WP-317 Schweißkammern

10W QuickPurgePipeWeldPurgeSystem

Die Metalllegierungen, die heutzutage verwenden werden, wurden durch jahrzehntelange Forschung weiterentwickelt und viele stellen den Höhepunkt der Leistung in Bezug auf Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit dar. Ohne diese Materialien wären die bedeutenden Fortschritte in den Bereichen Kernenergie, Medizin, Pharmazie, Stromerzeugung und Petrochemie nicht möglich gewesen.

Ein entscheidender Durchbruch ereignete sich 1912 in Sheffield, als sich herausstellte, dass Chrom-Eisen-Legierungen korrosionsbeständig sind. Seitdem haben wir die Einführung von niedriglegierten warmfesten Stählen, Nickelbasislegierungen mit erhöhten Temperatureigenschaften und in jüngster Zeit die Entwicklung leichter Titanlegierungen mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis erlebt.

Optimale Eigenschaften all dieser Materialien werden durch eine genaue Kontrolle des Gleichgewichts der Elemente erreicht. Die optimale Zusammensetzung für jede Anwendung wurde erst durch intensive Forschungsarbeit von Metallurgen erzielt, aber wenn Elemente bei nachfolgenden Herstellungsprozessen wie Schweißen oder anderen erhöhten Temperaturschwankungen verloren gehen, können die Korrosion und die mechanischen Eigenschaften erheblich beeinträchtigt werden.

Das Schmelzschweißen von Edelstählen ist in gutes Beispiel dafür, dass der Verlust an Korrosionsbeständigkeit erheblich sein kann. Wenn an Luft geschweißt wird und selbst bei Sauerstoffkonzentrationen von nur 50 ppm kann der effektive Chromgehalt reduziert werden, und da dies das Hauptelement für die Korrosionsbeständigkeit ist, ist dies ein wichtiger Aspekt.

Eine weitere Folge des Chromverlustes beim Schweißen sind die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften. Bei Chrom-, Molybdän- oder Vanadiumwerkstoffen beispielsweise, die aufgrund ihrer Hochtemperatur-Kriechfestigkeit sowie ihrer optimalen Härtbarkeit, Verschleißfestigkeit, Schlagfestigkeit und maschinellen Bearbeitbarkeit entwickelt wurden, kann jede Verringerung des Chromgehalts diese Eigenschaften beinträchtigen. Darüber hinaus muss die Empfindlichkeit dieser Materialien gegenüber kontaminierenden Produkte wie Wasserstoff in den Schutzgasen berücksichtigt werden. Bei der Auswahl der Verbrauchsmaterialien sollte man sorgfältig vorgehen und es ist wichtig, dass alle Schutzgase von hoher Reinheit sind.

Die beim Schmelzschweißen von Titanlegierungen auftretenden thermischen Zyklen sowie lokale Verunreingungen können zu einer Versprödung der Legierung führen. Ihre reaktive Natur macht eine gründliche Vorreinigung und insbesondere eine Oxidation bei hohen Temperaturen beim Lichtbogenschweißen erforderlich.

Alles in allem ist es also äußerst wichtig, Sauerstoff und andere Verunreinigungen aus dem Bereich der Schweißnaht durch Spülen mit Inertgas (Argon) zu entfernen. Um dieses Problem zu bekämpfen, wurde eine Vielzahl von Spüllösungen entwickelt, darunter Rohrschweißsysteme und Schleppgasdüsen. Aber es besteht eine zunehmende Nachfrage nach komplexen dreidimensionalen Bauteilen aus Legierungen, die empfindlich auf Oxidation und Verunreinigungen reagieren. Diese werden am besten in abgedichteten Kammern hergestellt, in denen der gesamte Schweißvorgang in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird, in der Verunreinigungen beseitigt und der Sauerstoffgehalt auf deutlich unter 10 ppm reduziert werden kann.

Wenn die Qualität sowie kein Oxidieren bzw. keine Verunreinigung entscheidend sind, bietet der Einsatz von Schweißkammern einen umfassenden Schutz. Metallkammern und Handschuhboxen werden seit Jahrzehnten verwendet, und diese sind wirksam, um beim Schmelzschweißen eine völlig inerte Atmosphäre bereitzustellen.

 

PurgEye® 600 Weld Purge Monitor® reading accurately down to 10 ppm  
Abb. 1. Mehrrohrverbindungen sind ohne die Verwendung einer Inertgaskammer nur schwer wirksam zu schützen. Bei sicherheitskritischen Anwendungen wie
Fahrradrennen und Motorsport, wo diese Art von Gelenken häufig vorkommt, ist ein vollständiger Schutz unerlässlich.
 

 

Halo Structure 
Abb. 2. Der Unfall des Formel-1-Rennfahrers Romain Grosjean auf der Rennstrecke in Bahrain im Jahr 2020 hätte ohne den Kopfschutz der „Halo“-Struktur tödlich verlaufen können. Dies ist ein typisches Beispiel für eine Anwendung, bei der die strukturelle Integrität entscheidend ist. Ein vollständiger Schutz der Schmelzzone der Titanlegierung während des Schweißens ist unerlässlich und wird durch den Einsatz einer flexiblen Inertgaskammer gewährleistet.


Obwohl herkömmliche Handschuhboxen aus Metall einen angemessenen Schutz bieten können, unterliegen ihnen gewissen Einschränkungen. Diese Probleme wurden nun mit aktuell verfügbaren flexiblen Alternativen erfolgreich gelöst.

  • Es gibt einen großen Kostenunterschied. In der Regel kosten die Kammern aus Metall zehnmal mehr als flexible Kammern, je nach Größe. Mit zunehmender Größe nimmt dieses Verhältnis zu.
  • Der Gewichtsunterschied bedeutet, dass der Versand und der Transport viel einfacher sind. In der Regel wiegt eine Kammer aus Metall deutlich mehr als eine flexible Kammer.
  • Nach dem Ablassen der Luft aus den flexiblen Kammern können sie gelagert werden, wenn sie nicht benötigt werden. Eine unaufgeblasene Kammer mit einem Durchmesser von 1.25 Metern nimmt nur 0.2 Kubikmeter ein und wiegt nur 8 kg.
  • Die Herstellungszeiten für Handschuhboxen aus Metall können sehr lang sein und sich über Wochen erstrecken. Einige flexible Kammern sind ab Lager lieferbar: Sonderanfertigungen können in weniger als 8 Wochen hergestellt werden.
  • Bei flexiblen Kammern gibt es keine scharfen Ecken, sodass die Gefahr von Lufteinschlüssen nicht gegeben ist.
09W WeldTrailingShields conventional metal glove box
Abb. 3. Flexible Welding Enclosure® (flexible Schweißkammer) mit ausgezeichnetem Zugang, optimaler Rundumsicht und geringem Gewicht. Abb. 4. Herkömmliche Handschuhboxen aus Metall bieten eingeschränkte Sicht und Zugang. Die Manövrierfähigkeit beim Schweißen ist eingeschränkt.


Seit der Einführung des Konzepts vor mehr als zwei Jahrzehnten wurden bei der Entwicklung der Kammern erhebliche Fortschritte verzeichnet. Huntingdon Fusion Techniques in Großbritannien hat beispielsweise die Entwicklung von Systemen speziell für die Schweißindustrie vorangetrieben. Die Firma war führend bei der Entwicklung dieser Kammern und hat die Möglichkeiten genutzt, die hochwertige Polymere bieten.

Diese innovativen Produkte bieten im Vergleich zu alternativen Handschuhboxen aus Metall wichtige Vorteile: geringe Anschaffungskosten, sehr geringer Platzbedarf und eine große Auswahl an Größen.

Dieses HFT®-Produkt hat sich weltweit schnell zur bevorzugten alternativen Kammer entwickelt. Die flexible Variante hat in der 3D-Fertigung eine große Rolle gespielt und die lichtbogenbasierte additive Fertigung wird jetzt mit CNC- oder Robotersystemen samt Schweißanlage in teils kleinräumigen Kammern untergebracht.

Ein kommerzielles Spin-off der Universität Cranfield in Großbritannien verwendet flexible Kammern zur Herstellung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt mit dem lichtbogenbasierten additiven Fertigungsverfahren (WAAM).

Technische Daten der flexiblen Kammern

Je nach den Sichtanforderungen des Kunden wird eine Kombination aus lichtdurchlässigem PVC-Material und optisch klarer Folie verwendet. Bei der Herstellung werden durchweg UV-stabilisierte technische Polymere verwendet. Die Materialstärke beträgt nominell 0.5 mm (480 Mikrometer).

Grundsätzlich sind sie mit großen Zugangsreißverschlüsse ausgestattet und es können zusätzliche Öffnungen für die Handschuhe des Bedieners vorgesehen werden. Ein Servicepanel enthält Zugangsöffnungen für Schweißbrenner und elektrische Leitungen. In jede Kammer sind eine Spülgaseintrittsöffnung und ein Auslassventil zum Ablassen des verdrängten Gases in die Atmosphäre integriert.

Großer Sichtbereich

Schweißkammern mit großen Abschnitten können unter Verwendung von optisch transparenten Polymeren hergestellt werden. Dies bietet die Möglichkeit zur gleichzeitigen Nutzung durch mehrere Bediener, was ideal für Schulungszwecke ist.

Mehrere Zugangspunkte

Die Systeme können mit zahlreichen Handschuhöffnungen sowie Gas- und Elektroanschlüssen hergestellt werden. Große, leckdichte Reißverschlüsse ermöglichen einen einfachen Zugang zu den Komponenten.

20W FlexibleWeldingEnclosures
Abb. 5. Kammer mit mehreren Zugangsanschlüssen, deren Design das Schweißen mehrerer kleinerer Werkstücke im selben Gaskreislauf ermöglicht. Alternativ kann sie auch für ein einzelnes großes Teil verwendet werden, das den Zugang zu mehreren Verbindungen erfordert. Es können gleichzeitig mehrere Schulungen durchgeführt werden.


Überwachung des Sauerstoffgehalts im Spülgas

Die Tatsache, dass selbst sehr geringe Sauerstoffmengen im Spülgas zu Verfärbungen im Bereich des Schweißwulstes führen können, macht der Einsatz empfindlicher Instrumente zur Restsauerstoffmessung wünschenswert.

Zwei wesentliche Merkmale eines geeigneten Instruments sind, dass es über einen angemessenen Messbereich haben muss und das Gas auf den Sauerstoffgehalt innerhalb des Spülvolumens messen muss.

Obwohl viele handelsübliche Überwachungssysteme erhältlich sind, sind diese im Allgemeinen nicht empfindlich genug, um die Anforderungen für das Qualitätsschweißen von Legierungen wie einigen Edelstählen und den meisten Titanlegierungen zu erfüllen, bei denen Sauerstoffgehalte von etwa 20 ppm unerlässlich sind, wenn ein Verlust der Korrosionsbeständigkeit und eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften vermieden werden sollen.

Typisch für fortschrittliche Überwachungssysteme ist die PurgEye®-Produktfamilie von Huntingdon Fusion Techniques Ltd in Großbritannien, von der das kürzlich eingeführte Argweld® PurgEye® 500 Desk vollkommen kompatibel mit den Anforderungen zur kontinuierlichen Überwachung des Sauerstoffgehalts in flexiblen Kammern ist.

 

01W PurgEye500 WeldPurgeMonitor
Abb. 6. Das Spülgas muss ständig überwacht werden, um sicherzustellen, dass ein niedriger Sauerstoffgehalt aufrechterhalten wird. Ein fortschrittliches Spülgamessgerät wie das PurgEye 500® erfüllt diese Anforderungen mit einem Messbereich von bis zu 10 ppm.


Das Gerät ist mit einer integrierten Pumpe ausgestattet, die dem Sauerstoffsensor einen regelmäßigen Durchfluss von Spülgas zuführt, um konsistente Messungen und Messwerte zu gewährleisten. Zu Steuerungs- und Kommunikationszwecken wird eine fortschrittliche Software verwendet.

  • PurgeLog™ wird für PC-Schnittstellen, Datenerfassung, Speicherung und Ausdruck von Ergebnissen und Grafiken zu Qualitätskontrollzwecken verwendet.
  • PurgeNet™ dient zur Übermittlung des aktuellen Sauerstoffmesswertes an ein anderes Gerät, z. B. ein Taupunktmessgerät mit zusätzlicher Kontrolle der Zwischenlagentemperatur.
  • PurgeAlarm™ ist ein IP66-zertifizierter optischer Alarm, der ein rotes Licht anzeigt, wenn der Sauerstoffgehalt einen höheren Wert als die vom Benutzer eingestellten Alarmschwelle misst. Eine optionale grüne Warnanzeige kann über der roten Standardwarnanzeige angebracht werden, die nur dann leuchtet, wenn der Alarm aktiv ist und einen Wert misst, der unter der vom Benutzer eingestellten Alarmschwelle liegt. Optional ist ein Summer erhältlich, der anstelle eines Lichts einen akustischen Alarm auslöst.

Literaturangaben

  1. Heat Tint Poses Corrosion Hazard in Stainless Steel. Welding Journal December 2014 (Die Hitzeverfärbung stellt Korrosionsgefahr in Edelstahl dar. „Welding Journal” Fachzeitschrift, Dezember 2014).
  2. TWI Job Knowledge. Welding of ferritic creep-resistant steels (TWI Berufskenntnisse. Schweißen von ferritischen warmfesten Stählen).
  3. British Stainless Steel Association (Britischer Verband für Edelstahl). https://www.bssa.org.uk.
  4. White Paper (Technische Dokumentation) Nr. 307 Schweißen von reaktiven Metallen. Huntingdon Fusion Techniques Ltd.
  5. Lockett, Jialuo, Williams, Stewart, Filomeno Martina (2017). Design for Wire + Arc Additive Manufacture: Journal of Engineering Design (Design für die lichtbogenbasierte additive Fertigung: Fachzeitschrift für technisches Design), 28(7-9).
  6. WAAM3D Ltd, Milton Keynes, UK


  Von Michael Fletcher, PhD. Metallurgie

Leeds University
Delta Consultants  

 

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