Schweißverfahren für Druckbehälter
November 7, 2025
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Schweißverfahren für Druckbehälter

Druckbehälter gibt es seit den Anfängen der industriellen Revolution. Sie können zur Lagerung eines größeren Produktvolumens verwendet werden, als dies bei normalem Atmosphärendruck möglich wäre, und da die Druckbeaufschlagung die Siedepunkte senkt, können Druckbehälter auch zur schnelleren oder energieeffizienteren Verarbeitung – also zum Kochen – von Produkten eingesetzt werden, als dies sonst möglich wäre. Sie werden in der Lebensmittel-, Pharma- und Chemieverarbeitung sowie in der Nuklear-Industrie sowohl zur Leistungserzeugung als auch zur Speicherung von Flüssigkeiten und Gasen eingesetzt.

Aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten sind die Arten von Druckbehältern und die Arten von Schweißverfahren, die bei Druckbehältern angewendet werden, unglaublich unterschiedlich. Die wichtigste Gemeinsamkeit von Druckbehältern besteht darin, dass sie große Mengen an potenzieller Energie speichern. Ein Fehler oder eine Schwachstelle in einem Gefäß kann dazu führen, dass das Gefäß versagt und seine gesamte Energie auf einmal in einer Explosion freisetzt. Daher ist es wichtig, dass die Schweißnähte von Druckbehältern zuverlässig und frei von Mängeln sind. Die Art des Schweißens, das zur Herstellung eines Druckbehälters verwendet wird, hängt vom Verwendungszweck des Druckbehälters ab.

Überlegungen zum Schweißen von Druckbehältern

Die wichtigste Überlegung beim Schweißen von Druckbehältern ist die Sicherung des unter Druck stehenden Inhalts. Es gibt eine lange Geschichte von schlecht gebauten oder schlecht gewarteten Druckbehältern, die einen Verlust der Dichtheit und eine daraus resultierende Explosion erlitten haben.

Man geht gemeinhin davon aus, dass Explosionen von Druckbehältern ein Problem der frühen Industrialisierung sind, doch sie kommen immer noch regelmäßig vor. Neben anderen Katastrophen ereignete sich im Jahr 2020 bisher eine Explosion in einer Papiermühle sowie eine tödliche Explosion bei der Erprobung eines Hochdruck-Guacamole-Herstellungsgeräts. Diese Vorfälle unterstreichen eindrücklich die Bedeutung von qualitativ hochwertigem Schweißen.

Von den oben genannten Unfällen dürfte das Guacamole-Herstellungsgerät nach strengeren Anforderungen gebaut worden sein. Es wäre so konzipiert und gebaut worden, dass die Lebensmittel im Inneren frei von Verunreinigungen bleiben und gleichzeitig Druck standhalten kann. Dies hätte die Schweißverfahren, die angewendet werden können, auf solche begrenzt, deren Endnähte die hygienischen Anforderungen für Lebensmittel erfüllen. Die biopharmazeutische Industrie und die Halbleiterindustrie haben ähnliche Reinheitsanforderungen, die die Typen der Schweißverfahren begrenzen, die bei der Herstellung von Druckbehältern für diese Branchen eingesetzt werden.

Die in Druckbehältern verwendeten Schweißtypen

Druckbehälter sind fast immer kugelförmig oder zylindrisch, da diese Form keine Ecken aufweist, die zu Spannungsspitzen in der Struktur führen könnten. Zur Aufnahme von Produkten unter hohem Druck werden Druckbehälter fast immer aus Metall mit einer Stärke von 3 Millimetern (etwa ⅛ Zoll) oder mehr gefertigt.

Die Kanten der Platten, aus denen ein Druckbehälter besteht, werden üblicherweise so bearbeitet, dass eine abgeschrägte Fase entsteht, die es der Wurzelnaht ermöglicht, vollständig durch die Verbindung zu dringen. Wenn zwei der Bauteilplatten nebeneinander angeordnet sind, bilden sie eine tiefe V- oder U-förmige Nut. Sobald die Wurzelnaht die beiden Platten verbindet, füllen nachfolgende Lagen diese Nut mit Metall, wodurch eine glatte, durchgehende Ausdehnung aus gleichmäßigem oder nahezu gleichmäßigem Metall entsteht. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um das gleiche Schweißverfahren wie beim Schweißen von Großrohren und beim Schmalnutschweißen. Vertrautheit mit diesen beiden Schweißverfahren vermittelt Schweißern und Schweißaufsichtspersonen ein gutes Verständnis dafür, wie man Druckbehälter schweißt.

Folgende Schweißverfahren werden zum Verschweißen von Druckbehälterverbindungen eingesetzt:

  • Metallichtbogenschweißen (SMAW): Bei diesem Schweißverfahren wird eine mit Schweißpulver umhüllte, abschmelzende Elektrode verwendet. Dies wird oft als die Standardform des Lichtbogenschweißens angesehen. Es ist sehr portabel und die Ausrüstung ist preiswert und weit verbreitet. Allerdings erfordert dies ein hohes Maß an Geschicklichkeit, und die Qualität der resultierenden Schweißnähte hängt vom Können des Schweißers ab.
  • Schweißpulver-Lichtbogenschweißen (FCAW): Bei diesem Verfahren wird eine abschmelzende, drahtgeführte Elektrode mit einem Kern aus Schweißpulver verwendet. Es ähnelt dem SMAW-Verfahren in der Schweißnahtbildung, erfordert aber aufgrund der kontinuierlichen Drahtzufuhr weniger Geschicklichkeit bei der Bedienung.
  • Metall-Schutzgasschweißen (MSG): Beim MSG wird mit einer kontinuierlich zugeführten Drahtelektrode und einem Schutzgas geschweißt. Es ist eines der am einfachsten durchzuführenden Schweißverfahren und erzeugt sauberere Schweißnähte als SMAW oder FCAW. Allerdings ist bekannt, dass es unter unvorhersehbaren Fusionsfehlern leidet, die bei den oben genannten Verfahren nicht auftreten.
  • Wolfram-Inertgasschweißen (WIG): Bei diesem Verfahren wird eine Wolframelektrode und ein inertes Schutzgas verwendet. Es erzeugt sehr saubere Schweißnähte mit ausgezeichneter Verbindung und Einbrand, aber es ist ein langsamer Prozess und schwer zu beherrschen. Dies macht es zu einer Herausforderung, das für die Schweißung eines Druckbehälters erforderliche Volumen zu füllen.
  • Unterpulverschweißen (UP-Schweißen): Beim UP-Schweißen wird das Schweißgut in Schweißpulver getaucht, um es vor Sauerstoff und anderen Gasen in der Atmosphäre zu schützen. Es handelt sich um ein sauberes Schweißverfahren mit hoher Abschmelzleistung; allerdings ist es kein mobiles, feldeinsatzfähiges Verfahren.

Von den verschiedenen Schweißverfahren, die bei Druckbehältern zum Einsatz kommen, sollte das für ein bestimmtes Projekt gewählte Verfahren den Anforderungen des Produkts, das der Druckbehälter lagern oder herstellen soll, und dem Druck, dem das Produkt ausgesetzt sein wird, entsprechen. In der Ölindustrie werden Druckbehälter unter relativ niedrigem Druck gehalten, und obwohl Korrosion ein Problem darstellen kann, sind hygienische Aspekte nicht relevant. Daher werden häufiger schnellere und effizientere Verfahren wie SMAW und FCAW eingesetzt.

Bei Projekten mit höheren Anforderungen und höheren Drücken werden eher Schweißverfahren eingesetzt, die konsistentere Ergebnisse liefern, wie GMAW oder SMAW. In Branchen, in denen sowohl Druck als auch Hygiene eine große Rolle spielen, wird die Wurzelnaht – die mit dem Produkt in Kontakt kommt – sehr wahrscheinlich mit dem WIG-Schweißverfahren geschweißt, da dieses Verfahren eine weitaus sauberere und glattere Schweißnaht ergibt als alle anderen Schweißtypen. Angesichts des Umfangs der Schweißarbeiten, die bei einem Druckbehälter erforderlich sind, dürfte dies jedoch bei manueller Durchführung recht zeitaufwändig sein. Mechanisierte Schweißverfahren wie das Orbitalschweißen können dazu beitragen, die Geschwindigkeit des WIG-Schweißens bei Druckbehältern zu erhöhen.

Verwendung von Orbitalschweißen zum Schweißen von Druckbehältern

Das Orbitalschweißen wurde aufgrund des Bedarfs an qualitativ hochwertigen Schweißnähten an Hydraulik- und Luftfahrtrohren für Luft- und Raumfahrtprojekte entwickelt. Die zylindrische Form dieser Schweißnähte stellte eine Herausforderung für die manuellen Schweißer dar, und die Druckveränderungen beim Wechsel der Flughöhe führten häufig zu Leckagen. Das Orbital-GTAW-Verfahren ermöglichte die erfolgreiche Herstellung hochwertiger Schweißnähte, die trotz der starken Druckänderungen ihre Integrität behielten. Seitdem wird es zur Herstellung von Schweißnähten gleicher Qualität in Prozessleitungen und Druckbehältern für die Erdöl-, Biopharma-, Halbleiter- und andere Industrien eingesetzt.

Orbitalschweißen ist nur eine von vielen Schweißarten, die bei Druckbehältern eingesetzt werden, aber es ist mit Abstand die beste Wahl für das Schweißen von Druckbehältern mit hohen Anforderungen an Reinheit und Festigkeit. Die biopharmazeutische Industrie und die Halbleiterindustrie sind zwei Beispiele für Anwendungen, die von der Gleichmäßigkeit und Hygiene des Orbitalschweißens profitieren könnten. Da die Anforderungen an die Herstellung von Produkten immer strenger werden und öffentliche und Aufsichtsbehörden Unfälle immer weniger tolerieren, wird der Wert des GTAW-Orbitalschweißens im Druckbehälterbau nur noch zunehmen.

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