Entmagnetisierung ferromagnetischer Werkstoffe

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 Entmagnetisieren von Werkstücken untersucht, die qualitative, reproduzierbare und wirtschaftliche Ergebnisse zulassen.

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 Naturphänomenen und technischen Anwendungen. Beispielsweise in der Betrachtung des Erdmagnetfeldes und deren Auswirkung bei der Benutzung eines Kompass . Die Stärke magnetischer Felder kann physikalisch durch die magnetische Feldstärke H [A/m] und die magnetische Flussdichte B [T] (magnetische Induktion) ausgedrückt werden. Betrachtet man das gesamte Bündel aller vorhandenen Feldlinien und bezieht diese auf die jeweilige Fläche, so ist das Ergebnis die magnetische Flussdichte. Die Flussdichte B ist umso höher, je höher die Feldstärke H ist .

Wird ein Kupferkabel, welches mit N Windungen um eine Eisenprobe gelegt ist, mit einem Strom I durchflossen, 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.Bild Entmagnetisierung ferromagnetischer Werkstoffe klein

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 Ansteigen 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 Kurvenast, der oberhalb davon liegt, ab. Wird H=0, bleibt aufgrund dieser Tatsache eine Restflussdichte zurück. Diese „Restmagnetisierung“ ist dafür verantwortlich, 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.

Ferromagnetische Werkstoffe

Ferromagnetisch bedeutet, dass ein Stoff ohne Einwirkung eines äußeren Feldes magnetisch ist. Die Ursache hierfür liegt auf unterschiedlichen Betrachtungsebenen. Während auf atomarer Ebene Wechselwirkungen von Elektronenhüllen über Bahndrehimpulse und Spinmomente für eine parallele Ausrichtung der atomaren magnetischen Momente sorgt (und damit eine Magnetisierung bewirkt), kam der Physiker 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 Nachbarn identischer Größe, der entgegengesetzt magnetisch 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 machen. Grundsätzlich weisen vor allem die Legierungselemente Eisen, Nickel und Cobalt ferromagnetische Eigenschaften auf.

Magnetische Felder in Halbzeugen aus ferromagnetischen 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 einem stranggegossenen Halbzeug werden nun Weiß’sche Bezirke voneinander getrennt und bilden kein Gleichgewicht mehr. So können beispielsweis an Nahtflanken zum Schweißen Ungleichgewichtszustände vorliegen, die einen Lichtbogen beim Schweißen beeinflussen. Eine weitere Möglichkeit für dessen Beeinflussung ist unter [5] genannt. Hier wird davon ausgegangen, dass hartmagnetische Stellen, ausgelöst 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 Gleichstrom durchgeführt wird, zu einer Magnetisierung in den Rohrabschnitten führen kann.

Folgen des Magnetismus beim Schweißen

Beim Schweißen wird über das ionisierte Gas und sich bewegender freier Ladungsträger ein Hochtemperaturplasma 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 magnetischen Feldern wie ein elektrischer „Leiter“ und ist infolge dessen anfällig gegenüber elektrischen und magnetischen Störgrößen. Liegt im zu verschweißenden Werkstoff eine kritische magnetische Flussdichte B vor, wird die Plasmasäule, je nach Polarität, angezogen oder abgestoßen. Der Lichtbogen ist nun, unabhängig von der Brennerposition, abgelenkt und verhält sich instabil. Die Folgen können eine unzureichende Flankenerfassung in der Nahtvorbereitung und damit Bindefehler im Schweißergebnis sein. Die Tropfenablösung wird negativ beeinflusst, der Lichtbogen 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 Bauteile und somit zu einem gravierenden qualitativen und wirtschaftlichen Schaden.

Entmagnetisieren ferromagnetischer Werkstoffe

Durch die Vorüberlegungen wird deutlich, dass sich ferromagnetische Werkstoffe durch eine Stromdurchflutung mit Wechselstrom entmagnetisieren lassen. Im Beispiel des Rohres müssen mithilfe eines Kupferkabels Windungen (Anzahl N) um das Rohr gelegt werden. Diese Windungen um das Rohr werden jetzt mit einem Strom I beaufschlagt, der nach einer gewissen Zeit seine Flussrichtung und ebenfalls seine Amplitude, hin zu einem niedrigeren Wert, ändert. Bei jeder Wiederholung dieses Durchgangs wird die Stromamplitude weiter gesenkt. Durch diesen Vorgang wird, wie in Abb. 3 dargestellt, erreicht, dass die magnetische Feldstärke B und damit auch der Restmagnetismus im Werkstoff gegen Null geht.

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 Pipelinebau, konzipiert. 100% sicheres Fallnahtschweißen mit bis zu 6 mm dicken Cellulose-Elektroden an jedem Ort der Welt zeichnen das Gerät aus. Betriebstemperaturen von -25°C bis +40°C und Netzspannungstoleranzen von bis zu 25% stellen im Einsatz kein Hindernis dar. Zusätzlich besitzt die Stromquelle die Funktion einen kontinuierlichen Entmagnetisierungsprozess durchzuführen. Das bedeutet für den Anwender: Keine Instabilitäten des Lichtbogens mehr, spritzerarme und qualitativ hochwertige Schweißergebnisse, keine Nacharbeit und damit wirtschaftliches Arbeiten ohne Kompromisse.

Neben der Schweißstromquelle mit Entmagnetisierungsfunktion, bietet EWM die degauss 600 als reine Entmagnetisierungsstromquelle an (Abb. 5). Beide Geräte werden für den Entmagnetisierungsvorgang mit allen benötigten Hilfsmitteln ausgeliefert

Entmagnetisieren eines warmfesten Rohres der Legierung P91

Zu Versuchsbeginn wurden an einem Rohr mit Ø 400 mm und einer Wandstärke von 38 mm die magnetischen Flussdichten B mithilfe eines Gaußmeters bestimmt. Durch einen anschließenden Schweißversuch konnte festgestellt werden, dass der Lichtbogen besonders im oberen Bereich der Flanken der Nahtvorbereitung stark ausgelenkt wird, da hier das Magnetfeld auf einer Seite positiv und auf der gegenüberliegenden Seite negativ anliegt.

Um die Entmagnetisierung des Rohres durchzuführen, wurden auf den Rohrhälften Massekabel angelegt (Abb. 7) Das Aufwickeln des Massekabels erfolgte in Form einer einlagigen Spulenwicklung mit zehn Windungen je Rohrhälfte. Die Entmagnetisierung wurde nun mit der EWM Pico 350 cel puls PWS DGS durchgeführt. Beginnend ab 350A läuft der Entmagnetisierungsvorgang, wie unter dem Punkt „Entmagnetisieren ferromagnetischer Werkstoffe“ beschrieben, automatisch durch. Durch das gleichmäßige Entmagnetisieren 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 störungsfrei schweißen lässt.

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 Lichtbogen zu beurteilen.

Mit Hilfe der EWM Pico 350 cel puls PWS DGS konnte das zuvor magnetisierte Pipelinerohr P91 sicher entmagnetisiert werden. Der Vergleich zwischen magnetisierten und entmagnetisierten Rohr ist in Abb. 7 dargestellt.

Empfehlungen zum Entmagnetisieren

Die EWM Pico 350 cel puls PWS DGS sowie die degauss 600 liefert dem Anwender ein fest hinterlegtes Ablaufprogramm zum Entmagnetisieren von Blechen und Rohren. Die Schrittweiten der Stromänderungen sind entsprechend von Versuchen gewählt und fest in der Ablaufsteuerung hinterlegt, so dass Fehler in der praktischen Anwendung in Bezug auf den eigentlichen Entmagnetisierungsvorgang ausgeschlossen sind.

Besondere Beachtung sollte jedoch der Windungszahl gewidmet werden, die um das zu entmagnetisierende Werkstück gelegt werden. Grundsätzlich gilt, dass die Restmagnetisierung mit zunehmender Windungszahl nach erfolgreicher Entmagnetisierung abnimmt und in Folge dessen das Schweißergebnis verbessert wird. Die beschriebenen Versuche wurden mit zehn Windungen je Seite durchgeführt und brachten sehr gute Ergebnisse im Schweißverhalten bzw. keine feststellbare Ablenkung des Lichtbogens. Untersuchungen mit nur fünf Windungen ergaben einen etwa dreimalhöheren 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 gewählt werden, dass keine Beeinflussung eines möglichen Restmagnetismus auf den Schweißprozess zu erwarten ist, die Arbeiten zum Entmagnetisieren aber auch wirtschaftlich durchführbar sind.

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