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Entmagnetisieren von Rohren und Blechen vor dem Schweißen

Entmagnetisieren

Magnetismus ist für eine schweißtechnische Verarbeitung von Stahl unerwünscht. Die Folgen von unerwünschtem Restmagnetismus in Stahlteilen ist ein instabiler und abge-lenkter Lichtbogen. Dieser Effekt kann so groß sein, dass ein Schweißen unmöglich wird.

Unter Einsatz der degauss 350 können Sie Ihre Werkstoffe und Bauteile entmagnetisie-ren. Nach einfacher Installation der Komponenten am Bauteil läuft der kontinuierliche Entmagnetisierungsvorgang in kürzester Zeit selbstständig ab.

Das Entmagnetisieren zeigt sich sofort im anschließenden Schweißprozess.Ihr Schweißergebnis kann sich sehen lassen: Der Lichtbogen ist stabil und wird nicht mehr abgelenkt, keine unnötigen Zündstellen mehr, saubere Nahtflankenerfassung ohne Bindefehler, perfekte Ergebnisse ohne Ausschuss und Nacharbeit.

/ Entmagnetisieren von magne-tischen Bauteilen, wie Rohre und Bleche

/ Ein-Knopf-Bedienung Automatischer Ablauf des Entmagnetisierungsvor-gangs

/ Stabiler Schweißprozess ohne magnetische Ablenkung – per-fektes Schweißergebnis ohne Nacharbeit

Entmagnetisieren

degauss 350

Ihre Vorteile

17EWM AG /// www.ewm-group.com

degauss 350 / Kompakte und baustellentaugliche

Entmagnetisierungsstromquelle / Ein-Knopf-Bedienung / Automatischer Entmagnetisierungsvorgang

/ Kein Ablenken des Lichtbogens durch Restmagne-tismus im Bauteil

/ Vermeidung von Bindefehlern durch mangelhafte Nahtflankenerfassung

/ Minimierung von Nacharbeit / Wirtschaftliche und qualitativ hochwertige

Ergebnisse / Entmagnetisieren von Rohren und Blechen

Anwendervorteile

/ Alle benötigten Komponenten zum Entmagnetisie-ren sind im Set enthalten

/ Schneller Anschluss am Rohr durch drei Lastkabel / Ein-Knopf-Bedienung / Automatischer Entmagnetisierungsvorgang / Einsatz bei -25°C bis +40°C bei Netzspannungsto-

leranzen von +/- 20% / Tragbar und robust

Einfachste Handhabung

Entmagnetisieren von Rohren und Blechen

Ihre Vorteile

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Entmagnetisieren und Schweißen mit nur einem Gerät

E-Hand / Entmagnetisieren

E-Hand-Schweißen

Entmagnetisieren

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D 200

Pico 350 cel puls pws dgsResistent gegen Kälte, Hitze, Regen und Schmutz, enorm robust für den härtesten Einsatz und dank geringem Gewicht ideal für wechselnde Einsatzorte!

100 % fallnahtsicheres Schweißen von CEL-Elektroden

MAG-Schweißen mit Drahtvorschubgerät Pico drive 4L oder Pico drive 200C

Entmagnetisieren von Rohren und Blechen

Bester Schutz / Schutz gegen Eindringen von

Fremdkörpern / Einsetzbarer Staubschutzfilter

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Für den harten Einsatz / Robuste Bodenkonstruktion

ermöglicht Abstellen auch in Schmutz und nasser Umgebung

Polwendeeinrichtung / Serienmäßig integriert (PWS-Aus-

führung)

Besonders langlebig / Serienmäßige Bedienfeld-

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Einfach praktisch / Robuster Tragegriff mit

Schultergurt / Serienmäßiger Netzkabel-

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Pico 350 cel puls pws dgsmit Steuerung E-1.03 (MMA Pro PWS) Polarität wählbar

Pico drive 4L oder Pico drive 200Cvielseitig einsetzbar durch MAG CC-CV zum MAG-Schweißen und für selbst-schützende Fülldrähte

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Entmagnetisieren / Automatische Entmagnetisierungs-

funktion zum Beseitigen von Rest-magnetismus in Rohren und Blechen

oder

Pico 350 cel puls pws dgsNetzspannung: 3 x 400 V (-25 % - +20 %)Netzsicherung: 3 x 16 ALeerlaufspannung: 95 VSchweißstrom: 10 A - 350 AEinschaltdauer: 350 A / 35 % 280 A / 60 % 230 A / 100 %cos φ: 0,99Wirkungsgrad: 88%

19EWM AG /// www.ewm-group.com

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EWM AG 1

Entmagnetisierung ferromagnetischer Werkstoffe. Andreas Burt, Martin Hartke EWM AG, Mündersbach Beim Lichtbogenschweißen von ferromagnetischen Werkstoffen ist Magnetismus unerwünscht, da er zu einem sehr instabilen Prozessverhalten und ungenügenden Schweißergebnissen führt, sogar soweit, dass ein Schweißen mit Lichtbogen unmöglich wird. In der kurzen Ausarbeitung wird näher auf den Mechanismus des Magnetismus in Zusammenhang mit einer Schweißtechnischen Verarbeitung eingegangen und es werden Lösungen zum Entmag-netisieren von Werkstücken untersucht, die qualitative, reproduzierbare und wirtschaftliche Ergebnisse zulassen. 1 Magnetische Felder Magnetismus und magnetische Phänomene sind schon sehr lange bekannt. In der Antike nur unter Nutzung von Magneteisensteinen zu beobachten, begegnet uns Magnetismus heute in vielen Naturphä-nomenen und technischen Anwendungen. Beispiels-weise in der Betrachtung des Erdmagnetfeldes und deren Auswirkung bei der Benutzung eines Kompass [1] [2]. Die Stärke magnetischer Felder kann physika-lisch durch die magnetische Feldstärke H [A/m] und die magnetische Flussdichte B [T] (magnetische In-duktion) ausgedrückt werden. Betrachtet man das gesamte Bündel aller vorhandenen Feldlinien und bezieht diese auf die jeweilige Fläche, so ist das Er-gebnis die magnetische Flussdichte. Die Flussdichte B ist umso höher, je höher die Feldstärke H ist [3].

Abb. 1: Hystere-seschleife [3]

Wird ein Kupferkabel, welches mit N Windungen um eine Eisenprobe gelegt ist, mit einem Strom I durch-flossen, lässt sich die Eisenprobe magnetisieren. So lässt sich auch die Feldstärke H leicht verstehen, da diese ein Produkt aus der Anzahl der Windungen N und der Stromstärke I ist (Abb. 1). Im Beispiel einer völlig entmagnetisierten Eisenprobe ohne äußere Magnetfelder oder Durchflutungen ist die Flussdichte B=0, ebenso die Feldstärke H=0. Der kontinuierliche Anstieg der Feldstärke H hat ein An-steigen der Flußdichte B zur Folge, solange, bis die Sättigungsgrenze des Eisens erreicht ist. Wird die Feldstärke wieder verkleinert, so nimmt die Flußdichte nicht auf der Anstiegskurve, sondern auf einem Kur-venast, der oberhalb davon liegt, ab. Wird H=0, bleibt aufgrund dieser Tatsache eine Restflussdichte zurück [4]. Diese „Restmagnetisierung“ ist dafür verantwort-

lich, dass der Lichtbogen beim Schweißen nicht stabil brennen kann, es zu einem Pendeln und Ablenken des Lichtbogens kommt, die Tropfenablösung nicht gleichmäßig erfolgt, die Flankenanbindung unsauber ist und dies insgesamt zu einem ungenügenden Schweißergebnis führt. 2 Ferromagnetische Werkstoffe Ferromagnetisch bedeutet, dass ein Stoff ohne Ein-wirkung eines äußeren Feldes magnetisch ist. Die Ursache hierfür liegt auf unterschiedlichen Betrach-tungsebenen. Während auf atomarer Ebene Wech-selwirkungen von Elektronenhüllen über Bahndrehim-pulse und Spinmomente für eine parallele Ausrichtung der atomaren magnetischen Momente sorgt (und da-mit eine Magnetisierung bewirkt), kam der Physi-ker Pierre-Ernest Weiss 1907 auf die Idee, dies über die Existenz magnetischer Bereiche zu deuten [3]. Jeder Weiß´sche Bezirk ist mit allen magnetischen Momenten in sich ausgerichtet und hat einen Nach-barn identischer Größe, der entgegengesetzt magne-tisch vorliegt. Dies lässt sich auch anschaulich über Versuche auf polierten Werkstückoberflächen mit feinster Magnetitsuspension nachweisen, wobei sich die feinsten Magnetitteilchen an den Grenzen der Weiß´schen Bezirke ablagern und diese sichtbar ma-chen. Grundsätzlich weisen vor allem die Legierungs-elemente Eisen, Nickel und Cobalt ferromagnetische Eigenschaften auf. Magnetische Felder in Halbzeugen aus ferromagneti-schen Werkstoffen heben sich nach der Herstellung und Abkühlung innerhalb des Halbzeugs auf, da die Weiß´schen Bezirke im Gleichgewicht sind. Bei der Herstellung von Blech- und Rohrzuschnitten aus ei-nem stranggegossenen Halbzeug werden nun Weiß´sche Bezirke voneinander getrennt und bilden kein Gleichgewicht mehr. So können beispielsweis an Nahtflanken zum Schweißen Ungleichgewichtszu-stände vorliegen, die einen Lichtbogen beim Schwei-ßen beeinflussen. Eine weitere Möglichkeit für dessen Beeinflussung ist unter [5] genannt. Hier wird davon ausgegangen, dass hartmagnetische Stellen, ausge-löst durch fehlende Homogenität und Unreinheiten im Werkstoff, Permanentmagnetische Eigenschaften hervorrufen, die vor dem Schweißen entmagnetisiert werden müssen (Abb. 3). Andere Quellen [6] weisen darauf hin, dass die magnetische Rissprüfung, die insbesondere am Anfang und Enden von Rohren mit

EWM AG 2

Gleichstrom durchgeführt wird, zu einer Magnetisie-rung in den Rohrabschnitten führen kann.

Abb. 3: Hartmagnetische Bereiche im Werkstoff [5] 3 Folgen des Magnetismus beim Schweißen Beim Schweißen wird über das ionisierte Gas und sich bewegender freier Ladungsträger ein Hochtem-peraturplasma zwischen einer Kathode und einer Anode gebildet, welches für ein starkes Erwärmen und Schmelzen der zu verschweißenden Werkstoffe führt. Diese Plasmasäule ist unendlich beweglich und verhält sich gegenüber elektrischen und magneti-schen Feldern wie ein elektrischer „Leiter“ und ist infolge dessen anfällig gegenüber elektrischen und magnetischen Störgrößen. Liegt im zu verschweißen-den Werkstoff eine kritische magnetische Flussdichte B vor, wird die Plasmasäule, je nach Polarität, ange-zogen oder abgestoßen. Der Lichtbogen ist nun, un-abhängig von der Brennerposition, abgelenkt und verhält sich instabil. Die Folgen können eine unzu-reichende Flankenerfassung in der Nahtvorbereitung und damit Bindefehler im Schweißergebnis sein. Die Tropfenablösung wird negativ beeinflusst, der Licht-bogen pendelt und bewegt sich auf dem Werkstück. Die Energie kann nicht dort eingebracht werden, wo diese benötigt wird. Alles führt vom Anwender aus betrachtet zu ungenügenden Schweißergebnissen, massiver Nacharbeit bis hin zum Ausschuss der Bau-teile und somit zu einem gravierenden qualitativen und wirtschaftlichen Schaden. 4 Entmagnetisieren ferromagnetischer Werkstoffe Durch die Vorüberlegungen wird deutlich, dass sich ferromagnetische Werkstoffe durch eine Stromdurch-flutung mit Wechselstrom entmagnetisieren lassen. Im Beispiel des Rohres müssen mithilfe eines Kupferka-bels Windungen (Anzahl N) um das Rohr gelegt wer-den. Diese Windungen um das Rohr werden jetzt mit einem Strom I beaufschlagt, der nach einer gewissen Zeit seine Flussrichtung und ebenfalls seine Amplitu-de, hin zu einem niedrigeren Wert, ändert. Bei jeder Wiederholung dieses Durchgangs wird die Stromamplitude weiter gesenkt. Durch diesen Vor-gang wird, wie in Abb. 4 dargestellt, erreicht, dass die magnetische Feldstärke B und damit auch der Rest-magnetismus im Werkstoff gegen Null geht.

Abb. 4: Ablauf der Entmagnetisierung [3] 4 Anwendungstechnische Lösung – Pico 350 cel puls PWS DGS Die Stromquelle EWM Pico 350 cel puls PWS DGS (Abb. 5) ist als E-Handschweißgerät eigentlich für die extremen Situationen, gerade im Rohr- und Pipeline-bau, konzipiert. 100% sicheres Fallnahtschweißen mit bis zu 6 mm dicken Cellulose-Elektroden an jedem Ort der Welt zeichnen das Gerät aus. Betriebstempe-raturen von -25°C bis +40°C und Netzspannungstole-ranzen von bis zu 25 % stellen im Einsatz kein Hin-dernis dar. Zusätzlich besitzt die Stromquelle die Funktion einen kontinuierlichen Entmagnetisierungs-prozess durchzuführen. Das bedeutet für den Anwen-der: Keine Instabilitäten des Lichtbogens mehr, spritzerarme und qualitativ hochwertige Schweißer-gebnisse, keine Nacharbeit und damit wirtschaftliches Arbeiten ohne Kompromisse.

Abb. 5: EWM Pico 350 cel puls PWS DGS

B

I * N

EWM AG 3

Neben der Schweißstromquelle mit Entmagnetisie-rungsfunktion, bietet EWM die degauss 350 als reine Entmagnetisierungsstromquelle an (Abb. 6). Beide Geräte werden für den Entmagnetisierungsvorgang mit allen benötigten Hilfsmitteln ausgeliefert.

Abb. 6: EWM degauss 350

5 Entmagnetisieren eines warmfesten Roh-res der Legierung P91 (X10CrMoVNb9-1) Zu Versuchsbeginn wurden an einem Rohr mit Ø 400 mm und einer Wandstärke von 38 mm die magnetischen Flussdichten B mithilfe eines Gaußme-ters bestimmt. Durch einen anschließenden Schweiß-versuch konnte festgestellt werden, dass der Lichtbo-gen besonders im oberen Bereich der Flanken der Nahtvorbereitung stark ausgelenkt wird, da hier das Magnetfeld auf einer Seite positiv und auf der gegen-überliegenden Seite negativ anliegt. Um die Entmagnetisierung des Rohres durchzufüh-ren, wurden auf den Rohrhälften Massekabel angelegt (Abb. 7) Das Aufwickeln des Massekabels erfolgte in Form einer einlagigen Spulenwicklung mit zehn Win-dungen je Rohrhälfte. Die Entmagnetisierung wurde nun mit der EWM Pico 350 cel puls PWS DGS durch-geführt. Beginnend ab 350A läuft der Entmagnetisie-rungsvorgang, wie unter Punkt 4 beschrieben, auto-matisch durch. Durch das gleichmäßige Entmagneti-sieren mit sich wechselnder Stromflussrichtung und abnehmender Amplitude, können die Weiß´schen Bezirke kontinuierlich gedreht und gerichtet werden, so dass das Rohr Entmagnetisiert ist und sich stö-rungsfrei schweißen lässt.

Abb. 7: Spulenwicklung an einer Rohrhälfte Im Anschluss an die Entmagnetisierung wurden die sich eingestellten magnetischen Flussdichten an den vorgegebenen Markierungen erneut gemessen und dokumentiert. Ein erneuter Schweißversuch erfolgte, um die Wirkung der Entmagnetisierung auf den Licht-bogen zu beurteilen. Mit Hilfe der EWM Pico 350 cel puls PWS DGS konn-te das zuvor magnetisierte Pipelinerohr P91 sicher entmagnetisiert werden. Der Vergleich zwischen magnetisierten und entmagnetisierten Rohr ist in Abb. 8 dargestellt.

Abb. 8: Vergleich magnetisiertes und entmagnetisier-tes Rohr 6 Empfehlungen zum Entmagnetisieren Die EWM Pico 350 cel puls PWS DGS sowie die degauss 350 liefert dem Anwender ein fest hinterleg-tes Ablaufprogramm zum Entmagnetisieren von Ble-chen und Rohren. Die Schrittweiten der Stromände-rungen sind entsprechend von Versuchen gewählt und fest in der Ablaufsteuerung hinterlegt, so dass Fehler in der praktischen Anwendung in Bezug auf den eigentlichen Entmagnetisierungsvorgang ausge-schlossen sind. Besondere Beachtung sollte jedoch der Windungszahl gewidmet werden, die um das zu entmagnetisierende Werkstück gelegt werden. Grundsätzlich gilt, dass die

EWM AG 4

Restmagnetisierung mit zunehmender Windungszahl nach erfolgreicher Entmagnetisierung abnimmt und in Folge dessen das Schweißergebnis verbessert wird. Die beschriebenen Versuche wurden mit zehn Win-dungen je Seite durchgeführt und brachten sehr gute Ergebnisse im Schweißverhalten bzw. keine feststell-bare Ablenkung des Lichtbogens. Untersuchungen mit nur fünf Windungen ergaben einen etwa dreimal-höheren Wert für die magnetische Flussdichte B nach dem Entmagnetisierungsvorgang. Besonders in den Fugenflanken wirkte sich die geringere Windungszahl negativ aus. Aus diesem Grund sollte die Windungsanzahl so ge-wählt werden, dass keine Beeinflussung eines mögli-chen Restmagnetismus auf den Schweißprozess zu erwarten ist, die Arbeiten zum Entmagnetisieren aber auch wirtschaftlich durchführbar sind. 7 Quellenverzeichnis [1] Online-Quelle: http://www.weltderphysik.de/ gebie-te/stoffe/magnete/was-ist-magnetismus/, abgerufen am 13.08.2014 [2] Online-Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Magnet, abgerufen am 11.08.2014 [3] Ilschner, B., Singer, R.F.: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik – Eigenschaften, Vorgänge, Technologien. 5. Auflag, Springer Verlag Berlin, Hei-delberg, 2010, p. 292 [4] Haug, A.: Grundzüge der Elektrotechnik zur Schal-tungsberechnung. 2. Auflage, Hanser Verlag Mün-chen Wien, 1985, pp. 274-281 [5] Online-Quelle: http://umformtechnikmagazin.de/ umformtechnik-fachartikel/ungeliebte-eigenschaften_ 12916_de, abgerufen am 06.08.2014 [6] Online-Quelle: http://www.ndt.net/article/dgzfp03/ papers/p10/p10.htm, abgerufen am 06.08.2014