DE102011115119A1

DE102011115119A1 - Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsnaht an Bandenden aus Stahl bei der kontinuierlichen Erzeugung geschweißter Rohre

Info

Publication number: DE102011115119A1
Application number: DE102011115119A
Authority: DE
Inventors: Markus Liedtke; Wolfgang Scheller; Franz Martin Knoop; Wilfried Neugebauer; Carsten Holste
Original assignee: Salzgitter Mannesmann Grossrohr GmbH
Current assignee: Salzgitter Mannesmann Grossrohr GmbH
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-04
Also published as: WO2013044901A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsnaht an Bandenden aus Stahl bei der kontinuierlichen Erzeugung geschweißter Rohre, wobei in einem mehrstufigen Prozess, bestehend aus Abtrennen der Bandenden und nachfolgendem Fertigschweißen, einzelne Bänder zu einem Endlosband verschweißt werden und dieses mittels einer Verformungseinheit zu einem Schlitzrohr eingeformt wird und die zusammenlaufenden Bandkanten zusammengeschweißt werden. Erfindungsgemäß werden dabei die Bandenden unter Verzicht auf eine separate Bandkantenvorbereitung und einen Heftvorgang mittels einer Verfahrenskombination aus einem an derselben Schweißstelle gleichzeitig einwirkenden Plasma- und Metallschutzgas(MSG-)Schweißprozess in einer Lage miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsnaht an Bandenden aus Stahl bei der kontinuierlichen Erzeugung geschweißter Rohre gemäß Patentanspruch 1.
Unter geschweißten Rohren werden im Folgenden sowohl Schraubennahtrohre (sogenannte Spiralnahtrohre) als auch längsnahtgeschweißte Rohre verstanden.
Für den Transport von Wasser, Öl und Gas werden im Regelfall unterpulver-(UP-), hochfrequenz induktionsgeschweißte (HFI-) oder elektrisch widerstandsgeschweißte (ERW) Leitungsrohre eingesetzt, welche vorzugsweise aus Warmbreitband (Coils) oder aus Stahlgrobblech in Dicken von etwa 10 bis über 25 mm hergestellt werden. Nachfolgend wird als Synonym für Warmbreitband oder Stahlgrobblech der Begriff „Band” oder „Stahlband” benutzt.
Aus der Broschüre „Spiralgeschweißte Großrohre – Produktinformationen –" (Salzgitter Mannesmann Großrohr 3/08) ist es bekannt, bei der Spiralrohrherstellung das Warmband in einer Einformeinrichtung schraubenlinienförmig zu einem Schlitzrohr zu formen und in einem zweistufigen Verfahren zu einem Rohr zu verschweißen. Hierzu wird das Warmband in einer Verformungseinheit einer Rohrformmaschine zu einem Rohr geformt. Die Verformungseinheit besteht aus einem 3-Rollenbalken-Biegesystem mit einem äußeren Rollenstützkäfig und einer sogenannten Versatzrolle. Mit der höheneinstellbaren Versatzrolle kann ein etwaiger Bandkantenversatz des Schlitzrohres ausgeglichen werden. In diesem als „HTS-Verfahren” (Helical Seam-Two-Step) bekannten Fertigungsprozess werden in einem ersten Verfahrensschritt die Bandkanten des Schlitzrohrs mittels einer Schutzgas-Heftschweißung bei hoher Schweißgeschwindigkeit von bis zu 15 m/min verschweißt, wobei die Bandkanten dabei nur zum Teil miteinander verbunden werden.
Der Rohrdurchmesser wird beeinflusst vom Einlaufwinkel des Bandes in die Verformungseinheit und von der Bandbreite des eingesetzten Vormaterials. Mittels der höheneinstellbaren Versatzrolle kann ebenfalls auf den Durchmesser des Rohres Einfluss genommen werden.
Das Fertigschweißen mit einer vollständigen Verschweißung der Bandkanten mit einer Innen- und Außennaht erfolgt anschließend in einem zweiten Schritt auf separaten Schweißständen mittels Unterpulverschweißen.
Der Vorteil gegenüber dem konventionellen einstufigen Verfahren, bei dem direkt in der Rohrformmaschine auch die Unterpulverschweißnähte ausgeführt werden und das Rohr somit in einem Schritt fertig geschweißt wird, besteht darin, dass durch die hohe Geschwindigkeit bei der Heftnahtschweißung eine höhere Leistung der Rohreinformmaschine erreicht wird.
Nach dem Schweißen werden die Rohre in mehreren Stationen auf Qualität geprüft. Dazu erhalten die Stirnseiten der Rohre eine spanende Bearbeitung um dann einer Wasserdruckprüfung unterzogen zu werden.
Nach der Wasserdruckprüfung erfolgt eine abschließende Ultraschallprüfung der gesamten Schweißnaht. Stellen, die bei der automatischen Ultraschallprüfung auffällig geworden sind sowie die Schweißnähte an den Rohrenden, werden geröntgt. Zusätzlich werden alle Rohrenden einer Ultraschallprüfung auf Dopplungen unterzogen.
Im Rahmen der Gütesicherung erfolgen im Fertigungsablauf integrierte zerstörende sowie zerstörungsfreie Prüfungen. Nachdem die Rohre alle Prüfstationen einschließlich Maßkontrolle durchlaufen haben, werden sie zur Endabnahme vorgelegt.
Neben den Vorteilen der Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens (schnellere Formung und Heftschweißung) ergeben sich durch die Aufteilung der Prozesse in die Schritte Rohrformung und Schweißung auch technische Vorteile, indem eine separate Optimierung der Teilschritte Rohrformung und UP-Schweißung ermöglicht wird.
Des Weiteren wird die erzeugte Rohrgeometrie in der Rohrformmaschine nicht negativ durch den UP-Schweißprozess beeinflusst und damit die Einhaltung vorgegebener Toleranzwerte verbessert.
Beim HFI- oder ERW-Schweißen hingegen läuft das durch Walzgerüste zum Schlitzrohr eingeformte Band kontaktfrei durch eine von hochfrequentem Strom durchflossene Spule. Dadurch wird ein hochfrequenter Strom im Rohr erzeugt, der sich um die Rohroberfläche und die beiden Bandkanten zum Kreis schließt. Dabei werden die Bandkanten in sehr kurzer Zeit auf Schweißtemperatur erwärmt. Durch Druckrollen werden die Bandkanten zusammengepresst und ohne Zusatzwerkstoffe homogen als Längsnaht verschweißt.
Die qualitätssichernden Maßnahmen sind denen der UP-spiralnahtgeschweißten Rohre vergleichbar.
Um eine kontinuierliche Rohreinformung und Verschweißung zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Enden der einzelnen Bänder zu einem Endlosband zusammenzuschweißen. Aus dem Stand der Technik ist es z. B. aus den Schriften JP 56141984 A und JP 2000141034 A bekannt, die Herstellung einer Bandverbindungsnaht in mehreren Arbeitsschritten durchzuführen.
Zunächst werden vor der Einformung des Bandes die Enden der aufgewickelten Bänder abgetrennt und die Bandkanten mit einem Plasma-Brenner so bearbeitet, dass diese eine Fuge mit einer definierten Geometrie, z. B. I-, Y- oder V-förmig als Schweißnahtvorbereitung erhalten.
Nach der JP 56141984 wird des Band nach Anbringen einer definierten Bandkantengeometrie durch Plasmaschneiden zunächst mittels Metall-Inertgasschweißen (MIG) geheftet und anschließend mittels UP-Schweißen fertig geschweißt.
Zur Leistungssteigerung bei der Herstellung der Bandverbindungsnaht ist es aus der JP 2000141034 A bekannt, die Fuge zwischen den zu verschweißenden Bandenden mit Eisenpulver zu füllen und anschließend mittels Schutzgasschweißen in 2-Draht-Technik miteinander zu verschweißen.
Allgemein bekannt ist auch die Herstellung der Bandverbindungsnaht in folgenden Schritten:
Als erstes wird das in der Verformungseinheit befindliche meist unregelmäßig ausgebildete Bandende beispielsweise mittels eines thermischen Verfahrens, wie dem Plasma-Verfahren, abgetrennt. Anschließend erfolgt das Anschweißen von Ein- und Auslaufblechen am Bandende. Parallel dazu wird z. B. mittels einer Schlagschere der Bandanfang vom neuen Band ebenfalls abgetrennt. Nach dem Anbringen der Ein- und Auslaufbleche werden die Enden der zu verschweißenden Bänder über die Bandbreite mittels einer Fräsbearbeitung mit einer definierten Geometrie als Schweißnahtvorbereitung versehen.
Nach diesen Arbeitsschritten werden die Bandenden zueinander in der Höhe ausgerichtet, auf Stoß oder mit einem geringen Luftspalt zusammengefahren, fixiert und eine Schweißbadsicherung aus Keramik angebracht. Danach werden die Bänder zunächst mit Heftnähten als Wurzellage miteinander verbunden und mittels Schutzgas- und/oder UP-Schweißung abhängig von der Blechdicke in einer oder mehreren Lagen vollständig verschweißt.
Hierbei werden die zu verbindenden Bandenden zunächst an der Oberseite, der späteren Innenseite des eingeformten Rohres, geheftet und UP-geschweißt. Danach wird das Band oder Blech in der Rohreinformung zu einem Schlitzrohr eingeformt und an den zusammenlaufenden Längskanten verschweißt. Je nach Kundenauftrag verbleibt die Bandverbindungsnaht im fertigen Rohr und es wird entweder von der anderen, der Außenseite des Rohres, die Wurzellage ausgefugt und die Gegenlage der Bandverbindungsnaht im Regelfall mittels UP-Verfahren geschweißt und blecheben geschliffen oder der Rohrabschnitt mit der Bandverbindungsnaht wird, beispielweise mittels eines Plasmatrennschnittes, aus dem fertigen Rohr herausgetrennt.
Wenngleich mit diesen bekannten Verfahren qualitativ hochwertige Bandverbindungsnähte hergestellt werden können, so weisen diese dennoch mehrere Nachteile auf.
Das Hauptproblem der bekannten Verfahren zur Herstellung einer Bandverbindungsnaht besteht darin, dass ein Verbindungsvorgang durch den mehrstufigen Schweißprozess, bestehend aus Abtrennen der Bandenden, Nahtvorbereitung, Heften und Schweißen, mit relativ langsamen Schweißverfahren je nach Wanddicke bis zu 30 Minuten betragen kann. In dieser Zeit steht die Spiralrohrherstellung still, was zu hohen Produktionsausfällen führt, wenn kein Bandspeicher zur Verfügung steht.
Zudem ist die für die Herstellung der vollständigen Bandverbindungsnaht durch die am fertigen Rohr noch auszuführende Gegenlagenschweißung und die für die Anwendung der bekannten Schweißverfahren notwendige exakte Nahtvorbereitung durch thermische oder spanabhebende Verfahren sehr kostenintensiv.
Um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, ist es Aufgabe der Erfindung, die Herstellung von Bandverbindungsnähten zur Erzeugung geschweißter Rohre aus Stahl dahingehend zu verbessern, dass die Bandverbindungsnaht deutlich schneller und kostengünstiger bei gleichbleibend hoher Qualität hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Bandenden unter Verzicht auf die separate Bandkantenvorbereitung und den Heftvorgang mittels einer Verfahrenskombination aus einem an derselben Schweißstelle gleichzeitig einwirkenden Plasma- und Metallschutzgas(MSG)-Schweißprozess in einer Lage miteinander verbunden werden.
Der Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren ist, dass diese Vorgehensweise keine separate Nahtvorbereitung erfordert. Schon ein einfacher Trennschnitt der Bandenden, beispielsweise mit einer Schlagschere, ist ausreichend. Wie sich bei Versuchen gezeigt hat, reicht die Geometrie der Schlagkante als Nahtvorbereitung zum Verschweißen der Bandenden vollkommen aus. Jedoch ist auch ein thermischer Trennschnitt, z. B. durch autogenes Schneiden, Plasma- oder Laserschneiden, anwendbar.
Neben der Einsparung des Fertigungsschrittes der separaten Bandkantenvorbereitung besteht ein weiterer großer Vorteil der Erfindung darin, dass durch den Einsatz des kombinierten Plasma-MSG-Verfahrens die Bandverbindungsnaht aufgrund des verfahrensspezifisch geringeren Nahtvolumens wesentlich schneller und mit weniger Schweißzusatzwerkstoff erstellt werden kann als mit den bekannten Verfahren und damit auf eine Heftnaht ebenfalls verzichtet werden kann.
Die Schweißungen der Bandverbindungsnähte können dabei vorteilhaft als Stumpfnaht einlagig im I-Stoß ausgeführt werden.
Das Plasma-MSG-Schweißen ist eine Kombination aus Plasma- und MSG-Schweißen. Durch die Kombination beider Prozesse werden sehr günstige Bedingungen geschaffen, die die Vorteile beider Prozesse, d. h. die hohe Abschmelzleistung des MSG-Verfahrens mit gutem Gasschutz und tiefem Einbrand sowie Porensicherheit und Fehlerfreiheit des Plasma-Verfahrens verbinden.
Das Grundprinzip dieses kombinierten Schweißverfahrens besteht darin, dass ein MSG-Lichtbogen an einem abschmelzenden drahtförmig endlos zugeführten Zusatzwerkstoff konzentrisch von einem stationären Plasmalichtbogen umgeben wird oder seriell mit dem Plasmalichtbogen in einer Prozesszone wirkt. Der für den Plasmaprozess charakteristische Stichlocheffekt ermöglicht es, die gebündelte Energie des Plasma-Lichtbogens beim Schweißen von Stumpfstößen gleichmäßig in das Material über die gesamte Werkstückdicke einzubringen und zu durchdringen. Hierbei kommt es zur Ausbildung einer Schweißöse, wobei durch die Brennerbewegung das in der Öse zur Seite gedrängte flüssige Schweißgut wieder zusammenfließt und so in Kombination mit dem angekoppelten MSG-Prozess die Schweißnaht bildet.
Die hohe thermische Belastung aller Komponenten, wie der Elektrode des Stromkontaktrohres sowie die Plasmadüse, erfordern eine gute Wasserkühlung.
Der Plasma-MSG-Prozess läuft in drei aufeinanderfolgenden Grundphasen ab. In der ersten Phase erfolgt die Zündung des Plasmalichtbogens. Im zweiten Prozessabschnitt, der Vorwärmphase, brennt nur der Plasmalichtbogen, ohne dass die Vorschubbewegung aktiviert ist. In der dritten Phase werden der MSG-Lichtbogen und die Vorschubbewegung zugeschaltet. In diesem Abschnitt findet der eigentliche Abschmelzvorgang statt.
Bei Versuchsreihen mit dem kombinierten Plasma-MSG-Verfahren wurden neben verschiedensten Schweißparametereinstellungen auch unterschiedliche Schweißnahtvorbereitungen (I-, Y-Fugenvorbereitungen) und kombinierte Nahtkonfigurationen (HY- und HV-Konfiguration) an verschiedenen Blechwanddicken untersucht. Auf Basis dieser umfangreichen Untersuchungen können folgende Erkenntnisse zusammengefasst werden:
Aufgrund der großen Einbrandtiefe dieses Hochleistungsverfahrens (Plasma-MSG-Brenner mit Stromstärken bis 500 A beim Plasmaschweißen) kann selbst bei Blechwanddicken > 10 mm auf eine separate Schweißnahtvorbereitung zur Herstellung einer qualitativ hochwertigen Schweißnaht verzichtet werden, so dass ein einfacher I-Stoß ausreichend ist.
Die schnell einstellbare Prozessstabilität des Plasma-MSG-Verfahrens in der Start- und Endphase der Schweißung durch geeignete Parametereinstellungen ermöglicht auch bei größeren Wanddicken den Wegfall von An- und Auslaufblechen.
Zerstörende Untersuchungen der Schweißnähte zeigten, dass die mechanisch-technologischen Schweißguteigenschaften der Plasma-MSG-Schweißnähte auch beim Einsatz verschiedener Schutzgase und Drahtelektroden und auch in verschiedenen Kombinationen mindestens vergleichbar gut sind, wie die mit den bekannten Verfahren hergestellten Schweißverbindungen.
Da es für den Einsatz des Plasma-MSG-Verfahrens zur Herstellung von Bandverbindungsnähten noch keinerlei Erfahrungswerte gibt, wurden umfangreiche Schweißversuche mit verschiedenen Nahtkonfigurationen sowie mit verschiedenen Schutzgasen und Zusatzwerkstoffen durchgeführt. Für die Untersuchungen wurden Warmbänder mit Wanddicken von 12,7 und 15,1 mm eingesetzt. Für die Schweißversuche wurden als Schutzgase das Mischgas M21, das sich aus Argon (Ar) und Kohlendioxid (CO2) zusammensetzt, sowie das Schutzgas C1, bestehend aus reinem Kohlendioxid (CO2), verwendet.
Als Zusatzwerkstoffe wurden Schweißdrahtelektroden mit den Bezeichnungen EN ISO 14341-A G42 2 C G3Si1 und EN ISO 16834-A G Mn3Ni1Mo verwendet. Alle Bandverbindungen wurden im I-Stoß in einer Lage geschweißt.
In den 1 und 2 sind Makroschliffe der Schweißverbindungen und in den Tabellen 1 und 2 wesentliche Schweißparameter für diese Banddicken aufgeführt, mit denen einwandfreie Schweißverbindungen erzielt werden können. Durch das erfindungsgemäß kombinierte Schweißverfahren wird an dem I-Stoß der Bandenden eine Y-förmige Nahtausbildung erreicht.

Bei Bandicken von etwa 10 bis über 25 mm werden so Schweißgeschwindigkeiten von 30 bis zu 100 cm/min erreicht. Die Schweißparameter der Plasmastrahlquelle liegen bei Stromstärken zwischen 100 und 500 A (korrespondierende Spannungswerte zwischen 22 und 35 V) und die der Schutzgasschweißquelle zwischen 150 und 600 A (korrespondierende Spannungswerte zwischen 19 und 38 V). Tabelle 1

Schweißparameter 12,7 mm Wanddicke
Schweißgeschwindigkeit	55–65 cm/min
Gasdurchflussmenge Plasma	3–4 l/min
Gasdurchflussmenge MSG	8–9 l/min
Nahtkonfiguration	I-Naht
Luftspalt	ca. 1 mm
Plasmaschweißstrom	200–300 A
MSG-Schweißstrom	400–500 A

Tabelle 2

Schweißparameter 15,1 mm Wanddicke
Schweißgeschwindigkeit	45–50 cm/min
Gasdurchflussmenge Plasma	3–4 l/min
Gasdurchflussmenge MSG	9–10 l/min
Nahtkonfiguration	I- oder Y-Naht
Luftspalt	ca. 1 mm
Plasmaschweißstrom	250–350 A
MSG-Schweißstrom	400–500 A

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 56141984 A [0015]
JP 2000141034 A [0015, 0018]
JP 56141984 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Spiralgeschweißte Großrohre – Produktinformationen –” (Salzgitter Mannesmann Großrohr 3/08) [0004]
EN ISO 14341-A G42 2 C G3Si1 [0038]
EN ISO 16834-A G Mn3Ni1Mo [0038]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsnaht an Bandenden aus Stahl bei der kontinuierlichen Erzeugung geschweißter Rohre, wobei in einem mehrstufigen Prozess, bestehend aus Abtrennen der Bandenden und nachfolgendem Fertigschweißen, einzelne Bänder zu einem Endlosband verschweißt werden und dieses mittels einer Verformungseinheit zu einem Schlitzrohr eingeformt wird und die zusammenlaufenden Bandkanten zusammengeschweißt werden dadurch gekennzeichnet, dass die Bandenden unter Verzicht auf eine separate Bandkantenvorbereitung und einen Heftvorgang mittels einer Verfahrenskombination aus einem an derselben Schweißstelle gleichzeitig einwirkenden Plasma- und Metallschutzgas-(MSG-)Schweißprozess in einer Lage miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen der Bandenden durch einen thermischen und/oder mechanischen Trennschnitt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Trennschnitt ein Plasma-, Laser- oder autogenes Brennschneiden ist.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Trennschnitt ein Abscheren ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschweißen Stahlbänder mit Dicken von mehr als 10 mm eingesetzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschweißen Stahlbänder mit Dicken von bis zu 30 mm eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6 dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Bandenden im I-Stoß miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen der Bandenden bei einer Geschwindigkeit von 30 cm/min bis zu 100 cm/min, mit Stromstärken der Plasmastrahlquelle zwischen 100 und 500 A bei Spannungswerten zwischen 22 und 35 V und Stromstärken der Schutzgasschweißquelle zwischen 150 und 600 A bei Spannungswerten zwischen 19 und 38 V erfolgt.