Präzisionsrohrschweißen, Teil III

Teil III: Vorbereiten von Rohrenden für das hochreine Schweißen

Von William Sandford

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Autogenschweißen (Schmelzschweißen ohne Verwendung von Zusatzmetall) verbindet die Rohre, die für die meisten hochreinen und hygienischen Rohrsysteme verwendet werden.

Diese Systeme erfordern Schweißverbindungen von sehr hoher Qualität, wobei der Schwerpunkt auf der Erzielung einer glatten Innenoberfläche zur Vermeidung von Schadstoffeinschlüssen und auf allen normalen strukturellen Anforderungen für Schweißverbindungen liegt.

Edelstahl wie 316L wird verwendet, um Korrosionsbeständigkeit gegen Angriffe durch Prozesschemikalien oder Reinigungsvorgänge zu gewährleisten. Die meisten Rohre, die in Hochreinheits- oder Sanitärsystemen verwendet werden, werden mechanisch und/oder elektropoliert, um einen sauberen, glatten Innendurchmesser (ID) zu erhalten, der für die Anwendung geeignet ist.

Die Schneidverfahren und Schweißnahtenvorbereitungstechniken müssen alle Aspekte berücksichtigen, um eine hochwertige Schweißverbindung zu erhalten, ohne den Innendurchmesser zu verunreinigen, Wärmeeinflusszonen (HAZs), Kohlenstoffverunreinigungen oder Oberflächenkratzer einzuführen, die entweder Korrosion oder Spannungserhöhung sein können Induktionspunkte.

Um akzeptable autogene Schweißnähte zu erzielen, muss die Schweißnahtvorbereitung letztendlich wie folgt erfolgen:

Spezifikationen für die genauen Toleranzen, die auf Rohre für die Vorbereitung von Schmelzschweißenden anzuwenden sind, sind nicht allgemein akzeptiert und werden im Allgemeinen durch hausinterne Schweißverfahren festgelegt.

Die folgende Diskussion der Toleranzen besteht aus allgemeinen Empfehlungen für hochwertige Schweißverbindungen, die für hochreine und hygienische Systeme erforderlich sind.

Wenn es nicht zulässig ist, die Oberfläche des Rohrs in irgendeiner Weise zu berühren oder zu markieren, darf der Grat die Menge nicht überschreiten, die durch den Schweißvorgang verbraucht werden kann, und es darf kein Durchtropfen entstehen oder eine übermäßige, gefährliche Wärme verursachende Hitze auf beiden Seiten der Schweißnaht erforderlich sein gemeinsam. Im Allgemeinen muss der Grat an der Innen- oder Außenseite der Rohrwand weniger als 0,01 Zoll (0,25 mm) pro Seite betragen.

Wenn das Entgraten zulässig ist, muss darauf geachtet werden, dass weder am Innen- noch am Außendurchmesser des Rohrs Fasen entstehen, die zu einem übermäßigen Rücksaugen in der Schweißzone führen können.

Verfahrensoptionen zum Schneiden (Durchtrennen).

Zu den grundlegenden Schneidverfahren gehören das Schneiden von Teilen (Drehschneiden), das Schneiden mit Kreisfräsern, Trennschleifscheiben, das Schneiden mit Bandsägen, das Schneiden mit Kreissägen, das spanlose Schneiden mit Walzen, das Schneiden mit einer und doppelten Gesenkscheren und das thermische Schneiden. Vor- und Nachteile der Verfahren und der Werkzeugmaschinen sind wie folgt.

Teilabschneiden. Dies ist für sehr flache und quadratische Enden mit präzisen Fasenwinkeln geeignet. Ohne einen zweiten Arbeitsgang ist es schwierig, einen gratfreien Schnitt am Innendurchmesser des Rohres zu erzielen. Zwei Grundgruppen von Werkzeugen, die mit Abstechwerkzeugen geschnitten werden: stationäre Motordrehmaschinen und tragbare Rohrdrehmaschinen. Stationäre Drehmaschinen sind zwar sehr präzise und bieten flexible Schneidverfahren, eignen sich jedoch nur für kurze Rohrlängen, da sich die Rohre drehen müssen und die Rüstzeit hoch ist. Für einige Anwendungen eignen sich Einzelschnitte ohne Entgraten. Werkzeugbits sind für verschiedene Materialien erhältlich.

Aufgrund der vielen Schmierstellen und der benötigten Stellfläche sind sie im Allgemeinen nicht für den Einsatz in Reinräumen geeignet. Tragbare Rohrdrehmaschinen zum Schneiden von Rohren klemmen die Rohre mit Außenspannzangen fest, kreisen die Schneidwerkzeuge um das Rohr und können für gebogene Rohre verwendet werden, wenn eine gerade Länge für die Montage verfügbar ist. Die Rüstzeit ist gering und für einige Anwendungen sind Einzelschnitte ohne Entgraten geeignet.

Werkzeugbits sind für verschiedene Materialien erhältlich. Für nahezu gratfreie Enden stehen optionale Schneidmodule für Enden-Eintauchschnitte zur Verfügung, die den speziellen Enden-Abkantwerkzeugen ähneln. Drehmaschinen können mit abgedichteten Lagern, Trockenschmierbeschichtungen und vollständig geschlossenen Elektromotoren für den Betrieb in Reinräumen ausgestattet werden. Maschinenspäne sind lange Fäden zur einfachen Reinigung, was besonders bei Reinraumbetrieben wichtig ist.

Orbitierendes Frässchneiden. Dies geschieht im Allgemeinen mit tragbaren Maschinen, die einen Fräser durch die Rohrwand eintauchen und dann den Schnitt abschließen, indem sie den Fräser um das Rohr kreisen lassen. Die Schnittfolge ist sehr schnell und ein Fräsertyp eignet sich für die meisten Materialien. Die Maschinen müssen in gutem Zustand gehalten und von geschulten Bedienern verwendet werden, um Unebenheiten an der Ein- und Austrittsstelle des Fräsers zu minimieren. Fräser erzeugen kleine Späne, die im Reinraumbetrieb schwer einzudämmen sind. Sie können mit abgedichteten Lagern, Trockenschmiermitteln und vollständig geschlossenen Elektromotoren für den Einsatz in Reinräumen ausgestattet werden, sofern die Späne ausreichend aufgefangen werden.

Trennschleifscheiben. Hierbei handelt es sich um sehr schnelle und kostengünstige Schneidsysteme, die für die meisten Materialien eingesetzt werden können. Die Enden sind im abgeschnittenen Zustand nicht zum Schweißen geeignet und feine Sandpartikel bleiben am Innendurchmesser des Rohrs hängen. Die anfängliche Trennposition muss eine ausreichende Länge für die Bearbeitung von Graten und HAZ an den Enden vor dem Schweißen bieten. Schleiftrennscheiben werden dort eingesetzt, wo die Innenverunreinigungen mechanisch gereinigt werden können und die Enden in einem zweiten Arbeitsgang bearbeitet werden können. Sie sind nicht für den Reinraumbetrieb geeignet.

Bandsägenschneiden. Diese Art von System ist sehr schnell und flexibel. Es kann auf den meisten Materialien verwendet werden, wenn es mit Antrieben mit variabler Geschwindigkeit ausgestattet ist und die Klinge für das Material ausgewählt wird. Wie bei der Trennschleifscheibe eignen sich die „as cut“-Enden nicht zum Schweißen und feine Sandpartikel bleiben am Innendurchmesser des Rohrs hängen. Das Bandsägenschneiden wird verwendet, wenn der Innendurchmesser saubergewaschen werden kann und die Enden in einem zweiten Arbeitsgang bearbeitet werden sollen. Aufgrund der feinen Schnittspäne, die bei Bandsägen entstehen, sind sie für die meisten Reinraumarbeiten ungeeignet.

Kreissägenschneiden. Ähnlich in Leistung und Verwendung wie das Schneiden mit einer Bandsäge führt das Schneiden mit einer Kreissäge zu sehr flachen und quadratischen Enden, hinterlässt jedoch einen ungleichmäßig verteilten Grat zwischen Außen- und Innendurchmesser des Rohrs.

Spanloses Rollenschneiden. Es sind preisgünstige handbetriebene spanlose Rollenschneider erhältlich. Sie können auf den meisten Materialien verwendet werden, mit Ausnahme einiger Titanrohre mit Wandstärken über 0,100 Zoll (2,54 mm). Diese Art des Schneidens ist ohne Umbauten für den Einsatz in Reinräumen geeignet. Die Enden sind im abgeschnittenen Zustand nicht zum Schweißen geeignet. Beim spanlosen Rollenschneiden bestehen gewisse Bedenken hinsichtlich des Brinelling-Effekts der Führungsrollen in herkömmlichen Handschneidern. Dies kann dazu führen, dass bei der Endvorbereitung zu viel Enden geschnitten werden muss.

Einzel- und Doppelstanzen. Diese Systeme haben sehr hohe Produktionsraten. In vielen Situationen sind die Enden unverändert zum Schweißen geeignet. Diese Art des Schneidens wird im Allgemeinen für die Herstellung fester Rohrlängen verwendet, die in Hochproduktionsbetrieben erforderlich sind. Aufgrund des Platzbedarfs, der Komplexität und der vielen Schmierstellen ist es nicht für den Einsatz in Reinräumen geeignet.

Thermisches Schneiden. Aufgrund der HAZ-Effekte und der erforderlichen Präzision wird thermisches Schneiden nicht in großem Umfang für die Vorbereitung von generierten autogenen Schweißnahtenden eingesetzt. Aufgrund der geringen Größe der meisten zu schneidenden Rohre ist es schwierig, das gleichzeitige Schneiden von zwei Wänden zu vermeiden. Dies wirkt sich auf die erreichbare Rechtwinkligkeit des Schnitts aus. Einige Rohre mit einem Durchmesser von mehr als 6 Zoll (152,4 mm) werden mit Plasmaschneidern geschnitten, wenn der HAZ-Effekt nicht als schädlich angesehen wird. Für eine qualitativ hochwertige Schweißnaht muss die Endvorbereitung jedoch ein zweiter Arbeitsgang sein. Das Orbital-Präzisionslaserschneiden kann für Fertigungsarbeiten konkurrenzfähig werden, ist jedoch jetzt auf großvolumige Produktionsarbeiten zum Schneiden dünnwandiger Rohre mit fester Länge beschränkt. Für den Reinraumbetrieb sind thermische Schneidverfahren nicht geeignet.

Werkzeuge und Verfahren zur Endquadrierung

Wie bereits erwähnt, ist es möglich, Rohre mit einem Schneid-/Trennsystem auf Länge zu schneiden oder zu durchtrennen, wenn gratfreie Endbedingungen und Oberflächenbeschaffenheit an den Enden nicht kritisch sind.

Im Allgemeinen können Enden mit höherer Qualität für das Autogenschweißen mit speziellen Endenausrichtungswerkzeugen im Gegensatz zu Schneidwerkzeugen erzeugt werden. Mögliche Ausnahmen sind stationäre Drehmaschinen und Spezialhonbearbeitungen.

Bei Schneid- oder Trennvorgängen muss der Schnitt vom Außendurchmesser des Schlauchs aus erfolgen. Dadurch wird ein Teil des Grats vor die Schneidwerkzeuge geschoben und hinterlässt einen Grat am Innendurchmesser des Rohrs.

Der Grat kann mit speziell entwickelten Werkzeugeinsätzen sowie Geschwindigkeits- und Vorschubanpassungen im Verhältnis zum Material minimiert, aber nicht beseitigt werden. Bei Orbitalfräsern kann die Schneidradposition so eingestellt werden, dass die Späne nach dem ersten Eintauchen durch die Wand nach außen gezogen werden.

Dadurch wird der Innengrat minimiert, außer an den Stellen, an denen der anfängliche Eintauchschnitt durch die Wand durchgeführt wurde, und es bleibt mehr Grat an der Außenseite des Rohrs zurück, was zu einer möglichen Abweichung in der Lichtbogenlänge eines automatischen Rohrschweißgeräts führen kann.

Spezielle Werkzeuge zum Ausrichten von Rohrenden sind tragbare oder Tischwerkzeuge, die mit Außenspannzangen auf Rohrenden mit offenem Ende montiert werden und das Rohr mit axial zugeführten Werkzeugbits bearbeiten. Die Werkzeuge sind in der Lage, die definierten Toleranzen für eine optimale autogene Schweißnahtenvorbereitung bei fast allen Rohrmaterialien einzuhalten.

Rohrmaterialien und Oberflächenbehandlungen verändern die Schneideigenschaften. Daher müssen Werkzeugbits, Vorschübe und Geschwindigkeiten auf das Material abgestimmt sein, um eine optimale Oberflächengüte, Gratfreiheit und eine optimale Lebensdauer der Werkzeugbits zu erreichen.

Die Bearbeitungseigenschaften von geglühten und elektropolierten Edelstahlrohren unterscheiden sich stark von denen im gezogenen Zustand. Diese Unterschiede erfordern eine Änderung der Verfahren, um optimale gratfreie Bedingungen zu erreichen.

Es reicht nicht aus, die Prozesssteuerung nur für die Materialbezeichnung festzulegen, ohne die Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung einzubeziehen.

Abschluss

Erfolgreiche Projektmanager für die Installation von hochreinen und sanitären Rohren müssen den gesamten Rohrverarbeitungszyklus berücksichtigen, von den Handhabungsverfahren für Sauberkeit über Schneid- und Endwinkelverfahren bis hin zu Schweißgeräten und -verfahren.

Die Ausrüstung und die Arbeitsabläufe müssen mit den Auftragsspezifikationen kompatibel sein und einen reibungslosen Ablauf des Fertigungsprozesses gewährleisten. Speziell für den Auftrag entwickelte Geräte können am Ort des Bedarfs platziert werden, um Zeit und Kosten zu reduzieren, indem zusätzliche Handhabung, mehrere Reinigungsvorgänge, Schweißausschuss und Nacharbeitszeit minimiert werden. Zum Schneiden und Abkanten von Rohren nach den anspruchsvollsten Spezifikationen stehen Tri-Tool-Geräte zur Verfügung.

Für weitere Informationen: Tri Tool Inc. Attn: William Sandford, 3806 Security Park Dr. Rancho Cordova, CA 95742 USA. Tel: (800) 345-5015 – oder – (916) 351-0144, Fax: (916) 351-0372.

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