Elektrisches Widerstandsschweißen auf einen Blick

Abbildung 1 Objekt

Für die Rohr- und Rohrproduktion stehen mehrere Verfahren des elektrischen Widerstandsschweißens (ERW) zur Verfügung. Während jeder Prozess unterschiedliche Eigenschaften aufweist, haben alle ERW-Prozesse eines gemeinsam: Sie erzeugen alle eine geschmiedete Schweißnaht.

Eine geschmiedete Schweißnaht entsteht durch die Anwendung einer Kombination aus Hitze und Druck bzw. Schmiedekraft auf die Schweißzone. Eine erfolgreiche Schweißnaht nutzt die optimale Wärmemenge, die normalerweise etwas unter dem Schmelzpunkt des Materials liegt, und eine nahezu gleichzeitige Anwendung von Umfangsdruck auf den Abschnitt, der die erhitzten Kanten zusammendrückt (siehe).Abbildung 1).

Wie der Name schon sagt, ist die durch die Schweißenergie erzeugte Wärme ein Ergebnis des Widerstands des Materials gegenüber dem Fluss von elektrischem Strom. Der Druck entsteht durch Rollen, die den Schlauch in seine fertige Form pressen.

Die beiden Haupttypen von ERW sind Hochfrequenz- (HF) und rotierende Kontaktscheiben.

Die beiden Hauptaspekte des HF-Schweißens sind Prozesse und Stromversorgung. Jede davon kann weiter in Unterkategorien unterteilt werden.

Prozesse. Die beiden HF-Schweißverfahren sind HF-Kontakt und HF-Induktion. Bei beiden Prozessen ist die Ausrüstung, die den elektrischen Strom liefert, unabhängig von der Ausrüstung, die den Schmiededruck liefert. Außerdem können bei beiden HF-Methoden Impeder eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um weichmagnetische Komponenten im Inneren des Rohrs, die dabei helfen, den Schweißstrom auf die Bandkanten zu fokussieren.

HF-Induktionsschweißen.Beim HF-Induktionsschweißen wird der Schweißstrom durch eine Arbeitsspule vor dem Schweißpunkt auf das Material übertragen (vglFigur 2 ). Die Arbeitsspule berührt das Rohr nicht – der elektrische Strom wird durch Magnetfelder, die das Rohr umgeben, in das Material induziert. Das HF-Induktionsschweißen eliminiert Kontaktmarken und reduziert den Einrichtungsaufwand beim Wechsel der Rohrgröße. Es erfordert außerdem weniger Wartung als Kontaktschweißen.

Schätzungen zufolge nutzen 90 Prozent der Rohrwerke in Nordamerika HF-Induktionsschweißen.

HF-Kontaktschweißen.Beim HF-Kontaktschweißen wird der Schweißstrom durch auf dem Band gleitende Kontakte auf das Material übertragen (sieheFigur 3 ). Die Schweißleistung wird direkt auf das Rohr aufgebracht, wodurch dieser Prozess elektrisch effizienter ist als das HF-Induktionsschweißen. Da es effizienter ist, eignet es sich gut für die Produktion von dickwandigen Rohren und Rohren mit großem Durchmesser.

Netzteile. HF-Schweißgeräte werden auch danach klassifiziert, wie sie Strom erzeugen. Die beiden Typen sind Vakuumröhre und Festkörper. Der Vakuumröhrentyp ist die traditionelle Stromversorgung. Seit ihrer Einführung in den frühen 90er Jahren haben Halbleitergeräte jedoch schnell an Bedeutung in der Branche gewonnen. Schätzungen zufolge sind in Nordamerika zwischen 500 und 600 Exemplare jedes Typs im Einsatz.

Abbildung 2 Objekt

Beim Rotationskontaktscheibenschweißen wird der elektrische Strom über eine Kontaktscheibe an der Schweißstelle übertragen. Die Kontaktscheibe bringt auch einen Teil des für den Schweißvorgang notwendigen Pressdrucks auf.

Die drei Haupttypen von Drehkontaktradschweißgeräten sind Wechselstrom-, Gleichstrom- und Rechteckwellenschweißgeräte. In allen drei Stromversorgungen wird elektrischer Strom durch Bürstenanordnungen übertragen, die in Schleifringe eingreifen, die an einer rotierenden Welle befestigt sind, die die Kontakträder trägt. Diese Kontakträder übertragen den Strom auf die Bandkanten.

AC-Drehkontaktradschweißen. Bei einem Wechselstrom-Drehkontakt-Radschweißgerät wird der Strom über die Bürsten auf die rotierende Welle übertragen, auf der ein Transformator montiert ist. Der Transformator reduziert die Spannung und erhöht den Strom, sodass er zum Schweißen geeignet ist. Die beiden Schenkel des Ausgangskreises des Transformators sind mit den beiden voneinander isolierten Hälften des rotierenden Kontaktrades verbunden. Der Streifen schließt den Stromkreis, indem er als Leiter zwischen den beiden Radhälften fungiert.

Herkömmliche Rotationskontaktradschweißgeräte verwendeten 60-Hertz-Wechselstrom oder gewöhnlichen Netzstrom. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, dass der Strom – und damit die Schweißwärme – ansteigt und abfällt, wodurch die Geschwindigkeit begrenzt wird, mit der das Rohr geschweißt werden kann. Eine AC-Sinuswelle erreicht kurzzeitig ihre maximale Amplitude und erzeugt Schweißwärme, die genauso variiert wie die Sinuswelle (sieheFigur 4).

Um die Wärmeschwankungen auszugleichen, wurden Motorgeneratorsätze eingeführt, um Wechselstrom mit höheren Frequenzen zu erzeugen. Einige der verwendeten Frequenzen waren 180, 360, 480 und 960 Hz. Es wurden auch einige Halbleitereinheiten hergestellt, um höherfrequente Ströme zu erzeugen. Eine Wechselstrom-Sinuswelle bei 960 Hz erreicht ihre maximale Amplitude 1.920 Mal pro Sekunde, im Gegensatz zu 120 Mal pro Sekunde bei einem 60-Hz-Signal. Die 960-Hz-Sinuswelle erzeugt Wärme mit einer viel gleichmäßigeren Temperatur.

DC-Drehkontaktradschweißen. Der nächste Schritt beim Drehkontaktradschweißen war die Gleichstromversorgung. Die erzeugte Leistung hat eine nahezu konstante Amplitude. Obwohl dadurch das Problem der schwankenden Hitze gelöst wird, besteht ein großer Nachteil darin, dass mit diesem Schweißmaschinentyp höhere Wartungskosten verbunden sind.

Da es nicht möglich ist, die Gleichspannung mit einem Transformator zu ändern, ist es notwendig, den Schweißstrom mit hoher Stromstärke und niedriger Spannung über eine große Anzahl von Bürsten (92 bei Gleichstrom gegenüber 8 bei Wechselstrom) mit einem zu übertragen hohe Stromdichte. Bei der Übertragung von Strom mit hoher Stromstärke und niedriger Spannung entsteht überschüssige (Ab-)Wärme, die zu starkem Verschleiß und damit zu den bereits erwähnten hohen Wartungskosten führt.

Rechteckwellen-Rotationskontaktradschweißen. Der neueste Schritt in der Entwicklung des Drehkontaktradschweißens ist die Rechteckwellenstromversorgung. Diese Methode kombiniert die konstante Schweißwärme von Gleichstrom mit dem geringeren Wartungsaufwand, der mit Wechselstromgeräten verbunden ist (sieheAbbildung 5).

Während Rotationskontaktschweißverfahren den häufiger verwendeten HF-Schweißverfahren vorausgingen, spielen sie bei Spezialschweißanwendungen immer noch eine wichtige Rolle. Das Rotationskontaktschweißen eignet sich für Anwendungen, bei denen kein Hindernis auf dem Innendurchmesser des Rohrs angebracht werden kann. Beispiele hierfür sind Kühlrohre mit kleinem Durchmesser und Rohre, deren Innendurchmesser unmittelbar nach dem Schweißvorgang lackiert wird.

Die Arten von Schweißdruckwalzen, auch Quetschkästen genannt, die den für die Schweißung erforderlichen Druck aufbringen, sind ebenso vielfältig wie die Schweißgeräte, die für die Wärmezufuhr eingesetzt werden. Quetschkästen zum Rotationskontaktscheibenschweißen verfügen typischerweise über zwei oder drei Rolleneinheiten, wobei die Kontaktscheibe als eine der Rollen dient.

Abbildung 3 Objekt

Die Anzahl der Rollen in der Schweißquetschbox ist proportional zur Größe und Form des zu schweißenden Produkts. Es gibt keine festen Regeln; Übliche Richtlinien für die Größenbereiche runder Rohre oder Rohre lauten jedoch wie folgt:

Heutzutage werden viele Formen – quadratisch, rechteckig, sechseckig – viel häufiger als früher in der fertigen Form geschweißt, anstatt nach dem Rundschweißen noch einmal umgeformt zu werden. Die für die Formen verwendeten Schweißkästen werden individuell für die jeweilige Anwendung konzipiert und verfügen in der Regel über nicht mehr als fünf Rollen.

Gerald Weimer ist Produktmanager für Rohrmühlensysteme bei Yoder – Formtek Cleveland Inc., 26565 Miles Road, Suite 200, Cleveland, OH 44128, Telefon 216-292-4460, Fax 216-292-2898, E-Mail Yoder@FormtekCleveland. com, Website www.yodermfg.com. Yoder entwickelt und fertigt Mühlen und Walzwerkzeuge für die Rohr-, Leitungs- und Walzformindustrie.

Ray Cagganello ist Leiter für Betrieb und Aftermarket-Produkte bei Thermatool Corp., 31 Commerce St., East Haven, CT 06512, Telefon 203-468-4100, Fax 203-468-4281, E-Mail [email protected], Website www.thermatool.com. Thermatool stellt 50- bis 2.000-kW-Festkörper- und Vakuum-Röhrenkontakt- und Induktionsschweißgeräte mit Frequenzen von 100 bis 800 kHz, Alpha-Scheren, Heiß- und Kaltsägen, Bündelungssysteme, Heizsysteme und komplette Mühlensysteme her.