen Trimmmethoden.
Vlieswalzen vervollständigen die Edelstahloberfläche. Für eine effiziente Oberflächenbearbeitung und optimale Standzeit der Verbrauchsmaterialien laufen verschiedene Oberflächenmaterialien mit unterschiedlichen Drehzahlen.
Erstens brauchen sie Zeit. Wenn sie sehen, dass sich ein dünnes Stück Edelstahl erhitzt, unterbrechen sie die Bearbeitung an einer Stelle und beginnen an einer anderen. Oder sie arbeiten gleichzeitig an zwei verschiedenen Werkstücken. Sie bearbeiten erst das eine Stück, dann das andere, und geben dem anderen Stück Zeit zum Abkühlen.
Beim Polieren auf Hochglanz kann der Polierer mit der Poliertrommel oder Polierscheibe senkrecht zum vorherigen Schritt kreuzpolieren. Das Kreuzschleifen hebt Bereiche hervor, die mit dem vorherigen Kratzermuster verschmelzen sollten, bringt die Oberfläche aber dennoch nicht auf Hochglanz. Sobald alle Kratzer entfernt sind, werden ein Filztuch und ein Polierpad benötigt, um den gewünschten Glanz zu erzielen.
Um das perfekte Finish zu erzielen, müssen Hersteller den Finishern die richtigen Werkzeuge, darunter echte Werkzeuge und Materialien, sowie Kommunikationsmittel zur Verfügung stellen, beispielsweise durch die Erstellung von Standardmustern, um das gewünschte Finish zu bestimmen. Diese Muster (die neben der Finishing-Abteilung, in Schulungsunterlagen und in Verkaufsprospekten ausgehängt werden) tragen dazu bei, dass alle auf dem gleichen Stand sind.
Was die eigentlichen Werkzeuge (einschließlich Elektrowerkzeuge und Schleifmittel) betrifft, kann die Geometrie einiger Teile selbst für das erfahrenste Finishing-Team eine Herausforderung darstellen. Professionelle Werkzeuge helfen hier.
Angenommen, ein Bediener muss ein dünnwandiges Edelstahlrohr montieren. Die Verwendung von Fächerschleifscheiben oder gar Trommeln kann zu Problemen, Überhitzung und manchmal sogar zu einer flachen Stelle am Rohr selbst führen. Hier können speziell für Rohre entwickelte Bandschleifer Abhilfe schaffen. Das Förderband deckt den größten Teil des Rohrdurchmessers ab, verteilt die Kontaktpunkte, erhöht die Effizienz und reduziert die Wärmezufuhr. Wie bei allem anderen muss der Handwerker den Bandschleifer jedoch an einen anderen Ort bringen, um übermäßige Hitzeentwicklung zu reduzieren und eine Blaufärbung zu vermeiden.
Dasselbe gilt für andere professionelle Werkzeuge zur Oberflächenbearbeitung. Ein Beispiel hierfür ist ein Bandschleifer für schwer zugängliche Stellen. Ein Polierer kann damit eine Kehlnaht zwischen zwei Brettern in einem spitzen Winkel herstellen. Anstatt den Fingerbandschleifer vertikal zu bewegen (ähnlich wie beim Zähneputzen), bewegt der Techniker ihn horizontal entlang der Oberkante der Kehlnaht und dann entlang der Unterkante. Dabei achtet er darauf, dass der Fingerschleifer nicht zu lange an einer Stelle verweilt.
Das Schweißen, Schleifen und Veredeln von Edelstahl bringt eine weitere Herausforderung mit sich: die Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Passivierung. Sind nach all diesen Eingriffen noch Verunreinigungen auf der Materialoberfläche vorhanden, die die natürliche Bildung einer vollflächigen Edelstahl-Chromschicht verhindern? Das Letzte, was ein Hersteller braucht, ist ein verärgerter Kunde, der sich über rostige oder schmutzige Teile beschwert. Hier kommen fachgerechte Reinigung und Rückverfolgbarkeit ins Spiel.
Elektrochemische Reinigung kann helfen, Verunreinigungen zu entfernen und so eine ordnungsgemäße Passivierung zu gewährleisten. Doch wann sollte diese Reinigung erfolgen? Das hängt von der Anwendung ab. Hersteller reinigen Edelstahl, um eine vollständige Passivierung zu gewährleisten, in der Regel unmittelbar nach dem Schweißen. Andernfalls kann das Oberflächenbehandlungsmittel Oberflächenverunreinigungen vom Werkstück aufnehmen und an andere Stellen verteilen. Für einige kritische Anwendungen können Hersteller jedoch zusätzliche Reinigungsschritte durchführen – möglicherweise sogar Tests auf ordnungsgemäße Passivierung, bevor der Edelstahl das Werk verlässt.
Angenommen, ein Hersteller schweißt ein wichtiges Edelstahlbauteil für die Nuklearindustrie. Ein professionelles Wolfram-Lichtbogenschweißgerät erzeugt eine glatte, perfekt aussehende Naht. Auch hier handelt es sich um eine kritische Anwendung. Ein Mitarbeiter der Endbearbeitungsabteilung reinigt die Oberfläche einer Schweißnaht mit einer an ein elektrochemisches Reinigungssystem angeschlossenen Bürste. Anschließend schleift er die Schweißnaht mit einem Schleifvlies und einem Wischtuch ab und verleiht dem Ganzen eine glatte Oberfläche. Anschließend folgt die abschließende Bürstenbehandlung mit einem elektrochemischen Reinigungssystem. Nach ein bis zwei Tagen Stillstand wird das Bauteil mit einem tragbaren Prüfgerät auf ordnungsgemäße Passivierung geprüft. Die aufgezeichneten und mit dem Auftrag gespeicherten Ergebnisse zeigen, dass das Bauteil vor Verlassen des Werks vollständig passiviert war.
In den meisten Fertigungsanlagen erfolgen das Schleifen, die Endbearbeitung und die Reinigung zur Passivierung von Edelstahl typischerweise in aufeinanderfolgenden Schritten. Tatsächlich werden diese Schritte normalerweise kurz vor der Auftragserteilung durchgeführt.
Unsachgemäß bearbeitete Teile verursachen hohe Kosten für Ausschuss und Nacharbeit. Daher ist es für Hersteller sinnvoll, ihre Schleif- und Endbearbeitungsabteilungen zu überprüfen. Verbesserungen beim Schleifen und Endbearbeiten helfen, wichtige Engpässe zu beseitigen, die Qualität zu verbessern, Ärger zu vermeiden und vor allem die Kundenzufriedenheit zu steigern.
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