Analyse der Prozesselemente, die hochfrequente Längsschweißungen an Rohren beeinflussen

Die wichtigsten Prozessparameter der Hochfrequenzgeradnahtgeschweißtes RohrZu den relevanten Parametern gehören Schweißwärmeeintrag, Schweißdruck, Schweißgeschwindigkeit, Öffnungswinkel, Position und Größe der Induktionsspule, Impedanzposition usw. Diese Parameter beeinflussen maßgeblich die Qualität hochfrequenzgeschweißter Rohrprodukte, die Produktionseffizienz und die Stückkapazität. Durch die optimale Abstimmung dieser Parameter können Hersteller erhebliche wirtschaftliche Vorteile erzielen.

1. Wärmeeintrag beim Schweißen: Beim Schweißen von hochfrequenzgeschweißten Rohren mit gerader Naht bestimmt die Schweißleistung den Wärmeeintrag. Sind die äußeren Bedingungen konstant und der Wärmeeintrag unzureichend, erreicht die Kante des erhitzten Blechs nicht die erforderliche Schweißtemperatur und bildet eine feste Struktur mit undichten Schweißnähten. Dieser durch zu geringen Wärmeeintrag verursachte Schmelzmangel äußert sich üblicherweise im Nichtbestehen des Richtversuchs, im Bersten des Stahlrohrs während der hydraulischen Prüfung oder in der Rissbildung der Schweißnaht beim Richten des Stahlrohrs – ein schwerwiegender Mangel. Darüber hinaus wird der Wärmeeintrag auch durch die Qualität der Blechkante beeinflusst. Beispielsweise können Grate an der Blechkante vor dem Erreichen der Schweißstelle durch die Extrusionswalze zu einer Entzündung führen. Dies verursacht einen Leistungsverlust und einen zu geringen Wärmeeintrag, was wiederum undichte oder kalte Schweißnähte zur Folge hat. Bei zu hoher Wärmezufuhr überschreitet die Kante des erhitzten Bandes die Schweißtemperatur, was zu Überhitzung oder sogar Überhitzung führt. Die Schweißnaht reißt unter Belastung, und manchmal spritzt flüssiges Metall und bildet durch Schweißnahtfehler Löcher. Diese Fehler, wie z. B. durch Sandeinbringung oder übermäßige Wärmezufuhr verursachte Löcher, äußern sich hauptsächlich in nicht bestandenen 90°-Flachbiegeprüfungen, nicht bestandenen Kerbschlagbiegeprüfungen sowie in Bersten oder Leckagen von Stahlrohren bei hydraulischen Prüfungen.

2. Schweißdruck (Durchmesserreduzierung): Der Schweißdruck ist der Hauptparameter des Schweißprozesses. Nachdem die Kante des Bandes auf Schweißtemperatur erhitzt wurde, verbinden sich die Metallatome unter dem Druck der Extrusionswalze zu einer Schweißnaht. Die Höhe des Schweißdrucks beeinflusst die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht. Ist der Schweißdruck zu gering, verschmilzt die Schweißkante nicht vollständig, und die verbleibenden Metalloxide in der Schweißnaht können nicht entweichen und Einschlüsse bilden. Dies reduziert die Zugfestigkeit der Schweißnaht erheblich, und die Schweißnaht reißt unter Belastung leicht. Ist der Schweißdruck hingegen zu hoch, wird der größte Teil des Metalls, das die Schweißtemperatur erreicht hat, extrudiert. Dies reduziert nicht nur die Festigkeit und Zähigkeit der Schweißnaht, sondern führt auch zu Fehlern wie übermäßigem Innen- und Außengrat oder Überlappungsschweißungen. Der Schweißdruck wird üblicherweise anhand der Durchmesseränderung des Stahlrohrs vor und nach der Extrusionswalze sowie der Größe und Form des Grates gemessen und beurteilt. Einfluss der Schweißextrusionskraft auf die Gratform. Bei zu hohem Schweißaustritt entstehen viele Spritzer und zu viel Schmelzgut, wodurch große, beidseitig der Schweißnaht überstehende Grate entstehen. Ist der Austritt hingegen zu gering, spritzt kaum etwas, und die Grate sind klein und häufen sich aneinander. Bei einem moderaten Austritt stehen die Grate aufrecht und erreichen eine Höhe von 2,5–3 mm. Bei optimalem Schweißaustritt verläuft die Schweißnaht symmetrisch mit einem Winkel von 55°–65°.

3. Schweißgeschwindigkeit: Die Schweißgeschwindigkeit ist ein Hauptparameter des Schweißprozesses und hängt vom Heizsystem, der Verformungsgeschwindigkeit der Schweißnaht und der Kristallisationsgeschwindigkeit der Metallatome ab. Beim Hochfrequenzschweißen verbessert sich die Schweißqualität mit steigender Schweißgeschwindigkeit, da die verkürzte Heizzeit die Breite der Randheizzone verringert und die Bildung von Metalloxiden beschleunigt. Bei reduzierter Schweißgeschwindigkeit verbreitert sich nicht nur die Heizzone (d. h. die Wärmeeinflusszone der Schweißnaht), sondern auch die Breite der Schmelzzone ändert sich mit der zugeführten Wärme, und es entstehen größere innere Grate. Die Schweißnahtbreite variiert je nach Schweißgeschwindigkeit. Bei niedriger Schweißgeschwindigkeit führt die geringere Wärmezufuhr zu Schweißschwierigkeiten. Gleichzeitig wird die Qualität der Blechkante und andere externe Faktoren wie Magnetismus, Impedanz und Öffnungswinkel beeinflusst, was leicht zu einer Reihe von Fehlern führen kann. Daher sollte beim Hochfrequenzschweißen die für die Produktion erforderliche Schweißgeschwindigkeit entsprechend den Produktspezifikationen unter den durch die Anlagenkapazität und die Schweißausrüstung vorgegebenen Bedingungen gewählt werden.

4. Öffnungswinkel: Der Öffnungswinkel, auch Schweiß-V-Winkel genannt, bezeichnet den Winkel zwischen der Kante des Stahlbandes vor der Extrusionswalze. Üblicherweise liegt er zwischen 3° und 6°. Die Größe des Öffnungswinkels wird hauptsächlich durch die Position der Führungswalze und die Dicke der Führungsplatte bestimmt. Der V-Winkel hat großen Einfluss auf die Schweißstabilität und -qualität. Durch Verkleinerung des V-Winkels verringert sich der Abstand zwischen Bandkante und Schweißpunkt, wodurch der Nahfeldeffekt des Hochfrequenzstroms verstärkt wird. Dies kann die Schweißleistung reduzieren oder die Schweißgeschwindigkeit erhöhen und somit die Produktivität steigern. Ist der Öffnungswinkel zu klein, führt dies zu Frühschweißen, d. h. die Schweißstelle wird zusammengepresst und verschmilzt, bevor die erforderliche Temperatur erreicht ist. Dadurch entstehen leicht Einschlüsse und Kaltschweißfehler, was die Schweißqualität mindert. Obwohl der Energieverbrauch bei Vergrößerung des V-Winkels steigt, kann unter bestimmten Bedingungen eine stabile Kantenerwärmung des Bandes gewährleistet, der Wärmeverlust an der Kante reduziert und die Wärmeeinflusszone verkleinert werden. In der tatsächlichen Produktion wird der V-Winkel in der Regel auf 4°~5° eingestellt, um die Qualität der Schweißnaht zu gewährleisten.

5. Größe und Position der Induktionsspule: Die Induktionsspule ist ein wichtiges Werkzeug beim Hochfrequenz-Induktionsschweißen. Ihre Größe und Position beeinflussen die Produktionseffizienz direkt. Die von der Induktionsspule auf das Stahlrohr übertragene Leistung ist proportional zum Quadrat des Oberflächenspalts des Stahlrohrs. Ist der Spalt zu groß, sinkt die Produktionseffizienz drastisch. Der Spalt sollte etwa 10 mm betragen. Die Breite der Induktionsspule richtet sich nach dem Außendurchmesser des Stahlrohrs. Ist die Spule zu breit, sinkt ihre Induktivität, die Spannung an der Spule und die Ausgangsleistung. Ist die Spule hingegen zu schmal, steigt zwar die Ausgangsleistung, aber auch die Wirkverluste zwischen Rohrrückseite und Spule. Im Allgemeinen ist eine Spulenbreite von 1–1,5D (D ist der Außendurchmesser des Stahlrohrs) optimal. Der Abstand zwischen dem vorderen Ende der Induktionsspule und der Mitte der Extrusionswalze sollte dem Rohrdurchmesser entsprechen oder etwas größer sein, d. h. 1–1,2D ist optimal. Ist der Abstand zu groß, verringert sich der Effekt des Öffnungswinkels, was zu einer zu langen Erwärmungsstrecke an der Kante führt. Dadurch kann die Lötstelle keine ausreichend hohe Schweißtemperatur erreichen, was die Lebensdauer beeinträchtigt.

6. Funktion und Position des Widerstands: Der Magnetstab des Widerstands dient dazu, den Hochfrequenzstrom, der zur Rückseite des Stahlrohrs fließt, zu reduzieren und gleichzeitig den Strom zu konzentrieren, um den V-förmigen Bereich des Stahlbandes zu erwärmen. Dadurch wird verhindert, dass Wärme durch die Erwärmung des Rohrkörpers verloren geht. Ohne diese Kühlung würde der Magnetstab seine Curie-Temperatur (ca. 300 °C) überschreiten und seinen Magnetismus verlieren. Ohne den Widerstand würden sich Strom und induzierte Wärme über den gesamten Rohrkörper verteilen, was die Schweißleistung erhöhen und zu einer Überhitzung des Rohrkörpers führen würde. Im Rohrrohling selbst hat der Widerstand keine thermische Wirkung. Die Positionierung des Widerstands hat großen Einfluss auf die Schweißgeschwindigkeit und -qualität. In der Praxis hat sich gezeigt, dass das beste Glättungsergebnis erzielt wird, wenn sich die Vorderkante des Widerstands exakt auf der Mittellinie der Extrusionswalze befindet. Liegt sie über die Mittellinie der Presswalze hinaus und ragt sie seitlich in die Kalibriermaschine hinein, verringert sich die Glättungswirkung deutlich. Befindet sich der Widerstand unterhalb der Mittellinie und seitlich der Führungsrolle, verringert sich die Schweißfestigkeit. Die optimale Position ist erreicht, wenn der Widerstand im Rohling unter dem Induktor platziert wird und dessen Kopf mit der Mittellinie der Extrusionswalze übereinstimmt oder um 20–40 mm in Formrichtung versetzt ist. Dadurch wird der Gegenwiderstand des Rohrs erhöht, die Stromverluste werden reduziert und die Schweißleistung verringert.