DE3220029C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Rohren aus Metallflachband gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Profilwalzen vor dem elektrischen Widerstandsschweißen wird üblicherweise einem Metallflachband fortschreitend eine run­ de Form gegeben, wobei verschiedene Walzen, beispielsweise Vorwalzen, Schwertwalzen und Preßwalzen, entsprechend den jeweiligen Verformungsschritten verwendet werden.

Bei der üblichen Rohrherstellung werden die benachbarten Abschnitte der Metallbandkanten am Anfang des Vorwalzens einer Biegeverformung unterworfen, und bei jedem Biege­ schritt wird die Krümmung allmählich so erhöht, daß der Querschnitt des Metallbandes senkrecht zur Rohrachse eine runde Form annimmt.

Bei der Herstellung von Rohren mit großer Wandstärke (nach­ stehend als "dickwandige Rohre" bezeichnet) hat jedoch das vorstehende Walzverfahren den folgenden Nachteil: Wenn die Bandkanten durch die Vorwalze zwangsweise gebogen werden, nimmt die Wandstärke des Bandes stark ab, und daher erhält man keine ausreichend gute Schweißstoßkante, wie beispielsweise eine I-Nut, obwohl die Wandstärke des Rohrs dadurch erhöht wird, daß man das hergestellte Rohr dem anschließenden Feinstichwalzen mittels einer Schwertwalze unterwirft. Bei der Herstel­ lung eines Rohrs mit geringer Wandstärke (nachstehend als "dünnwandiges Rohr" bezeichnet) wird bei dem vorstehend genannten bekannten Verfahren die Umgebung der Bandkante in Längsrichtung verlängert, so daß sich ein Verformen oder Verziehen der Kante ergibt.

Wenn ferner der Querschnitt des Rohrs durch allmähliches Er­ höhen der Krümmung eine runde Form annimmt, so kann ein Zu­ rückfedern auftreten, d. h. daß der Stoß der beiden Kanten keine I-Nut bildet; vielmehr erhält man meist eine V-förmige Nut, was zu einem unvollständigen Stumpfschweißen führt. Wenn ferner in der Schweißnaht ein Verziehen der Kante verbleibt, so wird der Stoß versetzt, und dies führt ebenfalls zu Schweißfehlern.

Aus der DE-OS 25 36 125 ist ein Verfahren zum Einformen von Bandmaterial für die Herstellung von Schlitzprofilen bekannt, dem die Aufgabe zugrundeliegt, ein Verfahren zu schaffen, mit dem unterschiedliche Abmessungen von Schlitzrohren kontinuierlich nacheinander geformt werden können. Dabei wird zunächst ein Rohr mit polygonalem Querschnitt hergestellt, beispielsweise ein Fünfkantprofil. Das polygonale Profil wird entlang der Naht geschweißt, und erst nach dem Ver­ schweißen des polygonalen Profiles wird ein Rundprofil geformt. Gemäß DE-OS 25 36 125 wird somit während des Einformens eines polygonalen Querschnitts eine lineare Naht offengelassen, ohne daß für das Schweißen dieser Naht besondere Bedingungen vorgesehen sind.

Die US-PS 32 63 053 beschreibt eine Vorrichtung, mit der Rohre verschiedener Größen durch einen einzigen Satz Walzen aus Blechen herstellbar sind.

Hierfür wird ein elliptisches Formverfahren vorgeschlagen, wobei die Walzen seitlich entlang ihrer Achsen verschiebbar und einstellbar sind. Hierdurch lassen sich mit denselben Walzen Rohre verschiedener Durchmesser herstellen. Mit den verschiebbaren Walzen werden auch die Kantenbereiche der Bleche gewalzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Rohren aus Metallflachband bereitzustellen, bei dem die Schlitzrohre vor dem Verschweißen eine ausgezeichnete Schweißstoßkante über die gesamte Schweißstrecke aufweisen und die fertigen Rohre eine sehr gute Rohrform haben.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 gelöst.

Beim erfindungsge­ mäßen Verfahren wird das Metallband in seinen beiden Kantenbereichen mit bestimmter Brei­ te während des Biegevorgangs vor dem Schweißen zu keinem Zeitpunkt einem Biegeschritt unterworfen, und die Kantenbereiche weisen vom ersten Verformungsschritt bis zum Schweißen keine Krümmung auf.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine grafische Darstellung der Wandstärke der Band­ kanten, die beim bekannten Verformen je Durchlauf reduziert wird,

Fig. 2a und 2b Querschnittsansichten von zwei bekannten Stoßkanten und

Fig. 2c den Querschnitt einer idealen I-förmigen Stoßkante,

Fig. 3a und 3b schematische Darstellungen des bekannten Vorwalzens und des äquivalenten Modells,

Fig. 4a bis 4c grafische Darstellungen der Beanspruchung in Längsrichtung bzw. der erhaltenen Verformung in Längsrichtung,

Fig. 5 eine unvollständige Stoßkante aufgrund einer Rück­ federung,

Fig. 6 eine Ansicht einer unvollständigen Stoßkante auf­ grund einer Kantenverformung,

Fig. 7a und 7b Ansichten von Verfahrensschritten bei einem bekannten bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 8a und 8b Ansichten von Verfahrensschritten eines be­ kannten zum Krümmen verwendeten Profilwalzverfahrens im Vergleich zum erfindungsgemäßen Profilwalzen,

Fig. 9a und 9b Darstellungen zum erfindungsgemäßen Biege­ vorgang der Kanten,

Fig. 10 eine grafische Darstellung der Krümmungsänderung beim Verformen des Bandes,

Fig. 11 schematische Darstellungen der Formschritte beim er­ findungsgemäßen Herstellen eines dünnwandigen Rohrs,

Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung eines Modells der Kantenverformung,

Fig. 13a bis 13c grafische Darstellungen der Dehnungsbe­ anspruchung in Längsrichtung und die Verteilung der resultierenden Verformung bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 14a und 14b schematische Darstellungen der Beziehung zwischen dem Biegeradius und der Rückfederung,

Fig. 15 eine grafische Darstellung der Änderung der Wand­ stärke des Bandes gemäß einer erfindungsgemäßen Aus­ führungsform und

Fig. 16 eine grafische Darstellung der Änderung der Deh­ nungsbeanspruchung der Bandkanten gemäß einer wei­ teren erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Zur Erläuterung wird zunächst ein bekanntes Verfahren zum Herstellen von durch elektri­ sches Widerstandsschweißen hergestellten Metallrohren be­ schrieben.

Im allgemeinen kann das Profilwalzen von durch Widerstands­ schweißen herzustellenden Rohren in verschiedene Walz­ schritte unterteilt werden und zwar das Vorwalzen, das Formen in einer Schwertwalze und das Druckwalzen. Bei diesem bekannten Rohrwalzen erfolgt im Bereich der Bandkanten (nachstehend auch als "Blechkanten" bezeichnet) am Anfang des Vorwalzens ein Biegen, das mit zunehmender Erhöhung der Krümmung fort­ gesetzt wird.

Wie vorstehend ausgeführt, hat jedoch dieses Verfahren Nach­ teile insbesondere bei der Herstellung von dickwandigen Rohren.

Die Fig. 1 zeigt, wie bei dem bekannten Verfahren zum Her­ stellen eines dickwandigen Rohrs die Wandstärke der Band­ kante bei jedem Stich reduziert wird. Die Abnahme der Wandstärke beginnt am Anfang des Vorwalzens, und die Ab­ nahme der Wandstärke setzt sich so lange fort, bis die Wandstärke durch das Ziehen beim Formen in der Schwertwalze (Feinstichwalzen) erhöht wird. In Fig. 1 bedeuten BD = Vorwalzen und FP = Feinstich­ walzen.

Die Fig. 2a und 2b zeigen die Formen der beim vorstehenden Verfah­ ren erhaltenen Schweißstoßkanten. Wenn der Zug­ vorgang beim Feinstichwalzen eine bestimmte Größe erreicht hat, erscheint an der Außenseite der Kanten ein zungenarti­ ger Vorsprung P (vgl. Fig. 2a), und zwar trotz der Zunahme der Wandstärke, während andererseits sich bei geringem Zug eine extreme T-förmige Nut ergibt (vgl. Fig. 2b). Daher kann bei den vorstehend erläuterten Verfahrensschritten nicht die ideale I-förmige Nut gemäß Fig. 2c erhalten werden.

Die Fig. 3a und 3b zeigen die Abschätzung der Verformungs­ grenze einer Bandkante. Die Fig. 3a zeigt die Verformung durch Vorwalzen, wobei die schraffierten Teile C des Ban­ des D durch eine obere Walze A und eine untere Walze B stark belastet werden. Daher wird das Band D durch die obere Walze A entlang der unteren Walze B gebogen. Diese Erscheinung wird anhand eines Modells gemäß Fig. 3b erläutert, wobei man den Bereich l folgendermaßen erhält, in dem der Kantenbereich ohne jegliche Änderung der Banddicke t gebogen wird:

l < √ t

Daher ist es außerordentlich schwierig, die Innenseite des Bandes nach einwärts zu biegen, ohne dabei die Dicke t zu vermindern. In Fig. 3b sind eine Last P sowie die imaginäre Krümmung E des Bandes eingezeichnet.

Ferner hat das vorstehende Verfahren bei der Herstellung von dünnwandigen Rohren den folgenden Nachteil: Im allge­ meinen erstreckt sich beim Profilwalzen der der Bandkante benachbarte Bereich immer in Längsrichtung, und eine Deh­ nungsbeanspruchung würde zu einer Verformung der Kante füh­ ren. Diese Tendenz zeigt sich besonders deutlich bei der Kantenbiegung gemäß Fig. 4a, wo der der Bandkante benach­ barte Bereich in Längsrichtung gedehnt wird, wie aus Fig. 4b hervorgeht, die die Dehnungsbeanspruchung der Bandkante in Längsrich­ tung zeigt. Die Spannungsverteilung des Bandes ist in Fig. 4c dargestellt, und man erhält einen Gleichgewichtszustand. Dies bedeutet, daß in der Nähe der Bandkante (schraffierter Bereich in Fig. 4c) eine Druckspannung auftritt, während sich in der Mitte des Bandes eine Zugspannung ergibt. Das Verziehen tritt daher vorzugsweise am Rand auf.

Danach erfolgt bei dem bekannten Verfahren eine Bearbei­ tung, so daß sich der Querschnitt des Bandes mit allmählich zu­ nehmender Krümmung an eine runde Form annähert. Wegen der Rückfederung bildet die Stoßform an der aufgewickelten Schweißnaht nicht eine I-förmige Nut, sondern eine V-förmi­ ge Nut (vgl. Fig. 5), was relativ leicht zu Schweißfehlern führt.

Wenn ferner die Kantenverformung beim Schweißen verbleibt, so werden die beiden Kanten beim Schweißstoß entsprechend um Δ t versetzt (vgl. Fig. 6), was ebenfalls zu Schweißfehlern führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet die vorstehenden Nachteile des bekannten Verfahrens durch eine ideale Form des Schweißnahtstoßes an den Bandkanten, indem beim Herstellen von dickwandigen Rohren die Abnahme der Wandstärke in der Nähe der Kanten durch das Biegen verhindert wird; bei der Herstellung von dünnwandigen Rohren verhindert man mit dem er­ findungsgemäßen Verfahren das Auftreten von Kantenverwerfungen beim Biegen der Kante; außerdem wird eine durch das Rückfedern hervorgerufene Verschlechterung der Form des Schweißnaht­ stoßes vermieden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man dickwandige Rohre durch Profilwalzen und elektrisches Widerstandsschwei­ ßen in besonders einfacher Weise herstellen, wobei das elektrische Widerstandsschweißen an der Schweißnaht des so vorgeformten Rundprofil-Schlitzrohres leicht ausgeführt werden kann.

Das erfindungsgemäße Profilwalzen eines dickwandigen Rohrs (t/D ≧ 0,10; wobei t = Dicke des Bandes und D = Außendurch­ messer des fertigen Rohrs) zeichnet sich unter anderem dadurch aus, daß ein Flachband aus Metall in eine etwa elliptische Form profilgewalzt wird, wobei in bestimmten Kantenbereichen, die sich von den beiden Kanten aus bis zu einer bestimmten Breite l (0,5 t < l < 2,0 t) erstrecken, praktisch keinerlei Verbiegen erfolgt.

Bei dem in Fig. 7a dargestellten bekannten Profilwalzverfahren er­ folgt eine allmähliche Zunahme der Krümmung an den Band­ kanten E -1 bis E -6 bei den dort dargestellten Verfahrensschritten; bei dem in Fig. 7b dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren werden die Kanten F -1 bis F -6 während des Walzens nicht gebogen, sondern die Krümmung bleibt praktisch Null bis zur letzten Verformungsstufe.

Gemäß dem in Fig. 8b erläuterten erfindungsgemäßen Verfah­ ren sind die Kanten am Anfang des Vorwalzens nicht in Kon­ takt mit der Profilwalze, um ein Beschädigen der Kanten zu verhindern. Fig. 8a zeigt dagegen ent­ sprechende Verfahrensstufen beim bekannten Verfahren. Bei Fig. 8b wird durch die Bezugszeichen 1 und 2 gezeigt, daß die obere Walze bzw. die untere Walze nicht in Berührung mit den Kanten ist.

Beim Profilwalzen in der Nähe der Kanten, wo die Krümmung an der Kante Null sein sollte, erfolgt das Walzen beispiels­ weise mit Hilfe eines Paars kegelstumpfförmiger Walzen 10, 11 (Fig. 9a) oder eines Paars schräggestellter Walzen 10, 11 (vgl. Fig. 9b).

Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend mit Bezug auf Fig. 10 die Veränderung der Krümmung beim Profilwalzen des Bandes beschrieben. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, eine bestimmten Breite des Kantenbereichs, die sich von den Kanten über eine Strecke l erstreckt, vom Anfang bis zum Ende praktisch ohne Krüm­ mung profilzuwalzen. Beim Formen in der Schwertwalze (Feinstichwalzen) wird dabei das Band nicht einem positiven Profilwalzschritt mit ge­ ringerem Ziehverhältnis als beim bekannten Verfahren un­ terworfen, es kann sich jedoch beim Feinstichwalzen wegen dessen Charakteristika eine geringe Krümmung ergeben. In Fig. 10 beziehen sich die Zahlen auf die jeweilige Stich­ nummer.

Die Abnahme der Dicke in der Nähe der Bandkante sowie die Ausbildung eines zungenartigen Vorsprungs an den Kanten werden so mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vollstän­ dig ausgeschaltet, so daß man eine ideale Form der Schweiß­ stoßkante erhält.

Die Ausbildung von U- oder O-för­ migen Querschnitten bei bekannten Verfahren mit Hilfe großer Pressen unterscheidet sich gegenüber der Erfindung, bei der ein Profilwalzen erfolgt in folgender Hinsicht:

• a) Das Profilwalzen ist ein kontinuierlicher Prozeß. Daher ist das Profilwalzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Walzgerüsten durch das Verformverhältnis zwischen dem vorderen und dem hinteren Walzgerüst, dem Abstand zwi­ schen den Walzgerüsten und der Höhe der Profilwalzstrec­ ke begrenzt.
• b) Die Profilwalzkraft zwischen verschiedenen Walzgerüsten kann durch die Auswahl der Walzenumdrehungszahl variiert werden, um die Verformung zu steuern.
• c) Das Verhältnis t/D beim U- oder O-Formen ist bei weitem geringer als bei der Erfindung.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt bei der Herstel­ lung von dickwandigen Rohren, bei denen die Abnahme der Wandstärke bei der Rohrformung erheblich ist. Bei der Herstellung von Rohren mit t/D ≧ 0,10 kann die festzulegende Breite l der beiden Kantenbereiche des Bandes in geeigneter Weise im Bereich von 0,5 t bis 2,0 t entsprechend der Qualität, insbesondere der Härte des Rohmaterials ausgewählt werden. Falls l den Wert 2,0 t übersteigt, wird es sehr schwierig, das Stahlband schließlich zu einem runden Rohr zu verformen.

Im folgenden wird das Profilwalzen eines dünnwandigen Rohrs beschrieben, das anschließend durch elektrisches Wider­ standsschweißen verschweißt werden soll. Ein dünnwandiges Rohr soll hier den Wert t/D < 0,10 aufweisen.

Beim Profilwalzen eines dünnwandigen Rohrs zeichnet sich die Erfindung ebenfalls dadurch aus, daß ein bestimm­ ter Bereich mit der Breite l jeweils von den Bandkanten in Breitenrichtung des Bandes gemessen nicht verformt wird, d. h. die diesem Bereich erteilte Verformung hat im wesentlichen keine Krüm­ mung; die Breite l erfüllt die folgende Beziehung:

2 t < l < 10 t.

Die Fig. 11 zeigt aufeinanderfolgende Verfahrensschritte zur Herstellung des dünnwandigen Rohrs.

Fig. 11 zeigt, daß der Kantenbereich des Bandes mit der an­ gegebenen Breite l nicht gebogen wird, d. h. die Krümmung Null bleibt bis zum Ende des Profilwalzens erhalten.

Beim Feinstichwalzen wird das Band nicht einem posi­ tiven Biegeschritt mit geringerem Ziehverhältnis als beim bekannten Verfahren unterworfen, beim Feinstichwal­ zen kann sich jedoch im Hinblick auf dessen Charakterstika eine gewisse Krümmung ergeben.

In Fig. 11 sind zwei Verfahrensschrittreihen a und b des Formvorgangs vor dem Feinstichwalzen dargestellt. Bei der Schrittfolge b erfolgt das Biegen nahezu gleich dem beim U- und O-Formen, jedoch ist dieses nahezu ein zweidimensionales Biegen, was sich wesentlich unterscheidet vom Profilwalzen, bei dem die Rohrherstellung durch das Fest­ halten durch die vorderen und hinteren Profilwalzgerüsten be­ einflußt, wird.

Gemäß Fig. 11 wird die Bandkante daran gehindert, die Walze zu berühren, um eine Beschädigung am Anfang des Vorwalzens zu verhindern. In Fig. 11 ist bei 1 die obere Walze nicht in Kontakt mit den Bandkanten, bei 2 ist die untere Walze nicht in Kontakt mit den Kanten, und durch 3-1 und 4-1 wird der Bereich ange­ deutet, in dem praktisch keine Krümmung vorliegt.

Das Formen in dem Bereich in der Nähe der Kanten in dem praktisch keine Krümmung vorliegen soll, erfolgt gemäß Fig. 9.

So ergibt sich beispielsweise beim üblichen Profilwalzen eine Kanten­ verformung R gemäß Fig. 12 vorzugsweise aufgrund der Kanten­ biegung am Anfang des Vorwalzens. Gemäß Fig. 13 kann erfin­ dungsgemäß das Auftreten einer derartigen Kantenverformung verhindert werden, indem man nicht nur den Kantenbereich, sondern auch den Mittelbereich dehnt; dadurch wird sowohl dem Kantenbereich als auch dem Mittelbereich eine Druck­ spannung erteilt (vgl. den schraffierten Teil in Fig. 13), um die Druckspannung an der Kante zu verringern.

Gemäß Fig. 11b wird das Metall zu einem einer U-Form ähnlichen Querschnitt verformt, und es genügt, wenn der Schulterab­ schnitt entlang dem Kaliber einer Feinstichwalze gebogen wird. Beim Biegen des Bandes gemäß Fig. 10 verlängert sich daher der Kantenbereich geringfügig.

Nachstehend wird erläutert, warum man erfindungsgemäß eine bessere Form des Schweißnahtstoßes erhält als beim bekann­ ten Verfahren. Die Fig. 14 zeigt die Beziehung zwischen dem Biegeradius und dem Rückfedern im Modell. Wenn gemäß Fig. 14a der Biegeradius groß ist, ergibt sich kaum eine plastische Verformung, und wenn die Belastung wieder weg­ genommen wird, nimmt das Material wieder seinen ursprüng­ lichen Zustand ein. Wenn dagegen gemäß Fig. 14b eine plasti­ sche Verformung in Richtung der Banddicke erfolgt und der Biegeradius gering ist, wird sich das Bandmaterial kaum selbsttätig erholen, wenn die Belastung weggenommen wird. In Fig. 14 ist die Beziehung r ₁ < r ₂ realisiert. Wenn daher der Biegeradius gering ist, ist das Rückfedern ebenfalls gering, d. h. die Rückfederung ist bei der Erfindung eben­ falls gering. Daher erhält man eine ideale I-förmige Nut in einfacher Weise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Bei dem dünnwandigen Rohr, bei dem eine Kantenverwerfung auftreten kann, haben die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine besonders deutliche vorteilhafte Wirkung; dabei hängt die von den Kanten aus gemessene Breite l von t/D ab: Bei t/D = 0,10 ist l ≈ 2 t bevorzugt und bei t/D = 0,01 ist l ≈ 10 t be­ vorzugt. Wenn die Breite l größer als 10 t ist, ist das Nachwalzen nach dem Schweißen schwierig, um schließlich das fertige Rohr rund auszubilden.

Beispiel 1

Die Fig. 15 zeigt ein Beispiel mit t/D = 0,18 und l = 1,0 t; besonders zu beachten ist die Änderung der Banddicke. Beim Feinstichwalzen erfolgt fast kein Ziehen, jedoch ein Drücken der Oberseite, um eine Ellipse auszubil­ den; dadurch erreicht man, daß sich die Banddicke kaum ändert. Der Schweißnahtstoß hat nahezu die Form der gewünschten idealen I-förmigen Nut. In Fig. 15 bezeich­ net BD das Vorwalzen und FP das Feinstichwalzen.

Beispiel 2

Bei dem in Fig. 16 erläuterten Beispiel sind t/D = 0,02 und l = 7,0 t; ferner ist die Dehnungsbeanspruchung des Kantenbereichs in Längsrichtung angegeben. Beim Walzgerüst 1 der Vorwalzstufe wird der Kantenbereich nicht gedehnt, sondern komprimiert, so daß eine Kantenverwerfung nicht auftreten kann. Man erhält so­ mit eine annähernd I-förmige ideale Nut.

Claims (3)

1. Verfahren zum Herstellen von Rohren aus Metallflach­ band, wobei t/D0,10 mit t = Dicke des Metallbandes und D = Außendurchmesser des fertigen Rohrs, durch

• a) Vorwalzen von Metallflachband,
  b) Formen in einer Schwertwalze und
  c) Druckwalzen,
  d) wobei das Band während des Walzens in Längsrichtung transportiert und zu einem Rundprofil-Schlitzrohr ausgebildet wird, und
  e) anschließendes Stumpfschweißen entlang der Naht durch Widerstandsschweißen,

dadurch gekennzeichnet,

• f) daß das Band beim Vorwalzen in seinen Kantenbereichen, deren Breite gemessen von den jeweiligen Bandkanten l beträgt, keine Krümmung aufweist, wobei die Bedingung 0,5 t < l < 2,0 t erfüllt ist,
  g) daß die Kantenbereiche anschließend durch ein Walzen­ paar geformt werden, ohne daß diese Bereiche bis zum Schweißen eine Krümmung aufweisen,
  h) daß beim Schweißen an der Stoßkante eine ideale I-Nut ausgebildet wird, und
  i) daß durch Nachwalzen der Kantenbereiche nach dem Schweißen das fertige Rohr gerundet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch modifiziert, daß t/D < 0,10 und daß die Breite l der Kantenbereiche die Bedingung 2 t < l < 10 t erfüllt.