Restsauerstoffmessgeräte

Als Restsauerstoff wird der Sauerstoff bezeichnet, der nach dem Formieren noch im Inneren des Rohres oder Behälters vorhanden ist. Da Sauerstoff bei hohen Temperaturen mit dem Werkstoff reagiert, kann er die Qualität der Schweißnaht erheblich beeinflussen.

Vor allem beim Orbitalschweißen von Edelstahl, hochlegierten Werkstoffen oder Reinstmedienleitungen ist ein möglichst geringer Sauerstoffanteil entscheidend für eine saubere Wurzelausbildung und eine hohe Korrosionsbeständigkeit.

Das Messen des Restsauerstoffs schafft Sicherheit vor dem Schweißbeginn. Ohne Messung lässt sich nicht zuverlässig feststellen, ob das Formiergas den Sauerstoff bereits ausreichend verdrängt hat.

Eine Restsauerstoffmessung hilft dabei:

• Schweißfehler zu vermeiden
• Anlauffarben zu reduzieren
• Ausschuss und Nacharbeit zu minimieren
• reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen
• Qualitätsanforderungen sicher einzuhalten

Gerade in Branchen mit hohen Qualitätsstandards ist die Messung daher ein wichtiger Bestandteil der Prozesssicherung und Dokumentation.

Für die Messung wird eine Probe des Formiergases aus dem Rohrinneren entnommen und dem Messgerät zugeführt. Das Gerät analysiert den Sauerstoffgehalt und zeigt den Wert üblicherweise in ppm (Parts per Million) an. Sobald der vorgegebene Zielwert erreicht wird, kann der Schweißprozess gestartet werden. Moderne Systeme wie das Restsauerstoffmessgerät OXY EVO von Orbitec ermöglichen sogar eine automatische Freigabe des Schweißbeginns auf Basis des gemessenen Sauerstoffwertes.

Die Messung erfolgt während des Formierens und unmittelbar vor Schweißbeginn. Bei besonders anspruchsvollen Anwendungen wie bspw. das Orbitalschweißen von Rohrleitungen in der Pharma- oder Halbleiterindustrie, kann der Sauerstoffgehalt zusätzlich während des Schweißprozesses überwacht werden. In solchen Fällen kann das Restsauerstoffmessgerät Oxy EVO + PPA von Orbitec den Sauerstoffgehalt im Rohrinneren kontinuierlich messen und die Werte direkt an die Orbitalsteuerung übermitteln. Wird der definierte Grenzwert überschritten, wird dies erkannt, dokumentiert und bei Bedarf unmittelbar in den Prozess einbezogen. Dadurch wird eine gleichbleibend hohe Schweißnahtqualität auch bei kritischen Anwendungen sichergestellt.

Im Orbitalschweißen sind sehr kleine Sauerstoffmengen entscheidend für die Qualität der Schweißnaht. Prozentangaben sind dafür häufig zu ungenau.
Beispielsweise entsprechen:

• 0,1 % Sauerstoff = 1.000 ppm
• 0,01 % Sauerstoff = 100 ppm

Da beim Schweißen häufig Werte deutlich unter 100 ppm relevant sind, hat sich die Angabe in ppm als Industriestandard etabliert.

Der erforderliche Grenzwert hängt von Werkstoff, Anwendung und Qualitätsanforderungen ab. Für viele Anwendungen im Rohrleitungsbau gilt ein Wert von unter 30 ppm als ausreichend für den Schweißbeginn. In sensiblen Bereichen wie Pharma-, Halbleiter- oder Reinstmedienanlagen werden teilweise noch niedrigere Werte gefordert.

Der Grenzwert von 30 ppm hat sich in vielen hochwertigen Schweißanwendungen als praxisgerechter Richtwert etabliert. Bei höheren Sauerstoffkonzentrationen steigt das Risiko für:

• Oxidation der Wurzelseite
• stärkere Anlauffarben
• verringerte Korrosionsbeständigkeit
• zusätzlichen Reinigungsaufwand

Daher wird der Schweißprozess in vielen Betrieben erst freigegeben, wenn der definierte ppm-Wert unterschritten wird. Bei den EVO-Orbitalsteuerungen von Orbitec kann der Freigabewert individuell eingestellt werden.

Befindet sich zu viel Sauerstoff im Rohrinneren, reagiert dieser mit dem erhitzten Werkstoff. Mögliche Folgen:

• Verfärbungen der Schweißnaht
• Oxidschichten auf der Wurzelseite
• schlechtere Korrosionsbeständigkeit
• aufwendige Nacharbeit
• Ausschuss von Bauteilen

Besonders kritisch ist dies bei Produkten mit hohen Reinheitsanforderungen.

Anlauffarben entstehen durch Oxidation des Werkstoffs bei hohen Temperaturen. Je mehr Sauerstoff während des Schweißens vorhanden ist, desto stärker können die Verfärbungen ausfallen. Die Farben reichen von hellgelb bis hin zu dunklen Blau- und Schwarztönen und dienen häufig als Indikator für die Qualität der Schutzgasatmosphäre.

Die Zeit bis zum Erreichen des gewünschten Sauerstoffwerts wird unter anderem beeinflusst durch:

• Rohrdurchmesser
• Rohrlänge
• Anzahl von Bögen und Abzweigungen
• Dichtigkeit des Systems
• Position der Gaszu- und -abführung
• Durchflussmenge des Formiergases

Deshalb können identische Spülzeiten in unterschiedlichen Anlagen zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen führen.

Viele Unternehmen arbeiten mit Erfahrungswerten und festen Spülzeiten. Diese berücksichtigen jedoch nicht die tatsächlichen Prozessbedingungen. Eine Restsauerstoffmessung wie sie mit den Geräten von Orbitec erfolgt, zeigt dagegen den realen Zustand im Rohrinneren und ermöglicht eine sichere Entscheidung über den Schweißbeginn. Dadurch lassen sich Qualitätsrisiken reduzieren und gleichzeitig unnötige Wartezeiten vermeiden.

Ohne Messung wird häufig länger formiert als notwendig. Durch die kontinuierliche Überwachung des Sauerstoffwerts kann der Schweißprozess unmittelbar nach Erreichen des Zielwerts gestartet werden. Dadurch lassen sich:

• Formierzeiten verkürzen
• Argonverbrauch reduzieren
• Prozesskosten senken
• Produktivität erhöhen

Gerade bei Serienfertigungen kann daraus ein erhebliches Einsparpotenzial entstehen.

Eine besonders hohe Bedeutung hat die Restsauerstoffmessung bei:

• Edelstahl
• Duplex-Stählen
• Superduplex-Stählen
• Titan
• Nickelbasislegierungen

Je höher die Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenqualität, desto wichtiger wird die Kontrolle des Sauerstoffgehalts.

Restsauerstoffmessung wird überall dort eingesetzt, wo hochwertige Rohrverbindungen gefordert sind:

• Pharmaindustrie
• Biotechnologie
• Lebensmittelindustrie
• Getränkeindustrie
• Chemieanlagenbau
• Halbleiterindustrie
• Reinstgasversorgung
• Energie- und Kraftwerkstechnik

Hier stehen reproduzierbare und dokumentierbare Prozesse im Vordergrund.

In vielen Projekten müssen Schweißprozesse nachvollziehbar dokumentiert werden. Die Aufzeichnung der Sauerstoffwerte bietet:

• Nachweis gegenüber Kunden
• Unterstützung bei Audits
• Rückverfolgbarkeit der Fertigung
• höhere Prozesssicherheit

Digitale Messwertprotokolle erleichtern die Qualitätssicherung erheblich.

Ein Restsauerstoffmessgerät lohnt sich insbesondere dann, wenn:

• hochwertige Edelstähle verarbeitet werden
• Ausschusskosten reduziert werden sollen
• Qualitätsnachweise erforderlich sind
• Formiergas eingespart werden soll
• wiederkehrende Schweißaufgaben durchgeführt werden

Bereits wenige vermiedene Nacharbeiten können die Investition wirtschaftlich rechtfertigen.

Mobile Geräte wie das OXY-Smart eignen sich besonders für:

• Baustellen
• Rohrleitungsmontagen
• Serviceeinsätze
• Instandhaltung

Sie ermöglichen eine direkte Qualitätskontrolle vor Ort und sparen zusätzliche Transport- oder Prüfaufwände

Neben dem Sauerstoffgehalt beeinflusst auch der Formiergasdruck die Qualität der Schweißwurzel. Die kombinierte Überwachung empfiehlt sich insbesondere bei:

• dünnwandigen Rohren
• kleinen Rohrdurchmessern
• automatisierten Schweißprozessen
• dokumentationspflichtigen Anwendungen

Durch die Kontrolle beider Parameter lassen sich stabile und reproduzierbare Schweißergebnisse erzielen. Die Orbitec-Lösung OXY EVO + PPA wurde speziell für diese kombinierte Überwachung entwickelt.