Allgemeine Informationen zum Induktionsbiegen

Stahlprodukte werden in fast allen technischen Anwendungen eingesetzt, da Stahlprodukte extreme mechanische Eigenschaften haben. Darüber hinaus verfügt die Erde über reichlich Eisenminen und es gibt auch viele Fabriken, die Rohstahl produzieren. Dies führt zu einer großen Menge an Stahlprodukten, die in verschiedene Formen gebracht werden müssen. Außerdem werden durch den Einsatz verschiedener Verfahren Stahlteile in unterschiedlichen Formen hergestellt. Das Induktionsbiegeverfahren ist die gängigste Methode zur Herstellung von langen Stahlbögen. Bei diesem Verfahren werden Spulen verwendet, bei denen der Strom auf den Drähten fließt und in der Mitte der Spulen eine Induktion erzeugt. Diese hohe Menge an Elektrizität auf den Spulen führt auch zu extremer Hitze in der Mitte der Spulen. Das Induktionsbiegeverfahren nutzt im Wesentlichen Induktoren, um die Stahlteile lokal zu erwärmen. Die gewünschte Form und der Biegewinkel der Stahlteile werden durch einen festen Radiusarm eingehalten. Wenn das Stahlteil die gewünschte Temperatur erreicht (zwischen 900 und 1100 Grad Celsius), bewegen sich die Stahlteile aus der Spule heraus, während der feste Arm die heiße Stelle des Stahls biegt. Induktionsbiegeverfahren sind für verschiedene Anwendungen nutzbar. Die gebogenen Produkte werden im Allgemeinen in der Petrochemie, der Chemie, dem Schiffbau, dem Bauwesen und der Energieerzeugung eingesetzt. Fast jede Art von Stahl kann mit Hilfe von Induktionsbiegemaschinen geformt werden. Die gängigsten Stähle, die beim Induktionsbiegen verwendet werden, können wie folgt klassifiziert werden: Kohlenstoffstähle (niedrig legiert, hoch legiert), rostfreie Stähle (austenitisch, martensitisch, ferritisch, duplex) und spezielle legierte Stähle. Bitte klicken Sie auf den Link für weitere Informationen über das Warminduktionsbiegen.

Warum Induktionsbiegen?

Im Vergleich zu den anderen Umformverfahren bietet das Induktionsbiegen einige Vorteile, die hier kurz dargestellt werden sollen;

  • Das Induktionsbiegeverfahren ist sehr kosteneffizient. Biegungen können schneller hergestellt werden als die Standardkomponenten, die zusätzliches Schweißen zum Verbinden erfordern.
  • Biegungen mit größerem Radius können anstelle von Krümmern verwendet werden. Dies reduziert den Verschleiß und die Reibung, was auch die Pumpenleistung drastisch verringert.
  • Die Verwendung der induktiv gebogenen Komponenten verringert den Bedarf an Schweißanwendungen.
  • Die gebogenen Teile haben keine Schweißstrahlen an den Tangenten. Dadurch wird die Homogenität des Stahls stark erhöht, was die mechanischen Eigenschaften extrem steigert.
  • Der Bedarf an zerstörungsfreien Prüfungen wird durch den Einsatz des Induktionsbiegens gesenkt. Dies reduziert auch die Gesamtkosten.
  • Die Biegeteile sind im Allgemeinen stärker als die Bögen, da die Wandstärken der Biegeteile homogen und in jedem Punkt nahezu gleich sind.
  • Es besteht keine Notwendigkeit für Schmierstoff, da das Induktionsbiegen ein sauberer Prozess ist.
  • Es wird kein zusätzliches oder Füllmaterial während des Prozesses benötigt. Das Induktionsbiegeverfahren verwendet nur das gerade Rohr.

Erwartete Eigenschaften einer hochqualitativen Biegung

  • Während des Induktionsbiegens ist die Bestimmung eines genauen Biegewinkels und Radius sehr wesentlich.
  • Wandverdünnung und Ovalität des Rohstahls müssen auf minimalen Werten sein werden.
  • Die Temperatur während des Prozesses muss richtig kontrolliert werden, da die Durchwärmungstemperatur die mechanischen Eigenschaften direkt beeinflusst.
  • Der Übergang zwischen den gebogenen Bereichen und den geraden Zonen muss fließend sein.
  • Die Prozessbedingungen müssen entsprechend den Normen des Induktionsbiegens gestaltet werden.

Induktionsbiegen
Abb. 1. Induktionsbiegen eines Rohres. Entnommen aus: Induction bending. (2020). 18. März 2020, https://www.rohrbiegewerk.de/en/production-process/induction-bending.html

Die Induktion Biegen Prozess

Das Induktionsbiegeverfahren ist eine nahezu vollautomatische Fertigungsmethode. Der gerade Rohstahl (Rohr oder Bramme) wird besonders erwärmt und durch einen Arm in die gewünschte Form gezwungen. Eine Induktionsspule erwärmt die lokalen Bereiche des Stahls. Die Erwärmungs- und Abkühlungssequenzen der einzelnen Zonen sind extrem wichtig, gerade weil diese Regionen als wärmebehandelte Teile fungieren und sich die mechanischen Eigenschaften dieser Regionen ändern können. Um die Induktionsspule fließt ein Wechselstrom. Dieser Wechselstrom induziert ein Potential um den Stahlbereich und erzeugt einen Wirbelstrom in diesem Bereich. Das Faraday’sche Induktionsgesetz besagt, dass bei einer Änderung des Magnetfeldes auf einem beliebigen Leitermaterial ein kreisförmiger elektrischer Strom auftritt und dieser Strom als Wirbelstrom bezeichnet wird. Der Wirbelstrom erzeugt ein sekundäres Magnetfeld, das senkrecht zum ursprünglichen Magnetfeld steht. Wenn der Wirbelstrom durch ein Leitermaterial fließt, erzeugt er aufgrund des Widerstandes des Leiters Wärme. Daher werden die lokalen Bereiche der Stahlrohre nach diesem Prinzip erwärmt. 

Induktionserwärmung
Abb. 2. Das Prinzip der Induktionserwärmung. Entnommen aus: Principle of High-frequency Induction Heater Unit | Micro Joining Equipment | NIPPON AVIONICS CO., LTD. (2020). 18. März 2020, http://www.avio.co.jp/english/products/assem/principle/highfrequency/index.html

Während des Induktionsbiegevorgangs muss die Breite des Biegebereichs richtig kontrolliert werden, da sich der gebogene Körper sonst übermäßig verformen kann und dies zu Rissen oder Fehlern führen kann. Die induzierte Temperatur auf der lokalen Region wird kontinuierlich kontrolliert und auf einem konstanten Wert gehalten (oberhalb der A-Zementit 3 Linie). Dieser konstante Wert sorgt für ein austenitisches Gefüge im gebogenen Körper. Ein schwenkbarer Arm drückt auf den Rohstahl (Rohr oder Bramme) und diese mechanische Kraft führt zu einer Biegung im Rohstahl. Der schwenkbare Arm wird an den Stahlkörper geklemmt und die Biegekraft wirkt auf den Körper, da das Stahlteil (Rohr oder Bramme) durch eine hydraulische Presse durch die Induktionsspule gedrückt wird.

Die Biegung des Stahlteils bewirkt eine extreme plastische Verformung des Materials. Der Schwenkarm drückt auf das Stahlteil und biegt es. Dadurch ändert sich die innere Wanddicke und die äußere Wanddicke des Stahls. Die innere Wanddicke nimmt durch die Druckkräfte zu. Im Gegensatz zur inneren Wanddicke nimmt die äußere Wanddicke aufgrund der Überdehnung ab. Der Biegeradius des Schwenkarms entscheidet über die Geschwindigkeit der Zunahme und Abnahme der Wanddicke. Daher muss die Änderung der Wanddicke vor der Fertigung entsprechend berücksichtigt werden.

Wärmebehandlung nach dem Biegen

Das Induktionsbiegeverfahren nutzt die lokale Erwärmung des Ausgangsrohstahls. Die lokale Erwärmung des Stahlteils kann die mechanischen Eigenschaften des Stahls verändern, da sich das Mikrogefüge des Stahls ändert. Um ein homogenes Mikrogefüge in den Stahlteilen zu erhalten, wird üblicherweise eine Wärmebehandlung nach dem Biegen durchgeführt. Der Wärmebehandlungsprozess der Biegungen umfasst im Allgemeinen die Erwärmungs- und Abkühlungsperioden. Die Erwärmungsperiode hält eine gleichmäßige Phasenverteilung auf dem Stahl aufrecht, während die Abkühlungsperiode die endgültige Mikrostruktur des Stahls bestimmt.

Warminduktionsbiegen
Abb. 3. Wärmebehandlung von gebogenen Rohren. Entnommen aus: Wärmebehandlung. (2020). 19. März 2020, https://www.rohrbiegewerk.de/en/production-process/heat-treatment.html

            Die üblichen Wärmebehandlungsmethoden können als Normalisieren, Normalisieren und Anlassen, Vergüten und Lösungsglühen klassifiziert werden.

            Normalizing: Das Normalisierungsverfahren wird üblicherweise für Kohlenstoffstähle wie ASTM A106 Gr.B. oder ASTM A333 Gr.6 verwendet. Die normalisierende Wärmebehandlung umfasst die Erwärmung des Stahlteils auf eine bestimmte Temperatur und die Abkühlung des Stahlteils auf die Raumtemperatur unter Verwendung von Luftkühlung.

            Normalisieren und Anlassen: Diese Methode wird zweckmäßigerweise für Stähle mit einem hohen Chromanteil verwendet, wie z.B. ASTM A335 P11 und P22. Ein ähnliches Normalisierungsverfahren wird für das Stahlteil verwendet. Anschließend wird das Stahlteil auf eine niedrigere Temperatur als

            Vergüten: Um eine hohe Härte und eine hohe Streckgrenze zu erhalten, wird das Stahlteil zunächst schnell auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt und angelassen. Diese Wärmebehandlungsmethode wird typischerweise für Stähle der Güte API 5L X65 verwendet. Das Stahlteil wird in verschiedenen Arten von Medien schnell abgekühlt (gelöscht). Diese schnelle Abkühlung gewährleistet eine hohe Härteeigenschaft. Um eine optimale Festigkeit zu erreichen, wird der Stahl bei einer bestimmten Temperatur angelassen. Das Anlassen macht den Stahl weicher, erhöht aber die Zähigkeit des Stahls. Nach dem Anlassen wird das Stahlteil im Medium Luft auf Raumtemperatur abgekühlt.

            Lösungsglühen: Dieses Verfahren wird in der Regel für rostfreie und Duplex-Stähle verwendet. Das Stahlteil wird auf erhöhte Temperaturen erhitzt. Dann wird das Stahlteil schnell abgekühlt.

Prüfverfahren für Induktionsbiegungen

            Das Induktionsbiegeverfahren beinhaltet eine übermäßige plastische Verformung. Daher können sich die inneren und äußeren Wandstärken verändern. Für qualitativ hochwertige Produkte ist eine genaue Beobachtung der Fertigung und eine detaillierte Prüfung des Endprodukts notwendig. Kurz gesagt, können die Prüfmethoden wie folgt gruppiert werden;

  • Die visuelle Inspektion der Extrados und Intrados muss von Experten durchgeführt werden
  • Oberflächenrisse oder -fehler müssen mittels Farbeindringprüfung oder Magnetpulverprüfung kontrolliert werden
  • Homogene Wanddicke und Ovalität müssen geprüft werden
  • Härteprüfungen müssen nach der Wärmebehandlung nach dem Biegen durchgeführt werden
  • Für weitere Untersuchungen des Stahlgefüges können metallographische Prüfungen eingesetzt werden

Wirtschaftliche Überlegungen zum Induktionsbiegen

Das Induktionsbiegeverfahren ermöglicht im Allgemeinen geringere Produktionskosten für den Hersteller. Das Induktionsbiegen wird in der Regel für die Herstellung von Stahlrohren verwendet. Die konventionellen Rohrspulen sind die häufigsten Teile, die in Rohrleitungen verwendet werden. Die Verwendung von Induktionsbögen kann jedoch sowohl für den Anbieter als auch für den Abnehmer von Vorteil sein.

Tabelle 1. Kostenvergleich von Induktionsbögen und konventionellen Rohrspulen

Method Kosten Costs for Induction Bends Costs for Pipe Spools
NDT Kosten für Schweißnähte Niedrig Hoch
Schweißkosten (Anzahl der Stumpfnähte) Niedrig Hoch
Abwicklungkosten Mäßig Mäßig
Materialkosten Niedrig Mäßig
Nachwärmebehandlungskosten Mäßig Hoch
Biegekosten Hoch Sehr Niedrig

Standards für das Induktionsbiegen

Der Induktionsbiegeprozess umfasst verschiedene Schritte und diese Schritte müssen sorgfältig beobachtet und kontrolliert werden. Die Experten können visuelle Inspektionsmethoden verwenden, aber andere Kontrollparameter müssen den richtigen Normen folgen. Die gängigsten Normen für das Induktionsbiegen sind die ASME B16.49 und ISO 15590-1(de).  Außerdem umfasst die Norm ASME B16.49 die Normen ASME B31.4, B31.8 und B31.11.

Hochwertiges Ingenieurwesen & Beschaffung

YENA Engineering bietet ein breites Spektrum an heiß induktiv gebogenen Rohren aus Kohlenstoffstahl, legiertem Stahl, Edelstahl, Niedrig- und Hochtemperatur-Stahlrohren für die Energie-, Öl- & Gas-, Bau- und Chemieindustrie. Wir sind fähig, Rohre nach EN 15590-1 und nach den technischen Spezifikationen des Kunden zu biegen.Wir liefern Präzisionsfertigung und enge Maßtoleranzen bei Wanddickenreduzierung, Ovalität, Biegeradius und Winkeln. YENA-Anlagen können sowohl nahtlose als auch geschweißte Rohre im Bereich von 3D-10D Biegeradius biegen.

 Unser erfahrenes QC-Team führt Maßprüfungen, Sichtkontrollen und andere zerstörungsfreie Prüfmethoden an Schweißnähten und Rohmaterialien durch. Alle Schweißverfahren werden nach zugelassenen Verfahren durchgeführt und von zertifizierten Schweißern angewendet. Alle Schritte von Beschaffung/Herstellung/Prüfung/Lieferung werden von unserem QA-Team dokumentiert. Für weitere Informationen besuchen Sie Heißinduktionsbiegen

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Verweise

  1. Induction Bends for Transportation and Distribution Systems – ASME B16.49. (2020). Retrieved 19 March 2020, from http://www.wermac.org/fittings/hot_induction_bends.html
  2. Barnshaw, C. (2020). Induction bending: the state of the art. Retrieved 19 March 2020, from https://www.thefabricator.com/thefabricator/article/tubepipefabrication/induction-bending-the-state-of-the-art
  3. Induction bending. (2020). Retrieved 19 March 2020, from https://www.rohrbiegewerk.de/en/production-process/induction-bending.html
  4. Inductive bends – Kraftanlagen. (2020). Retrieved 19 March 2020, from https://www.kraftanlagen.com/en/about-us/companies/finow-rohrsysteme-gmbh/scope-of-services/fabrication-processes/inductive-bends/
  5. (2020). Retrieved 19 March 2020, from https://www.iso.org/obp/ui/fr/#iso:std:iso:15590:-1:ed-3:v1:en
  6. Heat treatment. (2020). Retrieved 19 March 2020, from https://www.rohrbiegewerk.de/en/production-process/heat-treatment.html
  7. Collie, G. J., Higgins, R. J., & Black, I. (2010). Modelling and Predicting the Deformed Geometry of Thick-Walled Pipes Subjected to Induction Bending. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 224(4), 177–189. doi:10.1243/14644207jmda314 
  8. Barnshaws Induction Bending – an Advanced Metal Bending Process. (2020). Retrieved 19 March 2020, from https://www.barnshaws.com/services/induction-bending/detail
  9. Muthmann, E., & Grimpe, F. (2006). FABRICATION OF HOT INDUCTION BENDS FROM LSAW LARGE DIAMETER PIPES MANUFACTURED FROM TMCP PLATE. Microalloyed Steels For The Oil & Gas Industry International Symposium, pp,2,4
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