DE2552401A1

DE2552401A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen waermebehandlung geschweisster rohre mit verstaerkter schweissnaht

Info

Publication number: DE2552401A1
Application number: DE19752552401
Authority: DE
Inventors: Hisashi Gondo; Tsurugi Kimura; Hajime Nakasugi; Hideyuki Okatani; Tsutomu Sakimoto; Teruo Tanimoto; Toshio Yamamoto
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1974-11-26
Filing date: 1975-11-22
Publication date: 1976-08-12
Also published as: GB1496377A; FR2292772A1; IT1049805B; CA1042324A; DE2552401B2; FR2292772B1

Description

Dr. V/firner Haßler

PATU rl TANWALT Lüdenscheid, 21. November 1975 - 8

528 LUD Ei53CHElD _A ^

:dl704

Anmelderin: Firma Nippon Steel Corporation 6-3, Otemachi 2-chome, Chiyoda-ku, Tokio, Japan

Verfahren und "Vorrichtung zur kontinuierlichen Wärmebehandlung geschweißter Rohre mit verstärkter Schweißnaht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Wärmebehandlung geschweißter Rohre mit verstärkter Schweißnaht, wonach das Rohr in Axialrichtung durch eine Induktionsheizvorrichtung zur Erhitzung des gesamten Rohres bewegt wird.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Im Rahmen der Herstellung von Stahlrohren mit großem Durchmesser bspw. nach dem UO-Verfahren ist eine Wärmebehandlung der Rohre, die an den aneinanderstoßenden Teilen des Mantels verschweißt sind, erforderlich, damit entsprechende Qualitätseigenschaften des Rohres gewährleistet sind. Als Heizvorrichtung für diese Wärmebehandlung wird eine Induktionsheizvorrichtung mit hoher Heizleistung und hoher Leistungsfähigkeit benutzt. Unmittelbar nach der Erhitzung des geschweißten Rohres ist jedoch die Temperatur der Schweißnaht geringer als die Temperatur des Grundwerkstoffes des Rohres. Fig. 1 zeigt eine Temperaturverteilung innerhalb der Querschnittsfläche im Bereich der Schweißnaht. Wenn das Auftragsverhältnis (2^t/t) groß ist, erhält

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man eine Temperaturverteilung nach Fig. 1 (a). Wenn dieses AuftragsverMltnis klein ist, ergibt sich, eine Temperaturverteilung nach Fig. 1 (b). Die maximale Temperaturdifferenz macht etwa 100 bis 200° C aus. Jede große Temperatur-

IQ SLX

differenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht beeinträchtigt die Güte des behandelten Rohres. Infolgedessen soll diese Temperaturdifferenz innerhalb zulässiger Grenzen geregelt werden, damit man Rohre hoher Qualität erhält.

Die,zulässige Grenze für die Temperaturdifferenz hängt von dem "Verfahren der V/ärmebehandlung ab. Ein Beispiel für diese Schranke sind + 20° G für eine Wärmebehandlung bei 950° C.

Zur Verkleinerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht ist die Anwendung einer längeren Aufheizdauer für das geschweißte Rohr üblich, denn die verlängerte Aufheizzeit führt infolge der Wärmeleitung des Rohres zu einer Verkleinerung der genannten Temperaturdifferenz.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung zur Wärmebehandlung mit einer Induktions-Heizvorrichtung. Danach sind Transportrollen 1, 2, eine Heizvorrichtung J inform einer Induktionsspule und eine Kühlvorrichtung 4- in der dargestellten Weise zur kontinuierlichen Wärmebehandlung geschweißter Rohre angeordnet. Für eine solche Bearbeitungsstrecke besteht eine Grenze für den Abstand der Transportrollen entsprechend der Länge der behandelten Rohre (meistens 6 - 20 m) ; entsprechendes gilt für den Abstand zwischen der Heizvorrichtung 3 und der Kühlvorrichtung M- in Bezug auf das Wärmebehandlungsverfahren und die Leistungsfähigkeit der Anlage. Auch die Länge der Heizvorrichtung selbst ist Grenzen unterworfen.- Infolgedessen ist der einzige frei verfügbare Parameter zur Verkleinerung der Temperaturdifferenz in der Verlängerung der Beheizungsdauer zu sehen, was im Hinblick auf verschiedene Arbeitsbedingungen unzweckmäßig ist.

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Eine andere Maßnahme zur Verkleinerung der Temperaturdifferenz liegt in der Vorerhitzung der Schweißnaht vor der eigentlichen Wärmebehandlung; diese Vorerhitzung'erfolgt mit einem Gasbrenner. Diese Arbeitsweise ist nach den durchgeführten Untersuchungen mit folgenden Nachteilen behaftet:

a) Die zur Vorerhitzung der Schweißnaht eingesetzte Wärmemenge verteilt sich in Umfangsrichtung des Rohres, wenn das Rohr nach der induktiven Erhitzung durch die Kühlvorrichtung gelangt, so daß die der Schweißnaht benachbarten Bereiche des Grundmetalls eine höhere Temperatur als die Schweißnaht selbst haben. Infolgedessen werden diese Teile des Grundmetalls übermäßig stark erhitzt. Wenn sich dann das Rohr bei der Abkühlung zusammenzieht, konzentriert sich die Verformung auf den übermäßig erhitzten Bereich. Die Verformung wird in diesem Bereich stärker als in anderen Bereichen, so daß die Rundheit des Rohrquerschnitts verschlechtert wird. Die Unrundheit macht etwa 20 bis 30 mm bei einem Rohrdurchmesser von 70 ra& aus im Vergleich zu einer Unrundheit von Λ^ nm. ohne Vorerhitzung der Schweißnaht.

b) Je höher die Frequenz des der Induktionsspule zugeführten Stromes ist, umso mehr wird die Wärmemenge konzentriert, jedoch die Eindringtiefe wird kleiner. Wenn die Temperatur des Wärmgutes kleiner ist, wird ebenfalls die Wärmeeindringtiefe kleiner. Infolgedessen kann nach dem Vorerhitzungsverfahren eine gleichförmige Erhitzung der Schweißnaht in Dickenrichtung dann nicht erreicht werden, wenn ein Hochfrequenzstrom benutzt wird. Die für eine Wandstärke von 10 mm nutzbare Frequenz beträgt 50 bis 150 Hz.

c) Die Temperatursteuerung ist schwierig, weil der Abstand zwischen der Regelstelle und der Kühlvorrichtung groß ist.

d-> Nicht nur die Schweißnaht, sondern auch der Bereich um die " Schweißnaht müssen erhitzt werden, so daß der Erhitzungsbereich die Wärmeausbeute absenkt.

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Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung geschweißter Rohre bereitzustellen, womit eine Regelung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht innerhalb eines Bereiches möglich ist, der eine wirksame Wärmebehandlung gewährleistet. Außerdem wird eine hohe Wärmeausbeute bei der Erfindung erstrebt. Das Verfahren nach der Erfindung soll vollständig automatisierbar sein und eine hohe Genauigkeit und Ansprechempfindlichkeit sichern.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß unmittelbar nach der Induktionserhitzung eine lokale Erhitzung der Schweißnaht derart erfolgt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht kleiner als ein Schwellenwert wird, und daß anschließend in bekannter Weise das Rohr gekühlt wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in Durchlaufrichtung des Rohres unmittelbar im Anschluß an die Induktionsheiζvorrichtung ein Nahtbeneizer zur lokalen Erhitzung der Schweißnaht im Sinne einer Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht innerhalb vorgegebener Schwellenwerte vorgesehen ist und daß im Anschluß an den Nahtbeheizer eine Kühlvorrichtung angeordnet ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden mnter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, in denen darstellen:

Fig. 1 die Temperaturverteilung im Bereich der

Schweißnaht für eine Erhitzung des Rohres ohne lokale Vorerhitzung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Vorrichtung,

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	3	2552401 - 5 -	LfN	zur zusätzlichen Aufheizung der Schweißnaht
Fig.		eine schematische Darstellung einer Vor	angeordnet sind.
	4	richtung nach der Erfindung,
Fig.		eine schematische Darstellung einer Vor
		richtung zur Behandlung von Schraubennaht
	5	rohr en,
Fig.		eine schematische Ansicht einer Ausführungs
	6	form der Wärmebehandlungsvorrichtung,
Fig.		eine Seitenansicht des Schweißnahterfassungs
	7	gerätes in Fig. 5,
Fig.		eine grafische Erläuterung der Schweißnaht
	8	erfassung,
Fig.		und 9 jeweils Seitenansichten des Temperatur
	10	differenzmeßgerätes und des Nahtbeheizers,
Fig.		und 11 Blockschaltbilder des Nachführungsteils
		und der Ausgangssteuerung für den Nahtbe
	12	heizer,
Fig.		eine schematische Darstellung einer abge
	13	wandelten Ausführungsform der Erfindung,
Fig.		Signalwellenformen zur Erläuterung der
	14-	Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 12,
Fig.		ein Schaubild zur Erläuterung der Temperatur
		differenz zwischen Grundmetall und Schweiß
		naht in Abhängigkeit von dem Auftragsver
		hältnis bei einer Wärmebehandlung nach dem
	15	Stand der Technik und
Fig.		ein Schaubild zur Erläuterung der Temperatur
		differenz zwischen Grundmetall und Schweiß
	naht bei Anwendung der Erfindung.
Fig. 3 zeigt	eine Heizvorrichtung für nach dem UO-Verfahren
hergestellte	Rohre. Ein Rohr 7 wird auf Transportrollen 1, 2
	gefördert, zwischen denen eine Heizvorrichtung 3 mit einer
Induktionsspule, eine Kühlvorrichtung 4- zur Kühlung des in
der Induktionsspule schnell aufgeheizten Rohres 7 und ein
Nahtbeheizer
des Rohres 7

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Das' aus der Scliweißstation kommende Rohr 7 wird über die Transportrollen 1 der Heizvorrichtung 3 zugeführt und durch die Induktionsspule schnell auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt. Dann wird die Schweißnaht, die eine niedrigere Temperatur als das Grundmetall hat, zusätzlich durch den Nahtbeheizer 5 erhitzt, damit die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht auf eine zulässige Schranke verkleinert wird, innerhalb der diese Temperaturdifferenz keinen nachteiligen Einfluß auf die Güte des behandelten Rohres hat. Nach der Erfindung erfolgt die Zusatzbeheizung der Schweißnaht durch den Nahtbeheizer 5 unmittelbar nach der Aufheizung des Rohres durch die Heizvorrichtung 3,^ also die selektive Erhitzung der Schweißnaht, deshalb, weil die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht nach der Erhitzung des Rohres ohne Schwierigkeiten genau erfaßt werden kann. Infolgedessen ist eine Regelung dieser Temperaturdifferenz innerhalb zulässiger Schranken möglich. Dadurch kann die vor der Kühlung erforderliche Zeitdauer verringert werden. Infolgedessen kann man ohne Schwierig· keiten ein Wärmeprofil fahren, so daß nur eine geringe Gefahr einer Überheizung oder Unterbeheizung entsteht.

Im Rahmen der Erfindung wird eine Hochfrequenzspule für den Nahtbeheizer eingesetzt. Man kann allerdings auch einen Gasbrenner, einen Ölbrenner, einen Lichtbogen oder einen Laserstrahl einsetzen. Die jeweilige Einrichtung kann im Hinblick auf die Rohrgröße, die Rohrherstellung, den zur Verfügung stehenden Raum und die geforderte Leistung ausgewählt werden.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Wärmebehandlung von nach dem UO-Verfahren hergestellten Rohren. Das Verfahren nach der Erfindung ist jedoch auch bei Schraubennahtrohren anwendbar. In diesem Fall stimmen die Richtung der Schweißnaht und die Richtung der Rohrachse nicht miteinander überein, so daß der Nahtbeheizer der Bahn der Schweißnaht

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folgen muß.

Nach Fig« 4 wird ein Stahlband 10 gerichtet und in einem Biegegerüst 13 zu einem Schraubennahtrohr 11 geformt. Die Schraubenwindungen werden durch eine Außenseitenschweißvorrichtung 14 mithilfe einer Sehweißnaht 12 verschweißt. Das Rohr läuft über Stützrollen 15 und bewegt sich durch eine Heizvorrichtung 16, die auf das Biegegerüst 13 ausgerichtet ist. Hinter der Heizvorrichtung 16 befinden sich eine Kühldüse 17 und weitere Transportrollen 18. Das Stahlrohr 11 wird nach der Bildung der Schweißnaht von den Stützrollen 15 durch die Heizvorrichtung 16 bewegt und dabei auf die gewünschte Temperatur der Wärmebehandlung erhitzt. Zwischen der Heizvorrichtung 16 und der Kühldüse 17 befindet sich ein Nahtbeheizer 19 an einer bestimmten Stelle der Vorschubbahn der Schweißnaht 12. Dieser Nahtbeheizer 19 muß so angeordnet sein, daß er der fortschreitenden Schweißnaht folgt,die in gleicher Weise und in gleicher Richtung wie der Schweißpunkt bewegt wird.

Zwischen der Heizvorrichtung 3 und der Kühlvorrichtung 4 wird die Schweiß-naht zusätzlich aufgeheizt, so daß die von der Schweißnaht abgegebene Wärmemenge klein ist, bis eine Kühlung des Rohres 7 erfolgt, so daß das gesamte Rohr einschließlich de:' Schweißnaht gleichförmig erhitzt ist. Infolgedessen können durch übermäßige Erhitzung keine Verformungen auftreten. Wenn die lokale Aufheizung der Schweißnaht erfolgt, ist das gesamte Rohr bereits durch die Heizvorrichtung 3 auf eine hohe Temperatur,im allgemeinen oberhalb des Curiepunktes erhitzt, 'so daß die Wärme sehr tief eindringt und eine gleichförmige Erhitzung der Schwei naht in Dickenrichtung gewährleistet ist, auch wenn ein Strom mit hoher Frequenz von 1 000 bis 3000 Hz zur Anwendung kommt„ Wenn die Schweißnaht außerdem unmittelbar vor der Kühlung des Rohres zusätzlich erhitzt wird, läßt sich die Temperatur der Schweißnaht sehr leicht regeln, so daß eine sehr genaue und schnelle Regelung gesichert ist. Infolgedessen ermöglicht die

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Erfindung eine genaue und einfachte Regelung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht innerhalb zulässiger Schranken, so daß man ein Rohr mit den gewünschten Eigenschaften erhält. Dieses Verfahren läßt sich in Verbindung mit der herkömmlichen Wärmebehandlung anwenden, so daß dadurch hochwertige Rohre erhalten werden.

Eine Heizvorrichtung muß im Rahmen der Erfindung so aufgebaut sein, daß .eine Temperaturdifferenzmeßvorrichtung zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen Grundmetall und Schweißnaht zwischen der Heizvorrichtung und dem Nahterhitzer angeordnet ist. Es kann sich um ein Strahlungspyrometer handeln, das quer über die Schweißnaht verstellbar ist, um dadurch die Temperatur eines Bereichs um die Schweißnaht zu erfassen. Die nachgewiesene Temperaturdifferenz wird zur Regelung der Leistung des Nahterhitzers innerhalb der Leistungsgrenzen benutzt Als Temperaturdifferenz zwischen Grundmetall und Schweißnaht wird normalerweise die maximale Temperaturdifferenz<ώΤ nach !"ig. 1 ausgenutzt, ohne daß man auf diese Größe beschränkt ist, Man kann auch einen Integralwert des TemperaturVerlaufs etwa die Fläche K-L^-Lp nach Fig. 1a oder eine Fläche M nach Fig.1b als Maß für die Temperaturdifferenz auswerten. Erforderlichenfalls kann zusätzlich ein Schweißnahterfassungsgerät eingesetzt werden, das mit einem Einstellglied des Nahterhitzers verbunden ist, damit der Nahterhitzer immer mit bestem Wirkungsgrad im Bereich der Schweißnaht arbeitet.

Im folgenden wird die Vorrichtung nach Fig. 5 in Einzelheiten erläutert. Der Nahtbeheizer 5 umfaßt ein Schweißnahterfassungsgerät 21, ein Temperaturdifferenzmeßgerät 31? ein Spaltmeßgerät 39 zur Erfassung des Spaltes zwischen der Schweißnaht und dem Nahtbeheizer, einen Nahtheizkopf 41 und ein Temperaturdifferenzmeßgerät 59 zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht, das ein Rückkoppe lungs signal an ein Steuergerät 51 abgibt. Alle Baugruppen

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sind BÖglichst nahe an dem. Rohr und hintereinander auf einer Seite der Heilvorrichtung 3 in Sichtung der Rohrachse angeordnet. Ein YorsehubgeschwindigkeitsBiesser 29 ist »it der Transportrolle 1 gekoppelt» die sich auf einer Seite der Heizvorrichtung 3 befindet.

Innerhalb der Heizvorrichtung wird das Rohr 7 von der Transport rolle 1 getragen "and bewegt. Aufgrund einer Fehlzentrierung beim Biegevorgang oder aufgrund von Schweißeinfliissen oder dgl. kann sich die Schweißnaht senkrecht zur Transportrichtung des Bohres ? um etwa 10 bis 50 mm bei einem UQ-St ahlrohr verschieben. Wenn der Mahtheizkopf feststehend angeordnet ist, könnte sich die Schweißnaht aus der Beheizungszone des üfahtheizkopfes 41 herausbewegen. Mach der Erfindung ist deshalb ein Schweißnahterfassungsgerät 21 vorgesehen, damit der Nahtheigkopf 4-1 der Schweißnaht naehgeführt werden kann, wenn sich dieselbe verschiebt, so daß eine gleichmäßige Erhitzung der Schweißnaht gewährleistet ist.

Bas Schweißnahterfassungsgerät 21 umfaßt einen unmittelbar oberhalb der Schweißnaht 9 angeordneten Strahlungsmesser bspw. ein Strahlungspyrometer 22 und eine Stellvorrichtung 23 zur Hin- und Herbewegung des Strahlungsmessers 22 quer über die Schweißnaht 9 mit einer konstanten Hublänge von 5® bis ^00 mm mit konstanter Geschwindigkeit von 1 bis 10 cm/sec. Die Stellvorrichtung 23 weist eine in einem Rahmen 2? gelagerte Schraubenspindel 24 und einen Motor 25 zur Drehung der Schraubenspindel 24 auf. Auf der Schraubenspindel 24'sitzt ein Schlitten 26, der den Temperaturmesser 22 trägt und der bei der Drehung der Schraubenspindel 24 periodisch über der Schweißnaht 9 hin- und herbewegt wird.

Fig. ? erläutert die Wirkungsweise des Schweißnahterfassungsgerätes 9. Ba die Schweißnaht 9 eine tiefere Temperatur als das Grundaetall 8 aufweist, erfaßt das Schweißnahterfassungsgerät 21 den Punkt tiefster Temperatur innerhalb eines Plächen-

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bereichs um die Schweißnaht jeweils auf der Außenfläche des Rohres ?. A und B geben jeweils die Umkehrpunkte der Bewegung des Tempöraturmessers 22 anf C und D sind jeweils die Randpunkte der Schweißnaht 9· Die Temperatür b im Bereich der Schweißnaht ist niedriger als die Temperatur a des Grundmetälls. Der Temperaturverlauf wird in ein differentiiertes Signal d umgewandelt, das die Temperaturänderung anzeigt und dadurch die Nachweisempfindlichkeit vergrößert. Dieses Signal wird in einen Signalimpuls d umgewandelt, der den Mittelpunkt der Schweißnaht angibt.

Das Schweißnahterfassungsgerät kann mechanisch hin- und herbewegt werden, so daß man ein Temperatursignal und daraus ein Stellungssignal für die Lage der Schweißnaht erhält. Man kann jedoch auch eine Abtastvorrichtung für den Flächenbereich um die Schweißnaht zur elektronischen oder optischen Abtastung einsetzen.

Bas Schweißnahterfassungsgerät nach der Erfindung ist so aufgebaut, daß jeweils der Mittelpunkt der Schweißnaht aufgrund der Temperaturverteilung in der Bähe der Schweißnaht erfaßt wird. Deshalb kann man den Mittelpunkt der Schweißnaht mit höher Insprechgeschwindigkeit und hoher Genauigkeit erfassen, indem ein entsprechendes Strahlungspyrometer benutzt wird. Durch Anwendung eines Strahlungspyrometers wird das Schweißnahterfassungsgerät 21 sehr störungsfrei. Die Meßgenauigkeit ändert sich im Laufe der Zeit nicht, weil das Pyrometer eine hohe läraebeständigkeit hat. Das Schweißnahterfassungsgerät kann die Lage der Schweißnahtcberührungsfrei feststellen.

Das Temperaturdiff erenzmeßgerät 31 ist ähnlich wie das Schweißnahterfassungsgerät 21 aufgebaut. Mach Fig. 8 trägt ein von einer Antriebsvorrichtung 35 betätigter Schlitten 36 das Strahlungspyrometer 32. Eine Schraubenspindel 34- "and ein Motor 35 sitzen in einem Rahmen 37· ^Der Schlitten 36 kann

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mittels der Schraubenspindel 34 hin- und hergeschoben werden.

Das Temperaturdifferenzmeßgerät 31 erfaßt die niedrigste und höchste Temperatur in der Umgebung der Schweißnaht 9 und gibt den Wert dieser Temperaturdifferenz an ein Steuergerät 51 weiter. Anstelle dieses Temperaturdifferenzmeßgeräts kann man eine Mehrzahl von Pyrometern zur Erfassung von Temperaturdifferenzen oder eine Vorrichtung zur elektronischen oder optischen Abtastung der Fläche um die Schweißnaht 9 einsetzen. Da das Temperaturdifferenzmeßgerät einen ähnlichen Aufbau wie das Schweißnahterfassungsgerät 21 hat, kann man eine gleichartige Vorrichtung für beide Zwecke einsetzen.

Nach Fig. 9 umfaßt der Nahtheizkopf 4-1 eine Induktionsspule zur lokalen Erhitzung der Schweißnaht 9 "und eine Nachführeinrichtung 4-3 zur Verstellung der Spule 42 auf einen Punkt, der möglichst kleinen Abstand von der Schweißnaht 9 hat. Die Nachführeinrichtung 43 umfaßt einen Rahmen 47 in dem eine Schraubenspindel 44 und ein Motor 45 gelagert sind. Die Schraubenspindel 44 trägt einen Schlitten 46, der entsprechend der Drehung der Schraubenspindel 44 hin- und herbewegt wird. Die Drehung wird durch Signale des Steuergeräts 51 zur Nachführung des Nahtheizkopfes gesteuert. Von dem Schlitten 46 erstreckt sind eine Schraubenspindel 48 nach unten, auf der ein Schlitten 49 mit der Induktionsspule 42 verschiebbar ist. Die Schraubenspindel 48 kann durch einen Motor 50 gedreht werden, so daß der Schlitten 49 mit der Induktionsspule 42 nach oben oder nach unten entsprechend der Drehrichtung der Schraubenspindel 48 verschoben werden kann.

Anstelle einer Hochfrequenzspule kann für die Nacherhitzung auch ein Gasbrenner eingesetzt werden. Der Antrieb für die Höheneinstellung kann auch in anderer Weise erfolgen etwa durch einen Hydraulikzylinder, einen Hydraulikmotor, einen Lüftmotor oder dgl. Das Temperaturdifferenzmeßgerät 59 kat den gleichen Aufbau wie das Temperaturdifferenzmeßgerät 31· '

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Fig. 10 stellt in einem Blockschaltbild den Regelkreis für die Verstellung des Nahtheizkopfes 4-1 dar. Ein Aus gangs signal des Schweißnahterfassungsgeräts 21 wird in einen Schaltkreis 52 eingegeben, der ein Signal für die Schweißnahtmitte erzeugt. Die Schweißnaht 9 hat eine geringere Temperatur als das Grundmetall, so daß man den Punkt niedrigster Temperatur als Mittelpunkt der Schweißnaht 9 erfassen kann. Der Schaltkreis 52 erfaßt die Stelle niedrigster Temperatur in Abhängigkeif von dem Zeitpunkt innerhalb der Bewegung des Strahlungspyrometers 22. Dabei wird die Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Lage senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rohres nachgewiesen. Das Ausgangssignal des Schaltkreises $2 ist ein Signalimpuls, der den Mittelpunkt der Schweißnaht 9. darstellt.

Das Steuergerät 51 enthält eine Stellungsrückmeldeeinrichtung " 53, die mit dem Schlitten 46 des Nahtheizkopfes 4-1 verbunden ist. Das Stellungssignal dieser Einrichtung 53 erreicht über eine Rückkoppelungsschaltung 54 einen Vergleicherkreis 55» wo das Stellungssignal mit dem Einstellsignal des Schaltkreises 52 zur Erzeugung des Schweißnahtmittensignals verglichen wird. Das Differenzsignal beaufschlagt einen Verstärker 56. Das Ausgangesignal des Verstärkers 56 erreicht über einen Phasenschieber 57 eine Thyristorstufe 58. Dort ist es als Torschaltimpuls mit gesteuerter Phasenlage zur Steuerung der Drehzahl des Motors 45 wirksam. Damit bewegt sich die Induktionsspule 42 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rohres in solcher Weise, daß ständig die genaue Ausrichtung auf die Schweißnaht 9 gegeben ist und der Abstand gegenüber der Schweißnaht 9 am kleinsten ist.

Der Abstand zwischen der Schweißnaht 9 und. der Induktionsspule 42 wird in gleicher Weise gesteuert. Aufgrund eines Ausgangssignals des Spaltmeßgeräts 39 gibt das Steuergerät 51 ein Schaltsignal für den Motor 50 ab, so daß sich derselbe im Sinne einer Nachregelung des Abstands dreht. Die Regelung der Spalt-

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breite oder des Abstandes ist im Rahmen der Erfindung eine zusätzliche Maßnahme.

Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild des Teils des Steuergeräts 51 zur Steuerung der Heizleistung. Ausgangssignale des Vorschubgeschwindigkeitsmessers 29» des Temperaturdifferenzmeßgerätes 31, des Temperaturdifferenzmeßgerätes 59 für Rückkoppelungssignale und der Nahteinflußeinstellstufe 61 zur Einstellung des Nahteinflußverhältnisses auf die Aufheiztemperatur werden in den Rechner 62 für die Heizleistung eingegeben. Der Nahteinflußfaktor wird durch die Wanddicke und die sonstigen Kenngrößen des Rohres also Breite und Dicke der Schweißnaht bestimmt. -Zwar hängt der Nahteinflußfaktor von Änderungen der Breite und Dicke der Schweißnaht ab, doch wird der Mittelwert des Nahteinflußfaktors fest in der Einstellstufe 61 eingestellt. Die der Induktionsspule 4-2 zugeführte Leistung wird durch Auswertung der Signale eines Hochfrequenz-Strommessers 63 und eines Hochfrequenzspannungsmessers 64· in dem Rechner 65 bestimmt. Die Signale der beiden Rechner 63 und 65 werden in einer Vergleicherstufe 66 vergl-ichen, deren Ausgangs-Differenzsignal einen Verstärker 67 beaufschlagt. Das Ausgangesignal des Verstärkers 67 gelangt über einen Phasenschieber 68 in einen Thyristorinverter 69· Der Ausgang des Thyristorinverters 69 schaltet oder unterbricht den Transforma tor 70, dessen Ausgangsspannung im dem Gleichrichter 71 gleichgerichtet wird, so daß dadurch die EingangsIeistung der Induktionsspule 4-2 gesteuert wird. Aus dem vorigen ergibt sich, daß die Vorrichtung zur Wärmebehandlung geschweißter Rohre im Sinne der Erfindung ein Temperaturdifferenzmeßgerät 31 zum Nachweis der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall 8 und der Schweißnaht 9 aufweist, das zwischen der Heizvorrichtung 3 und der Kühlvorrichtung 4· angeordnet ist. Außerdem befinden sich dort ein Nahtheizkopf 41 zur lokalen Erhitzung der Schweißnaht 9» damit die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht in Abhängigkeit von Signalen des Temperaturdifferenzmeßgeräts 3I beeinflußt

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wird. Dadurch, kann man diese Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall 8 und der Schweißnaht 9 sehr viel kleiner gegenüber herkömmlichen Verfahren machen. Innerhalb der Vorrichtung nach der Erfindung ist eine Einstellvorrichtung für die Induktionsspule 42 vorgesehen, damit diese in Abhängigkeit von Signalen des Schweißnahterfassungsgerates 21 möglichst nahe an die Schweißnaht 9 herangebracht werden kann. Dadurch erreicht man eine genaue Einstellung der Erhitzung der Schweißnaht und eine wirtschaftliche Ausnutzung der Wärmeleistung.

Da sich das Rohr 7 mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit von etwa 0,2 bis 2 m/min bewegt, muß das Schweißnahterfassungsgerät schnell ansprechen. Da die Schweißnaht vergleichsweise schmal ist, muß dieses Gerät außerdem mit sehr hoher Genauigkeit arbeiten. Da dieses Gerät schließlich einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, muß der Meßteil des Schweißnahterfassungsgerätes 21 wärmebeständig aufgebaut sein. Im folgenden ist eine Ausführungsform eines Schweißnahterfassungsgerates beschrieben, das mit hoher Genauigkeit schnell anspricht und das hitaäDeständig ausgeführt ist. Nach Fig. 12 umfaßt der Temperaturmesser 74- ei*¹ Fasersichtgerät und ein Strahlungspyrometer. Der optische Fühler 75 des Fasersichtgeräts dient als Temperaturmeßteil des Temperaturmessers 74- und ist mit seiner Spitze sehr nahe zur Oberfläche des Rohres 7 angeordnet. Das Hinterende des Fühlers ist schwenkbar auf einem Zapfen 76 aufgenommen. Das optische '- Pyrometer 78 ist ein binokulares Zweifarbenpyrometer oder ein Strahlungspyrometer. Es erfaßt die Temperatur der Fläche um die Schweißnaht 9 aufgrund der von dem optischen Fühler 75 empfangenen Strahlungsintensität. Die Anwendung eines Fasersichtgeräts stellt sicher, daß das Strahlungspyrometer keiner hohen Temperatur ausgesetzt wird. Eine Antriebsvorrichtung 79 umfaßt eine Kurbelscheibe 81, die von einem Motor 80 gedreht wird. Die Kurbelscheibe 81 ist über einen Kurbelarm 84 mit dem optischen Fühler 75 gekoppelt. Der Kurbelarm 84 ist einerseits durch den Zapfen 82 mit dem optischen Fühler 75 und andererseits durch

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den Zapfen 83 mit der Kurbelscheibe 81 verbunden. Infolgedessen bewirkt die Drehung der Kurbelscheibe 81 eine schwingende Bewegung des optischen Fühlers 75-,um den Zapfen 76. Gleichzeitig geht dabei die Spitze des Fühlers 75 senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schweißnaht 9 innerhalb des Flächenbereichs E zu beiden Seiten der Schweißnaht 9 hin und her. Am Umfang der Kurbelscheibe 81 befindet sich eine Nase 85 zur Festlegung der Winkelstellung. Dieser Nase 85 stehen vier Schalter 86·, 87, 88, 89 gegenüber, die berührungsfrei die Nase 85 erfassen, wenn sich die Spitze des Fühlers 75 in der Nähe der Schweißnaht 9 befindet.

Eine Signalverarbeitungsstufe 90 erfaßt den Mittelpunkt der ^ Schweißnaht in Abhängigkeit von dem Temperatursignal des Strahlungspyrometers 78 und eines Vergleichssignals der Schalter 86, 87, 88, 89. Fig. 13 gibt eine Signalwellenform zur Erläuterung der Verarbeitung dieses Temperatursignals und des Vergleichssignals.

Nach Fig. 13 (I) ist der Gesamtumfang (360°) der Kurbelscheibe 81 als gerade Linie auf die horizontale Achse abgewickelt. Die jeweiligen Signalimpulse der Schalter 86, 87, 88, 89 sind durch die Impulse e, f, g, h dargestellt und geben Vergleichsstellungen für die jeweilige Winkellage der Nase 85 an. Fig. 13 (II) zeigördie Ausgangswellenformen I und m des Strahlungspyrometers 78 zur Darstellung des Temperaturverlaufs im Grundmetall 8 und der Schweißnaht 9· Das Temperatursignal m wird nur ausgewertet, wenn es einen vorgegebenen Pegel S unterschreitet und beaufschlagt dann die Schaltung 90. Dieses Signal wird dann in ein Impulssignal η nach Fig. 13 (III) umgewandelt. Die Vergleichsimpulse.e, f, g und h für die Vergleichslagen und das Signalimpuls η zur Kennzeichnung der Stelle niedrigster Temperatur werden nach Fig. 13 (IV) miteinander verglichen. Der Fühler 75 und die Kurbelscheibe 81 sind im Betrieb miteinander gekoppelt, so daß die Verstellung der Schweißnaht 9 durch die Größen der Abstände G^, G₂* G^, G^

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zwischen den Signalimpulsen η des Temperaturverlaufs und den Stellungsimpulsen e, f, g, Ii erfaßt wird. Damit kann man den Mittelpunkt der Schweißnaht 9 erfassen. Sodann wird das dem Mittelpunkt der Schweißnaht 9 darstellende Signal von dem Signalverarbeitungskreis 90 abgegeben und in das Steuergerät 5' eingespeist. Die Induktionsspule 42 wird durch das Steuergerät 51 verfahren, so daß sie sich genau über der Schweißnaht befindet. Im folgenden werden Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

' . - Beispiel 1

Ein nach dem UO-Verfahren hergestelltes Rohr mit den Abmessungen t x"762 0 χ 12000 mm wird wärmebehandelt, wobei ein Nahtbeheizer mit einer Hochfrequenz-Induktionsheizspule nahe der Schweißnaht zwischen der Heizvorrichtung und der Kühlvorrichtung gemäß Fig. 3 angeordnet ist. Es sind folgende Arbeitsbedingungen vorgesehen:

Erhitzungstemperatur:910° C, keine Haltezeit Vorschubgeschwindigkeit: 600 mm/min Nahtbeheizer: Haarnadel-Heizspule Leistung des Nahtbeheizers: 52 kW Ausgangsleistung Eohrabmessungen: t χ 762 0 χ 12000 mm

Die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht unmittelbar nach der Gesamterhitzung des Rohres ist in Fig. 14 für verschiedene Wandstärken in Abhängigkeit von dem Auftragsverhältnis der Schweißnaht angegeben. Diese Temperaturdifferenz wird durch Nacherhitzen der Schweißnaht auf die in Fig. 15 angegebenen Werte herabgesetzt. Die Temperatur der Außenfläche der Schweißnaht weicht dann weniger als 20° nach oben oder nach unten von der Temperatur des Grundmetalls ab.

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- 17 Beispiel 2

Zur kontinuierlichen Wärmebehandlung geschweißter Rohre der Abmessungen 10 mm χ 762 mm χ Länge, die nach dem Schraubennahtverfahren hergestellt sind, wird das Verfahren der Erfindung auf der Herstellungsstrecke eingesetzt. Die Herstellungsstrecke wird mit Vorrichtungen zur Zusatzerhitzung der Schweißnaht mit einer Hochfrequenz-Heizspule ausgestattet, die sich in einer Stellung möglichst nahe der Schweißnaht
zwischen der Heizspule und der Kühlvorrichtung gemäß Fig. 4 befindet. In diesem Fall werden folgende Arbeitsbedingungen eingehalten:

Größe der Stahlrohre: 10 χ 762 χ 1 mm

Auftragsverhältnis der Naht: JO %

Erhitzungstemperatur: 910° C

Leistung des Nahtbeheizers: 50 kW

Temperatur der Naht vor der Erhitzung: 870° C

Nahtbeheizungsbedingungen: Errechnete Ausgangsleistung

10 kW
Vorschubgeschwindigkeit: 2,5 m/min

Man erhält die gleichen Ergebnisse wie im Beispiel 1.

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Claims

■■...- 18 -P atentan sprüche

1. Verfahren zur kontinuierlichen Wärmebehandlung geschweißter Rohre mit verstärkter Schweißnaht, wonach das Rohr in Axialrichtung durch eine Induktionsheizvorrichtung zur Erhitzung des gesamten Rohres "bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Induktionserhitzung eine lokale Erhitzung der Schweißnaht derart erfolgt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht kleiner als ein'Schwellenwert wird, und daß anschließend in bekannter Weise das Rohr gekühlt wird.

2. "Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht durch Hochfrequenzerhitzung lokal erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht durch eine Brennerflamme lokal erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht durch einen elektrischen Lichtbogen lokal erhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht durch einen Laserstrahl lokal erhitzt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ^it einer Induktionsheizvorrichtung zur schnellen Erhitzung des gesamten Rohres auf die-gewünschte Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß in Durchlaufrichtung des Rohres unmittelbar im Anschluß an die Induktionsheizvorrichtung (3) ein Nahtbeheizer (5) zur lokalen Erhitzung der Schweißnaht im Sinne einer Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht innerhalb vorgegebener Schwellenwerte vorgesehen ist und daß im Anschluß an den TTahtbeheizer eine Kühlvorrichtung (4·) angeordnet ist.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Induktionsheizvorrichtung und dem Nahtbeheizer (4-1) ein Temperaturdifferenzmeßgerät (31) zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Naht angeordnet ist, das den Nahtbeheizer (4-1) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperaturdifferenz steuert .

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Induktionsheizvorrichtung (3) und dem Temperaturdifferenzmeßgerät (31) ein Schweißnahterfassungsgerät (21) zur Bestimmung der Lage der Schweißnaht und zur möglichst nahen Ausrichtung des Natferhitzers auf die Schweißnaht vorgesehen ist,

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißnahterfassungsgerät (21) einen berührungslosen Temperaturmesser (22) zur Erfassung der Temperatur des Flächen-"bereiches um die Schweißnaht, eine Vorrichtung zur Hin- und Herbewegung des Schweißnahterfassungsgerätes in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Schweißnaht, damit die Schweißnaht überfahren wird, und zur Abgabe eines Bezugsstellungssignals sowie einen Signalverarbeitungskreis zur Erfassung der Stelle niedrigster Temperatur im Mittelteil der Schweißnaht umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Hin- und Herbewegung einen Schlitten (26) für den Temperaturmesser (22), eine Schraubenspindel (24), die mit dem Schlitten über eine Spindelmutter in Eingriff ist, und einen Motor (25) zum Antrieb der Schraubenspindel umfaßt, damit bei einer Drehung der Schraubenspindel der Schlitten unmittelbar oberhalb der Schweißnaht verschoben wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet daß der Temperaturmesser (22) ein Strahlungspyrometer umfaßt.

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12. Vorrichtung nach. Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturmesser (74-) einen frei schwenkbaren optischen Fühler (75) zur Erfassung der Lichtstrahlung aus der Fläche um die Schweißnaht, einen Strahlungspyrometer (78) zur Erfassung der von dem optischen Fühler empfangenen Strahlungsmenge und ein Glasfaserbündel (77) zwischen dem optischen Fühler und dem Strahlungspyrometer zur Weiterleitung der Lichtmenge umfaßt und daß die Antriebsvorrichtung für den optischen Fühler eine Kurbelscheibe (81) aufweist, an der ein Kurbelarm (84) angelenkt ist, der mit dem optischen Fühler (75) gekoppelt ist, und daß mehrere berührungsfreie Stellungsschalter (86, 87, 88, 89) über den Umfang der Kurbelscheibe (81) verteilt ist, die die Winkelstellung der Kurbelscheibe ^ umfassen, wobei zum Antrieb der Kurbelscheibe (81) ein Motor (80) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturdifferenzmeßgerät (31) eine Antriebsvorrichtung auf einem einen Temperaturfühler tragenden Schlitten (36), eine Schraubenspindel (34), die in eine Stellmutter des Schlittens eingreift und einen Motor (35) zur Drehung der Schraubenspindel umfaßt, damit bei der Drehung der Schraubenspindel der Schlitten unmittelbar über der Schweißnaht hin- und herbewegt wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13 > dadurch gekennzeichnet, daß der Nahtbeheizer (41) einerNachführungseinrichtung aus einem Schlitten (46), einer 'Schraubenspindel (44), die eineStellmutter des Schlittens eingreift, und einen Motor (45) zur Drehung der Schraubenspindel umfaßt, wobei der Motor in Abhängigkeit von Signalen des Schweißnahterfassungsgerätes gesteuert wird, damit der Nahtbeheizer möglichst nahe an die Schweißnaht herankommt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch

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gekennzeichnet, daß ein Spaltmeßgerät (39) zur Messung des Abstandes zwischen der Schweißnaht und dem Nahtbeheizer vorgesehen ist, das ein Signal für einen die Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Nahtbeheizers steuernden Stellmotor in Abhängigkeit von der gemessenen Spaltgröße abgibt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15* dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturdifferenzmeßgerat (59) zwischen dem Schweißnahtbeheizer und der Kühlvorrichtung zur Bestimmung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht angeordnet ist, wobei das Meßsignal dieses Temperaturdifferenzmeßgerätes zu dem Schweißnahtbeheizer zwecks Regelung der Ausgangsleistung des Nahtbeheizers zurückgeführt wird.

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