WIG-Orbitalschweißen ohne Zusatzwerkstoff gehört zu den für das Fügen dünnwandiger Rohre am besten geeigneten Verfahren, wenn es um höchste Qualitätsansprüche geht. Die französische Firma Polysoude spielt als Hersteller und ­Anbieter automatisierter Lichtbogenschweißanlagen auf den internationalen Märkten eine führende Rolle und vertreibt auch Geräte, die speziell für den Reinraumeinsatz ausgelegt sind.

Das deutsche Familienunternehmen Dockweiler ist ein weltweit führender Hersteller von Einbauteilen für den Anlagenbau in den Bereichen Halbleiter, Pharma, Biotechnologie und Photovoltaik. Ein großer Teil der angebotenen Komponenten entsteht durch das Zusammenschweißen von Einzelteilen, daher wird der Schweißtechnik im Rahmen der Unternehmensphilosophie ein hoher Stellenwert eingeräumt.

Umfassende Kontrolle der eingehenden Vorprodukte
Alle eingehenden Zulieferteile werden einer umfassenden Eingangskontrolle unterzogen. Vorprodukte werden nur angenommen, wenn sie von entsprechenden Werkszeugnissen begleitet werden.
Die chemische Zusammensetzung der Grundwerkstoffe, die Geometrie der Werkstücke und die mechanischen Eigenschaften werden regelmäßig analysiert und müssen mindestens den gültigen Normen oder festgelegten Vorgaben entsprechen. Nach erfolgreicher Eingangsprüfung werden die Teile bezüglich ihrer schweißtechnischen Eigenschaften untersucht. In den meisten Fällen genügen den Fachleuten wenige Versuchsschweißungen, um die zum Orbitalschweißen zu programmierenden Parameterwerte zu bestimmen. Mit den Schweißproben wird dann eine Analyse der Ausbildung und Geometrie der Schweißnaht an der Innen- und Außenseite des gesamten Rohrumfanges durchgeführt. Falls erforderlich, werden zusätzlich metallographische Schliffbilder erstellt sowie die mechanischen Kennwerte der Schweißverbindungen ermittelt. Die erhaltenen Ergebnisse können nun zu einer abschließenden Optimierung der programmierten Schweißparameter herangezogen werden.

Die Vormaterialien werden entsprechend eines umfassenderen Klassifizierungssystems beurteilt und erhalten Noten zwischen 1 und 5. Auf der Grundlage dieser Noten wird dann über die beste Verwendungsmöglichkeit des jeweiligen Werkstoffes entschieden. Während sich einige Teile vielleicht besser für Anwendungen im pharmazeutischen Bereich eignen, weisen andere mit einer Dockweiler-Note von 3 oder besser möglicherweise ideale Voraussetzungen für die Halbleiterfertigung auf.

Ausgereifte Schweißtechnik
Eine hochwertige Qualität der Werkstoffe und die passende Werkstückgeometrie sind unabdingbare Voraussetzungen für eine ausgezeichnete Schweißnahtgüte, aber der Schweißprozess selbst, die Ausrüstung, das Verbrauchsmaterial, die Arbeitsbedingungen usw. müssen mit gleicher Sorgfalt gewählt werden.
Zum Verbinden empfindlicher Edelstähle oder Nickelbasislegierungen eignet sich das WIG-Schweißen ist am besten. Bei dem Prozess entstehen keine Schweißrauche oder Spritzer, die Schweißnahtoberflächen sind glatt und gleichmäßig und die Schweißparameter können in weiten Grenzen angepasst werden, so dass die besonderen Eigenschaften der Grundwerkstoffe erhalten bleiben.

Das WIG-Orbitalschweißen erlaubt es, die Produktivität beim Fügen hochwertiger Rohre nachhaltig zu steigern und einen gleich bleibend anspruchsvollen Qualitätsstandard der Schweißnähte zu halten. Der WIG-Schweißbrenner wird mittels einer entsprechenden Vorrichtung entlang dem Umfang um die zu verbindenden Rohre herumgeführt. Die optimierten Werte der Schweißparameter sind im Voraus programmiert worden und in der Steuereinheit der Anlage gespeichert. Der Bediener der Schweißanlage folgt den Instruk­tionen der Schweißanweisung für die jeweilige Fügeaufgabe (Welding Procedure Specification WPS). Zur Vorbereitung der Schweißung muss der Bediener den Orbitalschweißkopf auf den zu verbindenden Werkstücken positionieren, danach startet er den Schweißzyklus. Der Schweißprozess selbst läuft automatisch ab, ohne dass der Bediener eingreifen muss, nach dem Ende des Schweißzyklus nimmt er den Orbitalschweißkopf nur noch von den fertig verbundenen Rohren ab.

Das Fügen dünnwandiger Rohre erfolgt ohne Zusatzwerkstoff mit einer geschlossenen Orbitalschweißzange, die Enden der zu verbindenden Rohre werden durch den Lichtbogen aufgeschmolzen und bilden die Schweißnaht. Der gesamte Schweißnahtbereich befindet sich im Inneren der durch die Schweißzange gebildeten Kammer. Vor, während und nach der Schweißung ist diese Kammer mit Inertgas geflutet, dadurch wird das Schmelzbad vor Reaktionen mit dem Luftsauerstoff geschützt. Der Schweißbrenner selbst besteht nun nur noch aus einer Wol­f­ramelektrode, die an einem drehbaren Ring in der Schweißzange befestigt ist und entlang der Schweißfuge geführt wird.

Für den Reinraumeinsatz geeignete Schweißausrüstung
Die von Dockweiler gefertigten Einbauteile werden in einer Reinraumumgebung hergestellt. Dort herrscht eine kontrollierte Atmos­phäre mit einer begrenzten Anzahl der in der Luft schwebenden Teilchen. Die Luft wird kontinuierlich über Filter zugeführt, eventuell vorhandene Partikel verschwinden mit dem Luftstrom durch die Abluftöffnungen.

Viele technische Geräte haben heiße Oberflächen oder starke Lüfter und sind für einen Reinraumeinsatz ungeeignet. Geschlossene Orbitalschweißzangen können jedoch in Reinräumen betrieben werden, da die durch den elektrischen Lichtbogen freigesetzten Partikel in der Kammer der Schweißzange eingeschlossen bleiben und die umgebende Atmosphäre nicht kontaminieren können.

Die von der Firma Polysoude an Dockweiler gelieferten Schweißstromquellen des Typs P4 sind speziell für das Arbeiten in einer Reinraumumgebung konzipiert worden. Die eigentliche Stromquelle bleibt von dem Rest der Schweißanlage getrennt im Servicebereich, nur das Bedienpult und die geschlossene Schweißzange selbst befinden sich in der eigentlichen Reinraumumgebung (Abb. 3). Die Oberflächen des Bedienpultes sind glatt, die Funktionstasten auf dem taktilen Bildschirm lassen auch mit Handschuhen betätigen. Die Messwerte der Echtzeitschweißdatenerfassung werden kontinuierlich ausgewertet, der Verlauf des Schweißzyklus und alle wichtigen Schweißparameter können über die graphische Mensch-Maschine-Schnittstelle fortlaufend verfolgt werden.

Orbitalschweißen in der Vorfertigung oder auf der Baustelle
Die Fachleute bei Dockweiler kennen die eingesetzten Fertigungsmittel genau, durch zusätzlich installierte Geräte wie Gasreinigungseinheiten und Partikelfilter unmittelbar vor der Entnahmestelle von Schweißschutz- und Formiergas werden aus den Versorgungsleitungen eingetragene Verunreinigungen und Feuchtigkeit vollständig entfernt; ein Messinstrument am Austritt für das Formiergas zeigt den Restsauerstoffgehalt des entweichenden Schutzgases an, wodurch Gasverbrauch und Zeitaufwand des Spülens auf ein Minimum reduziert werden. Der in der Werkstatt getriebene Aufwand führt tatsächlich dazu, stets absolut fehlerfreie und die gestellten Anforderungen übertreffende Schweißverbindungen zu erhalten.
Allerdings muss Dockweiler dann auch noch sicherstellen, dass die gelieferten Komponenten von den Kunden erfolgreich eingeschweißt werden.

Beim Lichtbogenschweißen auf einer Baustelle lassen sich viele Randbedingungen nur unvollständig oder gar nicht beeinflussen und kontrollieren.
Dadurch können Schweißnahtfehler auftreten, die die mechanischen Kennwerte und die Korrosionsbeständigkeit der Verbindungen unzulässig verringern.
Als Ursachen für mangelhafte Schweißergebnisse beim Kunden kommen aber auch falsche Vorbereitung der Schweißanlagen, unfachmännischer Umgang mit der Ausrüstung, Programmierfehler, mangelhafte Qualität der Rohre und/oder Verbrauchsmaterialien, defekte Geräte usw. in Frage. Hier hilft Dockweiler mit technischem Rat, z.B. durch erprobte Schweißparameter für den jeweiligen Werkstoff.
Um den Kunden bei Schwierigkeiten zu helfen, stellt Dockweiler einen Vordruck “Weldability Complaint Report” zur Verfügung und erhält dadurch detaillierte Auskünfte über die Anwendung, die eingesetzte Anlage und die aufgetretenen Störungen.

Wenn sich herausstellt, dass die Schwierigkeiten nicht per Ferndiagnose behoben werden können, wird versucht, Serviceleistungen am Einsatzort zu organisieren. Bei besonders komplizierter Sachlage wird auch der Anlagenhersteller hinzugezogen. Die Spezialisten von Dockweiler arbeiten eng mit den bekannten Schweißtechniklieferanten zusammen, wobei sich der Kundendienst von Polysoude wegen seiner hohen Reaktivität und der stets fachkundigen Unterstützung einen guten Namen gemacht hat.