Die verschiedenen Auftragschweißprozesse kommen im Rahmen der industriellen Produktion in großem Umfang zum Einsatz. Die Werkstücke werden zunächst aus Grundwerkstoffen hergestellt, die sich besonders gut für das jeweilige Fertigungsverfahren eignen, also zum Beispiel Guss- oder Schmiedelegierungen. Die direkt mit einem korrosiven Medium in Kontakt kommenden Oberflächen wer-den dann durch gezieltes Aufbringen einer verschleißfesten Schicht geschützt. Angreifende Medien können aggressive oder heiße Gase sein, also zum Beispiel Sauergas bei der Erdöl- und Erdgasförderung oder Abgas aus der Verfeuerung fossiler Brennstoffe; außer-dem Flüssigkeiten mit gelösten korrosiv wirkenden Chemikalien, wie sie im Primärkreislauf eines Atomreaktors zu finden sind, oder mit Beimischungen abrasiver Felsklumpen, die bei der Rohölförderung aus der Quelle mitgerissen werden; auch feste Kohlebrocken oder Erzklumpen und der beim Bergbau entstehende Abraum sind als verschleißfördernd bekannt.

Die zu schützenden Werkstücke können beträchtliche Unterschiede hinsichtlich Werkstoff, Größe, Geometrie usw. aufweisen. Zu den kleineren Werkstücken mit regelmäßiger Gestalt gehören Fittings für Rohrleitungen, zu den größeren rotationssymmetrischen Werk-stücken zählen zum Beispiel die Düsen in den Dampferzeugern von Kraftwerken, und in die Gruppe der größten Werkstücke mit kom-plexer Form gehören Reaktorbehälter und Steuereinheiten von Nuklearanlagen.

Für das Auftragschweißen können verschiedene Prozesse eingesetzt werden. Bestimmte Verfahren sind wegen der großen Flexibilität und der vergleichsweise einfachen Ausrüstung sehr beliebt: Metall-Inertgas(MIG)- und Metall-Aktivgas(MAG)-Schweißverfahren kön-nen bei nicht allzu hohen Anforderungen an Genauigkeit und Qualität der aufgebrachten Schicht in Erwägung gezogen werden. Zum Erzielen bester Ergebnisse sollte das WIG-Schweißen eingesetzt werden. Allerdings kommt es beim manuellen Schweißen sehr auf die handwerkliche Geschicklichkeit des Schweißers und seine jeweilige Tagesform an. Beim manuellen WIG-Schweißen werden darüber hinaus nur äußerst bescheidene Abschmelzraten erreicht.

Vollmechanische Schweißverfahren lassen sich auch mit angelernten Kräften durchführen und erlauben eine deutliche Steigerung der Produktivität. Wenn die notwendige Ausrüstung zur Verfügung steht, das Werkstück in eine passende Position gedreht werden kann und ein hoher Wärmeeintrag keine Probleme verursacht, kann das Unterpulverschweißen vorteilhaft angewendet werden. Modifizier-te MIG-/MAG-Schweißprozesse liefern befriedigende Ergebnisse bei hoher Abschmelzrate und kamen deshalb lange Zeit bevorzugt für eine Vielzahl von Auftragschweißaufgaben zum Einsatz. Auf Grund steigender Anforderungen hinsichtlich der Qualität der Auftrag-schweißschichten und der einzuhaltenden Toleranzen stoßen diese Verfahren jedoch zunehmend an ihre Grenzen und werden bei anspruchsvollen Einsatzgebieten mehr und mehr vom vollmechanischen WIG-Auftragschweißen abgelöst. Dieser Trend hat sich noch verstärkt, seitdem es gelungen ist, die Abschmelzleistung und Produktivität des WIG-Auftragschweißens durch Weiterentwicklungen bei der Prozessführung nachhaltig zu verbessern.

Viele Hersteller nutzen das Auftragschweißen, um Komponenten für die eigene Produktpalette zu fertigen. Sie verfügen in der Regel über Anlagen, die exakt auf ihre jeweiligen Bedürfnisse zugeschnitten sind, und haben im Laufe der Zeit die notwendigen Erfahrungen gesammelt, um bei ihren Werkstücken routinemäßig befriedigende Ergebnisse zu erzielen.

Bei Subunternehmen stellt sich die Sachlage völlig anders dar. Diese Firmen sind gezwungen, sehr schnell auf die wechselnden Anforderungen des Markts zu reagieren. Ihre Auftragschweißanlagen müssen sich ohne großen Aufwand für die unterschiedlichsten Werkstücke umrüsten lassen. Ausgesuchte Metallurgen und Schweißfachleute sind notwendig, um die Projekte erfolgreich durchführen zu können, und nicht zuletzt liegt es in den Händen der erfahrenen Schweißer, die erwartete Qualität der Auftragschichten sicherzustellen.

Ein bedeutendes Subunternehmen für die Durchführung von Auftragschweißungen ist die britische Firma Arc Energy Resources (AER). Hinsichtlich der Werkstoffe, der Form und der Größe der zu bearbeitenden Werkstücke bietet das Unternehmen ein breites Spektrum an Möglichkeiten. Zu den wohl kleinsten zu beschichtenden Elementen gehören die Innenwände von Bohrungen mit einem Durchmes-ser von nur 20 mm. Auf Grund der Kapazität des Hallenkrans und der vorhandenen Hebezeuge sind die größeren Werkstücke hinsichtlich ihres Gewichts generell auf 15 t begrenzt.

Im Jahr 2016 hatte die Firma eine besonders komplexe Aufgabe zu lösen: Zwei gegossene 30“-Ventilkörper waren zu beschichten. Im Lieferumfang war nicht nur das Aufbringen einer Schicht aus der Nickelbasislegierung 2.4856 durch Auftragschweißen auf alle mit dem korrosiven Medium in Kontakt kommenden Oberflächen enthalten, er umfasste auch die anschließende mechanische Bearbeitung sowie die zugehörige Druckprüfung und die Durchführung der zerstörungsfreien Werkstoffprüfungen.

Der erste angelieferte Gussrohling überschritt mit einem Gesamtgewicht von 27 t die Tragfähigkeit des zur Verfügung stehenden Hal-lenkrans bei weitem. Ein gemieteter Mobilkran war zwar in der Lage, das Gussteil zu heben, allerdings passte er nicht in das vorhandene Gebäude, sodass eigens eine entsprechende Halle in Leichtbauweise errichtet werden musste.

Als überaus heikel erwies sich darüber hinaus die vom Kunden vorgegebene äußerst kurze Lieferzeit. Die geforderte Qualität der Schichten konnte nur durch WIG-Auftragschweißen sichergestellt werden, aber die vorhandenen Anlagen waren ausschließlich für die konventionelle Prozessführung vorgesehen, die mit niedrigen Abschmelzraten und geringer Produktivität verbunden ist. Daher war es unmöglich, den Auftrag innerhalb der vorgesehenen Zeit mit der zur Verfügung stehenden Ausrüstung zu Ende zu bringen.

Als Hersteller von Anlagen zum vollmechanischen und automatisierten Schweißen hat die französische Firma Polysoude die Prozessführung beim WIG-Auftragschweißen so verbessert, dass sich wirtschaftlich interessante Abschmelzleistungen ergeben. Die „TIGer“-Technologie (Tungsten Inert Gas electrically reinforced) basiert auf einer speziellen Brennerkonstruktion mit zwei sich gegenüberliegen-den Wolframelektroden. Jede dieser Elektroden wird mit einem eigenen, von der jeweils zugehörigen Stromquelle gelieferten Schweißstrom beaufschlagt, wobei deren Anordnung so gewählt wurde, dass sich ein einziger resultierender Lichtbogen mit besonders günstigen Eigenschaften ergibt. Verglichen mit dem konventionellen WIG-Schweißprozess bleibt hier der Lichtbogendruck bei gleicher Schweißstromstärke um ein Vielfaches geringer. Dadurch kann mit höheren Schweißströmen und größeren Schweißgeschwindigkeiten gearbeitet werden, ohne dass der Prozess instabil wird. Des Weiteren ergeben sich ein bedeutend kleinerer Aufmischungsgrad und ein ebenfalls reduzierter Wärmeeintrag.

Um die Produktivität noch weiter zu verbessern, wird die Heißdrahttechnik angewendet. Die zum Schmelzen des Zusatzdrahts benötig-te Energie liefert normalerweise der Lichtbogen, daher kommen nur vergleichsweise geringe Drahtvorschubgeschwindigkeiten infrage. Bei der Heißdrahttechnik versorgt eine separate Quelle den Schweißdraht mit Strom; er kommt bereits vorgewärmt im Schmelzbad an und entzieht so dem Lichtbogen weniger Energie.

Anhand einschlägiger Berechnungen konnte gezeigt werden, dass es der Firma AER durch den konsequenten Einsatz der modernen Technik gelingen würde, das Auftragschweißen der beiden 27 t schweren Ventilkörper innerhalb der zur Verfügung stehenden Zeit durchzuführen. Nach eingehender Analyse der Zugänglichkeit der durch Auftragschweißen zu behandelnden Flächen innerhalb der Ventilkörper und der dazu notwendigen Werkstückpositionen hatte die Firma Polysoude folgende Anlagenkonfiguration vorge-schlagen:

Der Vorschlag wurde zwar im Großen und Ganzen von der Firma AER akzeptiert, allerdings drängte sie gemäß ihrer Eigenschaft als Subunternehmen darauf, eine Anlage mit höchstmöglicher Flexibilität für zukünftige Einsätze zu bekommen. Daher einigte man sich darauf, dass eine computernumerische Steuerung (CNC) zur Ausstattung gehören sollte.

Angepasste CNC-Steuerung
Bei der CNC-Technik handelt es sich um eine sehr anpassungsfähig ausgelegte Steuerungsart, die im Wesentlichen bei der Automatisie-rung von Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommt. Die Firma Polysoude hatte in der Vergangenheit alle Schweißanlagen mit einer selbst entwickelten Steuerung versehen, die die Kunden als Ergebnis langjähriger Erfahrung als verlässlich und sicher einstuften. Nun musste die eigentlich für Bearbeitungszentren bestimmte CNC-Software den besonderen Erfordernissen des Auftragschweißens angepasst werden, was als hervorragende Gelegenheit verstanden wurde, um eine den modernen Anforderungen entsprechende Mensch-Maschine-Schnittstelle zu verwirklichen. Durch eine enge Zusammenarbeit zwischen den Firmen Polysoude und AER galt es sicherzustellen, dass dem Bedienungspersonal der Anlage alle Funktionen in anwenderfreundlicher Weise zur Verfügung stehen würden.

Die gesamten zur Steuerung eines Schweißzyklus notwendigen Daten werden im Voraus eingegeben. Je nach der Art des gewählten Auftragschweißens und der Werkstückgeometrie, zum Beispiel Zylinder, Durchdringung, Kugel stehen verschiedene Menüs zur Verfügung:
•    Werkzeugweg (Eingabe geometrischer Daten: Wegbeschreibung, Sichtbarkeit, ...),
•    Schweißparameter (Eingabe und Korrektur der Parameter auf der Grundlage vorprogrammierter Werte),
•    Schweißbrenner (Auswahl geeigneter Schweißwerkzeuge),
•    Schweißzyklus (unterschiedliche Anzeigen: Schweißdaten, Schweißfortschritt, Simulation, Anzahl der Lagen),
•    Parameter (schneller Zugang zu Parametern und Änderung der Werte: Werkzeugweg, Geschwindigkeit).

Ergänzend zur Auswahl der Schweißaufgabe und des -prozesses, der Werkzeuge, der Parameter usw. ist es möglich, Angaben über das Werkstück zu erfassen: Auftragsnummer, Bezeichnung, Werkstoff, Abmessungen usw. Diese Informationen lassen sich nutzen, wenn zu einem späteren Zeitpunkt ein gleicher oder ähnlicher Auftrag zu bearbeiten ist.

Vorbereitung und endgültige Durchführung
Dem eigentlichen Auftragschweißen waren umfangreiche Vorbereitungen vorausgegangen. Sieben Verfahrensprüfungen mussten abgelegt werden, unter anderem in PD- und in PC-Position mit der „TIGer“-Technologie bei hoher bzw. höchster Abschmelzrate. Da die Firma AER auf keinerlei Erfahrung mit dieser Technologie zurückgreifen konnte, hatte man entschieden, neben der Verfahrensprüfung mit höchster Abschmelzrate auch eine solche mit einem niedrigeren Wert durchzuführen, um im Fall von Problemen entsprechend reagieren zu können.

Da die Zeit drängte und die endgültige Konfiguration mit dem großen Automatenträger noch nicht zur Verfügung stand, wurden die Verfahrensprüfungen mit einer von der Firma Polysoude auf dem Gelände von AER provisorisch installierten „TIGer“-Anlage durchge-führt. Zu den Aufgaben von AER gehörte es auch, eine Vorrichtung zu planen und herzustellen, die es erlaubte, das Werkstück in den fünf festgelegten Positionen zu halten.

Nachdem die Auftragschweißanlage in der bestellten Konfiguration bei AER montiert war, konnte mit der Feinabstimmung begonnen werden. Das Bedienungspersonal hatte bereits einen intensiven Trainingskurs im Schulungszentrum von Polysoude in Nantes/ Frankreich absolviert und war dadurch mit den Gegebenheiten der Anlage bestens vertraut. Die Befehle erteilen die Bediener von einem Bedienpult aus; der Zugang zu den verschiedenen Menüs erfolgt über ein taktiles Display auf der rechten Seite, während der linke Bildschirm die Parameter in Echtzeit anzeigt. Für bestimmte Befehlseingaben und Anzeigen ist zusätzlich eine mobile Fernbe-dienungseinheit „nPad“ vorhanden.

Während einer Simulation der Auftragschweißungen ohne Lichtbogen bekam das Bedienungspersonal die Möglichkeit, das Gelernte unter realistischen Bedingungen aufzufrischen und zu üben. Dabei stellte sich heraus, dass die CNC viel zu feinfühlig auf die rohe Guss-oberfläche reagierte, deren Toleranzen natürlich auch nicht annähernd mit denen eines Werkstücks in einem Bearbeitungszentrum vergleichbar sind. Das Problem konnte jedoch durch entsprechende Änderungen auf Softwareebene gelöst werden.

Ein Verbesserungsvorschlag bezog sich auf die „verbleibenden Oberflächensegmente“ im Werkstück, die sich nicht mithilfe der in der Datenbank gespeicherten geometrischen Formen erreichen ließen. Der Verbesserungsvorschlag wurde als überaus nützlich angesehen und das Programm deshalb so erweitert, dass durch die Eingabe der Eckpunkte der verbleibenden Oberflächensegmente die zugehörigen Werkzeugbewegungen bestimmt werden können.

Die sorgfältige Planung und die umsichtige Vorbereitung der Arbeiten und die enge Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Anwen-der trugen schließlich Früchte: Die Auftragschweißoperationen an den beiden Werkstücken konnten vor Ablauf der gesetzten Frist erfolgreich beendet werden. Ein unerwarteter Produktivitätszuwachs ergab sich aus der sehr niedrigen Streckenenergieeinbringung von nur 0,54 kJ/mm beim Auftragschweißen mit der neuen Technologie. Trotz dieser geringen Wärmezufuhr hatten sich bei den Schweißproben maximale Härten HV 10 von nur 250 ergeben, sodass keine Gefahr einer unzulässigen Aufhärtung der Schicht oder der Wärmeeinflusszone bestand. Als Folge der geringen Streckenenergie erwärmten sich die Gusskörper während der Auftragschweiß-operationen nur mäßig, daher mussten keine Pausen zum Abkühlen der Werkstücke eingelegt werden.

Verkürzung der Bearbeitungsdauer
Momentan nutzt der Anwender die Anlage für eine andere Auftragschweißanwendung: Die Innenwände von 22 Stahlzylindern, die als Muffen für die Enden flexibler Bälge zum Ausgleich der Wärmedehnung von Rohrleitungen dienen sollen, werden damit beschichtet. Während für diesen Vorgang beim WIG-Auftragschweißen mit konventioneller Technik 79 h pro Werkstück zu veranschlagen sind, lässt sich die Dauer durch den Einsatz der neuen Technologie mit einer Abschmelzrate von 3,3 kg/h auf nur 19 h verkürzen.

Mit einer dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Anlage und dem Einsatz der „TIGer“-Technologie lassen sich Auftrag-schweißoperationen an Werkstücken mit praktisch beliebiger Geometrie durchführen. Eine wesentliche Verkürzung der Bearbeitungs-dauer wird erreicht, ohne dass Qualitätseinbußen irgendwelcher Art hingenommen werden müssten. Der weite Einsatzbereich der „TIGer“-Technologie und die einfach zu programmierende Benutzeroberfläche tragen wesentlich zur Flexibilität der Anlage bei. Das ist ein bedeutender Gesichtspunkt, der nicht nur bei Subunternehmen eine wichtige Rolle spielt.

Das Bildmaterial darf ausschließlich für den hier genannten Text verwendet werden. Jede darüber hinausgehende, insbesondere firmenfremde Nutzung wird ausdrücklich untersagt.