DE3406747A1

DE3406747A1 - Verfahren zur entlastung von restspannungen durch steuerung der schweisswaermezufuhr

Info

Publication number: DE3406747A1
Application number: DE19843406747
Authority: DE
Inventors: Tadahiro Yokohama Kanagawa Umemoto; Kazuo Yoshida
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1984-02-24
Publication date: 1984-08-30
Also published as: SE8401021L; SE452566B; DE3406747C2; US4588869A; JPS59159293A; SE8401021D0

Description

LOUIS, PÖHLAÜ, LOHRENTZ & SEGETH "l· * ί ί .'85O? N ji»i«ERC Q 4 0 6 7 4

PATENTANWÄLTE Tkes^latz » ·

ZÜGEL BEIM EUROP. PATENTAMT rt (KESSLERPLATZ 1)

TF-LEFON. (Oell) 53 40 51/55 8178

DIETER LOUIS. DR. RER. NAT. * TELEGRAMME: BURGPATENT NÜRNBERG

CLAUS POHLAU. DIPL.-PHYS. * TELEX. B23U47 burgp d

FRANZ LOHRENTZ. DIPL.-INC. · *

WOLFG. SEGETH. DIPL. PHYS. · _ßl30 STAKNBFKO

FERDINAND MARIA-STRASSE β · ·

TELEFON: («1151) BS48

TELEGRAMME: BURGPATENT STAHNBERG

TELEX. 52776» burgs d

Antwort nach Nürnberg erbeten.

lins. Zeh.: 23 9 76-GA

(bei Antwort stets angeben)

Nürnberg, 24.2.1984

Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Kaisha No. 2 - 1, 2-chome, Ote-machi, Chiyoda-ku Tokyo-to/Japan

Verfahren zur Entlastung von Restspannungen durch Steuerung der Schweißwärmezufuhr

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entlastung von Restspannungen in der Innenfläche einer Schweißstelle durch Erhitzen der Außenfläche einer stoßgeschweißten Verbindung zwischen Rohrabschnitten mittels einer Schweißmaschine unter vorgegebenen Bedingungen und unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zwischen der Außen- sowie Innenfläche der Rohrabschnitte.

Wenn Rohrabschnitte stoß- oder stumpfgeschweißt werden, so verbleiben Zug-Restspannungen in der Schweißstelle oder -naht und im hitzebeeinflußten Bereich. Werden die Restspannugnen nicht entlastet oder aufgehoben, so ergeben sich daraus Spannungskorrosionsrisse, so daß in den Fällen, da Rohre und zylindrische bzw. rohrartige Behälter in Kernkraftanlagen, chemischen Anlagen od. dgl. betroffen sind, die Gefahr für ein Auftreten eines ernsten und schwerwiegenden Unfalls

besteht. Deshalb müssen die Restspannungen entlastet oder aufgehoben werden. Schweißverbindungen werden im allgemeinen derartigen Wärmebehandlungen unterworfen, daß die Zug-Restspannungen in den Innenflächen einer Schweißstelle und des hitzebeeinflußten Bereichs entlastet oder in Druck-Restspannungen (Eigenspannungen) umgewandelt werden.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Entlastung der Restspannung unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zwischen Innensowie Außenfläche eines geschweißten Rohres, und zwar sind hier als Beispiele ein Hochfreguenz-Erhitzungsverfahren und ein Linde-Verfahren, wobei die Außenflächen eines geschweißten Rohres mittels Flammen erhitzt werden, zu nennen. Das HF-Erhitzungsverfahren macht eine Vorrichtung mit großen Abmessungen erforderlich, und es muß für jedes Rohr eine HF-Wicklung oder -Spule gefertigt werden, so daß das HF-Erhitzungsverfahren hohe Kosten verursacht, das darüber hinaus auch noch viele Tage beansprucht. Mit dem Linde-Verfahren ist es technisch schwierig, beständig Restspannungen in der Innenfläche eines geschweißten Rohres in dauerhafter Weise hervorzurufen.

Weder das HF-Erhitzungs- noch das Linde-Verfahren können zufriedenstellende Bedingungen zur Entlastung von Restspannungen bieten. Beide Verfahren werden in Übereinstimmung mit Erfahrungen durchgeführt, so daß eine befriedigende Spannungsentlastung nicht erreicht werden kann.

Im Hinblick auf die obigen Feststellungen und Ausführungen zum Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Entlastung von Restspannungen bei einer Schweißverbindung, die in einfacher, jedoch sehr sicherer Weise diese Restspannungen entlastet oder entspannt, anzugeben. Gemäß der Erfindung kommt eine Schweißmaschine, z.B.

eine Wolfram-Schutzgas-, eine Metall-Inert-, eine Plasmalichtbogenschweißmaschine od. dgl. zur Anwendung, so daß eins Schweißwärmezufuhr derart gesteuert wird, daß ein örtliches Temperaturgefälle (Temperaturgradient) zur Entlastung der Restspannungen entwickelt werden kann.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des Erhitzungsstandes, wenn die Schweißwärmezufuhr niedrig ist;

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung des Erhitzungsstandes, wenn die Schweißwärmezufuhr hoch ist;

Fig. 3 die Temperaturverteilung, wenn die Schweißwärmezufuhr hoch ist;

Fig. 4 eine eindimensionale Temperaturverteilung;

Fig. 5 ein Kurvenbild für die Beziehung zwischen dem relativen Wärmeübertragungskoeffizienten η und (T_o - T₁) / T_o;

Fig. 6 ein Kurvenbild für die Beziehung zwischen dem Erhitzungszustand und der Restspannung;

Fig. 7 ein Kurvenbild für die Beziehung zwischen dem relativen Wärmeübertragungskoeffizienten und der Restspannung;

Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung einer Abwandlung des Erfindungsgegenstandes.

Ist die Schweißwärmezufuhr q gering, so wird ein Rohr 1 so erhitzt, wie das in Fig. 1 gezeigt ist, d.h. ein erhitzter Teil ist sehr begrenzt und die Schrumpfkraft nach dem Abkühlen ist niedrig. Wenn die Schweißwärmezufuhr q hoch ist, dann wird das Rohr so erhitzt, wie Fig. 3 zeigt, d.h., ein beträchtlicher Teil der Rohrwand wird auf hohe Temperatur angehoben. Die eine Hälfte der Wand des Rohres 1 wird auf eine Temperatur gebracht, die höher als eine mittlere oder

durchschnittliche Temperatur ist, die andere Hälfte der Rohrwand wird auf eine unter der mittleren Temperatur liegende Temperatur gebracht. Es ist in diesem Fall davon auszugehen, daß die nach dem Abkühlen in Erscheinung tretende Schrumpfkraft in demjenigen Teil entwickelt wird, der in der Temperatur über der Durchschnittstemperatur liegt, d.h. in der einen Rohrwandhälfte. Der Teil, in dem die Schrumpfkraft entwickelt wird, ist bei weitem größer als der Teil, in dem die Schweißwärmezufuhr niedrig ist. Das hat zur Folge, daß die sich ergebende Restspannung höher ist als diejenige, die an der niedrigen Schweißwärmezufuhr erzeugt wird.

Um die für genügende Restspannungen erforderliche Wärmezufuhr abzuschätzen, wird angenommen, daß die Temperaturverteilung in der Wand des Rohrs 1 die Form eines Kreises hat, dessen Mitte mit einer Schweißlinie (Erhitzungslinie) zusammenfällt (s. Fig. 2). In diesem Fall wird die Schweißwärmezufuhr q durch Multiplikation des Volumens eines Halbkegels, wie Fig. 2 zeigt, mit einem spezifischen Gewicht sowie einer spezifischen Hitze erhalten. Die Schweißwärmezufuhr q ist also gegeben durch

q = \ X ±T x t² (T_o -

q/t² ** 0,5 X T_Q XyU(j> (1)

worin ist -

t = Wandstärke eines Rohres

T = Rekristallisationstemperatur eines Werkstückmaterials

T. = Temperatur der Innenfläche eines Rohres

J* = spezifische Hitze
<^ = spezifisches Gewicht

Weshalb T , d.h. die Rekristallisationstemperatur eines Werkstückmaterials, benutzt wird, hat folgenden Grund. Die Festig keit eines Werkstückmaterials ist bei einer über einer Re-

kristallisationstemperatur liegenden Temperatur extrem niedrig, so daß, selbst wenn Formänderungen erzeugt werden, Spannungen nahezu nicht entwickelt werden. Ferner werden Spannungen, selbst wenn sie entwickelt werden, wegen der hohen Temperatur entspannt. Es ist also anzunehmen, daß die Temperaturänderung, nachdem sich die Maximaltemperatur der Rohrwand auf eine Rekristallisationstemperatur abgekühlt hat, die Restspannungen stark beeinflußt.

Die Gleichung (1) ist eine der notwendigen Bedingungen zur Erhöhung der Druckkraft. In Gleichung (1) sind T , a* und <? Materialkonstante, so daß einer der bedeutenden Para-

meter ist, daß der Wert von q/t größer ist als der rechte Ausdruck der Gleichung (1).

Wenn die oben beschriebenen Annahmen gelten, dann wird die Temperatur T am Punkt O in der axialen Richtung und in Richtung der Stärke einer Platte verteilt. Deshalb ist, wenn die Temperatur auf Raumtemperatur abfällt, die Restspannung die durch die thermoelastische Analyse gegebene Axialspannung, nämlich

= [l,816F (^yS) -

T -T. ο ι

χ EaT (2)

2{l-v> ) a

worin ist

/>⁴ = 3(1 - v²) /a²t²

£ = Strecke, auf der die Temperatur der Rohraußen- ° fläche T_Q/2 ist

\> = Querdehnungszahl E = Elastizitätsmodul a = Radius des Rohres oc = linearer Dehnungskoeffizient T= (T + T.) /2

a. OX

In Gleichung (2) stellt der erste Ausdruck die auf der. Temperaturverteilung in der axialen Richtung beruhende Spannung dar, während der zweite Ausdruck die auf der Temperaturverteilung in Richtung der Stärke oder Dicke beruhende Spannung wiedergibt. Um die Restspannung 6~ negativ zu machen (Druckspannung), muß (T - T.) größer gemacht werden. Insofern wird ein Parameter, der (T - T.) größer macht, erörtert. Aus dem eindimensionalen Modell von Fig. 4 ergibt sich

T-T.

A — = h(T. - T) . (3)

worin ist

λ = Wärmeleitfähigkeit

h = Wärmeübergangszahl zwischen einem Kühlmittel im Rohr und der Innenfläche des Rohrs

T = Kühlmitteltemperatur

Da nun	T	worin	^To	»	^Tw	η	ist,	folgt
^To	- T		η +
O			1
ist h	t

und η die relative Wärmeübergangszahl bestimmt.

Die Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der relativen Wärmeübergang—szahl η und (T - T.)/T . Es ist zu sehen, daß zur Vergrößerung von (T - T.)/T die relative Wärmeübergangszahl η vergrößert werden muß. Das bedeutet, daß die relative Wärmeübergangszahl η größer werden oder die Wandstärke t eines Rohres vergrößert werden muß.

Aus der oben gegebenen Erläuterung wird deutlich, daß, um die Restspannungen durch Anlegen der Schweißwärmezufuhr zu entwickeln und dann die Restspannungen an der Schweißstelle

zu entspannen, die Wärmezufuhrbedingung q/t sowie die relative Wärmeübergangszahl η (Kühlbedingung) beim Schweißen in geeigneter Weise bestimmt werden müssen.

Die Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Wärmezufuhr-

2 3 2

bedingung q/t (KJ/cm ) und der Restspannung (kg/mm ). Es ist zu sehen, daß dann, wenn die Wärmezufuhrbedingung

2
q/t höher als annähernd 0,01 ist, die für die Entlastung der Zug-Restspannung in der Schweißstelle ausreichende Druck-Restspannung entwickelt werden kann.

Aus der Fig. 7, die die Beziehung zwischen der relativen Wärmeübertragungszahl η und der Restspannung zeigt, ist zu erkennen, daß eine ausreichende Druck-Restspannung entwickelt werden kann, wenn die relative Wärmeübergangszahl mehr als annähernd 2 ist.

Daraus folgt, daß dann, wenn eine Schweißstelle unter der Wärmezufuhrbedingung q/t ^. 0,01 und unter der Kühlbedingung derart, daß die relative Wärmeübergangszahl η .>, 2 ist, erhitzt wird, die Restspannungen entlastet oder entspannt werden können.

Bisher wurde von einer Schweißwärmezufuhr im Fall einer Wolfram-Schutzgasschweißung usw. gesprochen, wobei keine Auftragschweißung bewerkstelligt wird. Wenn jedoch Hitze mit einer Auftragschweißung zugeführt wird, wie in Fig. 8 gezeigt ist, dann muß t in Gleichung (5) zu (t + h") geändert werden, worin h¹ die Rohe des durch Auftragschweißung gebildeten Teife 2 bezeichnet.

Das Kühlmittel, das einer der Parameter der Kühlbedingungen ist, ist nicht auf Luft, Wasser od. dgl. begrenzt, und es genügt, daß die relative Wärmeübergangszahl η im Hinblick auf die Wandstärke t höher als annähernd 2 ist.

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Wie sich aus der obigen Erläuterung ergibt, können die Restspannungen in der Stoßschweißverbindung zwischen Rohrabschnitten oder zylindrischen Behältern zufriedenstellend durch eine Schweißmaschine auf eine einfache, jedoch zuverlässige und sichere Weise ohne Rücksicht darauf, ob die Schweißverbindung neu oder alt ist, und ohne die Anwendung einer groß bemessenen oder voluminösen Spezialausrüstung bzw. -anlage entspannt werden.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Entlastung von Restspannungen durch Steuerung einer Schweißwärmezufuhr, gekennzeichnet durch Erhitzen einer Außenfläche einer stoßgeschweißten Verbindung zwischen Rohrabschnitten derart, daß eine Schweiß-

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Wärmezufuhrbedingung q/t (worin q die Wärmezufuhr und t die Rohrwandstärke sind) höher als annähernd 0,01 und eine relative Wärmeübergangs zahl htA (worin h die Wärmeübergangszahl zwischen einem Kühlmittel sowie der Rohrinnenfläche und λ die Wärmeleitfähigkeit des Rohres sind) höher als annähernd 2 sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißwärmezufuhr allein durch eine Berührung einer Schweißmaschine erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißwärmezufuhr durch eine Auftragschweißung erfolgt.