DE102006035585B3

DE102006035585B3 - Verfahren zum Schweißen metallischer Werkstücke

Info

Publication number: DE102006035585B3
Application number: DE200610035585
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Orth; Ludwig Oesterlein
Original assignee: Europipe GmbH
Current assignee: Europipe GmbH
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: WO2008011858A1

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, auch bei Wanddicken von >25mm, insbesondere >30mm, gute Tieftemperatur-Zähigkeitswerte zu erreichen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem mit mindestens einem Element eines Zusatzwerkstoffes ein schmelzflüssiges Bad erzeugt wird, wobei eine sich in Wellenform ausbreitende Schallenergie hoher Intensität über mindestens ein Übertragungsmittel auf das Schmelzbad einwirkt und die Schallenergie über ein im Abstand zum Element des Zusatzwerkstoffes angeordnetes und in das Schmelzbad eintauchendes Übertragungsmittel direkt eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstücke, insbesondere Lichtbogenschweißen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung gemäß Anspruch 7.
Beim Einsatz von Erdöl oder Erdgas transportierenden längsnahtgeschweißten Großrohren aus Stahl in arktischen Gefilden werden hohe Anforderungen an die Tieftemperaturzähigkeit gestellt. Schwachstelle ist dabei die Schweißnaht. Diese besteht aus der Wärmeeinflusszone (WEZ) und dem eigentlichen Schweißgut. Infolge eines hohen Temperaturgradienten im Schmelzbad bilden sich bei der Erstarrung des Schweißgutes Dendriten und entlang der Primärkorngrenzen scheidet sich proeutektoider Ferrit aus, der durch seine Grobkörnigkeit die Tieftemperaturzähigkeit verschlechtert.
Durch entsprechende Analysenauswahl der verwendeten Drahtelektroden sowie durch Anwendung geeigneter UP-Schweißpulver, gelingt es an sich, die Grobkornbildung in Form von proeutektoidem Ferrit auf den Primärkorngrenzen des Erstarrungsgefüges weitgehend zu unterdrücken. Der gebildete proeutektoide Ferrit vermindert die Tieftemperaturzähigkeit des Schweißgutes schon bei Vorliegen kleiner Mengen (< 10%) des Gesamtgefüges, das ansonsten aus sehr feinkörnigem Nadelferrit besteht. Je dicker jedoch die zu schweißende Wand ist, d. h. je größer das eingebrachte Schmelzbadvolumen ist, um so schwieriger ist es, dieses Ziel zu erreichen.
Besonders beim Unterpulverschweißen von Rohren mit Wanddicken > 25 mm, insbesondere > 30 mm, besteht das Problem gute Tieftemperatur-Zähigkeitswerte im Schweißgut zu erreichen. Um eine hohe Schweißleistung zu erreichen wird aus wirtschaftlichen Gründen bei der Schweißung im Regelfall die Mehrdrahttechnik angewandt. Dies hat aber ein großes Schmelzbadvolumen zur Folge, was die oben beschriebene Problematik in der Gefügeausbildung im Schmelzbad verstärkt.
In der DE 100 12 792 A1 wird allgemein ein Verfahren zur Bearbeitung von Bauteilen offenbart, bei dem die schmelzflüssige Phase beim Schweißen oder thermischem Schneiden indirekt beeinflusst wird, um die geometrische Ausbildung der Schweißnaht oder der Schnittkante zu verbessern. Dies geschieht in der Weise, dass über eine Schwingungsanregung des Bauteils selbst oder durch einen schwingungsangeregten Zusatzwerkstoff über das Abtropfverhalten beim Abschmelzen das Schmelzbad indirekt in Schwingungen versetzt wird. Eine durchgreifende Gefügebeeinflussung im erstarrenden Schmelzbad kann mit diesem Verfahren nicht erreicht werden, da die einbringbare Schwingungsenergie zu gering ist.
Die DE PS 816 779 offenbart ein Verfahren beim Schweißen oder Löten von metallischen Werkstoffen, wobei durch Ankopplung eines Schwingers an den (festen) Werkstoff Ultraschallenergie ebenfalls indirekt in das Schmelzbad eingeleitet wird. Hierdurch soll die Bildung von Kristallisationskeimen und besserer Entgasung des Schweißbades die Zähigkeit der Schweißnaht verbessert werden. Nachteilig ist hier, dass mit zunehmendem Abstand vom Ort der Schwingungseinleitung zum Schmelzbad der erzielbare Effekt immer geringer wird.
Schließlich ist aus der DE 34 38 634 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen verschleißfester Werkstoffe bekannt, bei dem verschleißfeste Feststoffteilchen in einem Hohldraht untergebracht sind, der, in das Schweißbad eingeführt, abschmilzt und auf den Ultraschallschwingungen übertragen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung zur Einbringung von Ultraschallenergie in das Schmelzbad beim Schweißen metallischer Werkstücke, insbesondere dem Unterpulverschweißen von Rohren aus Stahl, dahingehend zu verbessern, dass auch bei Wanddicken > 25 mm, insbesondere > 30 mm, noch gute Tieftemperatur-Zähigkeitswerte erreicht werden.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung sind Bestandteil von weiteren Ansprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wirkt eine sich in Wellenform ausbreitende Schallenergie hoher Intensität über mindestens ein Übertragungsmittel auf das Schmelzbad dadurch ein, dass die Schallenergie über ein im Abstand zum Element des Zusatzwerkstoffes angeordnetes und in das Schmelzbad eintauchendes Übertragungsmittel direkt eingeleitet wird.
Durch diese direkt in das Schmelzbad eingeleitete Schallenergie wird auf vorteilhafte Weise erreicht, dass auch großvolumige Schmelzbäder, wie sie beim Unterpulverschweißen auftreten können, nahezu vollständig gefügemäßig beeinflusst werden können. Die hierdurch bewirkte Primärkorngrößenverminderung wirkt sich positiv auf die Gefügeumwandlung im Sinne der Vermeidung oder zumindest der Verringerung des Anteils proeutektoiden Ferrits aus.
Bei der Herstellung von Schweißnähten wird die Schallenergie in das sich ständig erneuernde Schmelzbad eingeleitet, so dass über die Länge der Schweißnaht eine gleichmäßige Einwirkung der Schallenergie auf das Schmelzbad gewährleistet ist.
Maßgeblich für die Höhe der Intensität der in das schmelzflüssige Bad einzuleitenden Schallenergie ist der Abstand des Übertragungsmittels zum direkt benachbarten Zusatzwerkstoffelement, die Eintauchtiefe des Mittels in das Schmelzbad und das Volumen des Schmelzbades selbst. Hierbei ist es erforderlich, dass mit zunehmendem Abstand, größerer Eintauchtiefe und größerem Badvolumen eine höhere Intensität erforderlich wird, um eine möglichst umfassende Einwirkung aus das Schmelzbad zu erreichen.
Zu berücksichtigen ist dabei, dass einerseits der Abstand des Mittels zum Zusatzwerkstoffelement und andererseits auch die Eintauchtiefe in das Schmelzbad in Abhängigkeit vom Schmelzbadvolumen zu wählen ist. Bei größerem Schmelzbadvolumen kann der Abstand vergrößert werden, da die Durcherstarrung erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgt.
Gleichzeitig sollte bei größerem Schmelzbadvolumen auch die Eintauchtiefe vergrößert werden, um den Einwirkbereich des Übertragungsmittels im Schmelzbad zu vergrößern.
Dabei kann es bei großen Schmelzbadvolumina erforderlich werden, dass die Schallenergie nicht nur über ein sondern über mehrere Übertragungsmittel mit entsprechend erhöhter Gesamtintensität auf das Schmelzbad einwirkt.
Vorteilhaft werden die Übertragungsmittel in Linie des Schmelzbades hintereinander angeordnet. Bei sehr breiten Schweißnähten können die Übertragungsmittel jedoch auch parallel im Schmelzbad angeordnet sein, wobei auch die paarweise Anordnung hintereinander zur Anwendung kommen kann.
Vorzugsweise ist die Schallenergie Ultraschall, der entweder ununterbrochen oder gepulst auf das Schmelzbad einwirkt.
Damit der Effekt einer Erhöhung der Anzahl der Keime im Erstarrungsgefüge des Schmelzbades eintritt, beträgt die Intensität mindestens 2 Watt/cm², wobei die Amplitude der Schallenergie erfindungsgemäß zwischen 5 und 50 μm gewählt wird.
Die vorgeschlagene Verfahrensweise hat den Vorteil, dass durch die intensive Einschallung eine Primär-Kornfeinung eintritt, die sich günstig auf das Gefüge und damit auf die Tieftemperaturzähigkeit auswirkt.
Ein weiterer günstiger Effekt ist hinsichtlich des Gasgehaltes in der Schmelze zu erwarten. Durch die Einschallung vereinigen sich winzig kleine Gasbläschen und steigen als große Gasblasen aus dem Schmelzbad nach außen auf. Dies ist insbesondere Stickstoff, dessen gelöster Gehalt in der Schweißnaht dadurch verringert wird.
Der außerhalb des zu schweißenden Werkstückes erzeugte Ultraschall muss um wirksam zu werden in das Schmelzbad eingeleitet werden. Dazu ist der Geber mit einem Übertragungsmittel verbunden. Dabei ist wesentlich, die Verlustleistung gering zu halten, um soviel Energie wie möglich in das Schmelzbad einzubringen. Zudem muss das Übertragungsmittel so beschaffen sein, dass eine ungehinderte Weiterbewegung des zu schweißenden Werkstückes möglich ist.
Damit das Übertragungsmittel beim Eintauchen in das Schmelzbad nicht aufgeschmolzen wird, muss es aus einem Material bestehen, das einen höheren Schmelzpunkt aufweist als das Werkstückmaterial.
Bei zu verschweißenden Stahlwerkstoffen hat es sich bewährt, Wolfram oder Keramik als Übertragungsmittel zu verwenden. Aber auch andere Werkstoffe oder Werkstoffkombinationen, beispielsweise Beschichtungen aus hochschmelzenden Werkstoffen mit Keramik, sind denkbar.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Es zeigen:
1 im Teilquerschnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 Längsschnitt durch die Schweißnaht nach 1,
3 Gefügeausbildung eines mit Leistungsultraschall behandelten Schmelzbades.
1 zeigt im Teilquerschnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstücke.
In einem Teilumfang dargestellt, ist das zu schweißendes Werkstück 1 als Rohr ausgebildet. Das in Längsrichtung geschlitzte Rohr wird in diesem Beispiel mittels Unter pulverschweißung an den Längskanten mit einer Außen- und Innennaht zu einem Rohr verschweißt. Dargestellt ist eine Schweißnaht 2 mit einem sich in Erstarrung befindenden Schmelzbad 3 der Außennaht, wobei dies in Längsrichtung als ein kontinuierlich fortschreitender Prozess zu verstehen ist.
Die Darstellung zeigt die mittels Unterpulverschweißen erzeugte Außennaht, wobei die Innenschweißnaht 4 bereits gelegt und erstarrt ist. Hier nicht dargestellt ist die Anordnung der Zusatzwerkstoffelement 8, 8' und 8'' zur Erzeugung des Schmelzbades 3 in Mehrdrahttechnik.
Erfindungsgemäß erfolgt die Einschallung über ein in das Schmelzbad 3 eingetauchtes separates Übertragungsmittel 7, welches mit dem Ultraschallgeber 5 verbunden ist. Der Ultraschallgeber 5 ist über ein Kabel 6 mit einem Energieanschluss verbunden, was hier nur skizzenhaft angedeutet ist.
Der Ultraschallgeber 5 erzeugt Ultraschallenergie hoher Intensität die innerhalb des sich ständig erneuernde Schmelzbades 3 direkt das erstarrende Gefüge beeinflusst.
2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Mehrdraht-Unterpulverschweißanlage in einem Längsschnitt durch die Schweißnaht 2 aus 1.
In der Schweißnaht 2 des Werkstückes 1 wurde eine Innenschweißnaht 4 erzeugt, die bereits erstarrt ist und zu Vergleichszwecken in diesem Beispiel nicht mit Schallenergie hoher Intensität behandelt wurde.
Das Schmelzbad 3 der Außenschweißnaht wird durch drei Elemente 8, 8', 8'' eines Zusatzwerkstoffes in Dreidrahttechnik erzeugt. Die Schweißrichtung ist mit einem Pfeil angegeben, wobei sich dem Schmelzbad folgend, eine Erstarrungsfront 9 bildet.
In konstantem Abstand zum nächst benachbarten Zusatzwerkstoffelement 8'' wird direkt in das sich ständig erneuernde Schmelzbad 3 Schallenergie hoher Intensität über ein Übertragungsmittel 7 eingeleitet. Das Übertragungsmittel 7 ist mit einem Ultraschallgeber 5 verbunden, der über ein Kabel 6 mit einem hier nicht dargestellten Energieanschluss versehen ist.
In 3a ist der Makroschliff einer nach 2 mittels Unterpulverschweißung erzeugten Schweißnaht 2 dargestellt.
Die Gefügeausbildung in 3b der unbehandelten, also nicht mit Schallenergie beeinflussten Innenschweißnaht 4, zeigt die typische dendritische Struktur mit entlang der Korngrenzen ausgeschiedenem, grobkörnigem proeutektoidem Ferrit, der die Verschlechterung der Tieftemperaturzähigkeit verursacht.
3c zeigt das Gefüge des mittels Ultraschall direkt beeinflussten Schmelzbades 3 nach 2. Deutlich zu erkennen ist das sehr viel feinkörnigere Gefüge, in dem die Ausscheidung proeutektoiden Ferrits vermieden und so eine deutlich verbesserte Tieftemperaturzähigkeit der Schweißnaht erreicht wird.
Bezugszeichenliste

Claims

Vorrichtung zum Schweißen metallischer Werkstücke, insbesondere Lichtbogenschweißen, bei dem mit mindestens einem Element eines Zusatzwerkstoffes ein schmelzflüssiges Bad erzeugt wird, wobei mit einem Geber, der eine sich in Wellenform ausbreitende Schallenergie hoher Intensität abstrahlt, über mindestens ein Übertragungsmittel auf das Schmelzbad eingewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallenergie über ein im Abstand zum Element des Zusatzwerkstoffes angeordnetes und in das Schmelzbad eintauchendes Übertragungsmittel direkt eingeleitet wird, dass der Geber mit dem Übertragungsmittel verbunden ist und dass das Übertragungsmittel aus einem Material mit einem höheren Schmelzpunkt als Stahl besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel aus Wolfram besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel aus Keramik besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel stabförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmittel einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des von der Schallenergie beaufschlagten Übertragungsmittels dem ein- oder mehrfachen der halben Wellenlänge des Schalls entspricht.
Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zum Schweißen metallischer Werkstücke, insbesondere Lichtbogenschweißen, bei dem mit mindestens einem Element eines Zusatzwerkstoffes ein schmelzflüssiges Bad erzeugt wird, wobei eine sich in Wellenform ausbreitende Schallenergie hoher Intensität über mindestens ein Übertragungsmittel auf das Schmelzbad einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallenergie über ein im Abstand zum Element des Zusatzwerkstoffes angeordnetes und in das Schmelzbad eintauchendes Übertragungsmittel direkt eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erzeugung von Schweißnähten, die Schallenergie in das sich ständig erneuernde Schmelzbad einschallt.
Verfahren nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Intensität der in das schmelzflüssige Bad eingeleiteten Schallenergie in Abhängigkeit vom Abstand des Übertragungsmittels zum direkt benachbarten Zusatzwerkstoffelement, von der Eintauchtiefe des Mittels in das Schmelzbad und vom Volumen des Schmelzbades gewählt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkung der Schallenergie ununterbrochen erfolgt.
Verfahren nach Ansprüchen 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwirkung der Schallenergie gepulst erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallenergie Ultraschall ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität mindestens 2 Watt/cm² beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsamplitude des Schalls zwischen 5 und 50 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Mittels zum Zusatzwerkstoffelement in Abhängigkeit vom Volumen des Schmelzbades gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe des Mittels in das Schmelzbad in Abhängigkeit vom Volumen des Schmelzbades gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–16, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Volumen des Schmelzbades zwei oder mehr Übertragungsmittel in das Schmelzbad eintauchen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel in Linie des Schmelzbades hintereinander angeordnet in das Schmelzbad eintauchen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel in Linie des Schmelzbades nebeneinander angeordnet, in das Schmelzbad eintauchen.
Verfahren nach den Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsmittel in Linie des Schmelzbades hintereinander und nebeneinander angeordnet in das Schmelzbad eintauchen.