Lichtbogen-Auftragsschweißen, Wasserenergieanlagen

Die "kalte" Methode

Zur Oberflächen-Konditionierung und für das Retrofitting von Turbinen-Laufrädern und Schiffsantrieben setzt Andritz Hydro das Lichtbogen-Auftragsschweißen ein. Dabei vertraut das Unternehmen auf den Cold Metal Transfer-Prozess von Fronius. Welche Vorteile es dabei gegenüber dem vorher verwendeten MIG-Verfahren erzielt, lesen Sie in diesem Beitrag.
Warten aufs Fitmachen: Bei Propeller-Laufrädern der Wasserkrafttechnik stellt das CMT-Verfahren deren einwandfrei glatte Oberfläche durch eine aufgetragene Schicht wieder her.

Bodo Gieselmann von Andritz Hydro ist sich der Marktposition seines Arbeitgebers bewusst. "Laufräder sind das Herzstück der Stromerzeugung aus Wasserenergie. In Europa gehören wir zu den wenigen und sind in Deutschland die einzigen, die diese Bauteile im 200-Tonnen-Format herstellen", berichtet der Schweißfachingenieur. Und sein Kollege Wolfgang Hartl, als Schweißtechniker Träger und Repräsentant einer Kernkompetenz, weiß um die Verpflichtung, die daraus hervorgeht: "Täglich besser werden - das ist mein Motto. Jedes geschweiß-te Bauteil ist in meiner persönlichen Verantwortung." Für die zentrale Bedeutung der Fügetechnik Schweißen legen auch die Qualitätsansprüche des Unternehmens Zeugnis ab. Zu 100 Prozent werden die Schweißergebnisse geprüft und entsprechend der geltenden Dokumentationspflicht protokolliert. Die je nach Fall unterschiedlichen Methoden reichen von der Sichtprüfung über den Metallpulvertest, den Rot-Weiß(Penetrier-)test und die Röntgenprüfung bis hin zum Ultraschalltest. Hinzu kommt - während der Entwicklungsphase - die zerstörende Methode der Schliffbildanalyse inklusive Zertifizierung gemäß Kundenanforderung. Das breite Spektrum der verarbeiteten Metallwerkstoffe reicht von Schiffsbronze und Kupfer-legierungen über unlegierte Baustähle bis hin zu vergüteten hochfeste Qualitäten; es umfasst weiterhin austenitische, austenitisch-ferritische und nickelbasierte Werkstoffe sowie in hohem Maße weichmartensitische Chromstähle mit 13-prozentigem Chrom- und vierprozentigem Nickelanteil. Letzteres Material (rostfreier Edelstahl) wird in Ravensburg häufig und meist wasserkraftseitig für Turbinenlaufräder verwendet. Insgesamt 60 Schweißer arbeiten in Ravensburg mit den Lichtbogen-Verfahren des Metall-Schutz-Gas-Schweißens (MSG), des Wolfram-Inert-Gas-Schweißens (WIG) sowie des Plasma- und Unterpulver-Schweißens.

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Konditionieren und Plattieren

Von gleicher Bedeutung wie das Verbinden von Metallteilen zu Komponenten ist bei Andritz Hydro das Auftragsschweißen, bei dem sich der aufgetragene Werkstoff metallurgisch mit dem Grundmaterial verbindet. Zu unterscheiden sind hier prinzipiell zwei Anwendungen. Erstens, das materialgleiche Auftragen, auch Konditionieren genannt, zum Beispiel um fehler- oder schadhafte Bauteilpartien zu reparieren. Und zweitens, das "Cladding" (Plattieren), bei dem eine "veredelnde" Schicht auf einen "unedleren" Grundwerkstoff aufgetragen wird. Die Fachleute von Andritz Hydro setzen das Konditionieren etwa beim Nachbessern, beim Sanieren sowie in Refurbishment und Retrofit ein. Beim Konditionieren an beschädigten Teilen muss sich der aufgetragene Werkstoff mit dem Grundwerkstoff metallurgisch innig verbinden. Das trifft auch auf das Ersetzen von mit Materialmängeln behafteten Teilen zu - etwa bei Gussfehlern. Das Cladding hingegen dient weniger der Reparatur als der Fertigung: Hoch legierten und deshalb teureren Stahl auf preisgünstigeren niedrig legierten Stahl zu plattieren, führt zu einer Material- und Kostenersparnis. Neben dem Auftragen einer Schutzschicht für aggressiver Umgebungen (Salzwasser), ist die Herstellung von Dicht- und Gleitlagerflächen eine weitere Anwendung für das Cladding. In Ravensburg trägt man beispielsweise Schweißzu-satzwerkstoffe (S-CU 6100/ S-CU 6327 nach DIN EN 14640) auf die Kupfer-Legierungen der Schiffspropeller auf. Plattiert werden auch Stahlteile, wenn sie in weniger aggressiv salzhaltigem Flusswasser rotieren als Laufräder für Wasserenergie-Maschinen.

"Kälte"-Vorteile beim Konditionieren

Auf eine Betriebszeit von bis zu 50 Jahre ausgelegt, stellen die massiven Stahl-Komponenten selbst nach mehreren Jahrzehnten noch einen hohen Wert dar. Die Betreiber älterer Wasser-Energieanlagen lassen sie daher bei Andritz Hydro aufarbeiten und moderni-sieren. Bei den konventionellen thermischen Verfahren zum Sanieren schadhafter Metallteile kam es bisher sehr darauf an, den Materialverzug infolge der einseitigen Erwärmung zu kontrollieren beziehungsweise zu kompensieren. Seitdem die Fachleute bei Andritz Hydro aber den CMT-Prozess von Fronius nutzen, lösen sie diese Aufgabe erheblich leichter. Schweißtechniker Wolfgang Hartl erklärt warum: "Mit dem zuvor gebräuchlichen MIG-Prozess haben wir bei formkritischen Teilen außer den schadhaften auch gegenüberliegende intakte Flächen belegen müssen. Das war notwendig, um den Wärmeverzug der sanierten Seite auszugleichen. Mit dem CMT-Verfahren und Variante CMT Puls sparen wir diesen Aufwand oder reduzieren ihn". Im Vergleich zu anderen Kurzlichtbogen-Verfahren bewirkt der CMT-Prozess nur einen auf ein Minimum reduzierten Wärmeeintrag bei identischer Abschmelzleistung. Dabei beträgt der Einbrand ausreichende 0,3 bis 0,5 Millimeter. An den Außenflächen füllen die Schweißer mit CMT auf. Etwa zwei bis drei Millimeter beträgt die Dicke beim Auffüllen. Die Innenbereiche sind typischerweise ein Einsatzgebiet für CMT Puls. Diese Verfahrensvariante ist eine Kombination des CMT-Verfahrens mit dem Impulslichtbogen. Sie setzt theoretisch beliebig viele Takte der einzelnen Verfahren in wiederkehrender Folge aneinander. Damit hebt der Nutzer die Leistungsgrenze von CMT auf. Dem Schweißer steht der energetische Raum zwischen CMT und Impulslichtbogen in jeder gewünschten Größe zur Verfügung. Das bedeutet: Das rationellere, aufwandsreduzierte Sanieren der zum Teil dickwandigen Guss-Komponenten mit CMT kann das kostentreibende Ersetzen der verschlissenen Teile erheblich hinauszögern.

Nur eine statt drei Lagen

Die Vorteile von CMT Puls kommen den Ravensburger Schweißfachleuten besonders beim Cladding zugute. Mussten sie früher eine Oberfläche beschichten, sei es zum Veredeln oder um Dicht- oder Gleitflächen zu qualifizieren, haben sie die relevanten Stellen mehrfach schweißplattiert, oft bis zu fünf Mal. Das war nötig, um einerseits den ausreichend tiefen Einbrand, andererseits die definierte Reinheit des beschichtenden Materials zu gewährleisten. Denn beim Schweißen verbindet sich zwar der aufgetragene mit dem Grundwerkstoff innig, jedoch mischen sich beide in einem weiten Bereich des aufgeschmolzenen Grund- und Zusatzwerkstoffes. Schweißtechniker Wolfgang Hartl berichtet aus der Praxis: "Plattieren wir Bronze auf Stahl, brauchen wir mit CMT nur noch eine statt bisher drei Schweißlagen. In einigen, besonders formkritischen Fällen mussten wir früher sogar sechs Lagen schweißen und zwischen ihnen fräsen und drehen. Jetzt, mit CMT gilt hier: Rostfrei nach höchstens drei Lagen. Das Cladding mit "reinem" CMT hinterlässt schon in der ersten Schicht einen oberflächennahen Ferrit-Wert gegen Null, mit CMT Puls sind es sechs bis zehn Prozent. Hatten wir zuvor mit konven-tionellem MIG-Schweißen noch in der dritten Schicht einen zu hohen Grundmaterial-Anteil, so ergibt CMT bereits in der ersten Lage ausreichende Werte. Dabei beträgt die Oberflä-chen-Maßabweichung +/- 0,1 Millimeter". Gegenüber den vorher genutzten herkömmlichen Methoden des MIG-Schweißens und des thermischen Aufspritzens spart man bei Andritz Hydro mit CMT jetzt bis zu einem Drittel an Zeit, Energie und Material. ms

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