Wie wird eine Schweißnaht aufgetragen, um ein mit Edelstahl ummanteltes Rohr herzustellen?

Die Grundlagen der Schweißauftragsplattierung

Das Auftragschweißen, auch Schweißplattieren oder Auftragschweißen genannt, ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung von Schweißnähten Edelstahlrohr ummantelt durch Aufbringen einer korrosionsbeständigen Legierungsschicht auf die Innenfläche eines kostengünstigeren Trägerrohrs aus Kohlenstoffstahl oder niedriglegiertem Stahl. Im Gegensatz zu Walz- oder Explosionsschweißverfahren wird die Plattierungsschicht beim Auftragschweißen metallurgisch durch Schmelzschweißen aufgebaut. Dabei werden mithilfe eines automatisierten Schweißsystems aufeinanderfolgende, überlappende Schweißnähte über die gesamte Länge des Rohrinneren aufgetragen. Dadurch entsteht eine völlig dichte, homogene Edelstahlschicht, die stoffschlüssig mit dem Grundmaterial verbunden ist. Das Hauptziel besteht darin, die mechanische Festigkeit und Wirtschaftlichkeit von Kohlenstoffstahl mit der spezifischen Korrosions-, Erosions- oder Hochtemperaturbeständigkeit einer Edelstahllegierung zu kombinieren, um eine kostengünstige Lösung für anspruchsvolle Einsatzumgebungen zu schaffen.

Primäre Schweißprozesse für die Auftragung von Overlays

Das Aufbringen der Plattierschicht erfolgt durch automatisierte Präzisionsschweißtechniken, die Konsistenz und Qualität gewährleisten. Die Wahl des Verfahrens hängt von Faktoren wie Rohrgröße, gewünschter Manteldicke, Produktionsrate und Legierungszusammensetzung ab.

Unterpulverschweißen (SAW)

Das Unterpulverschweißen ist eine gängige Methode zum Auftragschweißen von Rohren mit großem Durchmesser. Der Lichtbogen wird unter einer Schicht aus körnigem schmelzbarem Flussmittel gezündet, wodurch atmosphärische Kontamination, Spritzer und UV-Strahlung verhindert werden. SAW bietet hohe Abscheidungsraten und eine tiefe Eindringtiefe und eignet sich daher effizient für das Aufbringen dicker Plattierungsschichten. Es wird typischerweise mit Streifenelektroden (z. B. 60 mm breit) für maximale Produktivität und eine glatte, verdünnte Auflageoberfläche verwendet.

Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW/TIG)

Beim Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen werden eine nicht verbrauchbare Wolframelektrode und ein inertes Schutzgas verwendet. GTAW ist bekannt für seine Präzision und hervorragende Kontrolle über den Wärmeeintrag und erzeugt hochreine Schweißablagerungen mit geringer Verdünnung. Dies ist von entscheidender Bedeutung beim Plattieren mit Hochleistungslegierungen wie Inconel oder Hastelloy, wo die Minimierung der Beimischung von Kohlenstoffstahl aus dem Grundrohr für die Aufrechterhaltung der Korrosionsbeständigkeit des Plattiers von entscheidender Bedeutung ist. Es wird häufig bei kleineren Durchmessern oder der kritischen Wurzellage eingesetzt.

Metallschutzgasschweißen (GMAW/MIG)

Beim Gasmetalllichtbogenschweißen werden eine kontinuierlich zugeführte abschmelzende Drahtelektrode und ein Schutzgas verwendet. Moderne automatisierte MSG-Verfahren wie Cold Metal Transfer (CMT) sind beim Auftragschweißen äußerst effektiv. CMT reduziert den Wärmeeintrag drastisch, minimiert Verdünnung und Verformung und ermöglicht gleichzeitig eine Hochgeschwindigkeitsabscheidung. Dadurch eignet es sich für eine Vielzahl von Rohrgrößen und Legierungsarten und bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Qualität und Produktivität.

Wichtige Prozessparameter und -steuerung

Eine erfolgreiche Auftragsschweißung erfordert eine strenge Kontrolle mehrerer Parameter, um die Integrität und Leistung der Plattierungsschicht zu gewährleisten. Abweichungen können zu Mängeln führen, die das Endprodukt beeinträchtigen.

• Wärmeeintrag: Die präzise Steuerung von Stromstärke, Spannung und Fahrgeschwindigkeit ist von größter Bedeutung. Übermäßiger Wärmeeintrag erhöht die Verdünnung (den Prozentsatz des in die Schweißnaht eingemischten Grundmetalls), was den Chrom- und Nickelgehalt in der Plattierung senken und deren Korrosionsbeständigkeit verschlechtern kann. Es kann auch zu übermäßiger Verformung und Eigenspannungen kommen.
• Verdünnungskontrolle: Das Ziel besteht typischerweise darin, Verdünnungsgrade unter 10–15 % zu erreichen. Techniken wie die Verwendung einer „Buttering“-Schicht, die Optimierung der Schweißparameter und der Einsatz oszillierender Schweißköpfe tragen dazu bei, die Vermischung von Grundmetallen zu minimieren und sicherzustellen, dass die Beschichtungschemie den Spezifikationen entspricht.
• Zwischenlagentemperatur: Die Steuerung der Temperatur zwischen aufeinanderfolgenden Schweißdurchgängen ist entscheidend, um Risse zu verhindern, insbesondere bei austenitischen Edelstählen, die anfällig für Sensibilisierung (Chromkarbid-Ausfällung) sind.
• Perlenplatzierung und Überlappung: Automatisierte Systeme planen den Brennerweg sorgfältig, um eine konsistente Raupengeometrie und eine ausreichende Überlappung (normalerweise 30–50 %) zwischen benachbarten Raupen zu gewährleisten. Dadurch werden Verbindungsfehler beseitigt und eine gleichmäßig dicke Mantelschicht erzeugt.

Materialauswahl: Verbrauchsmaterialien und Basisrohre

Die Auswahl der Schweißzusätze bestimmt direkt die Eigenschaften der Plattierungsschicht. Das Füllmetall muss auf der Grundlage der erforderlichen Betriebskorrosionsbeständigkeit ausgewählt werden und darf nicht nur der Nennlegierung entsprechen.

Das Basisrohr oder der Trägerstahl besteht typischerweise aus Kohlenstoffstahl (z. B. ASTM A106 Gr. B) oder niedriglegiertem Stahl. Seine Hauptfunktion besteht darin, für strukturelle Festigkeit und Druckeindämmung zu sorgen. Die Oberfläche muss vor dem Auftragen gründlich gereinigt (durch Schleifen oder Bearbeiten) und überprüft werden, um alle Oxide, Ablagerungen oder Verunreinigungen zu entfernen, die zu Verbindungsfehlern führen könnten.

Bearbeitung und Prüfung nach der Antragstellung

Sobald die Schweißauflage aufgebracht ist, durchläuft das plattierte Rohr mehrere kritische Endbearbeitungs- und Überprüfungsschritte. Die innere Manteloberfläche wird häufig bearbeitet oder geschliffen, um eine glatte endgültige Maßtoleranz zu erreichen und alle Oberflächenunregelmäßigkeiten zu beseitigen, die Verunreinigungen einschließen oder den Durchfluss behindern könnten. Anschließend wird das Rohr einer Reihe strenger zerstörungsfreier Prüfungen (NDE) unterzogen. Die Farbeindringprüfung (PT) oder die Magnetpulverprüfung (MT) prüft auf Oberflächenrisse. Ultraschallprüfungen (UT) werden in großem Umfang eingesetzt, um die endgültige Dicke der Ummantelung gleichmäßig entlang des Rohrs zu messen und etwaige mangelnde Bindung zwischen der Ummantelung und dem Grundmetall festzustellen. Abschließend wird das Rohr wärmebehandelt, wenn es die Spezifikation erfordert (normalerweise eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen zur Spannungsentlastung) und hydrostatischen Tests unterzogen, um seine Druckintegrität als Verbundstruktur zu bestätigen.

Vorteile und Einschränkungen der Schweißauftragsmethode

Das Verständnis der Vor- und Nachteile dieser Methode ist für die richtige Materialauswahl bei der Projektplanung von entscheidender Bedeutung.

• Vorteile: Bietet außergewöhnliche Designflexibilität für die Verkleidung komplexer Geometrien wie Armaturen, Ventile und Rohrbögen. Es ermöglicht die Anwendung einer breiten Palette von Legierungsqualitäten, einschließlich Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis. Der Prozess kann beschädigte Komponenten reparieren und verschlissene Oberflächen aufbauen. Es ermöglicht die Herstellung von „Übergangsverbindungen“ zwischen unterschiedlichen Metallen.
• Einschränkungen: Bei langen, geraden Rohrabschnitten handelt es sich im Allgemeinen um einen langsameren und arbeitsintensiveren Prozess im Vergleich zum Rollbonden. Durch das zyklische Erhitzen und Abkühlen können erhebliche Eigenspannungen entstehen. Um eine extrem niedrige Verdünnung zu erreichen, ist eine fortschrittliche Prozesskontrolle erforderlich. Wenn die Parameter nicht perfekt kontrolliert werden, besteht die Gefahr von Defekten wie Porosität, Rissbildung oder unvollständiger Verschmelzung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Herstellung von mit Edelstahl ummantelten Rohren mittels Schweißauftrag ein hochentwickelter, technischer Prozess ist, der ein Kohlenstoffstahlrohr in ein Bimetallprodukt umwandelt. Durch die sorgfältige Kontrolle des automatisierten Schweißens, der Parameter und der Materialwissenschaft liefert es eine robuste und wirtschaftliche Lösung, bei der Korrosionsbeständigkeit und strukturelle Festigkeit im Vordergrund stehen.