Vorwärmen mit der flamme - zunehmende bedeutung durch den

Roland Venzke
Das Vorwärmen vor dem Schweißen gewinnt durch den
vermehrten Einsatz hochfester Stähle, gerade im Offshorebereich,
immer mehr an Bedeutung. Die Verwendung hochwertiger Stähle
macht modernste Produktionsverfahren erforderlich.
Bei der Verarbeitung dieser Werkstoffe sind drei Problembereiche
besonders zu beachten, nämlich Kaltrissempfindlichkeit,
Zähigkeit in der Wärmeeinflusszone und die Streckgrenzen im
Schweißgut. Durch die konsequente Einhaltung der Empfehlung
der SEW 088 zum Vorwärmen und der Verwendung
wasserstoffarmer Schweißzusätze, wird der
Kaltrissempfindlichkeit begegnet. Dazu zählt auch, dass das
Verbrennungsprodukt Wasserdampf, wie es bei allen Brenngasen
vorkommt, aus dem Anwärmbrenner keine Reaktion mit dem
Schweißgut eingehen kann. D.h. der Schweißer muss darauf
achten, dass im Bereich der Nahtvorbereitung keine kalten
Stellen zur Bildung von Kondensat führen können. Dieses wird
aber durch eine ordnungsgemäße Durchwärmung des
Werkstückes verhindert.
Um wasserstoffinduzierte Spannungsrisse zu vermeiden, werden
Schweiß- und Zusammenbaufolgepläne festgelegt. Hier muss
darauf geachtet werden, dass das Wasserstoffarmglühen von
hochfesten Stählen direkt nach dem Schweißen aus der
Schweißwärme oder schon während des Schweißens erfolgt.
Dieses Glühen kann z.Bsp. mittels Anwärmbrenner bei etwa 250
bis 290°C erfolgen. Als Faustregel für die Glühdauer gilt
allgemein pro 25mm Werkstückdicke eine Stunde.
Die Härte in der Wärmeeinflusszone und die Zähigkeit werden ja
bekanntlich durch die Streckenenergie und die chemische
Zusammensetzung des Grundwerkstoffes (CET-Wert) beeinflusst.
Hier sind die Empfehlungen der Stahlhersteller und die Angaben
der DVS-Merkblätter über die Wärmeführung zum Erzielen einer
ausreichenden Zähigkeit bei zulässigen Härtewerten zu beachten.
Aber nicht nur beim eigentlichen Schweißprozess ist ein
Vorwärmen erforderlich. Auch beim Heften ist in vielen Fällen ein
Vorwärmen zu empfehlen, dabei sollte die Temperatur ca. 30 bis
50 °C höher sein als die Vorwärmtemperatur beim
Schweißvorgang.
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Hieraus ist schon ersichtlich, dass die Vorbereitungen zum
Schweißen eine komplexe Angelegenheit sind.
Grundvoraussetzung für eine ordnungsgemäße Schweißnaht ist eine
vollständige Aufschmelzung des Grundwerkstoffes. Was bei kalten,
großflächigen und dicken Blechen ohne Vorwärmung nicht
gewährleistet ist. Wie bereits erwähnt dient die Vorwärmung
unteranderem zur Vermeidung von Kaltrissen, die durch
Einwirkung von Feuchtigkeit z.Bsp. in Schweißzusätzen entstehen
können. Aber auch Spannungen im Bauteil können zu Kaltrissen
führen. Diese Spannungen können durch falsche Vorwärmung noch
verstärkt werden. Durch eine sogenannte Expressaufwärmung, wie
sie bei Verwendung von Acetylen als Brenngas durchaus entstehen
kann, können diese Spannungen noch verstärkt werden.
Ein zusätzliches Problem stellt die Einstellung der Autogenflamme
dar. Meistens wird keine neutrale Autogenflamme eingestellt. Das
führt gerade bei Brenner mit Acetylen-Druckluft-Flamme oder
Acetylen-Sauerstoff-Flamme zur Anschmelzungen am
Grundwerkstoff. Dieser Brenngasüberschuss birgt die Gefahr, dass
Wasserstoff in die Werkstückoberfläche gelangt.
Die angebotene Energiemenge muss auf den Anwendungsfall
abgestimmt sein, d.h. das Wärmeangebot muss stimmen. Eine
gleichmäßige und schnelle Wärmeübertragung wird durch die
optimale Anströmung der Flammen auf der Werkstückoberfläche,
Auswahl der Brennerart, des Brennerabstandes und der
Brennereinstellung erreicht.
Die heutigen Erdgas-Saugluft-Brenner, Erdgas-Druckluft-Brenner
und Erdgas-Sauerstoff-Brenner zeichnen sich durch eine genaue
Einstellbarkeit des Mischungsverhältnisses und gute
Regulierbarkeit aus. Damit ist eine optimale Ausnutzung der
Brenngasenergie gewährleistet, die durch die hohe Qualität des von
den Erdgaswerken bereitgestellten Gas noch unterstützt wird.
Die Erdgasflamme hat sich in vielen Industriezweigen als Werkzeug
bewährt und wird zunehmend eingesetzt. Von der Herstellung
komplexer Bauteile durch Brennschneiden bis zur Erwärmung
großer, dickwandiger Bauteile reichen die Einsatzmöglichkeiten des
Erdgases. Dabei lassen sich sowohl grobe Trennschnitte als auch
hochgenaue Trenn- und Formschnitte mit Erdgas durch teilweise
oder vollständig automatisierte Fertigungsschritte herstellen.
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Neben dieser Vielseitigkeit zählen insbesondere die hohe Verfügbarkeit,
eine flexible Anlagentechnik, sicheres Handling und niedrige Kosten
(vor allem gegenüber Acetylen und Strom) zu den wichtigsten Vorteilen.
Hinzu kommt, dass Erdgas in vielen Betrieben ohnehin vorhanden ist
und so bei ausreichendem Druck vergleichsweise einfach genutzt
werden kann. Darüber hinaus entfällt der Aufwand, der mit
Beschaffung und Lagerung anderer Brenngase wie z.Bsp. Acetylen oder
Flüssiggas in Flaschen, Bündeln oder Tanks verbunden ist.
Die Belastung der Umwelt ist heute auch eine immer größer werdende
Problematik und kann nicht mehr außer acht gelassen werden. Die bei
der Verbrennung entstehenden Abgase sind gegenüber der Verbrennung
von Acetylen wesentlich umweltfreundlicher und schwefelfrei. Die
Unternehmen können hier also auch aktiv beim Umweltschutz tätig
werden und die Emissionen bewusst beeinflussen.
Die heutigen unterschiedlichen industriellen Fertigungsprozesse
erfordern ebenso unterschiedliche Temperaturbereiche. Mit der
Erdgas-Luft- bzw. Erdgas-Sauerstoff-Flamme lassen sich genau
abgegrenzte Bereiche gezielt auf Temperaturen bis zu 2.200°C
erwärmen. Vom Ablauf der Erwärmung sowie der Wirtschaftlichkeit
und Verfügbarkeit der Gase hängt es ab, welche Brenner und welches
Brenngasgemisch zum Einsatz kommt. Werden mehrere Verfahren der
Autogentechnik gleichzeitig angewendet, so können diese nacheinander
oder parallel zum Einsatz kommen.
Die zunehmende Mechanisierung und Automatisierung von
Fertigungsprozessen, macht auch bei den Vorwärmprozessen nicht Halt.
Dabei reichen die Mechanisierungsmöglichkeiten vom maschinell
geführten Erdgasbrenner mit einfachen Gasregelventilen, bis hin zum
vollautomatischen Brennerbetrieb mit Bauteiltemperaturerfassung, der
z.Bsp. über die SPS-Steuerung in die Gesamtanlage eines
Schweißautomaten integriert werden kann.
Die Höhe des Automatisierungsgrades ist nur eine Frage der
kostengünstigsten Gestaltung des Produktionsprozesses der Anwender.
Hierbei stehen wir Ihnen gerne zur Seite.
Abgestimmte Brenner, unabhängig davon ob sie hand- oder maschinell
geführt sind, erleichtern die Arbeit und erweitern die Fertigungsmöglichkeiten. Bei sorgfältigem und gewissenhaftem Arbeiten ist das
Vorwärmen mit der Flamme eine sehr schnelle und wirtschaftliche
Methode, die Vorwärmtemperatur im Schweißbereich zu erreichen.
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Bild 1. Erwärmung einer Stahlplatte aus Feinkornstahl S690 mit einem
Erdgas-Druckluft-Brenner bei einem Erdgasdruck von 0,1 bar
Materialgüte
Materialdicke
Ausgangstemperatur
Dauer
Endtemperatur
S 690
50mm
17,6°C
5min
45°C
7min
80°C
10min
110°C
15min
150°C
Tabelle 1. Dauer der Durchwärmung einer Stahlplatte t=50mm
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Bild 2. Einsatz eines Erdgas-Saugluft-Ringbrenner für Rohre bis 7000mm Durchmesser
Bild 3. Erdgas-Sauerstoff-Brenner
Bild 4. Erdgas-Saugluft-Ringbrenner als Lanzenbrenner im Einsatz
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