Hoge kwaliteit van de bevestigingsverbindingen bij fabrikanten en gebruikers

Abb. 1: Arbeiten in einer Reinraumumgebung / Fig.1: Werken in een cleanroomomgeving

Fig. 2: Geoptimaliseerde lasparameters voor een specifieke grondstoflading.

Fig. 2: Geoptimaliseerde lasparameters voor een specifieke batch materiaal.

Abb. 3: Schweißanweisung (Welding Procedure Specification) für die Herstellung eines bestimmten Bauteils. / Fig. 3: Welding Procedure Specification voor de productie van een specifiek onderdeel.

Abb. 3: Schweißanweisung (Welding Procedure Specification) für die Herstellung eines bestimmten Bauteils. / Fig. 3: Welding Procedure Specification voor de productie van een specifiek onderdeel.

Abb. 4: Gesloten WIG-orbitale laskop / Fig. 4: Gesloten orbitale laskop

Abb. 5: Reinraumgerechte Anlage: die geschlossene WIG-Orbitalschweißzange und das Bedienpult mit dem taktilen Bildschirm befinden sich im Inneren des Reinraumbereiches, während die Schweißstromquelle im Servicebereich außerhalb untergebracht ist. / Fig. 5: Lassenapparatuur met gesloten orbitale laskop en touchscreen binnen de cleanroom en de stroombron buiten in het servicegebied.

Abb. 6: Von Dockweiler im Falle von Schweißproblemen zur Verfügung gestellter Vordruck „Weldability Complaint Report“. / Fig. 6: Dockweiler’s Weldability Complaint Report.

Lasbaarheid als essentieel productkenmerk

Als fabrikant van voorgemonteerde inbouwonderdelen voor hoogzuivere roestvrijstalen buissystemen neemt het Duitse familiebedrijf Dockweiler een wereldleidende positie in op het gebied van installatiebouw in de sectoren halfgeleiders, farmacie, biotechnologie en fotovoltaïek. Een groot deel van de aangeboden componenten ontstaat door het samenlassen van onderdelen via lassen, daarom krijgt lastechniek binnen de bedrijfsfilosofie een hoge prioriteit.

Net als de meeste bedrijven die afhankelijk zijn van een succesvolle toepassing van hun lasprocessen, vertrouwt ook Dockweiler op systematische controles van alle inkomende voorproducten. In dit geval hoeft niet alleen de uitstekende kwaliteit van de in eigen huis vervaardigde lasverbindingen gewaarborgd te worden, maar moeten de klanten ook in staat worden gesteld om zelf lasnaden te produceren die voldoen aan de vaak uiterst strenge eisen.

De componenten uit het assortiment met eenvoudige geometrie, zoals buizen, bochten, aftakkingen, reducerstukken of deksels, evenals complexere modules zoals verzamelaars, kleppen, etc., zijn ontworpen om als onderdeel van een leidingensysteem te worden ingezet voor de bevoorrading van een hightech-productie-installatie met hoogzuivere vloeistoffen of gassen.

Uitgebreide controle van inkomende voorproducten

Bij Dockweiler ondergaan alle inkomende toeleveringsonderdelen een uitgebreide inkomenscontrole. Voorproducten worden alleen geaccepteerd als ze worden geleverd met de juiste certificaten, de chemische samenstelling van de basismaterialen wordt regelmatig geanalyseerd en moet ten minste voldoen aan de geldende normen of vastgestelde specificaties. De toleranties moeten binnen de vastgestelde grenzen blijven en de mechanische eigenschappen en de corrosiebestendigheid moeten ten minste de overeengekomen waarden bereiken.

Na een succesvolle inkomenscontrole worden de onderdelen onderzocht op hun lastechnische eigenschappen. In de meeste gevallen volstaat een visuele inspectie van enkele proeflassen die vooraf zijn uitgevoerd, om de parameters te bepalen die geprogrammeerd moeten worden voor het orbitale lassen van de proefstukken. De kwaliteit van de zo vervaardigde lasmonsters wordt onderworpen aan uitgebreide onderzoeken: zorgvuldige visuele inspectie van het lasnaadgebied, geometrie van de lassen aan de binnen- en buitenzijde rondom de gehele buis, toestand van het lasnaadoppervlak, kleurnuances, etc. Indien nodig wordt met metallografische snijbeelden vastgesteld of een voldoende en gelijkmatige doorlassing in alle posities is bereikt, hoe de warmte-invloedszone is opgebouwd en of er grobkornvorming of scheiding heeft plaatsgevonden. Samen met de mechanische eigenschappen van de lasverbinding en de corrosiebestendigheid worden de verkregen resultaten gebruikt voor een definitieve optimalisatie van de geprogrammeerde lasparameters. Aangezien een mogelijke verhoging van de lassnelheid vanwege de geringe buisdiameter geen economisch interessante verkorting van de boogbrandduur oplevert, kan de optimalisatie uitsluitend plaatsvinden in het belang van de best mogelijke lasnaadkwaliteit. In figuur 2 is een ingevuld formulier met de lasparameters voor een bepaald lot van de onderzochte basismaterialen getoond.

Interne bedrijfsnorm voldoet aan de strengste eisen

Het is nu de vraag of wellicht enkele of alle geteste voormaterialen voldoen aan de interne bedrijfsnorm van Dockweiler. Deze interne norm is ontworpen voor intern gebruik en omvat de strengste eisen van alle toepasbare normen en voorschriften. Onderdelen die volgens deze norm zijn vervaardigd, kunnen later aan alle klanten worden geleverd, volledig onafhankelijk van de in het specifieke geval geldende specificaties.

De overige voormaterialen worden beoordeeld volgens een uitgebreider classificatiesysteem en krijgen een beoordeling tussen 1 en 5. Op basis van deze beoordelingen wordt vervolgens beslist over de beste toepassing van het betreffende materiaal. Terwijl sommige onderdelen vanwege hun verwerkingseigenschappen wellicht beter geschikt zijn voor toepassingen in de farmaceutische sector, kunnen andere mogelijk ideaal zijn voor gebruik in de halfgeleiderproductie. Bij Dockweiler is men ervan overtuigd dat voor materialen in verband met halfgeleidertoepassingen slechts een beoordeling van 3 of beter in aanmerking komt.

Geavanceerde lastechniek

Een passende kwaliteit van de materialen en de juiste geometrie van de gebruikte onderdelen zijn onmisbare voorwaarden voor het behalen van uitstekende lasnaadkwaliteit, maar het lasproces zelf, de apparatuur, het verbruiks- en hulpstof, de arbeidsomstandigheden, etc., moeten eveneens met dezelfde zorg worden gekozen.

Het TIG-lassen behoort tot de meest geschikte verbindingsmethoden wanneer het gaat om het verbinden van gevoelige edelstalen of nikkelbasislegeringen. Bij dit proces worden geen lasdampen vrijgegeven en ontstaat geen spatten, de lasnaden hebben gladde en gelijkmatige oppervlakken en de lasparameters kunnen binnen ruime grenzen worden aangepast om de bijzondere eigenschappen van de basismaterialen niet negatief te beïnvloeden.

Zoals iedereen die het zelf heeft geprobeerd, kan bevestigen, blijkt het verbinden van dunwandige buizen met kleine diameters met behulp van de handmatige TIG-lastechniek een uiterst onhandige taak. Alleen onder goed opgeleid, hoog gemotiveerd laspersoneel vinden zich mensen die vaardig genoeg zijn om de gewenste resultaten te behalen; de slechte reproduceerbaarheid en een extreem lage productiviteit zijn slechts enkele redenen om het gebruik van deze methode, indien mogelijk, te vermijden.

Het orbitale TIG-lassen maakt het mogelijk om de productiviteit bij het verbinden van hoogwaardige buizen duurzaam te verhogen en een consequent hoge kwaliteit van de lassen te handhaven. De TIG-lasbrander wordt met behulp van een geschikte houder rondom de te verbinden buizen geleid. De geoptimaliseerde waarden van de lasparameters worden vooraf geprogrammeerd en opgeslagen in de besturingsunit van de installatie. De operator volgt de instructies van de voor de lasopdracht opgestelde lasprocedure (Welding Procedure Specification WPS); een volledige lasinstructie (WPS) voor het lassen van een T-stuk wordt weergegeven in figuur 3. Ter voorbereiding van het lassen positioneert de operator de orbitale laskop op de te verbinden werkstukken, daarna start hij de lascyclus. Het lasproces zelf verloopt vervolgens volledig automatisch, zonder dat de operator ingrijpen hoeft, en na afloop van de lascyclus verwijdert hij de orbitale laskop van de nu verbonden buizen en kan hij zich snel aan de volgende taak wijden.

Het lassen van dunwandige buizen kan zonder toevoegmateriaal plaatsvinden; de uiteinden van de te verbinden buizen worden door de vlam gesmolten en vormen zo de gewenste lasnaad. Een exemplaar van de speciaal voor deze taak ontwikkelde gesloten orbitale lasklemmen is weergegeven in figuur 4. Het gehele lasnaadgebied bevindt zich binnen de kamer die door de lasklem wordt gevormd. Voor, tijdens en na het lassen wordt deze kamer gevuld met inertgas, waardoor het vloeibare metaal van het smeltbad en de omliggende warmte-invloedszone betrouwbaar worden beschermd tegen ongewenste reacties met de zuurstof uit de lucht. De lasbrander zelf bestaat nu alleen nog uit een wolfraamelektrode, bevestigd aan een draaibare ring in de lasklem, die langs de lasnaad wordt geleid.

Lasapparatuur geschikt voor cleanroomgebruik

Om te voldoen aan de gestelde kwaliteitsnormen worden de door Dockweiler vervaardigde inbouwonderdelen in een cleanroomomgeving geproduceerd, zoals te zien in figuur 1. In een cleanroom heerst een gecontroleerde atmosfeer, dat wil zeggen dat het aantal en de grootte van zwevende deeltjes in de lucht onder vastgestelde grenswaarden blijven. De lucht wordt continu via filters onder het plafond aangevoerd en stroomt in een laminaire stroming door de ruimte. Eventuele deeltjes worden door de luchtstroom meegevoerd en verdwijnen via de afzuigopeningen aan de onderkant van de cleanroom.

Mensen die in een cleanroom aanwezig zijn, brengen aanzienlijke hoeveelheden deeltjes in de lucht, daarom moeten huid en haar zo veel mogelijk bedekt zijn. Personen die in een cleanroom werken, worden bovendien geadviseerd om plotselinge bewegingen te vermijden. Om vergelijkbare redenen zijn veel technische apparaten niet geschikt voor gebruik in een cleanroom, vooral als ze de laminaire stroming verstoren door hete oppervlakken of sterke ventilatoren.

Gesloten orbitale lasklemmen mogen in cleanrooms worden gebruikt. Hoewel ook bij elektrisch booglassen aanzienlijke hoeveelheden deeltjes worden vrijgegeven, blijven deze in dat geval binnen de kamer van de lasklem en kunnen ze de omgevingslucht niet vervuilen.

Stroombronnen voor het TIG-lassen genereren afkoeling, die via krachtige ventilatoren aan de omgeving wordt afgevoerd, waardoor ze volledig ongeschikt zijn voor gebruik in een cleanroom. In het kader van een vervanging van de lasapparatuur op de productielijn heeft Dockweiler van het Franse bedrijf Polysoude stroombronnen van het type P4 ontvangen, die speciaal voor gebruik in een cleanroom zijn ontworpen. Hierbij is de stroombron volledig gescheiden van de rest van de lasinstallatie en ondergebracht in de serviceruimte buiten de cleanroom, alleen het bedieningspaneel en de gesloten lasklem bevinden zich in de cleanroomomgeving (figuur 5).

De oppervlakken van het bedieningspaneel met geïntegreerd display zijn glad en daardoor gemakkelijk schoon te houden; er zijn geen schakelaars of andere bewegende delen die stof- of vuilophoping kunnen veroorzaken. Ook het dragen van beschermkleding vormt geen probleem voor de operator, de functietoetsen op het tactiele scherm kunnen eenvoudig met handschoenen worden bediend. Tijdens het lopende proces worden de meetwaarden uit de realtime lasgegevens continu geëvalueerd, zodat de verloop van de lascyclus en alle belangrijke lasparameters 'live' kunnen worden gevolgd via de grafische mens-machine-interface.

Programmeerebare en niet-programmeerbare lasparameters

Het ontstaan van een lasverbinding wordt door vele factoren beïnvloed, die over het algemeen worden aangeduid als lasparameters. Bij het orbitale TIG-lassen kennen de specialisten van Dockweiler een groot aantal van dergelijke factoren die het succesvolle vervaardigen van een lasverbinding meer of minder sterk kunnen beïnvloeden of het kunnen doen mislukken.

Sommige lasparameters hebben zo'n grote invloed op het proces dat het vanzelfsprekend wordt geacht om hun instellingen bij elke las te doen of te controleren. Bij handmatige methoden zijn de lassers gewend om deze parameters regelmatig te regelen en te controleren via de bedienings- en displayelementen op de stroombron, terwijl bij geautomatiseerd TIG-lassen deze parameters vooraf worden vastgesteld en geprogrammeerd. De betreffende parameters worden daarom ook aangeduid als programmeerbare lasparameters.

In het programma van een typisch orbitale lascyclus worden de volgende functies en bijbehorende parameters vastgesteld:

- Gasvoorstroom: Tijd vóór het aansteken van de boog, waarin de kamer van de gesloten orbitale lasklem wordt gevuld en gespoeld met beschermgas.
- Aansteken: De boog wordt gewoonlijk gestart door een hoogfrequente elektrische ontlading.
- Lasstroom: Over het algemeen wordt gelast met pulserende gelijkstroom, zodat de pulsduur, puls- en basistroomsterkte moeten worden geprogrammeerd.
- Draaiende beweging: De lineaire laskracht hangt af van de draaisnelheid van de lasbrander en de buisdikte.
- Sectoren: Om de verschillende invloed van de zwaartekracht in de verschillende posities en de toenemende werkstuktemperatuur tijdens het lasproces tegen te gaan, kunnen sectoren worden geprogrammeerd. Een verminderde energie-inbreng kan in een nieuwe sector bijvoorbeeld worden bereikt door de tijdsduur van de lagere basistroom te verlengen.
- Stroomafname: Een plotselinge uitschakeling van de lasstroom kan leiden tot kraters en scheuren in de lasnaad, daarom wordt de stroom tegen het einde van het lassen langzaam afgebouwd tot het onderbreken van de boog (downslope).
- Gasnaspanning: Tijd na het onderbreken van de boog, waarin de beschermgasstroom in de kamer van de gesloten orbitale lasklem wordt voortgezet, zodat de lasnaad en het omliggende basismateriaal voldoende kunnen afkoelen.

Zodra de lasinstallatie correct is ingeschakeld, kan de geprogrammeerde lascyclus zoals gepland worden uitgevoerd. Tot de inbedrijfstelling behoren het verbinden van de installatie met de elektrische en de las- en hulpgasvoorziening; er moet een wolfraamelektrode met de juiste samenstelling, de voorgeschreven slijpwijze en de exacte lengte in de lasklem worden geplaatst en de spanmoeren moeten worden gekozen en gemonteerd op basis van de buitendiameter van de te lassen buizen.

Na het inschakelen heeft de stroombron enige tijd nodig om de bedrijfstemperatuur te bereiken en de geprogrammeerde lasstroomsterktes betrouwbaar te regelen; de stroom- en hulpgasstroom moeten handmatig worden ingesteld en gehandhaafd totdat de buizen, slangen en kleppen voldoende zijn gespoeld en alle zuurstof en vocht uit de lucht zijn verdwenen. Een voldoende aantal proeflassen moet ervoor zorgen dat de lasklem opwarmt en eventuele verontreinigingen binnenin verdwijnen.

Nu is de installatie operationeel en kunnen de productielassen worden uitgevoerd.

De inbedrijfstelling van een orbitale lasinstallatie is relatief complex. Terwijl de waarden van de programmeerbare parameters in het lasprogramma worden opgeslagen, moeten de instructies over de voorbereiding van de apparatuur en de instelling of controle van de niet-programmeerbare parameters zo nauwkeurig mogelijk worden vastgelegd in de lasprocedure (WPS).

Orbitaal lassen in de voorproductie of op de bouwplaats

Orbitale lasinstallaties zijn ontworpen zodat een geprogrammeerde lascyclus onbeperkt kan worden herhaald. Een goed lasresultaat blijft reproduceerbaar zolang de randvoorwaarden in voldoende mate constant worden gehouden. De specialisten bij Dockweiler vertrouwen op hun uitgebreide kennis van de gebruikte productiemiddelen en letten er nauwgezet op dat onbedoelde veranderingen het beproefde werkproces niet verstoren. Extra geïnstalleerde apparatuur draagt bij aan het handhaven van het hoge kwaliteitsniveau van de lassen: door gasreinigingsunits en partikelfilters direct vóór de lasbeschermings- en hulpgassystemen worden eventuele verontreinigingen en achtergebleven vocht uit de toevoerleidingen volledig verwijderd; een meetinstrument dat aan de uitgang van de hulpgasopening is bevestigd, geeft informatie over het resterende zuurstofgehalte in het uitstromende beschermgas en maakt het mogelijk om de effectiviteit van het spoelproces te beoordelen en zowel het gasverbruik als de tijdsinvestering te minimaliseren.

Samengevat kan worden gesteld dat de inspanningen daadwerkelijk leiden tot het voortdurend verkrijgen van absoluut foutloze en aan de gestelde eisen voldoeiende lasverbindingen. Echter, zoals al eerder vermeld, hebben de lasexperts daarmee slechts de helft van hun missie succesvol voltooid.

Om hun taak volledig te vervullen, moeten de specialisten er nog voor zorgen dat de door Dockweiler geleverde componenten door de klanten succesvol worden gelast.

Het booglassen op een bouwplaats wordt altijd als een kritische handeling beschouwd. In tegenstelling tot in een fabriek zijn er ter plaatse veel randvoorwaarden die niet of slechts onvolledig kunnen worden beïnvloed en gecontroleerd. De elektrische stroomvoorziening wordt vaak onderbroken, is instabiel of vertoont een sterk verschoven fasenhoek. Wisselende omgevingsinvloeden kunnen door sterke temperatuurschommelingen en condensatie vocht de apparatuur en het verbruiksmateriaal beschadigen, een voldoende bescherming tegen stof en vuil kan niet altijd worden gegarandeerd.

Als gevolg van dergelijke ongunstige werkomstandigheden kunnen alle mogelijke lasfouten worden waargenomen: slechte of te sterke doorlassing, ontoereikende naadgeometrie, porievorming en het ontstaan van kleurnuances, om er slechts enkele te noemen. Het hoeft zeker niet extra te worden vermeld dat de mechanische eigenschappen en de corrosiebestendigheid van de verbindingen door het optreden van deze fouten op ongepaste wijze worden verminderd.

Maar ongunstige arbeidsomstandigheden zijn niet de enige oorzaak van mislukkingen bij klantgerichte lasresultaten: ook verkeerde voorbereiding van de lasinstallaties, ondeskundig gebruik van de apparatuur, programmeerfouten, gebrekkige kwaliteit van de buizen en/of verbruiksmaterialen, defecte apparaten, etc., zijn vaak de schuld wanneer de verwachte resultaten uitblijven.

Wanneer een klant technische ondersteuning aanvraagt, wordt hem gevraagd om gedetailleerde informatie te verstrekken over de toepassing, de gebruikte installatie en de opgetreden problemen, en het door Dockweiler verstrekte formulier "Weldability Complaint Report" (figuur 6) in te vullen. De lasexperts proberen vervolgens vast te stellen of het personeel van de klant het gebruik van de lasinstallatie beheerst en voldoende ervaring heeft met de lasopdracht, zodat fouten zoals een onjuiste inbedrijfstelling, verkeerd aangesloten leidingen, per ongeluk geladen lasprogramma's, verkeerd gebruikte materialen, onjuiste positionering van werkstukken en soortgelijke beginnersfouten kunnen worden uitgesloten.

Het is ook belangrijk om te achterhalen of het probleem vanaf het begin heeft bestaan of dat de klant mogelijk al enkele lasverbindingen succesvol heeft gelast. De meeste programmeerfouten kunnen door de specialisten relatief eenvoudig worden opgespoord — mits zij het programma in handen hebben. Bij gerenommeerde bedrijven in de lastechniek is vaak aanzienlijke tijd en geld geïnvesteerd om de benodigde ervaring op te doen en te beschikken over betrouwbare lasinstructies en -programma's; zij behandelen hun lastechnisch knowhow dan ook als bedrijfsgeheim dat niet voor derden toegankelijk mag zijn. Deze zienswijze is begrijpelijk en moet worden geaccepteerd, maar draagt ongetwijfeld niet bij aan een snelle oplossing van concrete lasproblemen.

Uiteraard probeert Dockweiler eerst en vooral om klantvragen via remote diagnosis op te lossen, maar storingen door defecte elektronische onderdelen, lekkende gasvoorzieningen, storingen die zich op onduidelijke momenten voordoen en andere ernstige problemen kunnen vaak alleen ter plaatse worden opgelost. In dergelijke gevallen wordt geprobeerd in overleg met het betrokken bedrijf service op locatie te organiseren. Bij bijzonder complexe situaties kan het nodig zijn om de fabrikant van de installatie te raadplegen. De specialisten van Dockweiler onderhouden nauw contact met verschillende lastechniekbedrijven, waarbij de klantenservice van Polysoude vanwege haar hoge reactievermogen en altijd deskundige ondersteuning een goede reputatie heeft opgebouwd.

Of het nu gaat om kleine onregelmatigheden in de lasresultaten of om een totale storing van de lastechniek, in het verleden is het de lasexperts van Dockweiler altijd gelukt om een bevredigende oplossing te vinden, en zij zijn vastbesloten om ook in de toekomst hun uiterste best te blijven doen.

Samenvatting

De vakkundige productie van voorgemonteerde inbouwonderdelen voor hoogzuivere roestvrijstalen buissystemen vereist een strenge inkomenscontrole van de geleverde voorproducten, een uitgebreide classificatie van de gebruikte basismaterialen op hun laseigenschappen en niet in de laatste plaats een technisch geavanceerde lasuitrusting. TIG-orbitallassen zonder toevoegmateriaal behoort tot de meest geschikte methoden voor het verbinden van dunwandige buizen wanneer hoge kwaliteitsnormen worden gesteld. Het Franse bedrijf Polysoude speelt als fabrikant en leverancier van geautomatiseerde booglasinstallaties een leidende rol op de internationale markten en levert ook apparatuur die speciaal is ontworpen voor gebruik in cleanrooms.

De consequent hoge kwaliteit van de aangeboden inbouwonderdelen is ongetwijfeld een onmisbare voorwaarde om aan de hoge eisen te voldoen die worden gesteld aan buissystemen in hoogzuivere omgevingen, maar een duurzame marktsucces is alleen mogelijk als klanten kunnen rekenen op uitgebreide advisering en betrouwbare technische ondersteuning. Dit geldt vooral voor de lasverbindingen die door de gebruiker in de werkplaats of op locatie worden aangebracht. Dockweiler biedt zijn klanten daarom uitgebreide informatie, zoals beproefde lasparameters, maar bij ernstige problemen kunnen gebruikers ook rechtstreeks contact opnemen met de erkende lasdeskundigen van het bedrijf. Dankzij hun jarenlange ervaring en vaak in nauwe samenwerking met de apparatuurfabrikanten is het hen in het verleden altijd gelukt om voor alle voorkomende problemen een acceptabele oplossing te vinden, en zij zijn vastbesloten om ook in de toekomst het beste te blijven doen.