DE2635743A1

DE2635743A1 - Verfahren zum lichtbogenschweissen unter rueckseitiger kuehlung zur herstellung hochzaeher, geschweisster stahlrohre mit hohem durchmesser

Info

Publication number: DE2635743A1
Application number: DE19762635743
Authority: DE
Inventors: Kiyoteru Hirabayashi; Yokio Nishino; Tadaaki Taira; Tetsuo Yamaguchi
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1975-08-08
Filing date: 1976-08-09
Publication date: 1977-02-17
Also published as: DE2635743C2; FR2320159A1; CA1051979A; FR2320159B1; GB1552660A; IT1067834B; JPS5220345A; JPS5311496B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen der Naht- bzw. Fugenbereiche eines aus einer Stahlplatte geformten Bohres.

Beim Verschweißen der Fuge eines aus einer Stahlplatte geformten Rohres wird die Wärmeeinflußzone spröde bzw. brüchig. Die Ursache dafür ist eine im Verlauf des Schweißwärmezyklus erfolgende ausgeprägte Bildung eines oberen Zwischengefüges bzw. Troostits (Bainit) in der Nachbarschaft einer Bindungsoder Übergangszone zwischen dem Schweißgut und dem Grundwerkstoff.

Diese Sprödigkeit der Wärmeeinflußzone ist insbesondere dann

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unerwünschtι wenn die Kaltzähigkeit einen vorbestimmten Wert überschreiten muß. Man nimmt an, daß sich aufgrund der Bildung des voreutektoidischen Ferrits keine hohe Zähigkeit des Schweißguts erzielen läßt. Es ist üblich, die Wärmeeinflußzone während des Schweißvorgangs zu kühlen. Beim ünterpulverlichtbogenschweißen (UP-Schweißen) kann die Kühlung der Schweißnaht oder -verbindung durch spontanes Abkühlen der von den Flußmitteln (Pulver) umgebenen Schweißnahtzone, Wärmeabfuhr von der unteren Oberfläche des Grundwerkstoffs und Wärmeübertragung zum Grundwerkstoff erfolgen. Verläßt man sich ausschließlich auf eine derartige spontane Abkühlung, kühlt sich die von einer dicken Schlackenschicht umgebene: Schweißnaht nur langsam ab. Dadurch verringert sich die Charpy-Schlagfestigkeit der Schweißnaht. Im Falle einer Erhöhung der Wärmezufuhr ist diese Tendenz noch ausgeprägter. Es wurden daher bereits verschiedene Methoden zur Kühlung der Schweißnaht vorgeschlagen, wie die in Verbindung mit dem Elektro-Schlacke-Senkrechtsohweißen (vertikalen ES-Schweißen) angewendete Wasserkühlung. Diese Methode läßt sich jedoch beim UP-Schweißen nicht anwenden. Es ist auch bekannt, die Schweißnahtoberfläche nach dem Schweißvorgang und im Anschluß an die Pulverentfernung mit Hilfe eines (Sprüh)nebels zu kühlen. Bei dieser Methode kann sich der Beginn der Kühlung aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften des Pulvers und der Anbringung der Pulverrückgewinnvorrichtung zwischen der Kühlposition und den Elektroden verzögern. Außerdem eignet sich diese Kühlmethode nicht zum Kühlen der inneren Schweißnaht von Rohren mit hohem Durchmesser, welche beim vorangehenden Schweißvorgang an der Außenseite geschweißt wurden.

Beim UP-Schweißen wurde versucht, die Zähigkeit der Wärmeeinflußzone durch Verwendung stärker basischer Pulver oder durch Zusatz von Legierungsbestandteilen (wie Nickel, Molybdän oder Titan) zum Schweißgut zu verbessern. Außerdem wurde vorgeschlagen, ein sogen· "Mehrlagenschweißen" auf Kosten der

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Schweißleistung durchzuführen oder dem Grundwerkstoff Spurenanteile von Ti, Al-B, REM-B Ti-Ca oder ähnliche Kombinationen von Legierungsbestandteilen einzuverleiben. Von Rohren mit hohem Durchmesser, welche für Gebiete mit kaltem Klima (wie die Arktis, wo die Temperaturen auf -25 bis -40⁰C fallen können) vorgesehen sind, wird insbesondere eine höhere Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts und der Wärmeeinflußzone verlangt. Dieses Erfordernis läßt sich mit Hilfe der derzeit am Markt befindlichen Stahlplatten und Sohweißdrähte bzw· -materialien nur schwer unter tragbaren Kosten erfüllen.

Das Ziel der Erfindung bestand somit hauptsächlich darin, ein Verfahren zur Herstellung dickwandiger, geschweißter Stahlrohre mit höherer Zähigkeit zur Verfügung zu stellen, welches von den handelsüblichen, für Rohrleitungen (Pipelines) vorgesehenen Stahlplatten und Schweißmaterialien ausgeht. Ferner bestand das Erfindungsziel in der Schaffung einer Methode zum Schweißen von Stahlrohren, mit dessen Hilfe die Verschlechterung der Kaltzähigkeit der Wärmeeinflußzone aufgrund hoher Wärmezufuhr zu den dickwandigen, geschweißten Stahlrohren verhindert werden kann. Das Ziel der Erfindung bestand weiterhin in der Schaffung eines Verfahrens zum Schweißen von Stahlrohren, mit dessen Hilfe eine übermäßige Härtung der Schweißnahtzone eines Stahlrohres, welches aus "geregelt gewalzten (controlled rolled) Stahlplatten erzeugt wurde, verhindert werden kann. Außerdem war es das Ziel der Erfindung, ein derartiges Schweißverfahren zu schaffen, welches die Regelung der chemischen Zusammensetzung und sonstigen Bedingungen des Grundwerkstoffs und der Schweißmetalle überflüssig macht.

Weitere Ziele der Erfindung lassen sich der nachfolgenden Beschreibung entnehmen.

Gemäß der Schweißmethode der Erfindung wird die Ausgangsplatte

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zu einem Rohr gebogen, wonach die Längsfuge des Rohres an dessen innerer Oberfläche verschweißt wird. Anschließend wird an der äußeren Oberfläche längs der gleichen Fuge eine lichtbogen- oder UP-Schweißung vorgenonmen. Während des zweiten Schweißvorgangs wird die innenseitige Schweißnaht einer Zwangskühlung unterworfen. Die Zwangskühlung erfolgt somit von jener Seite» welche dem zur Bildung der äußeren Schweißnaht angewendeten Lichtbogen entgegengesetzt ist. Es wurde festgestellt, daß durch die Zwangskühlung die Härtbarkeit des Schweißguts durch Unterdrückung der Bildung des voreutektoidischen Ferrits und gleichzeitig die Zähigkeit der Schweißnaht durch Hemmung der Bildung des oberen Zwischengeftiges bzw. Troostits in der Wärmeeinflußzone verbessert werden. Wenn die Schweißnaht des dickwandigen Stahlrohres durch mehrere Schweißdurchgänge erzeugt wird, kann das erfindungsgemäße, unter Zwangskühlung von der Rückseite erfolgende Lichtbogenschweißen auf den letzten Schweißdurchgang angewendet werden.

Es wird eine höhere Zähigkeit sowohl des Schweißguts als auch der Wärmeeinflußzone erzielt, wenn man für die Zwangskühlung αμΓοΙι die Bereiche von der Maximaltemperatur bis 800⁰C und von 800 bis 500⁰C höhere Ktihlgeschwindigkeiten anwendet. Eine Kühlgeschwindigkeit von 8 bis 40⁰C (vorzugsweise von 15 bis 30⁰C) pro Sekunde für den Ktihlbereich von 800 bis 500⁰C wird zur Erzielung einer hohen Zähigkeit des Schweißguts und der Wärmeeinflußzone am meisten bevorzugt. Als Kühlmittel können erfindungsgemäß Wasser, flüssiger Stickstoff oder Trockeneis verwendet werden. Im Falle einer Wasserkühlung tritt der Kühleffekt umso rascher ein, je stärker der Strom des Kühlwassers ist. Bei einer Zwangsumlaufkühlung mit Hilfe von drei Düsen bei einem Gesamtdurchsatz von 45 l/min kann die Abkühlung des geschweißten Werkstücks von 800 auf 500⁰C drei- bis viermal rascher als ohne Zwangsumlaufkühlung erfolgen. Bei Verwendung von flüssigem

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Stickstoff oder Trockeneis findet die Abkühlung von der Maximaltemperatur auf 800⁰C aufgrund der Vorkühleffekte dieser Kühlmittel gewöhnlich rascher statt. Die Kühlgeschwindigkeit im Bereich von 800 bis 500⁰C ist jedoch geringer als bei Verwendung von Wasser» da die Wärmeaustauschkapazität der genannten Kühlmittel jener von Wasser unterlegen ist.

Die durch die rückseitige Kühlung zu erzielende erhöhte Zähigkeit des Schweißguts kann auf die verzögerte Ausscheidung grober Ferrite von der γ-Korngrenze und die dadurch bedingte Verfeinerung des Ferritgrundes sowie auf die Verstärkung der Ausscheidung des unteren Zwischengefüges bzw. Troostits (Bainit) zurückzuführen sein. Bei Verwendung einer durch "geregeltes Walzen" (controlled rolling) hergestellten Ausgangsplatte kann die Zähigkeit des Schweißguts der inneren Schweißnaht aufgrund des offensichtlichen Verschwindens der Ausscheidungshärtungs-Sprödigkeit» welches durch die von der innenseitigen Kühlung begleitete zweite Schweißung an der Außenseite verursacht wird, erhöht werden. Durch die Verwendung der kompensierenden Schweißdrähte kann die Zähigkeit des Schweißguts an der inneren Oberfläche des Rohres geringer ausfallen als an der Zwischenzone oder in der Nähe der äußeren Rohroberfläche. Man kann eine solche Zähigkeitseinbuße an der inneren Oberfläche jedoch durch Erhöhung der Ktihlgeschwindigkeit verhindern. Diese Zähigkeitsänderungen in Richtung der Rohrwanddicke können durch geeignete Wahl der für die einzelnen Schweißdurchgänge eingesetzten Schweißdrähte ausgeglichen werden.

Die erhöhte Zähigkeit der Wärmeeinflußzone läßt sich dadurch erzielen» daß man die Kühlung im Bereich von der Maximaltemperatür bis 800⁰C derart beschleunigt, daß dieser Bereich vorzugsweise innerhalb von 11 Sek. vollständig

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durchlaufen wird. In diesem Falle kann die Breite der grobkörnigen Zone verringert werden, und es bilden sich keine grobkörnigen voraustenifcisehen Kristalle. Wenn ferner die Kühlgeschwindigkeit für den Temperaturbereich von 800 bis 500⁰C durch die rückseitige Kühlung auf 8°0/Sek. oder darüber erhöht wird, läßt sich durch Unterdrückung der Bildung des oberen Troostits und Förderung der Bildung des unteren Troostits eine höhere Zähigkeit der Wärmeeinflußzone erzielen. Andererseits werden das Schweißgut und die Wärmeeinflußzone bei einer höheren Kühlgeschwindigkeit härter. Bei der Kühlgeschwindigkeit, bei welcher sich die höchste Zähigkeit erzielen läßt, erreicht die Härte z.B. einen nahezu an die Sättigung heranreichenden Wert. Aus diesem Grund beträgt die optimale Kühlgeschwindigkeit für den Temperaturbereich von 800 bis 500⁰C etwa 15°C/Sek. Die Obergrenze der Kühlgeschwindigkeit für den Temperaturbereich von 800 bis 500⁰C wird erfindungsgemäß jedoch auf 40°C/Sek. festgelegt; bei diesem Wert beginnt die Zähigkeit aufgrund des sogen. "Abschreckeffekts" abzusinken.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor.

Es folgt eine kurze Erläuterung der Zeichnungen»

Fig. 1(a) und i(b) veranschaulichen eine typische Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Seitenaufriß bzw. einer vergrößerten Teilansicht;

Fig. 2(a) bis 2(f) zeigen verschiedene Beispiele der Kühlung der Rückseite gemäß der Erfindung;

Fig· 3(a) ist eine graphische Darstellung der Kühldauer, wel-

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ehe zur Kühlung der drei Testrohre von der Maximaltemperatur auf 800⁰C erforderlich ist (für die spontane Kühlung und die verschiedenen Ausftihrungsformen der erfindungsgemäßen rückseitigen Kühlung);

Fig. 3(fe) ist eine entsprechende graphische Darstellung für den Temperaturbereich von 800 "bis 500⁰C;

Fig. A ist eine graphische Darstellung der Schweißwärme zufuhr gegen die Kühldauer (für die spontane Kühlung und die verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen zur rückseitigen Kühlung);

Fig. 5 zeigt typische Ktihlkurven für den Stahlprüfkörper C "bei herkömmlicher "bzw. erfindungsgemäßer Kühlung;

Fig· 6(a) ist eine graphische Darstellung der Kühldauer gegen die Zähigkeit für den Stahlprüfkörper A_f welcher durch rückseitige Kühlung durch den Bereich von der Maximaltemperatur bis 800⁰C gekühlt wurde;

Fig. 6(b) ist ein entsprechendes Diagramm für den Temperaturbereich, von 800 bis 500⁰C;

Fig. 7(a) und 7(b) sind entsprechende Diagramme wie die Fig. 6(a) und 6(b), jedoch für den Stahlprüfkörper B;

Fig. 8(a) und 8(b) sind entsprechende Diagramme wie die Fig. 6(a) und 6(b), jedoch für den Stahlprtifkörper C;

Fig. 9(a) und 9(b) sind entsprechende Diagramme wie die Fig. 6(a) und 6(b), jedoch für den Stahlprüfkörper D;

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Fig. 10(a) ist eine graphische Darstellung der Kühldauer gegen die Zähigkeit für die Wärmeeinflußzone des Stahlprüfkörpers A im Bereich von der Maximaltemperatur bis 800⁰C;

Pig. 10(b) ist ein entsprechendes Diagramm für den Temperaturbereich von 800 bis 50O⁰O;

Fig. 11(a) und 11(b) sind entsprechende Diagramme wie die Fig. 10(a) und 10(b), jedoch für die Stahlprüfkörper B und C;

Fig. 12(a) und 12(b) sind entsprechende Diagramme wie die Fig. 10(a) und 10(b), jedoch für den Stahlprüfkörper D

Fig. 13(a) ist ein-Diagramm der Kühldauer gegen die Härte der Wärmeeinflußzone und des Schweißguts für die Stahlprüfkörper A, B und C im Bereich von der Maximaltemperatur bis 800⁰C;

Fig. 13(b) ist ein entsprechendes Diagramm für den Temperaturbereich von 800 bis 500⁰C;

Fig. 14 ist ein Diagramm» welches die Streuung der Härte über das innen- und außenseitige Schweißgut für den Stahlprüfkörper B veranschaulicht;

Fig. 15(a) ist ein Diagramm» welches die Streuung der Härte über das innen- und außenseitige Schweißgut für den Stahlprüfkörper B veranschaulicht (für den Fall einer herkömmlichen Schweißung unter spontaner Kühlung);

Fig. 15(b) ist ein entsprechendes Diagramm wie Fig. 15(a),

jedoch für den Fall einer Wasserkühlung mit Zwangsumlauf unter Verwendung von drei Düsen; 709807/0857

Fig. 16(a) ist eine graphische Darstellung der Kühldauer gegen die Härte der Wärmeeinflußzone und des Schweißguts im Bereich von der Maximaltemperatur "bis 800⁰C (für den EaIl einer rückseitigen Kühlung);

Fig. 16(b) ist ein entsprechendes Diagramm wie Fig. 16(a) für den Temperaturbereich von 800 bis 50O⁰C;

Fig" 17(a) ist eine photographische Aufnahme» welche die Mikrostruktur des grobkörnigen Bereiches der Wärmeeinflußzone des Prüfkörpers A zeigt, welcher durch herkömmliche Schweißung unter spontaner Kühlung erhalten wurde;

Fig. 17(b) ist eine entsprechende photographische Aufnahme, welche jedoch denselben Bereich des nach der erfindungsgemäßen Schweißmethode unter rückseitiger Kühlung erhaltenen Prüfkörpers A zeigt;

Fig. 18(a) und 18(b) sind entsprechende photographische Aufnahmen wie die Fig. 17(a) und 17(b), welche denselben Bereich des Prüfkörpers B veranschaulichen;

Fig. 19(a) ist eine photographische Aufnahme, welche die Mikrostruktur der äußeren Oberfläche des Schweißguts des durch herkömmliche Schweißung erhaltenen Prüfkörpers B veranschaulicht;

Fig. 19(b) ist eine entsprechende photographische Aufnahme wie Fig. 19(a) desselben Prüfkörpers B, welcher jedoch durch erfindungsgemäße Schweißung unter rückseitiger Kühlung erhalten wurde;

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Pig. 20(a) ist ein Diagramm, in welchem die Kühldauer von der Maximaltemperatur bis 800⁰C gegen die Länge des grobkörnigen Bereichs der Wärmeeinflußzone für die Prüfkörper A, B, C und D aufgetragen ist;

Fig. 20(b) ist ein entsprechendes Diagramm wie Fig. 20(a), welches die Kühldauer von 800 bis 50O⁰C veranschaulicht; . .

Fig. 21 ist ein Diagramm, welches die Zähigkeitsstreuung bzw. -verteilung der Schweißnaht an der Innenseite (Innenschweißnaht) in Richtung der Schweißnahtdicke unter Verwendung verschiedener und gleicher Schweißdrähte für die Innenschweißnaht veranschaulicht; und

Fig. 22 ist ein Diagramm, welches die Härtestreuung bzw. -verteilung über das Schweißgut an der Innen- und Außenseite in Richtung der Dicke für den durch herkömmliche UP-Schweißung unter Verwendung gleicher Schweißdrähte an der Innenseite erhaltenen Prüfkörper C und für denselben Prüfkörper veranschaulicht, welcher nach der erfindungsgemäßen UP-Schweißmethode unter Verwendung derselben Schweißdrähte an der Innenseite erhalten wurde.

Es folgt eine Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform.

In Fig. i(a) wurde das von den Förderwalzen 12 axial beförderte Stahlrohr 2 längs einer longitudinalen Fuge von der Innenseite her geschweißt und soll nun mit Hilfe der Schweißmaschine 1 auf den Förderwalzen 12 längs der gleichen longitudinalen Fuge, jedoch von der Außenseite her» geschweißt werden. Während dieses Schweißvorgangs wird das Stahlrohr 2 gleichzeitig mit Hilfe der Kühlvorrichtung 3 von der Rückseite her (in der dargestellten Ausführungeform der Innen-

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seite des Stahlrohres 2) gekühlt.

Die Kühlvorrichtung 3 ist in Pig. i(b) vergrößert dargestellt und besteht aus dem Auslegerarm 7» welcher sich in der Längsrichtung der Förderstraße erstreckt und am Ende mit dem Ktihlwasserbehälter 9 und der Pumpe 10 ausgestattet ist. Am genannten Ende des Auslegerarms 7 sind außerdem die Trägerrolle 11, welche sich längs der Innenfläche des Stahlrohres bewegen kann, und die gegen die Schweißnaht längs der Fuge gerichtete Kühlwasserdüse 8 angeordnet. Die Kühlwasserversorgung der Düse 8 erfolgt über die an die äußere Wasserquelle angeschlossene Wasserleitung 5 sowie den Behälter 9 und die Pumpe 10. Das Kühlwasser kann durch den geregelten Betrieb der Pumpe 10 mit vorbestimmter Strömungsgeschwindigkeit durch die Düse 8 gegen das an der Innenseite befindliche Schweißgut gesprüht werden. Die Wasserleitung 5 und ein Starkstromkabel 4» wie ein Draht für den Antrieb der Pumpe 10» führen durch den Auslegerarm 7 und sind an (nicht gezeigte) äußere Vorrichtungen (z.B. eine Wasser- und eine Stromquelle) angeschlossen. In Pig. i(b) steht das Bezugszeichen 6 für eine voranschreitende Elektrode (oder einen entsprechenden Draht) und eine nachfolgende Elektrode (oder einen entsprechenden Draht) der Schweißmaschine 1; die Elektroden sind gegenüber der Kühldüse 8 angebracht. Das Bezugszeichen 13 steht für eine Wasserschale zur Aufnahme des verbrauchten Wasserst welches abwärts fließt und in den Behälter 9 zurückgeführt wird. Der Auslegerarm 7 kann mit Hilfe des Supports 14 zur Änderung der Position der Düse relativ zum Rohr 2 in der Längsrichtung verschoben werden.

Das Stahlrohr 2, welches längs einer longitudinalen Fuge an der Innenseite geschweißt wurde» kann somit an der Außenseite längs derselben Fuge geschweißt werden» indem es gemäß Fig. I(a) und i(b) in der Pfeilrichtung die Förderwalzen 12 entlanggeführt wird. Unter gleichzeitiger äußerer Kühlung wird Kühlwasser durch die Düse 8 auf die innere Schweißnaht unmit-

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telbar gegenüber den Schweißelektroden aufgesprüht.

Gemäß den Fig. 1(a) und i(b) wird lediglich eine Düse 8 zum Aufsprühen von Kühlwasser auf die Rückseite der äußeren Schweißnaht verwendet. Man kann jedoch auch zwei oder mehr Düsen in Tandem-Anordnung längs der Schweißfuge einsetzen. Ferner kann man das Kühlwasser zur Erhöhung der Wärmeaustauschkapazität unter Druck zirkulieren lassen. Wahlweise kann das Kühlwasser auch durch flüssigen Stickstoff ersetzt werden. Man kann zur Kühlung auch Trockeneis in direkten physikalischen Kontakt mit der Rohrinnenseite bringen.

Es folgt eine Erläuterung der Fig. 2(a) bis 2(f), die die verschiedenen Kühlmethoden veranschaulichen, die beim UP-Schweißen angewendet werden können.

Fig. 2{a) zeigt eine einzige zur rückseitigen Kühlung verwendete Düse 8, wie bereits mit Bezug auf die Figuren i(a) und 1(b) erläutert wurde. Fig. 2(a) zeigt oben einen Querschnitt und unten einen Längsschnitt durch die Schweißnaht. Gemäß Fig., 2(a) zeigen die drei strichlierten Linien Bohrlöcher an» welche von der Endfläche (Stirnseite) des Stahlprtifkörpers zur Schweißnaht zwecks Einführung von Thermoelementen, mit deren Hilfe die Temperatur in der nachstehend beschriebenen Weise gemessen wird, gebohrt wurden.

Gemäß Fig. 2(b) sind zwei Düsen 8 in Tandem-Stellung längs der Schweißfuge angebracht. Unter Verwendung von gleich grossen Düsen kann der Kühlwasserdurchsatz verdoppelt werden, was eine Erhöhung der Kühlgeschwindigkeit zur Folge hat. Wenn der Durchsatz für eine einzige Düse beispielsweise 12 l/min beträgt, erhöht er sich bei zwei Düsen gemäß Fig. 2(b) auf 24 l/min. Gemäß Fig. 2(c) sind drei Düsen 8 in Tandem-Stellung an der Schweißfuge angeordnet, so daß ein Durchsatz von 36 l/min bei noch höherer Kühlgeschwindigkeit erzielt wird.

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Gemäß Pig. 2(d) wird eine Zwangsumlaufeinrichtung 15» z.B. ein Behälter und eine Pumpe 10 wie in Pig. i(b) dazu verwendet» das Kühlwasser unter Druck zu den drei Düsen 8 zu leiten» damit durch Erhöhung des Durchsatzes auf z.B. 45 l/min eine höhere Kühlgeschwindigkeit erzielt wird.

In Fig. 2(e) ist eine Flüssigstickstoffquelle (wie das Gefäß 16) dargestellt, aus welcher der flüssige Stickstoff zu mehreren innerhalb der Haube 17 angebrachten Düsen 18 abgegeben wird. Der flüssige Stickstoff kann aus den Düsen z.B. mit einem Durchsatz von 400 kg/Std. auf die rückwärtige Seite des außen befindlichen Schweißguts aufgesprüht werden.

Gemäß Fig. 2(f) wird zur Kühlung der Schweißnaht durch Ausdehnung des Luftschlauches 19 ein Stück Trockeneis 20 auf die entgegengesetzte bzw. Rückseite des äußeren Schweißguts aufgebracht.

In den Fig. 2(e) und 2(f) zeigen die drei strichlierten Linien die Stellungen für die Anbringung von Thermoelementen wie im Falle der Fig. 2(a) an.

Die vorgenannten unterschiedlichen Methoden zur rückseitigen Kühlung können selektiv zur Kühlung der Schweißnaht eines Stahlrohres angewendet werden» welches an der Innenseite bereits geschweißt wurde und an der Außenseite geschweißt wird. Durch eine derartige Kühlung kann die Bildung des voreutektoidischen oder des oberen Troostits (Bainit) der Wärmeeinflußzone verhindert werden» was eine Erhöhung der Zähigkeit der Schweißnaht zur Folge hat.

Unter Verwendung von Stahlprüfplatten A, B, C und D wurde eine Reihe von Lichtbogenschweißtests unter rückseitiger Kühlung durchgeführt, um die Auswirkungen unterschiedlicher Kühlgeschwindigkeiten auf die Zähigkeit, Härte und Mikrostruktur des Schweißgute und der Wärmeeinflußzone zu untersuchen. ■,

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Es wurden vier Stahlprüfkörper A, B, C und D mit unterschiedlichen Sicken» Qualitäten und chemischen Zueammensetzungen verwendet (vgl. Tabelle I). Die Prüfplatte D besaß eine Dicke von 10,3 mm. Die Prüfplatten O und B wurden durch "geregeltes Walzen" hergestellt und besaßen eine Dicke von 20,3 bzw. 18,3 mm, während die Prüfplatte A aus 1,4-Ni-Stahl mit einer Dicke von 25,4 mm bestand.

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TABELLE I
Chemische Zusammensetzung der Stahlprüfkörper (Gießpfanne),

	Typ	Quali tät (Gr)	Dicke,	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Mo	Nb	7	Sol.Al
	A	X65	25,4	0,092	0,25	1,17	0,014	0,007	-	1,41	0,17	-	-	0,053
70980'	B C	*7O	20,3 18,3	0,080 0,086	0,31 0,23	1,45 1,43	0,012 0,014	0,004 0,005	0,19	0,26 0,21	0,15	0,037 0,039	0,092 0,091	0,045 0,020
7/08E7	D	Z52	10,3	0,126	0,15	0,65	0,015	0,009		·"	™"	"■	—	0,017

Die Kennwerte für die "bei den Tests verwendeten Schweißdrähte a und b sind aus Tabelle II ersichtlich. Der Testdraht a besteht aus einer Ni/Mo/Ti-legierung, während der Testdraht b keinerlei zulegierte Bestandteile enthält.

TABELLE II Chemische Zusammensetzung der Testdrähte, $>

	Durch	O	C	O	Si	Mn	O,	P	O,	S	Ni	Mo	Ti
	messer	O		O			ο,		O,
	(mm)		,03		,17	2,03		011		007	0,91	0,52	0,21
a	4,0	,07	,01	0,68	009	012	—	—	—
b	4,0

Tabelle III veranschaulicht die für die Tests verwendeten Pulver X und Y. Das Testpulver X ist schwach basisch (Basizität = 1,2), während das Testpulver Y stark basisoh (Basizität = 1,6) ist.

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TABELLE III Chemische Zusammensetzung der Testpulver,

SiO₂	X	32	CaO	NnO	MgO	Al₂O₃	CaP₂	ZrO₂	0,	P	0,	S	PeO
Y	28	20	11	β	11	13	23	0,	011	0,	163	0,98
28	—	19	18	22	—	022	222	0,22

Tabelle IV zeigt die Schweißdrähte, Pulver und übrigen Schweißbedingungen, welche bei den Prüfkörpern A bis D angewendet wurden.

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TABELLE IV Schweißbedingungen

CO OO O

CO cn

Stahl	Innenseite Außenseite	Voranschrei tende Elek trode	V	Nachfolgende Elektrode	V	Elektro denab stand« mm	Geschwin digkeit» mm/min	Wärme zufuhr, J/cm	Draht	Pulver
D	Innenseite Außenseite	A	36 38	A	40 40	14 15	1250 1000	24400 36300	a+a a+a	X Y
C	Innenseite Außenseite	700 940	36 38	640 620	40 40	14 15	850 800	43100 48400	b+a a+a	Y Y
B	Innenseite Außenseite	920 960	36 38	700 700	40 40	14 15	850 800	43700 48400	b+a a+a	Y Y
A	940 960	38 38	700 700	40 40	14 15	700 700	60000 65100	a+a a+a	Y Y
	1000 1050	800 900

I
00

ro

CJ)

co

cn

co

Der Überlappungs- bzw. Anschärfwinkel für die Innenseite und die Schweißnähte beträgt im Falle der Testkörper Ä bis D 45°. Die Tiefe der Überlappung bzw. Anschärfung beträgt im Falle der Prüfkörper A bis D für die innere bzw. äußere Schweißnaht jeweils ein Drittel der Dicke.

In den Fig. 3(a) und 3(b) sind die Kühlzeiträume, welche zur Abkühlung von der Maximaltemperatur auf 800⁰C sowie von 800 auf 50O⁰C erforderlich sind, für die herkömmliche Schweißung unter natürlicher Kühlung und für die unter Zuhilfenahme der verschiedenen Kühlmethoden durchgeführte Schweißung dargestellt. Man erkennt aus Fig. 3(a), daß die zur Kühlung von der Maximaltemperatur auf 800⁰C erforderliche Kühldauer bei Verwendung von einer und zwei Düsen im Vergleich zur spontanen Kühlung stufenweise verkürzt werden kann. Bei Verwendung von drei Düsen bleibt die Kühldauer nahezu gleich wie beim Einsatz von zwei Düsen. Eine etwas kürzere Kühldauer läßt sich bei Anwendung eines Zwangsumlaufes des Kühlwassers erzielen. Aus Fig. 3(b) erkennt man ferner, daß der zur Kühlung durch den Bereich von 800 bis 500⁰C erforderliche Zeitraum mit Erhöhung der Anzahl der Düsen und damit des Durchsatzes stufenweise verkürzt werden kann und ein Zwangs- bzw. Druckumlauf des Kühlwassers eine mehrfach höhere Kühlgeschwindigkeit als im Falle der spontanen Kühlung ergibt.

Die Fig. 3(a) und 3(b) zeigen ferner, daß für den Temperaturbereich von 800 bis 500⁰C bei Verwendung von flüssigem Stickstoff oder Trockeneis nahezu dieselbe Kühlgeschwindigkeit wie im Falle des Zwangs- bzw. Druckumlaufs mit drei Düsen (Durchsatz 45 l/min) erzielt wird. Diese hohen Kühleffekte von flüssigem Stickstoff und Trockeneis können auf die Vorkühlung der Schweißnaht durch den Flüssigstickstoff vor dem Besprühen mit Hilfe der Düsen oder durch das Trockeneis vor der Ausbildung des Lichtbogens aus dem Schweißbrenner zurückzuführen sein. Bei Verwendung von flüssigem Stickstoff

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und Trockeneis kann die zur Kühlung von 800 auf 500⁰C erforderliche Zeitspanne wesentlich langer als im Palle einer Wasserkühlung sein, da der flüssige Stickstoff oder das Trockeneis eine geringere Wärmeaustauschkapazität als Wasser aufweist.

In Pig. 4 ist die zur Kühlung von 800 auf 50O⁰C erforderliche Zeitspanne für verschiedene Wärmezufuhren am Beispiel des Stahlprüfkörpers A dargestellt (für die herkömmliche Schweißung und die erfindungsgemäße, mit unterschiedlichen Kühlmethoden durchgeführte Schweißung). Die ausgezogene Linie in Pig. 4 gibt die "berechneten Werte für die herkömmliche ÜP-Schweißung bei natürlicher Kühlung wieder. Die gemessenen Werte für die herkömmliche Schweissung und die erfindungsgemäße Methode unter Wasserkühlung mit einer Düse werden in Pig. 4 in der Nachbarschaft von 65000 J/cm dargestellt. Die gemessenen Werte für die übrigen Kühlmethoden sind in Pig. 4 für die Wärmezufuhr von 65000 J/cm veranschaulicht. Die weißen Symbole in Pig. 4 stellen die gemessenen Werte im mittleren Teil des Prüfkörpers dar, während die schwarzen Symbole die an der äusseren Oberfläche des Prüfkörpers gemessenen Werte wiedergeben. Pig. 4 zeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Schweissung mit einer Düse nahezu die dreifache Kühlgeschwindigkeit als bei der herkömmlichen Schweißung erzielt wird. Bei Erhöhung der Anzahl der Düsen und damit des Kühlwasserdurchsatzes wird eine höhere Kühlgeschwindigkeit erzielt. Im Palle eines Zwangs- bzw. Druckumlaufs des Kühlwassers mit drei Düsen (Durchsatz: 45 l/min) kann die mittlere Kühlgeschwindigkeit auf 23°C/Sek. erhöht werden. Pig. 4 zeigt außerdem, daß die Ktihlgeschwindigkeit aufgrund der rückseitigen Kühlung im mittleren Bereich höher als an der oberen Fläche des Prüfkörpers ist.

Pig. 5 zeigt typische Kühlkurven für die Prüfkörper C, welche der herkömmlichen Schweißung (unter natürlicher Küh-

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lung) und der erfindungsgemäßen Sohweißung (unter rückseitiger Kühlung) unterworfen wurden. Aus Pig. 5 geht hervor, daß die maximale Kühlkapazität im Falle des Zwangs- bzw. Druckumlaufs des Kühlwassers mit drei Düsen (Durchsatz: 45 l/min) erzielt werden kann.

Der Stahlprüfkörper A wird an der Innenseite unter den aus Tabelle IV ersichtlichen Bedingungen einer UP-Schweißung und anschließend an der Außenseite einer UP-Schweißung_f wobei die Eohrinnenseite mit Wasser, Stickstoff und Trockeneis gemäß den vorstehenden sechs Ktihlvarianten gekühlt wird, unterworfen. In den Pig. 6(a) und 6(b) sind die gemessenen Werte für die Zähigkeit der Schweißnaht gegen die Kühldauer aufgetragen, welche zur Kühlung von der Maximaltemperatur auf 800⁰C bzw. von 800 auf 500⁰C erforderlich ist. Die Zähigkeit der Schweißnaht wird an drei Stellen gemessen, nämlich in der Nähe der äußeren Oberfläche der Schweißnaht, im mittleren Bereich und in der Nähe der inneren Oberfläche der Schweißnaht. Es werden dieselben Drähte a für die voranschreitende und die nachfolgende Elektrode sowie das Pulver Y zur Bildung der inneren und äußeren Schweißnaht verwendet.

Aus Fig. 6(a) geht hervor, daß die Zähigkeit des Schweißguts im angegebenen Temperaturbereich bei einer kürzeren Kühldauer verbessert wird. Auch Fig. 6(b) zeigt, daß eine kürzere Kühldauer im angegebenen Temperaturbereich zu einer höheren Zähigkeit des Schweißguts führt. Das Schweißgut des Prüfkörpers A weist vermutlich eine erhöhte Härtbarkeit auf; bei einer mittleren Kühlgeschwindigkeit von 15°C/Sek. (Kühldauer = 20 Sekunden) für den Temperaturbereich von 800 bis 500⁰C läßt sich ein praktisch konstanter Wert vE - 30⁰C von 127 bis 136 ft-lb (17»56 bis 18,60 mkg) erzielen·

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Der Stahlprüfkörper B wird ebenfalls unter den aus Tabelle IV ersichtlichen Bedingungen einem IJP-Schweißdurehgang unterworfen. Das dabei erhaltene Rohr wird sodann an der äußeren Fuge nach der ÜP-Methode geschweißt, wobei die innere Schweißnaht in der vorstehend beschriebenen Weise gekühlt wird.

In den Fig. 7(a) und 7(b) sind die gemessenen Werte der Zähigkeit des Schweißguts gegen die Kühlzeiträume aufgetragen, welche zur Kühlung durch die angegebenen Temperaturbereiche erforderlich sind.

Gemäß den Fig. 7(a) und 7(b) werden die Drähte a und b sowie das Pulver Y für die innere Schweißung und dieselben Drähte a mit dem Pulver Y für die äußere Schweißung verwendet. Die Zähigkeit der Schweißnaht wird an drei Stellen gemessen, und zwar in der Nähe der äußeren Oberfläche der Schweißnaht, im mittleren Bereich und in der Nähe der inneren Oberfläche der Schweißnaht.

Die Fig. 7(a) und 7(b) lassen erkennen, daß die Zähigkeit des Schweißguts umso höher ist, je kürzer die Kühlzeiträume für die angegebenen Temperaturbereiche sind. Insbesondere die aus Fig. 7(b) ersichtliche Kühldauer für den Temperaturbereich von 800 bis 50O⁰C beeinflußt die Zähigkeit des Schweißguts nachhaltig. Im vorliegenden Falle wurden die kompensierenden Drähte (der voranschreitende Draht a und der nachfolgende Draht b) für die innere Schweißung verwendet, um den Abschreckeffekt zu verringern, welcher während der äußeren Schweißung auf die innere Schweißnaht einwirken kann. Wenn der durch "geregeltes Walzen" erzeugte Prüfkörper B der herkömmlichen Schweißung unterworfen wird, erhält die innere Schweißnaht eine geringere Zähigkeit als die äußere Schweißnaht oder die Übergangszone zwischen der äußeren und inneren Schweißnaht aufgrund einer Ausscheidungshärtung, welohe durch die Ausscheidung von Nb und Y aus dem Grundwerkstoff und Ti aus den Schweißdrähten verursacht

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wird. Im Falle der erfindungsgemäßen Schweißung unter rückseitiger Kühlung steht den genannten Elementen keine zur Ausscheidung ausreichende Zeit und Temperatur zur Verfügung, wodurch der Bereich der Ausscheidungs-Sprödigkeit auf ein Minimum verkleinert werden kann.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Schweißmethode kann somit aufgrund der Unterdrückung der Ausscheidungshärtung des im vorangehenden Durchgang eingebrachten Schweißguts auf den Einsatz von kompensierenden Drähten bzw. Elektroden verzichtet werden. Die Zähigkeit des Schweißguts kann dadurch weiter verbessert werden, daß man Drähte mit hoher Härtbarkeit (wie die Drähte a) für die voranschreitende und die nachfolgende Elektrode verwendet.

Gemäß den Fig. 7(a) und 7(b) werden die Drähte a und b und das Pulver Y für die innere Schweißnaht sowie die Drähte a und das Pulver Y für die äußere Schweißnaht verwendet.

Die Fig. 8(a) und 8(b) zeigen die Resultate von entsprechenden, an der Stahlplatte C vorgenommenen Tests. Aus den Figuren geht hervor, daß die Testergebnisse für den Stahlprüfkörper 0 im wesentlichen jenen der Stahlprtifkörper A und B entsprechen.

In den Fig. 6 bis 9 geben die weißen Kreise die in der Nähe der äußeren Oberfläche gemessenen Werte wieder, während die schwarz-weißen Kreise und die schwarzen Kreise den Werten entsprechen, welche mit Hilfe der Thermoelemente in den Zwischenbereichen bzw. in der Nähe der inneren Oberfläche bestimmt wurden.

Wenn eine dünne Stahlplatte geringerer Qualität durch UP-Schweißung unter Verwendung eines herkömmlichen Drahts A zu einem Rohr geformt wird, kann häufig der Fall eintreten, daß das Schweißgut keine ausreichende Zähigkeit besitzt. Da-

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her wurde früher vorgeschlagen, einen Ni/Mo/B-Draht sowie ein mit MnO und ZrOg versetztes Pulver (wie das Pulver X von Tabelle III) zu verwenden. In den Pig. 9(a) und 9(b) ist die Zähigkeit gegen die Kühldauer der Schweißverbindung aufgetragen, welche unter Verwendung der dünnwandigen Stahlprüfplatte D geringer Qualität und einer Kombination der herkömmlichen Pulver und Drähte erzielt wurde.

Die Stahlplatte D wird durch UP-Schweißung an der Innenseite unter Verwendung derselben Drähte a für die voranschreitende und die nachfolgende Elektrode sowie des Pulvers X zu einem Rohr geformt. Das Rohr wird anschließend an der Außenseite unter Verwendung derselben Drähte a+a und des Pulvers Y unter gleichzeitiger Kühlung seiner Innenseite der UP-Schweißung unterworfen. Die Zähigkeit des Schweißguts wird in der Nähe der äußeren und inneren Oberfläche sowie im mittleren Bereich in Abhängigkeit von der Kühldauer für die beiden Bereiche der Kühltemperatur gemessen. Während gemäß Pig. 9(a) keine feste Beziehung zwischen der Zähigkeit des Schweißgute und der Kühldauer oberhalb 800⁰C festgestellt werden kann, geht aus Pig. 9(b) hervor, daß eine kürzere Kühldauer im Bereich von 800 bis 500⁰O die Zähigkeit der Schweißnaht stark verbessert. Man erkennt aus Pig. 9(b), daß die Zähigkeit im Vergleich zur spontanen Kühlung auf etwa den doppelten Wert (ausgedrückt als vE-30°C) und um etwa 40⁰C (ausgedrückt als vTrs) verbessert werden kann.

In den Pig. 10(a) und 10(b) ist die Zähigkeit der Wärmeeinflußzone eines durch UP-Schweißung unter den aus Tabelle IV ersichtlichen Bedingungen erhaltenen Stahlrohrs A gegen die Kühldauer aufgetragen. Man erkennt, daß die Zähigkeit der Wärmeeinflußzone in beiden Temperaturbereichen durch Verkürzung der Kühldauer verbessert werden kann. Im Falle einer rückseitigen Kühlung von 800 auf 500⁰C innerhalb von 14 Sek. läßt sich die Zähigkeit gegenüber der spontanen Kühlung auf

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etwa das Doppelte (ausgedrückt als vE-30°C) und um etwa 15⁰C (ausgedrückt als vTrs) verbessern. Die beschleunigte Kühlung durch den Temperaturbereich oberhalb 800⁰C führt vermutlich zu einer Verringerung der Größe der voraustenitischen Kristallkörner und verhindert eine Schwächung der γ-Korngrenze. Man nimmt ferner an_t daß die beschleunigte Kühlung durch den Bereich von 800 bis 500⁰C die Bildung eines hochzähen unteren Troostits (Bainite) , fördert jedoch die Bildung des oberen Troostits (Bainite)* welcher vom Standpunkt der Zähigkeit schädlich sein kann, verhindert.

Die Pig. 11(a) und 1i(b) zeigen entsprechende» mit den Stahltypen B und C erzielte Resultate. Im Falle des Stahltyps B führen höhere Kühlgeschwindigkeiten durch beide Temperaturbereiche zu einer höheren Zähigkeit der Wärmeeinflußzone. Tor allem beeinflußt die Dauer der Kühlung durch den Bereich von 800 bis 500⁰C die Zähigkeit der Wärmeeinflußzone nachhaltig. Wenn die Wärmeeinflußzone innerhalb von 12,5 Sek. durch den genannten Temperaturbereich abgekühlt wurde, können die gemessenen Zähigkeitswerte um das 1,8-fache (ausgedrückt als vE-30°C) und um etwa 33⁰C (ausgedrückt als vTrs) im Vergleich zur spontanen Kühlung verbessert werden. Im Falle des Stahltyps C wird die Zähigkeit der Wärmeeinflußzone durch die Kühldauer im Bereich von 800 bis 500⁰C maßgeblich beeinflußt. Wenn die Wärmeeinflußzone innerhalb von 17 Sek. durch den genannten Bereich abgekühlt wurde, können die Zähigkeitswerte im Vergleich zur spontanen Kühlung um das etwa 1 1/2-fache (ausgedrückt als vE-30°C) und um etwa 38⁰C (ausgedrückt als vTrs) verbessert werden. Entsprechende Resultate gehen aus den Fig. 12(a) und 12(b) für den Stahltyp D hervor. Während für den Temperaturbereich oberhalb 800⁰C keine bestimmte Beziehung zwischen der Zähigkeit und der Kühldauer feststellbar ist, zeigt Fig. 1i(b), daß eine für die Kühlung durch den Bereich von 800 bis 500⁰C erforderliche kürzere Zeitspanne zu einer deutlich verbesserten Zähigkeit (ausgedrückt

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ale vTrs) führt.

Fig. 15(a) und 13(b) zeigen die Auswirkungen der erfindungsgemäßen rückseitigen Kühlung auf die maximale Härte des Schweißguts und der Wärmeeinflußzone von aus den Stahlplatten A, B und C hergestellten Testrohren. Die Rohre werden durch Schweißung längs einer longitudinalen Verbindungslinie an der Innenseite und anschließende Schweißung längs derselben Verbindungslinie an der Außenseite unter gleichzeitiger Zwangskühlung von Seiten der inneren Schweißnaht (wie beschrieben) hergestellt. Bei diesen Stahltypen existiert wiederum keine definierte Beziehung zwischen der Härte und der Kühldauer durch den Temperaturbereich oberhalb 800⁰C. Wie jedoch aus Fig. 13(b) hervorgeht, kann die Härte der Schweißnahtzone bei einer kürzeren Kühldauer für den Temperaturbereich von 800 bis 500⁰C fortlaufend erhöht werden, bis die praktisch konstanten Werte von Hv.max.238 für das Schweißgut und Hv.max.260 für die Wärmeeinflußzone hinsichtlich der Stahltypen A und B erreicht werden. Im Falle der Stahltypen B und C weist die maximale Härte des Schweißguts bei einer Erhöhung der Kühlgeschwindigkeit für den Bereich von 800 bis 500⁰C anfangs eine steigende Tendenz auf und beginnt dann langsam abzusinken, während die Härte der Wärmeeinflußzone monoton ansteigt. Beim Stahl typ B erreicht die Härte der Wärmeeinflußzone den Wert Hv.max.258 bei der mittleren Kühlgeschwindigkeit von 24°C/Sek. für den Bereich von 800 bis 500⁰C. Das Kohlenstoff äquivalent (CäqJ des Stahltyps C beträgt 0,368 und ist somit niedriger als jenes des Stahltyps B (0,385); daher besitzt der Stahl C eine geringere Härtbarkeit als der Stahl B. Daraus folgt der etwas geringere "Wert der maximalen Härte der Wärmeeinflußzone und des Schweißguts beim Stahltyp C gegenüber dem Stahltyp B.

In Falle der durch "geregeltes Walzen¹* erhaltenen Stahltypen B und C verringert sich die Härte des Schweißgute bei kürzerer

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Dauer der rückseitigen Kühlung im Temperaturbereich von 800 bis 50O⁰O, wie vorstehend erläutert wurde. Pig. 14 zeigt die Härteverteilung bzw. -streuung in Richtung der Flattendicke am inneren und äußeren Schweißgut für die Schweißverbindung des Stahltyps B. Bei der herkömmlichen UP-Schweißung, an welche sich eine spontane Kühlung anschließt, werden die innere und äußere Oberfläche sowie die benachbarten Bereiche durch Erhitzen in die Nähe der Schmelzpunkte erweicht und die Elemente wie Bb, Ti und Y werden in eine feste Lösung umgewandelt. Andererseits wird der etwa 2 mm von der inneren und äußeren Oberfläche entfernte mittlere Bereich des Schweißguts auf einen Bereich von 600⁰O bis zum Ac-Punkt erhitzt und durch die Ausscheidung von Ni, V und Ti in Form von Carbiden und Nitriden gehärtet« Wenn das an der Außenseite geschweißte Stahlrohr jedoch an der Innenseite unter gleichzeitiger Kühlung von der Rückseite her geschweißt wird, wird der Bereich der für die Ausscheidung dieser Elemente erforderlichen Temperatur und Zeit begrenzt. !Die Ausscheidungshärtung wird dadurch unterdrückt, was wiederum zu-einer geringeren Härte im inneren Bereich führt. Andererseits wird die äußere Schweißnaht bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit der rückseitigen Kühlung gehärtet, da dieselben Drähte a für die äußere Schweißung verwendet werden. Bei einer nach der erfindungsgemäßen Methode erzielten Schweißverbindung verlagert sich somit der Bereich der maximalen Härte aus dem vergleichbaren Gebiet der Schweißnaht, welche durch herkömmliches, nicht von einer rückseitigen Kühlung begleitetes Schweissen erzielt wird. Die Härte der Wärmeeinflußzone erhöht sich bei den betreffenden Stahltypen, wie erwähnt, bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit der rückseitigen Kühlung. Der Bereich der maximalen Härte befindet sich in einer mittleren Zone, welche sich in einem Abstand von 0,5 bis 1 mm von der Schmelzlinie befindet; vgl. die Pig. 15(a) und 15(b). Die Härtung der Schweißnaht wird mehr durch die Ktihldauer für den Bereich von 800 bis 500⁰C als durch die Kühldauer für den Be-

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reich oberhalb 800⁰C beeinflußt. Es wird angenommen, daß die Kühldauer für den Temperaturbereich oberhalb 800⁰C ,die Korngrößen der Austenit-Kristallkörner beeinflußt, während die Kühldauer für den Bereich zwischen 800 und 500⁰C die Ausscheidung des unteren Iroostits (Bainite) begünstigt, während sie die Bildung des oberen Troostits (Bainite) unterdrückt.

Die Fig. 16(a) und 16(b) veranschaulichen die Testergebnisse bezüglich der Auswirkungen der rückseitigen Kühlung auf die Härte der Wärmeeinflußzone und des Schweißguts für den Stahl D geringer Qualität. Man erkennt, daß die Härte der Wärmeeinflußzone und des Schweißguts durch die Kühlgeschwindigkeiten in den angegebenen Temperaturbereichen stark beeinflußt wird und daß die Härtung bei rascherer Kühlung ausgeprägter ist. Aus den Figuren geht hervor, daß die Härte des Schweißguts bei rückseitiger Kühlung während 15 Sek. durch den Bereich von 800 bis 500⁰C Hv.max. 242 beträgt, während die Härte der Wärme einflußzone einen Wert von Hv.max.193 besitzt.

Die Fig. 17(a) und 17(b) bzw. die Fig. 18(a) und 18(b) sind photographische Aufnahmen (400fache Vergrößerung) der Mikrostrukturen der Wärmeeinflußzone des Stahltyps A bzw. B, welche durch herkömmliche Schweißung bzw. durch erfindungsgemäße Schweißung mit Hilfe von drei Düsen unter Zwangsumlauf erzielt wurden. Aus den Figuren geht hervor, daß die Größen der voraustenitischen Kristalle der grobkörnigen Wärmeeinflußzone bei beiden Stahltypen (A und B) durch die rückseitige Wasserkühlung verringert werden. Man erkennt ferner, daß die Wärmeeinflußzone infolge der überwiegenden Bildung des wattron Troostits (Bainite) und der entsprechenden Unterdrückung des %froοst1ts (Bainite) eine hohe Zähigkeit erreicht.

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Die Fig. 19(a) und I9(b) sind mit Hilfe eines Elektronenmikroskops (300Ofache Vergrößerung) aufgenommene Photos, welche die Mikrostrukturen des an der Außenseite befindlichen Schweißguts eines durch herkömmliche Schweißung erhaltenen Rohrs aus dem Stahl B und eines durch erfindungsgemäße Schweißung aus demselben Stahltyp erhaltenen Rohrs zeigen. Die Aufnahmen lassen erkennen, daß die Bildung grober Ferrite in der Schweißnahtzone durch die rückseitige Kühlung unterdrückt wird und daß eine stark verfeinerte Ferritstruktur zusammen mit einem geringen Anteil von Troostit (Bainit) vorhanden ist.

Die Breite und Größe der grobkörnigen Wärmeeinflußzone können durch die rückseitige Kühlung verringert werden. Die Fig. 20(a) und 20(b) zeigen die Breite und Länge des grobkörnigen Bereichs der Wärmeeinflußzone für die betreffenden Stahltypen bei verschiedenen Geschwindigkeiten der rückseitigen Kühlung. Man erkennt, daß die Breite und Länge des grobkörnigen Bereichs der Wärmeeinflußzone bei den betreffenden Stahltypen durch Anwendung höherer Kühlgeschwindigkeiten für die Temperaturbereiche oberhalb 800⁰C sowie von 800 bis 500⁰C verringert werden können. Bei Verwendung von flüssigem Stickstoff und Trockeneis läßt sich aufgrund der Vorkühleffekte eine höhere Ktihlgeschwindigkeit für den Temperaturbereich oberhalb 800⁰C erzielen. Die Größe des grobkörnigen Bereichs kann daher selbst dann verringert werden, wenn für den Temperaturbereich von 800 bis 500⁰C eine langsamere Kühlung angewendet wird.

Für die Erhöhung der Zähigkeit der Wärmeeinflußzone ist daher eine rasche Kühlung durch die vorgenannten beiden Temperaturbereiche erforderlich. Durch die rasche Kühlung durch den Bereich oberhalb 800⁰C wird die Breite der grobkörnigen Zone verringert und eine Vergröberung der voraustenitischen Kristallkörner verhindert. Die rasche Kühlung durch den Bereich von 800 bis 500⁰C verhindert andererseits

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die Ausscheidung des oberen . Troostits (Bainite) und begünstigt die Bildung des unteren Troostits (Bainite). Das vorgenannte gilt ebenso für das Schweißgut. Die rasche Kühlung durch die beiden Temperaturbereiche bewirkt somit, daß die Perritbasis des geschmolzenen Metalls feiner wird,und erleichtert die Bildung des unteren Troostits (Bainite), durch welche die Zähigkeit des Schweißguts erhöht wird.

Wenn der Grundwerkstoff durch "geregeltes Walzen" erzeugt wird, wird die innere Schweißnaht eines zuvor an der Aussenseite geschweißten Rohres bekanntlich bei der Abkühlung aufgrund der Ausscheidungshärtung extrem spröde. Bisher wurden zum Schweißen der Innenseite eines zuvor außenseitig geschweißten Stahlrohres kompensierende Drähte verwendet. Bei einem an der Innenseite und an der Außenseite durch Lichtbogenschweißung unter rückseitiger Kühlung geschweißten Stahlrohr besteht die Tendenz» daß die Schweißnaht an der Innenseite eine geringere Härte als jene an der Aussenseite aufweist. Um die Härte und Zähigkeit der Schweißnaht einheitlicher zu gestalten, wurden Tests durchgeführt, bei welchen derselbe Draht a bzw. unterschiedliche Drähte a und b für die voranschreitende und nachfolgende Elektrode verwendet wurden. Die Fig. 21 und 22 zeigen die Ergebnisse. In Pig. 21 ist die Zähigkeit der Schweißnaht gegen den Abstand von der Außenseite für die beiden Fälle aufgetragen, daß die Stahlrohre (vom Typ B und C) der beidseitigen Schweißung und anschließenden spontanen Kühlung (bek. UP) und der erfindungsgemäßen Schweißung (erf. UP) unter Verwendung von zwei Düsen (Durchsatz 24 l/min) unterworfen werden. Wie Fig. 21 zeigt, ist bei Verwendung der voranschreitenden Elektrode b und der nachfolgenden Elektrode a die innere Oberflächenzone des durch die erfindungsgemäße Schweißung erzielten Schweißguts weniger zäh als die mittlere Zone und die äußere Oberflächenzone. Dagegen weist die mittlere Zone des durch die erfindungsgemäße Schweißung erzielten Schweißguts bei Verwendung desselben Drahts a für

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sowohl die voranschreitende als auch die nachfolgende Elektrode nahezu dieselbe Zähigkeit wie die restliche Zone auf. In Pig. 22- ist die Härte der Schweißnaht gegen den Abstand von der äußeren Oberfläche der Schweißnaht aufgetragen, wobei sich die Trennlinie zwischen der äußeren und inneren Schweißnaht in einem Abstand von etwa 13 mm von der äußeren Oberfläche befindet. Der Prüfkörper besteht aus dem Stahl C; die strichlierte und ausgezogene Linie geben die Kurven wieder, welche durch herkömmliche Schweißung bzw. erfindungsgemäße Schweißung mit zwei Düsen erzielt wurden, Ss ist anzunehmen, daß die durch Verwendung der kompensierenden Drähte (Drähte a und b) erzielte innere Schweißnaht eine geringere Härte erhält» da ihr Härtungsprozeß durch die rückseitige Kühlung beeinträchtigt und dadurch auch die Ausscheidungshärtung verhindert wird. Aus Pig. 22 geht hervor, daß bei Verwendung derselben Drähte a für sowohl die voranschreitende als auch die nachfolgende Elektrode eine einheitliche Härteverteilung in Richtung der Plattendicke erzielt werden kann. Es wird angenommen, daß die Ausscheidungshärtung in der Nachbarschaft der inneren Oberfläche der Schweißnaht durch die rückseitige Kühlung unterdrückt wird, während die innere Oberfläche durch die Kühlung geringfügig gehärtet wird. Dadurch wird dem in der Nähe der inneren Oberfläche befindlichen Bereich eine genügende Zähigkeit verliehen. Wenn man somit im Falle der unter rückseitiger Kühlung erfolgenden erfindungsgemäßen Schweißung dieselben Drähte a für die voranschreitende und nachfolgende Elektrode anläßlich der innenseitigen Schweißung verwendet, läßt sich ein über seine Dicke gleichmäßig zähes Schweißgut erzielen. Auf diese Weise kann auch aufgrund der Unterdrückung der Ausscheidungshärtung, welche ansonsten in der Nähe der inneren Oberfläche erfolgen würde, eine einheitliche Härte über die Plattendicke erreicht werden.

Bei der vorstehend erläuterten Aueführungeform wird zunächst

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die innere Schweißnaht am Rohr erzeugt und anschließend wird die Außenseite des Rohres unter gleichzeitiger Kühlung der Innenseite geschweißt. Man kann jedoch auch zuerst die Aussenseite des Rohres und anschließend dessen Innenseite unter gleichzeitiger Kühlung der Außenseite schweißen. Wenn die Schweißung an der Innen- und Außenseite in mehreren Durchgängen erfolgt» kann man die rückseitige Kühlung auch beim letzten Durchgang anwenden.

Obwohl die Erfindung vorstehend in bezug auf die UP-Schweissung mit zwei Elektroden erläutert wurde, läßt sie sich auch auf die Schutzgasschweißung anwenden. Man kann auch eine einzige Elektrode oder aber drei oder mehr Elektroden verwenden. Da jedoch die TJP-Schweißung in der Regel mit einer geringeren Kühlgeschwindigkeit verbunden ist und bei Verwendung mehrerer Elektroden gewöhnlich eine höhere Wärmezufuhr erforderlich ist, läßt sich die Erfindung mit Vorteil auf die in einem Durchgang erfolgende ÜP-Schweißung von dickwandigen Stahlrohren mit hohem Durchmesser an der Innen- und Außenseite unter Verwendung von zwei oder mehr Elektroden anwenden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Lichtbogenschweißen eines Stahlrohres» wobei eine Stahlplatte zu einem Rohr gebogen und die Fuge in mehreren Durchgängen verschweißt wird, und wobei die Schweißnaht während des letzten Schweißdurchgangs von jener Seite her zwangsgekühlt wird, welche der Seite
entgegengesetzt ist, an der die Schweißung erfolgt,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangskühlung mit einer Geschwindigkeit von 8 bis 4O°C/Sek. bis zum Absinken der Temperatur der Schweißnaht auf 500⁰C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangskühlung mit einer Geschwindigkeit von 15 bis 30°C/Sek. bis zum Absinken der Temperatur der Schweißnaht auf 500⁰C durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Kühlung innerhalb von 11 Sek. bis zum Absinken der Temperatur der Schweißnaht auf 800⁰C durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium Wasser verwendet wird«
6# Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium flüssiger Stickstoff verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß als Kühlmedium Trockeneis verwendet wird.

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8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißdurchgänge vor dem letzten Durchgang durch Unterpulver-Lichtbogenschweißung vorgenommen werden» wobei man als Drähte für die voranschreitende und die nachfolgende Elektrode jeweils dieselben Ni/Mo/Ti-Schweißdrähte verwendet.

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