DE2635743C2

DE2635743C2 - Kühlapparat zur Kühlung der beim Lichtbogenschweißen entstehenden Wärmeeinflußzone eines von außen zu schweißenden Stahlrohres

Info

Publication number: DE2635743C2
Application number: DE19762635743
Authority: DE
Inventors: Kiyoteru Hirabayashi; Yokio Fukuyama 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: 1983-12-08
Also published as: CA1051979A; IT1067834B; DE2635743A1; JPS5220345A; FR2320159B1; FR2320159A1; JPS5311496B2; GB1552660A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlapparat zur Kühlung der beim Lichtbogenschweißen entstehenden Wärmeeinflußzone eines von außen zu schweißenden Stahlrohres, der den Kühlvorgang von der Innenseite des Rohres her durchführt.

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 unerwünscht, 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.
Aue der DE-AS 11 15 381 ist es bekannt, beim Lichtbogen-Verbindungsschweißen von Stumpfstößen die Schweißnaht während ihrer Herstellung auf der Rückseite durch Bespritzen mit Wasser zu kühlea Die Durchführung eines solchen Vorgangs an den Schweißnähten zwischen Stahlplatten gestaltet sich wegen der leichten Zugänglichkeit der Unterseite der Stahlplatten relativ einfach. Bei komplizierteren Profilen, wie etwa Stahlrohren, stößt eine solche Wasserkühlung wegen der auf eine optimale Kühlung abzielenden Dosierung des Kühlvorganges auf erhebliche Schwierigkeiten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kühlapparat zur Kühlung der Schweißnahtzone dickwandiger Stahlrohre beim Lichtbogenschweißen von außen zu entwickeln, der eine wesentliche Verminderung der Kaltzähigkeit der Einflußzone einerseits und eine übermäßige Härte der Schweißnahtzone andererseits verhindert, wobei ein einfacher Apparateaufbau bei dennoch leichter und genauer Einstellbarkeit des Kühlvorganges der Schweißnahtzone erzielt werden soll.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch einen Kühlapparat, der gekennzeichnet ist durch einen Auslegerarm, wenigstens einer an einem Ende des Auslegerarms vorgesehenen Kühlwasserdüse, einen Kühlwasserbehälter und eine Pumpe zur Versorgung der Kühlwasserdüse mit Wasser, und eine Wasserschale zur Aufnahme und Rückführung gebrauchten Kühlwassers zum Kühlwasserbehälter, wobei der Auslegerarm in der Stahlröhre vorwärts und rückwärts bewegbar ist Es wird eine höhere Zähigkeit sowohl des Schweißguts als auch der Wärmeeinflußzone erzielt, wenn man für die Zwangskühlung durch die Bereiche von der Maximaltemperatur bis 800° C und von 800 bis 500° C höhere Kühlgeschwindigkeiten anwendet Eine Kühlgeschwindigkeit von 8 bis 4O⁰C (vorzugsweise von 15 bis 30⁰C) pro Sekunde für den Kühlbereich von 800 bis 500⁰C wird zur Erzielung einer hohen Zähigkeit des Schweißguts und der Wärmeeinflußzone am meisten bevorzugt. Bei der erfindungsgemäßen 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 50O⁰C drei- bis viermal rascher

so als ohne Zwangsumlaufkühlung erfolgen.

Die erhöhte Zähigkeit der Wärmeeinflußzone läßt sich dadurch erzielen, daß man die Kühlung im Bereich von der Maximaltemperatur bis 800⁰C derart beschleunigt, daß dieser Bereich vorzugsweise innerhalb von li Sek. vollständig durchlaufen wird. In diesem Falle kann die Breite der grobkörnigen Zone verringert werden, und es bilden sich keine grobkörnigen voraustenitischen Kristalle. Wenn ferner die Kühlgeschwindigkeit für den Temperaturbereich von 800 bis 500⁰C durch die rückseitige Kühlung auf 8°C/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 Kühlgeschwindigkek für den Temperaturbereich von 800 bis 500° C 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 Zeichnungen deutlicher hervor.

Es folgt eine kurze Erläuterung der Zeichnungen.

Fig. l(a) und l(b) veranschaulichen den erfindungsgemäßen Kühlapparat im Seitenaufriß bzw. einer vergrößerten Teilansicht

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

Fig.3(a) ist eine graphische Darstellung der Kühldauer, welche zur Kühlung der drei Testrohre von der Maximaltemperatur auf 800° C erforderlich ist (für die spontane Kühlung und die verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen rückseitigen Kühlung).

F i g. 3{b) ist eine entsprechende graphische Darstellung für den Temperaturbereich von 800 bis 500° C

In F i g. l(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 diesci Schweißvorgangs wird das Stahlrohr 2 gleichzeitig mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 3 von der Innenseite des Stahlrohres 2 gekühlt

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 3 ist in Fig. l(b) vergrößert dargestellt und besteht aus dem Auslegerarm 7, welcher sich in der Längsrichtung der Förderstraße erstreckt und am Ende mit dem Kühlwasserbehälter 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 Fig. l(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 Wassers, 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 vorher längs einer longitudinalen Fuge an der Innenseite geschweißt wurde, kann somit an der Außenseite längs derselben Fuge geschweißt werden, indem es gemäß F i g. l(a) und l(b) in der Pfeilrichtung durch die Förderwalzen 12 entlanggeführt wird. Unter gleichzeitiger Kühlung wird Kühlwasser durch die Düse 8 auf die innere Schweißnaht unmittelbar gegenüber den Schweißelektroden aufgesprüht

Gemäß den Fig. l(a) und l(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 Sticksloff ersetzt werden. Man kann zur Kühlung auch Trockeneis in direkten physikalischen Kontakt mit der Rohrinnenseite bringen.

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

F i g. 2(a) zeigt eine einzige zur Kühlung verwendete Düse 8, wie bereits mit Bezug auf die F i g. l(a) und l(b) erläutert wurde. F i g. 2(a) zeigt oben einen Querschnitt und unten einen Längsschnitt durch die Schweißnaht. Gemäß F i g. 2(a) zeigen die drei strichlinierten Linien Bohrlöcher an, welche von der Endfläche (Stirnseite) des Stahlprüfkörpers 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 F i g. 2(b) auf 24 l/min. Gemäß F i g. 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.

Gemäß F i g. 2(d) wird eine Zwangsumlaufeinrichtung 15, z. B. ein Behälter und eine Pumpe 10 wie in F i g. l(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 für Vergleichsversuche 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 18 z. B. mit einem Durchsatz von 400 kg/Std. auf die zu kühlende Seite des außen befindlichen Schweißguts aufgesprüht werden.

Gemäß Fig.2(f) wird für Vergleichsversuche zur Kühlung der Schweißnaht durch Ausdehnung des Luftschlauches 19 ein Stück Trockeneis 20 auf die zu kühlende Seite des Schweißgutes aufgebracht.

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

In den F i g. 3(a) und 3(b) sind unter Verwendung von verschiedenen Stahlprüfplatten A, B und C die Kühlzeiträume, welche zur Abkühlung von der Maximaltemperatur auf 800°C sowie von 800 auf 500°C erforderlich sind, für die herkömmliche Schweißung

unter natürlicher Kühlung und für die unter Zuhilfenahme der verschiedenen Kühlmethoden (Wasserkühlung im Vergleich zur Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder Trockeneis, die ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Kühlapparat eingesetzt werden können) durchgeführte Schweißung dargestellt. Man erkennt aus F i g. 3(a), daß die zur Kühlung von der Maximaltemperatur auf 800° C 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 F i g. 3(b) erkennt man ferner daß der zur Kühlung durch den Bereich von 800 bis 500° C erforderliche Zeitraum mit Erhöhung der Anzahl der Düsen und damit des Durchsatzes stufenweise verkürzt werden kann und ein Zwangsbzw. 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 500° C bei Verwendung

von flüssigem Stickstoff oder Trockeneis nahezu dieselbe Kühlgeschwindigkeit wie im Falle des Zwangsbzw. 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 oder Trockeneis kann die

zur Kühlung von 800 auf 500° C erforderliche Zeitspanne wesentlich iänger als im Falle einer Wasserkühlung sein, da der flüssige Stickstoff oder das Trockeneis eine geringere Wärmeaustauschkapazität als Wasser aufweist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlapparat zur Kühlung der beim Lichtbogenschweißen entstehenden Wärmeeinflußzone eines von außen zu schweißenden Stahlrohrs, der den Kühlvorgang von der Innenseite des Rohres her durchführt, gekennzeichnet durch einen Auslegerarm (7), wenigstens einer an einem Ende des Auslegerarms (7) vorgesehenen Kühlwasserdüse (8), einen Kühlwasserbehälter (9) und eine Pumpe (10) zur Versorgung der Kühlwasserdüse (8) mit Wasser, und eine Wasserschale (13) zur Aufnahme und Rückführung gebrauchten Kühlwassers zum Kühlwasserbehälter (9), wobei der Auslegerarm (7) in der Stahlröhre vorwärts und rückwärts bewegbar ist.

2. Kühlapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (10) und der Kühlwasserbehälter (9) unterhalb der Kühlwasserdüse (8) am Auslegerarm (J) angeordnet sind.

3. Kühlapparat nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslegerarm (7) durch Trägerrollen (11) innerhalb des Stahlrohres geführt ist

4. Kühlapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Auslegerarm (7) eine Wasserleitung (5) und ein Starkstromkabel (4) eingelagert sind.

5. Kühlapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers durch die Düse (8) über die geregelte Pumpe (10) steuerbar ist

6. Kühlapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslegerarm (7) durch einen Support (14) zur Änderung der Position der Düse (8) relativ zum Rohr (2) in Längsrichtung verschiebbar ist.

7. Kühlapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (8) mit dem Auslegerarm (7) derart im Rohr (2) placiert ist, daß das Kühlwasser unmittelbar gegenüber den Schweißelektroden auf der Innenseite des Rohres (2) aufsprühbar ist.

8. Kühlapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufsprühen des Kühlwassers zwei oder mehrere Düsen (8, 18) in Tandem-Anordnung längs der Schweißfuge angeordnet sind.