Orbitales WIG-Schweißen von dünnwandigen Edelstahl-/Titanrohren für Reinraumanwendungen:
Wie erzielt man eine wiederholbare Schweißnaht und wie sichert man die Qualität? Automatische übersetzen

Automatisches Orbital-WIG-Schweißen (WIG) hat sich in Branchen, in denen Fehlerkosten nicht an den Kosten einzelner Rohre, sondern an den Ausfallzeiten ganzer Produktionslinien gemessen werden, als Standard etabliert. Die Pharma-, Halbleiter- und Luftfahrtindustrie stellen Anforderungen an Rohrleitungen, die manuell mit der erforderlichen Präzision nicht zu erfüllen sind. Menschliches Versagen, Zittern der Hände oder Augenbelastung sind inakzeptabel. Die Innenfläche der Schweißnaht muss so glatt sein, dass sich weder Bakterienkolonien ansiedeln noch korrosive Stoffe ablagern können.

Physik des Prozesses in einer geschlossenen Kammer

Die Kerntechnologie für Rohre mit kleinem und mittlerem Durchmesser (typischerweise 3 bis 170 mm) sind geschlossene Schweißköpfe. Anders als bei offenen Systemen rotiert hier die Wolframelektrode um ein stationäres Rohr in einer mit Schutzgas gefüllten, abgedichteten Kammer. Dadurch entsteht eine einzigartige Mikroatmosphäre um die Schmelzzone. Der Sauerstoffmangel in der Kammer verhindert die Oxidation der Schweißnaht von außen; die entscheidende Frage für die Qualität findet jedoch im Inneren des Rohrs statt.

Ein besonderes Merkmal des Gesenkschweißens ist der Verzicht auf Zusatzdraht. Die Verbindung wird durch das Verschmelzen der Rohrkanten selbst hergestellt. Dieses Verfahren wird als autogenes Schweißen bezeichnet. Es eliminiert das Risiko des Eindringens von Fremdkörpern, stellt aber extrem hohe Anforderungen an die Montage. Beim manuellen Schweißen kann der Schweißer zwar den Spalt durch Zugabe von Zusatzdraht überbrücken, jedoch führt jeder Spalt hier zum Einsturz des Schmelzbades oder zur Verringerung der Schweißnahtdicke.

Verfahrenstechniker unterschätzen oft den Einfluss der Schwerkraft auf das Schmelzbad bei geringen Wandstärken. Selbst bei einer Wandstärke von 1,6 mm verhält sich das flüssige Metall an der 12-Uhr-Position (oben) und an der 6-Uhr-Position (unten) unterschiedlich. Oben fördert die Schwerkraft den Einbrand, indem sie das Schmelzbad nach innen drückt. Unten hingegen zieht sie das Metall nach außen und verursacht so einen Durchhang. Die Automatisierung kompensiert diese Kräfte, jedoch nur bei korrekter Programmkonfiguration.

Der Bediener muss nicht nur die Geometrie der Stirnfläche, sondern auch alle Eingangsparameter kontrollieren. Selbst hochwertigste Schweißmaterialien und teure Gase können die Verbindung nicht retten, wenn der Spalt zwischen den Teilen die zulässigen Hundertstel Millimeter überschreitet. Die Passung muss perfekt sein: Es dürfen keine Spalten vorhanden sein, und die Kantenversatz darf 10–15 % der Wandstärke nicht überschreiten.

Orbitalschweißen von Edelstahl und Titan

Bei der Verarbeitung austenitischer Edelstähle (die gängigste Sorte ist 316L) stellt Überhitzung das Hauptproblem dar. Edelstahl besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Die Wärme wird nicht in den Rohrkörper abgeleitet, sondern sammelt sich im Schweißbereich. Wird die Wärmezufuhr nicht kontrolliert, kommt es zu Verfärbungen. Diese irisierenden Streifen sind nicht nur ein optischer Mangel, sondern eine Schicht aus Chromoxid, die an Metall verarmt ist. In aggressiver Umgebung beginnt hier die Korrosion.

Bei der Herstellung von Reinstmaterialien (UHP – Ultra High Purity) verbieten die Normen generell jegliche Verfärbung im Inneren des Rohrs. Lediglich ein leichter strohgelber Farbton ist zulässig, idealerweise sollte die Schweißnaht jedoch silbrig sein. Dies wird nicht nur durch die Stromeinstellungen, sondern auch durch den Rest-Sauerstoffgehalt im Schutzgas erreicht.

Das Schweißen von Titan erfordert besonders strenge Sorgfalt. Titan ist ein extrem reaktives Metall. Bei Temperaturen über 400 °C beginnt es, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff aus der Atmosphäre aufzunehmen. Während Stahl kurzzeitige Unterbrechungen der Schutzgasversorgung verzeiht, wird Titan sofort spröde. Eine gasgesättigte Schweißnaht mag zwar normal erscheinen, reißt aber bereits bei der ersten Vibrationsbelastung. Beim Orbitalschweißen von Titanrohrleitungen wird die Spülung daher über einen längeren Zeitraum durchgeführt und die Metalltemperatur am Ausgang der Schutzgaszone überwacht.

Der Schwefelgehalt im Stahl beeinflusst auch die Hydrodynamik des Schmelzbades. Ein Unterschied im Schwefelgehalt zweier zu verschweißender Rohre (z. B. 0,005 % Schwefel in einem Rohr und 0,015 % in einem Formstück) kann zu Lichtbogenverlagerungen und asymmetrischem Einbrand führen. Dieses Phänomen ist als Marangoni-Effekt bekannt: Flüssiges Metall fließt von Bereichen niedriger Oberflächenspannung zu Bereichen hoher Oberflächenspannung. Der Verfahrenstechniker muss daher vor Arbeitsbeginn die Chargennummern der Schweißnähte überprüfen.

Sektorales Energiemanagement

Orbitalschweißen ist kein monotoner Prozess, bei dem der Strom von Anfang bis Ende gleichmäßig angelegt wird. Der Prozess ist in Abschnitte unterteilt. Typischerweise wird der Kreis in 4 bis 12 Segmente unterteilt, und jedes Segment hat seine eigenen Parameter.

Zu Beginn (üblicherweise in der seitlichen oder unteren Position) ist ein hoher Strom erforderlich, um schnell ein Schmelzbad zu bilden. Während sich die Elektrode nach oben bewegt, sollte die Wärmezufuhr reduziert werden, da das Rohr bereits vorgewärmt ist und die Schwerkraft den Einbrand begünstigt. Beim Absenken (nach 12 Uhr) wird der Strom erneut angepasst, um ein Auslaufen des Schmelzbades zu verhindern. Der Vorgang wird durch Überlappen der Schweißnaht abgeschlossen – der Lichtbogen überschreitet den Startpunkt um 5–10 mm, wobei der Strom allmählich reduziert wird (Auslauf), um den Krater zu verschweißen.

Der Pulsstrommodus ist das wichtigste Werkzeug zur Steuerung des Schmelzbades bei dünnen Wänden. Hochfrequenter Pulsstrom komprimiert den Lichtbogen und formt ihn nadelförmig, wodurch ein tiefer Einbrand bei geringerer Erwärmung gewährleistet wird. Niederfrequenter Pulsstrom ermöglicht die schrittweise Kristallisation des Metalls in Lamellen. Während der Pausen zwischen den Pulsen kühlt das Schmelzbad teilweise ab, wodurch ein Durchbrennen verhindert wird.

Gasschutz und Spülung

Das Spülen von hinten ist ein entscheidender Schritt. Ein Inertgas (Argon mit 99,998 % Reinheit oder ein Gemisch mit Wasserstoff/Helium) wird in das Rohr eingeblasen. Für Edelstahl werden häufig Gemische mit 2–5 % Wasserstoff verwendet: Der Wasserstoff bindet Rest-Sauerstoff und erhöht die Lichtbogentemperatur, wodurch eine schmalere und glattere Schweißnaht entsteht. Bei Titan ist Wasserstoff jedoch aufgrund der Gefahr der Wasserstoffversprödung strengstens verboten.

Der Gasdruck im Rohr muss ausgeglichen sein. Zu hoher Druck drückt das geschmolzene Metall nach außen und bildet eine konkave Wurzel. Zu niedriger Druck führt zu starkem Einbiegen nach innen und verringert so den Rohrquerschnitt. Fachleute verwenden spezielle Stopfen mit kalibrierten Löchern oder Systeme mit automatischer Innendruckregelung.

Rest-Sauerstoff-Analysatoren sind unerlässlich. Mit dem Schweißen darf erst begonnen werden, wenn der Sensor einen Wert unter 10–20 ppm (Teile pro Million) anzeigt. Der Versuch, mit dem Schweißen „nach Augenmaß“ zu beginnen und sich allein auf die Spülzeit zu verlassen, führt häufig zum Ausfall teurer Bauteile. Das Gas muss die gesamte Luft verdrängen, einschließlich mikroskopisch kleiner Luftmengen in den Metallporen und auf der Oberfläche der Schweißstopfen.

Wolframelektrode als Präzisionsvariable

Die Geometrie der Elektrodenanspitzung beeinflusst direkt die Lichtbogenform und die Einbrandtiefe. Orbitalschweißköpfe verwenden vorgeschnittene Elektroden mit fester Länge. Der Anspitzwinkel (üblicherweise 15–30 Grad) bestimmt die Schweißnahtbreite: Je spitzer der Winkel, desto breiter der Lichtbogen und desto geringer die Einbrandtiefe. Ein stumpfer Winkel konzentriert die Energie.

Die Elektrodenoberfläche muss poliert werden. Schleifspuren auf Wolfram können zu Lichtbogeninstabilität führen – Elektronen werden von den scharfen Kanten der Kratzer freigesetzt, wodurch der Lichtbogen unruhig wird. Legierte Elektroden (Cer oder Lanthan) werden in geschlossenen Schweißköpfen verwendet, da reines Wolfram thermischer Belastung nicht standhält. Thoriumelektroden, die früher weit verbreitet waren, werden heute aufgrund der geringen Radioaktivität des beim Schärfen entstehenden Staubs vermieden, da diese mit den Sicherheitsstandards vieler Reinraumindustrien kollidiert.

Der Abstand zwischen Elektrode und Werkstück (Lichtbogenabstand) wird mechanisch eingestellt und bleibt beim Schweißen mit geschlossenem Schweißkopf konstant. Dies vereinfacht das System, da keine automatische Lichtbogenspannungsregelung (AVC) erforderlich ist. Allerdings muss das Rohr dafür perfekt oval sein. Ist das Rohr oval, ändert sich der Lichtbogenabstand während der Rotation, was zu ungleichmäßigem Einbrand führt.

Objektive Kontrolle und Validierung

In der Serienfertigung ist es unmöglich, jede Schweißverbindung per Röntgen oder Endoskop zu prüfen, insbesondere wenn in einem einzigen Werk Tausende von Verbindungen hergestellt werden. Daher liegt der Schwerpunkt auf der Prozessvalidierung. Bleiben die Schweißparameter (Stromstärke, Spannung, Drehzahl, Gasfluss) während des gesamten Schweißvorgangs innerhalb enger Toleranzen, gilt die Verbindung als akzeptabel.

Moderne Orbitalschweißgeräte fungieren als Datenlogger. Sie erfassen die Ist-Parameterwerte bis zu mehrmals pro Sekunde. Am Schichtende erhält der Schweißer ein digitales Protokoll. Jede Abweichung, wie beispielsweise eine Spannungsspitze oder ein kurzzeitiger Gasausfall, wird darin protokolliert. Das System kann eine Schweißnaht automatisch als verdächtig kennzeichnen.

Sichtprüfung (VII) und Endoskopie sind weiterhin die wichtigsten Prüfmethoden. Ein Endoskop wird in das Rohr eingeführt, um die Schweißwurzel zu untersuchen. Der Prüfer achtet auf Anzeichen unvollständiger Verschmelzung, Oxidation oder Wolfram-Einschlüsse. Die Anlassfarben werden nach spezifischen Standardtabellen (z. B. ASME BPE) klassifiziert. Bei pharmazeutischen Anwendungen stellt das Vorhandensein violetter oder blauer Verfärbungen im Rohrinneren einen eindeutigen Defekt dar, der das Herausschneiden und Nachschweißen des betroffenen Abschnitts erfordert.

Oberflächenvorbereitungsfaktor

Die Vorbearbeitung der Enden vor dem Schweißen ist wichtiger als das Schweißen selbst. Das Trennen mit einer Trennscheibe ist unzulässig: Es überhitzt das Metall, verändert dessen Struktur und hinterlässt Schleifpartikel. Es werden ausschließlich Exzenter-Rohrtrennschleifer mit HSS- oder Hartmetallspitzen verwendet. Diese gewährleisten rechtwinklige Schnitte und eine gratfreie Oberfläche.

Nach dem Schneiden wird die Oberfläche begradigt, um eine perfekt ebene Fläche zu erzielen. Anschließend erfolgt eine gründliche Reinigung. Die Verwendung chlorierter Lösungsmittel ist verboten, da der Lichtbogen Phosgen erzeugt, welches Spannungsrisskorrosion bei Edelstahl verursacht. Es werden hochreiner Alkohol oder Aceton und fusselfreie Tücher verwendet. Berühren Sie die gereinigte Schweißnaht nicht mit bloßen Händen, da ölige Fingerabdrücke beim Schweißen zu Kohlenstoffeinschlüssen und Karbiden führen und die Korrosionsbeständigkeit verringern.

Orbitalschweißen ist eine präzise Technologie. Die Maschine führt die Aufgabe nur dann perfekt aus, wenn der Bediener optimale Bedingungen gewährleistet. Wiederholgenauigkeit wird durch die strikte Einhaltung eines Protokolls erreicht, in dem jede Bewegung geregelt und jede Variable erfasst und dokumentiert wird.