Könnte GTAW heiß sein

Beim GTAW-Heißdraht (GTAW-HW) wird ein erhitzter Draht (rechts) zur Rückseite eines geschmolzenen Schweißbades geführt, das durch den Lichtbogen der Wolframelektrode (links) erzeugt wird.

Betrachten Sie eine automatisierte Rohrschweißanwendung. Am wahrscheinlichsten würden Sie für die Wurzellage ein drahtgespeistes Wolfram-Schutzgasschweißverfahren (GTAW) verwenden, dann anhalten und für das Füllen und Verschließen auf ein Fülldrahtschweißverfahren (FCAW) oder ein Unterpulverschweißverfahren (SAW) umsteigen geht vorbei. Dies erreichen Sie, indem Sie entweder das Rohr an eine separate Schweißstation verlegen oder die Stromquellen und die Brennereinrichtung austauschen.

Es ist zwar ein übliches Verfahren, aber es braucht Zeit. Warum nicht einfach die automatisierte GTAW-Stromquelle, den Drahtvorschub und den Brenner beibehalten und den Draht erhitzen, anstatt separate Prozesse für die Wurzel- und Fülldurchgänge zu verwenden? Warum nicht einfach das GTAW-Heißdrahtverfahren (GTAW-HW) nutzen? Angesichts des historischen Erfolgs von GTAW-HW in der Öl- und Gasindustrie, insbesondere bei der Verkleidung, ist dies keine abwegige Vorstellung.

Sicherlich gilt dies nicht für bestimmte Rohrschweißanwendungen, und GTAW-HW kann die Abschmelzraten beispielsweise von Doppel- oder Tandem-SAW nicht übertreffen. Aber es ist wirklich nicht so einfach, dass ein Schweißprozess den anderen übertrifft. Die Beibehaltung der gleichen Ausrüstung für alle Schweißdurchgänge einer Rohrschweißung erspart Umrüstungen, vereinfacht die Bedienerschulung und nimmt weniger Stellfläche ein.

Niedrige Ablagerungsraten und langsame Fahrgeschwindigkeiten waren die Achillesferse von GTAW. Wenn ein Werk in der gesamten Fertigung seine GTAW automatisiert hat, sei es durch Robotik oder auf andere Weise, liegt dies wahrscheinlich daran, dass strenge Anforderungen an die Schweißqualität dies erfordern und die Durchsatzanforderungen für manuelle Prozesse zu hoch sind. Aber GTAW muss nicht langsam sein, und darin liegt das wahre Potenzial von GTAW-HW.

GTAW-HW verwendet zwei unabhängige Netzteile. Man setzt die Wolframelektrode unter Strom, um den Schweißlichtbogen zu erzeugen. Der andere erzeugt überhaupt keinen Lichtbogen, sondern nutzt stattdessen den elektrischen Widerstand, um einen Draht zu erhitzen, der durch ein Kontaktrohr (ähnlich der Kontaktspitze beim Metall-Schutzgasschweißen) und in das Schweißbad geführt wird.

Der Lichtbogen der Wolframelektrode schmilzt einfach das Grundmetall und erzeugt ein Schweißbad. Ein separater Mechanismus führt den Draht durch ein Kontaktrohr in das Schweißbad. Das Kontaktrohr wird durch die Heißdraht-Stromversorgung mit Strom versorgt und heizt den Draht durch elektrischen Widerstand auf ein Niveau direkt am Schmelzpunkt vor, wenn er hinter (oder manchmal seitlich) der Wolframelektrode in das Schweißbad eintritt. Da der Draht bis zum Schmelzpunkt erhitzt wird, kühlt er das Schweißbad nicht ab, sondern fördert stattdessen eine gute Benetzung, während der Draht schmilzt und über das geschmolzene Schweißbad zu den Rändern der Schweißnaht fließt.

Beachten Sie, dass die Drahterwärmung zwischen dem Kontaktrohr und dem Schweißbad stattfindet. Und solange sich die Drahtverlängerung unterhalb des Schutzgasbechers des Brenners befindet, ist am Hitzdrahtbrenner kein separater Gasschutz erforderlich.

Durch Erhitzen des Drahtes werden die Abscheidungsraten erhöht. Es kann auch die Aufmischung zwischen Schweißgut und Grundwerkstoff verringern. Es ist bekannt, dass eine solche Anordnung beim Schweißen in flacher Position 12 Pfund oder mehr Schweißgut pro Stunde aufträgt, und 2 bis 8 Pfund pro Stunde. pro Stunde in der 2G-Position (horizontal). In einigen Fällen kann GTAW-HW mit der vierfachen Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichem GTAW geschweißt werden.

Das GTAW-HW-Verfahren ist für maschinelles Schweißen konzipiert und für den manuellen Betrieb nicht praktikabel. Das liegt daran, dass der Draht mit einer konstanten Geschwindigkeit in einen definierten Bereich zugeführt werden muss, normalerweise im hinteren Teil des Schweißbades; Dort ist das Schweißbad am größten, wodurch der Draht das größte Ziel hat. Er wird Drahtauftreffpunkt genannt und seine Einstellung auf das Werkstück ist ein entscheidender Teil der Heißdraht-Einrichtung. Es ist außerdem notwendig, eine konstante Brennerhöhe und einen konstanten Abstand zwischen Spitze und Werkstück am Draht einzuhalten. Für den manuellen Betrieb sind einfach zu viele Variablen zu steuern.

Wenn es neben dem GTAW-Brenner positioniert ist, ähnelt das Kontaktrohr stark dem Ende eines GMAW-Brenners – aber Sie möchten nicht, dass es sich wie eines verhält. Das heißt, Sie möchten nicht, dass die Spannung so hoch wird, dass ein separater Lichtbogen entsteht. Dieser Lichtbogen erzeugt nur 0,125 Zoll von der Wolframelektrode entfernt Spritzer, die wiederum die Elektrode verunreinigen.

Ein Doppelbrenner GTAW-HW plattiert den Innendurchmesser eines Rohres.

Aus diesem Grund ist die Hitzdraht-Stromquelle (ebenfalls getrennt von der Stromquelle, die die Wolframelektrode mit Strom versorgt) so konzipiert, dass die Bildung eines Lichtbogens verhindert wird. Lichtbogenbildung erfordert eine Mindestspannung, und wenn das System unter diesem Schwellenwert bleibt – sowohl während der anfänglichen Leerlaufspannung (OCV) als auch bei der Betriebsspannung – kann keine Lichtbogenbildung auftreten.

Nur wenige andere elektrische Schweißstromquellen erfordern einen so niedrigen OCV. Andere Prozesse wie das Schutzgasschweißen (SMAW), das GMAW und das SAW benötigen eine hohe OCV, um den Lichtbogen auszulösen. Die Hitzdraht-Stromquelle in GTAW-HW zielt darauf ab, die OCV so niedrig zu halten, dass sie nahezu der Betriebsspannung entspricht.

Dies kann durch Schaltkreise oder durch Software erreicht werden, deren Details tief in das Design der Stromquelle eintauchen können. Aber das Design ist nicht neu, insbesondere was die Schaltung betrifft. In den 1960er Jahren verwendete Gus Manz, ein Schweißingenieur, der im wahrsten Sinne des Wortes das Buch über die Gestaltung von Stromquellen schrieb (The Welding Power Handbook), einen Konstantspannungstransformator, der es ermöglichte, dass die OCV der Betriebsspannung entsprach.

Moderne Systeme verwenden elektronische Phasenanschnitt-Zündschaltungen oder Wechselrichtertechnologie, aber die Idee ist im Grunde dieselbe: die OCV so niedrig zu halten, dass sie der Spannung entspricht, mit der das System arbeitet. Auch hier sind sowohl die OCV- als auch die Betriebsspannung so niedrig – manchmal weniger als 3 V –, dass keine Lichtbogenbildung auftreten kann. Andere Stromquellen verwenden Software, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Sie erkennt die elektrischen Eigenschaften der Lichtbogenbildung und passt sich dann an, bevor der Lichtbogen entstehen kann.

Da GTAW-HW zwei unabhängige Stromquellen verwendet, ist eine gewisse Lichtbogenablenkung unvermeidlich. Auch wenn die Hitzdraht-Stromquelle keinen Lichtbogen erzeugt, erzeugt sie dennoch ein elektromagnetisches Feld, das mit dem Lichtbogen an der Wolframelektrode interagiert.

Jede Stromquelle kann mit Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) betrieben werden. Für die Stromquelle des GTAW-Brenners wird am häufigsten Gleichstrom verwendet. Bei der Hitzdraht-Stromquelle hilft Wechselstrom tendenziell, den Prozess zu unterstützen. Sein elektromagnetisches Feld lenkt den Schweißlichtbogen im Schweißbad vor und zurück und erzeugt so einen Rühreffekt. Dies verbessert die Kantenbenetzung und trägt zum Aufbrechen von Oberflächenoxiden im Schweißbad bei, wodurch Einschlüsse minimiert werden.

Der Wechselstrom der Hitzdraht-Stromquelle, der wiederum dazu führt, dass der Lichtbogen hin und her schwingt, biegt den Lichtbogen in Vorwärtsrichtung. Dies fördert die sogenannte Elektrodenfolge und ermöglicht eine schnellere Verfahrgeschwindigkeit. Herkömmlicherweise kann sich ein Brenner nur so schnell bewegen, dass der Lichtbogen nachlässt. In einem Elektrodenfolge-Szenario bewegt sich der oszillierende Lichtbogen mehr nach vorne als nach hinten und erzeugt so eine elektrische Eigenschaft, die die Brennergeschwindigkeit auf einen hohen Gang bringt.

Hitzdraht-Stromquellen können mit Konstantstrom (CC) arbeiten, eine Konstantspannung (CV) ist jedoch normalerweise vorteilhafter. In einer CV-Situation erhöht der Bediener die Hitzdrahtspannung, bis er ein „Knacken“ im Lichtbogen hört, und reduziert dann die Spannung knapp unter diesen Punkt (ca. 0,1 V). Von da an wird der Prozess selbstregulierend und selbstanpassend. Wenn der Drahtüberstand zunimmt, sinkt der Strom; Wenn der Drahtvorschub zunimmt, steigt der Strom – und die Spannung bleibt konstant und liegt sicher unter dem Wert, bei dem sich ein Lichtbogen bildet.

Die Eigenschaften der CV-Heißdraht-Stromversorgung ähneln denen des GMAW; Mit zunehmender Drahtvorschubgeschwindigkeit nimmt der Strom zu, mit zunehmendem Drahtvorschub nimmt der Strom ab. Allerdings hat die Änderung des Heißdrahtstroms einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Schweißraupeindringung, da sie lediglich zum Aufschmelzen des Schweißdrahts dient.

Wie beim GMAW profitiert auch das GTAW-HW von der Wahl des Drahtes mit dem größten Durchmesser, der praktisch ist. Ein Draht mit größerem Durchmesser ist kostengünstiger und ermöglicht auch eine größere Abscheidung bei langsamerer Drahtvorschubgeschwindigkeit, einfach weil es sich um einen größeren Draht handelt. Dies wiederum verbessert die Lebensdauer des Kontaktrohrs. Ein größerer Draht verringert auch die Oberfläche im Verhältnis zum gesamten Schweißvolumen (geringeres Verhältnis von Oberfläche zu Schweißvolumen), wodurch die Schweißnahtverunreinigung minimiert wird. Der größere Draht ist außerdem steifer und weniger anfällig für Wanderungen. Auch hier hat der Drahtdurchmesser keinen Einfluss auf die Eindringtiefe, da er lediglich Metall in das Schweißbad einbringt. Die Schweißdurchdringung ist eine Funktion des Stroms im Schweißlichtbogen.

GTAW-HW verkleidet die Oberfläche einer sich kreuzenden Bohrung.

Dank des erhitzten Zusatzmetalls muss der Lichtbogen der Wolframelektrode jetzt viel weniger leisten als beim herkömmlichen (Kaltdraht-)WIG. Beim herkömmlichen Kaltdraht-GTAW muss die Hitze des Lichtbogens das Grundmetall und den hinzugefügten Schweißdraht schmelzen.

Beim konventionellen WIG-Schweißen wird der Draht mit kalter Zugabe in der Regel vor dem Lichtbogen in die Vorderkante des Schweißbades eingeführt. Beim GTAW-HW steigert das erhitzte Zusatzmetall die Abschmelzleistung und die Vorschubgeschwindigkeit, da die Energie des Lichtbogens weitgehend für die Bildung des Schweißbades und nicht für das Schmelzen des hinzugefügten Drahtes verwendet werden kann. Dadurch wird die Schweißqualität herkömmlicher GTAW erreicht, jedoch in einem viel produktiveren Paket.

Einer der Gründe dafür, dass das Verfahren selbst bei sehr geringen Verdünnungsraten eine hervorragende Verschmelzung erreichen kann, ist die Tatsache, dass die Hitze des Lichtbogens das Grundmetall schmilzt und der heiße Draht auf der Rückseite des Schweißbades hinter der Elektrode hinzugefügt wird. Auch das Erhitzen des Drahtes vor Eintritt in das Schweißbad hilft. Während sich der Draht bis zum Schmelzpunkt erwärmt, unterstützen die Oberflächenverunreinigungen auf dem Draht, dem Ziehschmiermittel und dem Vorschub den Abbrand.

All dies machte die Öl- und Gasindustrie auf GTAW-HW aufmerksam. Da die Ölindustrie immer tiefer bohrt, ist es wahrscheinlicher, dass das von ihr geförderte Erdöl sauer ist. Saures Öl reagiert mit ungeschütztem Stahl und verursacht durch Wasserstoff verursachte Risse – ein Problem, das zu Ausfällen in Milliardenhöhe (das ist eine Milliarde mit einem „b“) geführt hat. Aufgrund der hohen Kosten, langen Vorlaufzeiten und komplizierten Formen von Unterwasser-Ölfeldteilen ist GTAW dank seiner hochwertigen Schweißnaht mit sehr geringen Ausschussraten ideal. Aufgrund des hohen Bedarfs an Schweißgut ist der Produktivitätsgewinn durch den Heißdrahtprozess jedoch unerlässlich.

Ein Großteil der Öl- und Gasindustrie arbeitet nach Standards, die eine chemische Zusammensetzung der Schweißplattierung mit weniger als 5 Prozent Eisen vorschreiben. Um diese niedrigen Verdünnungsgrade zu erreichen, muss sich die Industrie auf ein Verfahren mit geringer Verdünnung wie GTAW-HW verlassen.

Bei vielen Öl- und Gasumhüllungsanwendungen handelt es sich um komplizierte, anspruchsvolle Geometrien, und die Akzeptanzkriterien sind äußerst streng und erfordern Inspektionstechniken wie Farbeindringprüfung und Ultraschallprüfung.

Manche Setups zu entwerfen ist wie ein Schiff in einer Flasche zu bauen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass der Brenner und der Drahtvorschub bei einem Durchmesser von 5 Zoll bis zu einer Tiefe von 40 Fuß reichen. Rohr oder 3 Fuß innerhalb eines Ventils am Schnittpunkt zweier sich kreuzender Bohrungen. Diese kritischen Anwendungen erfordern eine intensive Lichtbogenüberwachung und manchmal Videokameras. Ampere, Volt, Fahrgeschwindigkeit und alle anderen Variablen werden in Echtzeit verfolgt, um den Prozess innerhalb der Toleranzgrenzen zu halten.

Da es sich bei vielen dieser Teile um hochfestes, niedriglegiertes Material (HSLA) handelt, müssen sie vorgewärmt werden. Ein aus einem CAD-Modell generiertes Roboterprogramm würde das thermische Wachstum nicht berücksichtigen, sodass Bediener manuelles Teachen durchführen müssen. Dennoch dauert der Unterricht nicht lange. Sie legen die Start- und Stopppunkte fest, und von dort aus berechnet die Software Dutzende und manchmal Hunderte von Schweißstart- und -stopppunkten dazwischen, ohne dass der Bediener eingreifen muss. Nach dem Schweißen werden diese kritischen Teile in einem Ofen wärmebehandelt (PWHT), um die Härte der Wärmeeinflusszone des Grundmetalls zu verringern und die Härte innerhalb der erforderlichen Spezifikation zu halten.

Der PWHT-Prozess kann ein langwieriger Prozess sein, und wenn er zu oft durchgeführt wird, kann dies die Teilequalität beeinträchtigen. Wenn ein Teil defekt ist und neu geschweißt werden muss, entstehen zwar einige Kosten – aber das ist noch nicht alles. Sie können das PWHT nur so oft durchführen, bis ein teures Teil verschrottet werden muss. In dieser Umgebung können Schweißfehler nicht toleriert werden, weshalb sich diese und andere Öl- und Gasanwendungen schon so lange auf GTAW-HW verlassen.

GTAW-HW verfügt über einige inhärente Eigenschaften, die diese anspruchsvollen Anwendungen noch zuverlässiger und wiederholbarer machen. Es handelt sich um einen raucharmen Prozess, der Probleme im Zusammenhang mit Dämpfen und Partikeln in engen oder engen Räumen beseitigt. Der Draht wird direkt hinter der Brennerbaugruppe durch einen möglichst geraden Kanal geführt, sodass der Draht zuverlässig das Schweißbad erreicht. Und es gibt keine Schweißspritzer wie beim MSG.

GTAW-HW verwendet zwei Stromquellen, eine, die den GTAW-Brenner mit Strom versorgt, und eine andere, die den Draht erhitzt.

Obwohl der Ort der Drahtzuführung in das Becken – der Auftreffpunkt des Drahtes – entscheidend ist, ist die Konstanz der Vorschubgeschwindigkeit zumindest im Vergleich zum GMAW einigermaßen nachsichtig. GTAW-HW ist von Natur aus toleranter gegenüber geringfügigen Futterschwankungen. Der Grund dafür liegt in den Prozesseigenschaften. Angenommen, der Drahtvorschub pausiert kurzzeitig oder der Brenner verringert seine Vorschubgeschwindigkeit. Beim MSG-Schweißen würde eine solche Variation den Lichtbogen stören, mehr Schweißspritzer erzeugen oder den Lichtbogen sogar vollständig löschen. GTAW-HW basiert auf der Widerstandserwärmung des Drahtes, einem Prozess, der weniger anfällig für Drahtvorschub- und Wegschwankungen zu sein scheint.

GTAW-HW ist für seine sehr stabilen Eigenschaften mit geringer Verdünnung bekannt, was den Prozess jedoch nicht unbedingt auf das Präzisionsauftragschweißen beschränkt. Beim Arbeiten mit einer herkömmlichen Nutverbindungsgeometrie steuert die Wärme des Lichtbogens beim GTAW-HW immer noch die Verbindungsdurchdringung und die Seitenwandverschmelzung unabhängig von der Drahtvorschubgeschwindigkeit. Die Abschmelzleistung kann zwischen 1 und 12 Pfund/Stunde variieren, ohne dass die Schweißqualität darunter leidet.

Hitzdrahtanwendungen gehen über GTAW hinaus. Tatsächlich können Prozesse wie Plasmalichtbogen- und Laserstrahlschweißen von einem erhitzten Draht profitieren. Insbesondere beim Laserschweißen kann die Integration einer Heißdrahtzuführung dazu führen, dass der Laser viel mehr schweißt, als er alleine könnte, und das bei geringeren Kosten. Das liegt daran, dass 1 Watt (W) Photonen (im Laser) im Vergleich zu 1 W Elektronen (bei der Widerstandserwärmung des Drahtes) sehr teuer ist.

Viele Ingenieure und Werksleiter gehen vielleicht davon aus, dass kritische Schweißvorgänge einfach nur Zeit brauchen und dass ein größerer Durchsatz einfach nicht in Frage kommt. Aber das Potenzial des heißen Drahtes hat das Deck verändert.

Im weitesten Sinne hat ein erhitzter Draht das Potenzial, die Produktivität zahlreicher kritischer Schweißprozesse in der gesamten Branche zu steigern. Da immer mehr Hersteller von Schweißstromquellen Heißdrahtgeräte einführen, müssen Schweißabteilungen nun eine weitere Option in Betracht ziehen.

Dan Allford ist Präsident und Dave Hebble ist Manager für technische Dienste von Arc Specialties.