Herstellung von Präzisionsstahlrohren - Die Bibliothek der Technik

Die Bibliothek der Technik
Band 214
Präzisionsstahlrohre
Werkstoffe, Herstellung, Anwendungen
Barbara Wantzen
verlag moderne industrie

Inhalt
Einführung 4
Definition von Präzisionsstahlrohren ...................................................... 4
Vergleich von nahtlosen und geschweißten Rohren................................ 6
Lieferzustände ......................................................................................... 8
Werkstoffe 10
Werkstoffherstellung ............................................................................... 10
Einfluss des Kohlenstoffs........................................................................ 11
Einfluss der anderen Eisenbegleiter ........................................................ 13
Werkstoffe für nahtlose Präzisionsstahlrohre.......................................... 14
Werkstoffe für geschweißte Präzisionsstahlrohre ................................... 15
Herstellung von Präzisionsstahlrohren 18
Geschweißte Präzisionsstahlrohre........................................................... 18
Nahtlose Präzisionsstahlrohre ................................................................. 26
Weiterverarbeitung des Rohrs ................................................................. 33
Prüfungen ................................................................................................ 41
Weiterverarbeitung 45
Kaltumformprozesse ............................................................................... 45
Warmumformprozesse............................................................................. 50
Spanende Bearbeitung............................................................................. 51
Fügen ...................................................................................................... 52
Glühbehandlungen .................................................................................. 52
Oberflächenhärten ................................................................................... 54
Oberflächenbeschichtungen ................................................................... 55
Anwendungen 57
Stoßdämpferrohre.................................................................................... 57
Gasfederrohre ......................................................................................... 59
Motorradgabelstandrohre ....................................................................... 60
Stabilisatorenrohre .................................................................................. 61
Nockenwellenrohre ................................................................................. 63
Rohre für Antriebswellen ........................................................................ 64
Rohre für Lenkspindeln........................................................................... 67
Ausblick 69
Der Partner dieses Buches 71

18
Abb. 5:
Ablauf der Herstellung
geschweißter
Rohre
Warm- oder
Kaltbreitband
Herstellung von
Präzisionsstahlrohren
Geschweißte Präzisionsstahlrohre
Die geschweißten Präzisionsstahlrohre werden
aus Stahlband hergestellt. Dazu wird das Band
dem in Abbildung 5 dargestellten Ablaufdiagramm
entsprechend gespalten, zu einem Rohr
gebogen und geschweißt.
Stahlband
Schmelzen
Walzen
Beizen
Spalten
Schweißen
Bearbeitung der
Bandkanten
Einformen
HF-Induktionsschweißen
Entfernen des
Stauchwulstes
Trennen des
Rohrstrangs
Ausgangsmaterial
Als Ausgangsmaterial für geschweißte Präzisionsstahlrohre
dienen Streifen aus Warm- oder
Kaltbreitband (Abb. 6). Das Warmbreitband
wird aus den stranggegossenen Brammen gewalzt.
Die minimal erreichbare Dicke dieser
Bänder beträgt in der Regel 1,5 mm; in einigen
Warmwalzstraßen können jedoch auch
dünnere Bänder mit Dicken von nur 1,25 mm
hergestellt werden.
Für besonders dünnwandige Rohre oder wenn
enge Toleranzen einzuhalten sind, verwenden
die Rohrhersteller auch kalt nachgewalztes
Band. Dazu wird das Warmbreitband einer
Rekristallisationsglühung unterzogen und
nochmals kaltgewalzt. Neben besseren mechanischen
Eigenschaften, insbesondere höherer
Festigkeit, besitzt kaltgewalztes Band auch
eine bessere Oberflächenqualität. Für die
Rohrfertigung wird das Band, das eine Breite
von über 2000 mm haben kann, in Streifen geschnitten
und zu Coils aufgerollt.
Normalerweise wird die Zunderschicht in
Schub- oder Spiralbeizen, die das Warmband
durchläuft, mithilfe von Salzsäure oder
Schwefelsäure entfernt. Bei großen Wand-
Geschweißte Präzisionsstahlrohre 19
Abb. 6:
Ausgangsmaterial
Band
Kalt nachgewalztes
Band
Entfernung der
Zunderschicht

20 Herstellung von Präzisionsstahlrohren
Verbindung zum
Endlosband
Einformen
des Bands
dicken wird auch das Stahlkiesstrahlen zum
Entzundern eingesetzt. Hierbei werden kleine
Stahlkugeln auf die Stahlbänder geschleudert,
die bewirken, dass die Zunderschicht abplatzt;
gleichzeitig glätten und verfestigen sie die
Oberfläche.
Vorbereitung und Einformen des Bands
in der Schweißmaschine
Beim Rohrhersteller eingetroffen, werden die
Bänder zunächst abgehaspelt und zu einem
Endlosband zusammengeschweißt, um einen
kontinuierlichen Ablauf des Schweißprozesses
zu gewährleisten. Danach werden die Kanten
unter Umständen spanend bearbeitet, denn
Risse und andere Beschädigungen der Kanten
könnten später zu Fehlern im Rohr führen. Die
Breite des Bands wird dem gewünschten Rohrumfang
bzw. -durchmesser angepasst. Stärkere
Bänder, die man zur Herstellung dickwandiger
Rohre verwendet, werden an den Kanten konisch
angeschnitten, damit sie nach dem Umformen
zum Schlitzrohr die für das Schweißen
erforderliche Geometrie besitzen.
Das gebeizte bzw. gestrahlte Band durchläuft
anschließend eine mehrgerüstige Einformstrecke
mit Einform- und Messergerüsten. Es
wird zunächst angebogen und dann in mehreren
Rollengerüsten nach und nach zu einem
Schlitzrohr geformt (Abb. 7).
Für die Einformung nutzen die Rohrhersteller
unterschiedliche Strategien. Je größer die
Wandstärke eines Rohrs ist, umso mehr Einformrollen
sind erforderlich. Auf diese Weise
können die Rohre sehr genau eingeformt werden
– eine wichtige Voraussetzung, um eine
gute Schweißnaht zu erhalten. Bei dünnwandigen
Rohren, bei denen das Verhältnis von
Wanddicke zu Durchmesser kleiner als 1:12
ist, ist auch die Verwendung von Einformlinealen
üblich.
W-Einformung
1-Radien- oder
Rundeinformung
2-Radieneinformung
mit Kantenanbiegung
Einformung von der
Bandkante zur Bandmitte
Geschweißte Präzisionsstahlrohre 21
Abb. 7:
Verschiedene
Verfahren zur
Einformung
von Rohren

22 Herstellung von Präzisionsstahlrohren
Erhitzung der
Bandkanten …
… nach verschiedenen
Verfahren
Abb. 8:
Schweißprozess
Schweißen
Im nächsten Verarbeitungsschritt werden die
Schlitzrohre mithilfe elektrischer Pressschweißverfahren
gefügt. Dazu werden die
Bandkanten örtlich auf Schweißtemperatur erhitzt,
durch Druckrollen aneinander gepresst
und miteinander verschweißt (Abb. 8). Der
vorgegebene Schweißdruck und die Schweißtemperatur
bestimmen wesentlich die Qualität
der Schweißnaht. Angewandt werden verschiedene
Schweißverfahren, die jeweils ohne
Zusatzmaterial auskommen; damit erreicht
man, dass die Schweißnaht die gleiche chemische
Zusammensetzung aufweist wie das gesamte
Rohr.
Die Verfahren unterscheiden sich in der Art,
wie die Schweißstelle erwärmt wird. Die drei
wichtigsten sind
• das Gleichstromschweißen,
• die Mittel- bzw. Hochfrequenzschweißverfahren
(induktives und konduktives
MF- bzw. HF-Schweißen) sowie
• das Laserstrahlschweißen.
Rohre mit einem Durchmesser unter 20 mm
werden häufig mithilfe des Gleichstromschweißverfahrens
gefügt. Um Rohre aus hoch
legierten Werkstoffen zu schweißen, verwendet
man das Laserstrahlschweißverfahren.
Der größte Teil der erzeugten Rohre wird jedoch
mithilfe des induktiven Hochfrequenzschweißverfahrens
hergestellt.
Bei den konduktiven Verfahren wird der
Schweißzone direkt über Elektroden Wechselstrom
zugeführt. Die Erwärmung erfolgt durch
die Verluste, die auf Grund des elektrischen
Widerstands des Materials zwischen den beiden
Bandkanten auftreten. Die induktiven
Schweißverfahren beruhen auf dem gleichen
Prinzip, allerdings wird der Strom hier indirekt
über Spulen, also berührungslos, im Material
induziert.
In der modernen Rohrherstellung ist heute
vielfach das induktive HF-Schweißen im Einsatz.
Die zu verschweißenden Kanten können
ganz gezielt erwärmt werden, ohne das Gefüge
des Rohrs zu beeinflussen. Grund dafür ist der
so genannte Skineffekt, der bei hochfrequenten
Strömen auftritt. Auf ihn ist zurückzuführen,
dass der Strom nur unmittelbar in den
Kanten des Schlitzrohrs fließt. Seine Eindringtiefe
beträgt je nach Frequenz mehrere zehntel
Millimeter. Die Konzentration des Stroms auf
einen so engen Bereich in den Kanten wird
noch dadurch erhöht, dass sie nahe beieinander
liegen und die Ströme in den Kanten in
entgegengesetzte Richtungen fließen. Außerdem
wird das Rohr induktiv, also berührungslos
erwärmt, sodass keine Einbrandkerben entstehen.
Zur Erwärmung wird ein Ringinduktor, bestehend
aus einer Spule mit einer oder mehreren
Windungen, um das Rohr gelegt (Abb. 9). Er
wird von einem Hochfrequenzgenerator gespeist,
dessen Betriebsfrequenz zwischen 50
Geschweißte Präzisionsstahlrohre 23
Konduktive
Erwärmung
Induktives
HF-Schweißen

24 Herstellung von Präzisionsstahlrohren
Schabstahl
Abb. 9:
Induktives HF-
Schweißen
Entfernung von
Stauchwulsten
Zuschneiden
der Rohre
Induktor
Messerrolle
Seitenrollen
Druckrollen
Bandstahl
und 500 kHz liegt. Um den Induktor bildet
sich ein elektromagnetisches Feld, das im
Rohr eine elektrische Spannung induziert, die
wiederum einen Strom fließen lässt. Dieser erzeugt
augenblicklich die notwendige Schweißtemperatur.
Im Rohrinnern befindet sich ein
gekühlter Ferritkern, der so genannte Impeder,
der das elektrische Feld günstig beeinflusst.
Um den hochfrequenten Wechselstrom zu erzeugen,
kommen HF-Generatoren mit Leistungstransistoren
zum Einsatz.
Nachbearbeitung in der Schweißmaschine
Während des Schweißprozesses bilden sich an
der Innen- und Außenseite der Längsnaht
Stauchwulste, die nach dem Fügen durch Schaben
entfernt werden. Rohre, die noch kaltgezogen
werden, schabt man so, dass keine Kerben
entstehen. So lässt sich sicherstellen, dass das
Rohr eine glatte Oberfläche erhält.
Danach werden die Endlosrohre von einer mitlaufenden
Trennsäge auf die jeweils gewünschte
Länge zugeschnitten. Da es sich um
einen kontinuierlichen Prozess handelt, ent-
spricht die Vorschubgeschwindigkeit des Sägetischs
der Schweißgeschwindigkeit. Gleichzeitig
werden die Stellen herausgeschnitten, an
denen die zu einem Endlosband verbundenen
Bandstücke miteinander verschweißt waren.
Da das Schweißen den wichtigsten Arbeitsschritt
bei der Rohrherstellung bildet, ist es
unerlässlich, die Schweißnaht laufend zu kontrollieren.
Nach einem festgelegten Plan werden
daher Proben entnommen und geprüft:
Ein Schliffbild des Nahtquerschnitts gibt beispielsweise
Aufschluss über die Symmetrie
des Schweißnahtgefüges, den Reinheitsgrad
der Naht sowie die Qualität der Innen- und
Außenschabung (Abb. 10). Anhand einer Auf-
weitprobe, für die ein Stück vom Rohrende
abgetrennt und mit einem kegelförmigen
Dorn aufgeweitet wird, prüft man die Dehnbarkeit
der Schweißnaht und des Rohrs. Die
Quetschprobe dient dazu, Innen- und Außenbereich
der Schweißnaht getrennt auf Fehler
zu untersuchen. Sie wird zweimal durchgeführt,
wobei die Schweißnaht einmal die 12-
Geschweißte Präzisionsstahlrohre 25
Laufende
Kontrolle der
Schweißnaht
Abb. 10:
Schliffbilder einer
Pressschweißnaht
mit ungeschabtem
Stauchwulst (links),
mit Innen- und
Außenschabung
(rechts)

26 Herstellung von Präzisionsstahlrohren
Abb. 11:
Ausgangsmaterial für
nahtlose Präzisionsrohre:
Stangen
Ausgangsmaterial:
Stangen
Uhr- und einmal die 3-Uhr-Lage einnimmt.
Zusätzlich können die Rohre mithilfe des
Wirbelstrom- und des Ultraschallverfahrens
zerstörungsfrei und kontinuierlich auf Fehler
untersucht werden.
Nahtlose Präzisionsstahlrohre
Vorbereitung
Im Gegensatz zu geschweißten Rohren werden
nahtlose Rohre durch Warmumformprozesse
aus gewalztem Rundstahl oder Rundstrangguss
(Abb. 11) in so genannten Straßen zweiter
Hitze hergestellt. Das Ausgangsmaterial wird
schon erkaltet angeliefert. Es wird zunächst auf
Qualitätsmängel wie Oberflächenbeschädigungen
geprüft und anschließend in einem gasbeheizten
Drehherdofen auf die Walztemperatur
erwärmt, die je nach Werkstoff zwischen 1200
und 1300 °C liegt. Um die Stangen im anschließenden
Arbeitsschritt in den Schrägwalzwerken
zentrisch lochen zu können, müssen sie
sehr gleichmäßig erwärmt werden. Haben sie
die richtige Temperatur erreicht, werden sie
entsprechend dem Walztakt dem Ofen entnommen
und entzundert.
Lochen
Das Lochen des Rundstahls erfolgt nach dem
Schrägwalzverfahren: Dazu werden die massiven
Stangen zwischen zwei waagerecht, aber
schräg zueinander liegende Walzen geschoben,
deren Walzspalt kleiner ist als der Stangendurchmesser
(Abb. 12). Dann schieben die
beiden gleichsinnig laufenden Walzen die
Stange vorwärts. Gleichzeitig wird sie gedreht
– es findet also eine schraubenförmige Bewegung
statt. Verzögert man nun die Vorwärtsbewegung
durch einen Dorn, erfolgt
eine Verschiebung der Stoffteilchen an der
Oberfläche, gleichzeitig bildet sich ein Hohlraum.
Bei diesem Fertigungsprozess ist es
allerdings wichtig, dass die Temperatur des
Werkstücks und der damit verbundene Form-
Stange
Nahtlose Präzisionsstahlrohre 27
Dornstange
Schrägwalzen
Hohlkörper
Schrägwalzverfahren
Bildung eines
Hohlkörpers
Abb. 12:
Lochen einer Stange
mithilfe des Schrägwalzverfahrens

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Die RoRo Holding AG ist mit ihren Tochtergesellschaften
Rothrist Rohr (Schweiz) AG, Rothrist Rohr (Deutschland)
GmbH sowie der Rothrist Tube (USA) Inc. zu einem der bedeutendsten
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