Gefügiger Edelstahl

Gerd Trommer

Rostfreier Edelstahl ist in der Lebensmittelindustrie der Werkstoff mit der weitesten Verbreitung. Die vielfältigen Möglichkeiten, rostfreien Edelstahl zu fügen, reichen vom E-Handschweißen über das Schweißen mit Fülldraht, Metall-Schutzgas-(MSG-)Schweißen mit Drahtelektroden, WIG-(Wolfram-Inert-Gas-) sowie Plasma-Lichtbogen-Verfahren, dem Cold-Metal-Transfer (CMT) bis zu Laser-Prozessen. Orbitalschweißen dient dem Herstellen kreisförmiger Verbindungen, z. B. von Rohren. Die Auswahl des Verfahrens bestimmt weitgehend die Anwendung mit Einflussgrößen wie Dicke und Größe der Bauteile, Spaltmaß, Schweißposition, Länge der Schweißnaht, Losgröße sowie Prüfverfahren. Die Auswahlprozedur schreibt auch die für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie maßgebende Organisation EHEDG (European Hygienic Engineer-ing & Design Group) in ihrer Richtlinie für das Fügen von Edelstahlrohren vor. In der Guideline Nr. 35 „Reinigungsgerechte Schweißnaht“ legt sie das automatisierte Orbitalschweißen zugrunde. Diese Richtlinie definiert sowohl quantitative wie geometrische Kriterien für die Qualität reinigungsgerechter Schweißungen: Spaltgröße, Kantenversatz, äußere und innere Konkavität sowie Konvexität, unzulässige Bindefehler, Schweißnahtbreite und -ausbildung. Mit Hightech-Verfahren erzeugte Nähte für Rohrverbindungen erfüllen diese Forderungen; die Schweißnaht lässt sich nahezu ebenso reinigen wie die glatte Rohrinnenfläche.

Für Verbindungen, bei denen die Richtlinie nicht greift, hat sich das MAG-Schweißen mit einem 2%igen CO2-Aktivgas durchgesetzt. Diese Variante sorgt für die nötige Oberflächenspannung und Benetzung des Schmelzbades und wirkt damit einer konvexen Nahtoberfläche entgegen.

Die traditionelle, geschuppte WIG-Naht-Optik assoziiert Vertrauenswürdigkeit und Gediegenheit. Im WIG-Prozess schmilzt der Lichtbogen die Ränder der zu fügenden Teile an, diese fließen metallurgisch ineinander und es entsteht die erstarrende, feste Fügung. Das WIG-Schweißen stößt jedoch an Produktivitätsgrenzen. Deutliche Steigerungen in der Qualität und Produktivität sind mit automatisierten Systemen und ergänzendem Schweißzusatzdraht realisierbar. Dies gilt besonders für vorgewärmten, sogenannten Heißdraht. KHS, einer der führenden Hersteller von Getränkeabfüllanlagen, nahm in seinem Werk in Bad Kreuznach eine automatisierte WIG-Heißdraht-Schweißanlage in Betrieb. Die Anlage von Fronius besteht aus einer 450-Ampere-WIG-Stromquelle, einer zusätzlichen Stromquelle geringerer Leistung zum Drahtvorwärmen, einem Drehtisch für die Werkstücke und der Steuereinheit, die die Funktion der Baugruppen koordiniert und gemeinsam steuert. Übliche Werkstücke sind Ringkessel von 2000 bis 5500 mm Durchmesser sowie Verteilerringe aus den Werkstoffen 1.4301, 1.4541 und 1.4571. Verglichen mit dem vorherigen Handschweißen erzielten die KHS-Fertigungsfachleute mit der WIG-Heißdraht-Anlage Zeiteinsparungen von über 25 % – so beziffert es Fertigungsmeister Alexander Buhl, der auch für das gesamte Umstellungsprojekt ein positives Resümee zieht.

Eine alternative Lösung realisiert der niederländische Maschinen- und Apparatebauer EFM Machinery. Er verarbeitet jährlich 25 bis 30 t Edelstahlblech. Um bei weiterhin überschaubaren Kosten die Nachfrage befriedigen zu können, suchte der Unternehmer Carlo Egberts nach einer produktiveren Lösung. Er fand sie mithilfe seines Fronius-Kontaktpartners im MAG-Schweißen. Bei diesem Fügeprozess schließt eine abschmelzende Drahtelektrode die Fuge zwischen den Blechteilen. Lange, glatte Nähte z. B. an größeren Behältern zu ziehen sind ein typischer, hoch produktiver MAG-Anwendungsfall. Gepulster Gleichstrom kann die Schuppen-Optik der WIG-Naht simulieren. „Im Vergleich zu unseren vorher genutzten 160-A-WIG-Geräten schweißen wir mindestens vier- bis fünfmal so schnell“, erklärt Egberts. Das digital gesteuerte Schweißsystem CrNi-Edition von Fronius ist speziell zum Verbinden von Teilen aus hochlegierten Stählen entwickelt. In die Software ist viel metallurgisches und schweißtechnisches Know-how integriert. Die Programme stellen die Auswahl charakteristischer Werkstoff-Paarungen dar. Nutzer der CrNi-Edition schweißen prinzipiell in reproduzierbarer Qualität. Sie verfügen über 300 Kennlinien im relevanten Anwendungsbereich der hochlegierten Stähle.

Der erfahrene Schweißpraktiker und Unternehmer Bernd Ruß setzt beim Fügen von CrNi-Blechen bis 3 mm ausschließlich auf CMT (Cold-Metal-Transfer). Für ihn zählt neben der hohen Qualität vor allem die Wirtschaftlichkeit: „Die höhere Spaltüberbrückung vereinfacht und verkürzt die Nahtvorbereitung, der geringere Wärmeeintrag minimiert den Verzug, die praktische Spritzerfreiheit erübrigt entsprechende Nacharbeit und gibt dem Produkt Anwendungssicherheit. Diese Faktoren tragen zu geringeren Herstellungskosten und damit zu Wettbewerbsvorteilen bei.“

Der entscheidende Vorteil beim CMT-Prozess ist die reversierende Bewegung des Schweißdrahtes. Sie ist in die digitale Prozessregelung einbezogen. Der nahezu stromlose Werkstoffübergang beim Draht-rückzug und der dadurch unterbrochene Lichtbogen bewirken im bis zu 90-Hertz-Takt den typischen Heiß-Kalt-Heiß-Kalt-Rhythmus. Während der kurzen Brennphase (heiß) wirkt Wärme auf das Metall. In der Rückzugsphase (kalt) kommt genau ein Tropfen in die entstehende Schweißnaht bzw. das Schmelzbad. Resultat: Fast null Spritzer, weniger Nacharbeit, keine Schmelzbadstütze, geringerer Verzug und höhere Spaltüberbrückbarkeit. Für das Fügen dünner Bleche zwischen 0,3 und 3 mm, selbst für Anwendungen mit stark aggressiven Salzwasser- oder Säurebeanspruchungen bewährt sich laut Ruß der CMT-Prozess in der Praxis.

Hersteller von Schweißstromquellen bieten für jede Anwendung die passende Beratung und das treffende Fügeverfahren für ein wirtschaftlich wie qualitativ beeindruckendes Ergebnis. Dabei berücksichtigen sie gleichermaßen die Belange des Anlagenkonstrukteurs wie die des Betriebsleiters. So möchte der Konstrukteur schon bei der Planung ein Verfahren, das perfekt funktioniert und eine geringe Nacharbeit gewährleistet. Hier kann bei dickeren Wandungen eine Verfahrenskombination den Wunsch nach Wirtschaftlichkeit und reinigungsgerecht glatter Schweißnaht erfüllen: Basislagen werden mit dem leistungsstarken schnellen MAG-Verfahren gelegt, die optisch wie hygienisch perfekte Abschlusslage mit dem WIG-Verfahren oder dem qualitätsmäßig vergleichbaren aber deutlich schnelleren CMT-Prozess. Für nicht sichtbare und nicht produktberührte Nähte genügt das MAG-Verfahren. An Überlapp- und Ecknähten von unterschiedlich dicken oder artfremden Blechen setzt sich mehr und mehr das CMT-Verfahren durch.

Der Betriebsleiter wiederum wünscht für Reparatur und Instandsetzung möglichst wenige und einfach zu bedienende Geräte sowie zuverlässige Verfahren. Diese sollen zudem möglichst handlich und mobil genug auch für schwer zugängliche Anlagenteile sein. Diesen Anforderungen werden moderne E-Hand-Schweißgeräte, die auch zum WIG-Fügen geeignet sind, gerecht.

Online-Info www.dei.de/0210425