DE3913973A1 - Verfahren und vorrichtung zur selektiven waermebehandlung des schweissnahtbereiches eines laengsnahtgeschweissten rohres - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur selek­ tiven Wärmebehandlung des Schweißnahtbereiches eines längs­ nahtgeschweißten Metallrohres und eine hierfür geeignete Vorrichtung. Anwendbar ist das Verfahren vor allem auf Rohre mit einem Durchmesser von weniger als 100 mm und einer Wand­ dicke von weniger als 2,5 mm. Besonders geeignet ist es für Rohre von noch geringeren Dimensionen, wie sie beispiels­ weise bei Wärmetauschern und Wasserdampf-Kondensatoren An­ wendung finden mit Rohrdurchmessern von beispielsweise 10 bis 50 mm und Wanddicken zwischen etwa 0,3 und 1 mm. Besondere Bedeutung hat die Erfindung für Rohre aus nicht­ rostendem Stahl mit Anteilen an Chrom und Wahlkomponenten wie Nickel und/oder Molybdän bei gleichzeitig geringem Kohlenstoff­ gehalt.

Ein prinzipiell geeignetes Verfahren zu einer selektiven Wärmebehandlung des Schweißnahtbereiches von solchen Rohren und eine zugehörige Vorrichtung sind aus der EP-A 02 34 200 bekannt. Dort wird auch auf die Vorteile verwiesen, die eine selektive Lösungsglühung der Schweißnaht in bezug auf den Aus­ gleich von Chrom- und/oder Molybdän-Seigerungen hat.

Aus der US-PS 26 73 276 ist der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen von längsnahtgeschweißten Rohren mit integrierter Wärmebehandlungsvorrichtung bekannt.

Fertigungsanlagen für längsnahtgeschweißte Rohre, sogenann­ te Fertigungsstraßen sind wegen der vielen notwendigen Be­ arbeitungsschritte relativ langgestreckt und erfordern daher ohnehin schon große Hallen. Wird an die Herstellungsvorrich­ tung noch eine Wärmebehandlungsvorrichtung angekoppelt, so verlängert sich die gesamte Anlage entsprechend. Bei einer Lösungsglühung des Schweißnahtbereiches muß eine sehr hohe Temperatur über einen längeren Zeitraum, beispielsweise 1250°C über 25 Sekunden im Schweißnahtbereich aufrechterhalten werden. Je nach der Fertigungsgeschwindigkeit der Rohre kann dies eine relativ lange Wärmebehandlungsstrecke erfordern, der sich dann noch eine Abkühlstrecke anschließt. Hierbei stellt auch die Aufheizung der Schweißnaht auf die zur Lö­ sungsglühung erforderliche Temperatur ein Problem dar, weil das Aufheizen eine höhere Wärmeübertragung auf den Schweiß­ nahtbereich erfordert als das spätere Aufrechterhalten der Temperatur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, welches eine schnelle Aufheizung der Schweißnaht auf kurzer Strecke ermöglicht und den Aufwand an Heizmitteln gering hält. Zusätzlich soll eine hierfür geeignete Vorrich­ tung angegeben werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum selektiven Lösungsglühen der Schweißnaht, insbesondere einschließlich deren Wärmeeinflußzone, eines längsnahtgeschweißten Metall­ rohres, wobei das Rohr insbesondere einen Durchmesser von weniger als 100 mm und eine Wanddicke von weniger als 2,5 mm hat und wobei eine Wärmebehandlungsvorrichtung und das Rohr relativ zueinander bewegt werden mit folgenden Merkmalen: Die Schweißnaht wird, vorzugsweise mittels wenigstens eines mit wenigstens einer nicht abschmelzenden Elektrode erzeugten Licht­ bogens, unter Schutzgas so hoch erhitzt, daß ihr Außenbereich aufgeschmolzen wird; anschließend wird die Schweißnaht selektiv durch weitere Heizmittel, beispielsweise weitere Lichtbogen, Infrarotstrahler oder Induktionsspulen, für einen vorgebbaren Zeitraum unter Schutzgas mindestens auf einer für das Lö­ sungsglühen des Rohrmaterials erforderlichen Temperatur aber zumindest im Innenbereich unterhalb der Schmelztemperatur gehalten und danach unter Schutzgas abgekühlt. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß es für die meisten Anwendungen der hier betrachteten Rohre nur auf die Korrosions­ festigkeit der Schweißnaht für Angriffe von der Innenseite her ankommt, d. h. die Qualität der Schweißnaht muß vor allen Dingen im Innenbereich durch die Wärmebehandlung verbessert werden, wobei ein geringer Qualitätsverlust in einem relativ kleinen Außenbereich nicht entscheidend ist. Deshalb ist es durchaus zulässig, bei der Aufheizung des Schweißnahtbereiches den äußeren Bereich der Schweißnaht aufzuschmelzen, wodurch eine schnelle Wärmeeinbringung auf kleinem Raum möglich wird. Der Phasenübergang vom festen zum schmelzflüssigen Zustand bewirkt eine hohe Wärmeaufnahme des Außenbereiches der Schweiß­ naht, wobei diese Wärmemenge teilweise beim Erstarren des Außenbereiches an den inneren Bereich der Schweißnaht durch Wärmeleitung weitergegeben wird, so daß sich dieser Innenbe­ reich ebenfalls sehr schnell aufheizt, jedoch nicht bis zum dort unerwünschten Schmelzen. Anschließend ist es nur noch nötig, die Temperatur der Schweißnaht im gewünschten, für eine Lösungsglühlung notwendigen Temperaturbereich zu halten, was durch weitere Heizmittel, insbesondere durch Induktionsspulen oder die Schweißnaht linienförmig oder punktförmig beleuchten­ de Infrarotstrahler möglich ist. Zu beachten ist natürlich, daß sowohl beim Aufheizen z. B. durch einen Lichtbogen, wie auch beim späteren Aufrechterhalten der Wärmebehandlungstempera­ tur eine Schutzgasatmosphäre vorhanden sein muß, welche mit den im Stand der Technik hinreichend bekannten Mitteln aufrecht­ erhalten werden kann. Es sei darauf hingewiesen, daß auch bei der späteren Wärmebehandlung das periodische Anschmelzen der Außenseite der Schweißnaht zur höheren Wärmeeinbringung im Prinzip zulässig ist, sofern nur sichergestellt wird, daß ein genügend dicker Innenbereich der Schweißnaht nicht aufge­ schmolzen wird, wodurch sich sonst die gerade unerwünschten Steigerungen wieder bilden könnten.

Im allgemeinen wird es jedoch günstig sein, den Außenbereich der Schweißnaht nur zu Beginn der Wärmebehandlung einmal aufzuschmelzen und anschließend die Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich durchzuführen, in dem die gesamte Schweiß­ naht schon wieder verfestigt ist. Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, gibt es natürlich bei einer Wärmebe­ handlung von außen immer eine mehr oder weniger große Temperaturdifferenz zwischen dem Außenbereich und dem Innen­ bereich der Schweißnaht, was jedoch für den Erfolg der Wärme­ behandlung keine Rolle spielt, wenn nur der Innenbereich der Schweißnaht sich genügend lange oberhalb der Mindesttemperatur, die für eine Lösungsglühung notwendig ist, befindet.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Wärme­ tauscherrohre aus nichtrostenden, insbesondere molybdänhaltigen Stählen, bei denen eine Lösungsglühung des Schweißnahtbereiches oberhalb von 1200°C oder sogar oberhalb 1300°C durchgeführt werden kann. Je höher die gewählte Temperatur der Wärmebe­ handlung ist, desto geringer kann die Haltezeit sein, die beispielsweise zwischen 5 und 30 Sekunden, vorzugsweise zwischen 15 und 30 Sekunden, liegen sollte. Bei der Wärme­ behandlung heizt sich natürlich auch der übrige Bereich des Rohres auf, jedoch auf eine bedeutend niedrigere Temperatur als die des Schweißnahtbereiches. Eine solche Aufheizung des gesamten Rohres ist durchaus erwünscht und notwendig. Das Rohr wird jedoch außerhalb des Schweißnahtbereiches nicht so warm, daß es durch die Transportmechanik unzulässig verformt werden könnte, so daß eine hohe Qualität der Rohre gewährleistet ist, was den Ausschuß verringert und die später ggf. notwendigen Qualitätsprüfungen erleichtert. Dies spielt insbesondere für besonders dünnwandige Rohre von etwa 0,3 bis 0,5 mm Wanddicke eine wichtige Rolle.

Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, besteht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum selektiven Lösungsglühen der Schweißnaht eines längsnahtgeschweißten Rohres aus wenig­ stens einem ersten, etwa punktuell wirkenden Heizmittel hoher Energiedichte zum Aufschmelzen des Außenbereiches der Schweiß­ naht, z. B. wenigstens einer nicht abschmelzenden, einen Lichtbogen erzeugenden Elektrode; weiteren Heizmitteln, vorzugs­ weise Infrarotstrahlern oder Induktionsspulen, welche eine selek­ tive Aufheizung des Schweißnahtbereiches bewirken können; Mitteln zur Aufrechterhaltung einer Schutzgasatmosphäre im Be­ reich der ersten Elektrode und in der Umgebung des Metallrohres unterhalb der weiteren Heizmittel und dem Bereich einer anschließenden Abkühlstrecke; Vorrichtungen zum Bewegen der Metallrohre entlang der durch die Heizmittel vorgegebenen Linie. Die vorgeschlagene Kombination einer Elektrode mit anderen Heizmitteln, insbesondere Infrarotstrahlern, ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau der Wärmebehandlungs­ strecke und verbindet die Vorteile des schnellen Aufheizens durch einen Lichtbogen mit den günstigen Eigenschaften anderer Heizmittel, insb. von Infrarotstrahlern und Induk­ tionsspulen bezüglich des Aufrechterhaltens einer bestehenden Temperatur.

In der Zeichnung ist in Fig. 1 der prinzipielle Aufbau eines längsnahtgeschweißten Metallrohres im Querschnitt dargestellt und in Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung mit einem darunter angeordneten Diagramm der Temperaturverläufe in räumlicher Zuordnung zu der gezeigten Wärmebehandlungsvor­ richtung dargestellt.

Der in Fig. 1 dargestellte Querschnitt durch ein längs­ nahtgeschweißtes Rohr 1 veranschaulicht die für die Erfindung wesentlichen Bereiche des Rohres. Dabei sind die einzelnen Zonen nicht maßstabsgerecht dargestellt, um prinzipielle Din­ ge besser veranschaulichen zu können. In Wirklichkeit sind die Schweißnaht und die Wärmeeinflußzone kleiner. Die Schweiß­ naht 2 liegt im allgemeinen bei der Herstellung an der Ober­ seite des Rohres 1. Sie ist umgeben von einer Wärmeeinfluß­ zone 3, in welcher der Schweißvorgang Veränderungen und Inhomo­ genitäten hinterlassen hat. Der Rest des Rohres besteht aus unverändertem Grundwerkstoff, wobei es jedoch sinnvoll sein kann, aus Sicherheitsgründen einen Bereich 4 außerhalb der Wärmeeinflußzone 3 bei einer Wärmebehandlung einzubeziehen, da die genaue Ausdehnung der Wärmeeinflußzone 3 nicht immer bekannt ist. Schweißnaht 2, Wärmeeinflußzone 3 und Sicher­ heitsbereich 4 sind in der Beschreibung als Schweißnaht­ bereich bezeichnet. Die Schweißnaht 2 selbst hat einen Außen­ bereich 2.1, dessen Korrosionseigenschaften bei nur innen korrosiv beanspruchten Rohren keine Rolle spielen, und einen Innenbereich 2.2 dessen Eigenschaften entscheidend für die Korrosionsbeständigkeit des ganzen Rohres sein können. Fig. 2 zeigt schematisch eine Wärmebehandlungsstrecke, die Teil einer vollständigen Produktionsvorrichtung für längs­ nahtgeschweißte Metallrohre oder auch separat angeordnet sein kann. Das Rohr 1 durchläuft diese Strecke, indem es von Transportrollen 11 oder ähnlichen Mitteln getragen und be­ wegt wird. Die Schweißnaht 2 bzw. der gesamte Schweißnaht­ bereich werden zu Beginn der Wärmebehandlung durch einen Lichtbogen 7 aufgeheizt. Für dieses erste Aufheizen können auch andere Mittel mit hoher Energiedichte, wie z. B. Laserstrahlen eingesetzt werden. Eine übliche Stromquelle 5.1, die einerseits über eine Zuleitung 5.2 mit dem Rohr 1 und andererseits mit einer nichtabschmelzenden Elektrode 5 verbunden ist, speist den Lichtbogen 7. Unter Umständen kann es sinnvoll sein, den Lichtbogen in an sich bekannter Weise durch Mag­ netfelder zu bewegen, um eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf den Schweißnahtbereich zu erzielen. Mittels einer üblichen Vorrichtung 6 kann der Umgebungsbereich des Lichtbogens 7 unter Schutzgas I gehalten werden. Im weiteren Verlauf der Wärmebehandlungsstrecke befinden sich weitere Heizmittel 8, im vorliegenden Ausführungsbeispiel Infrarotstrahler, welche die Temperatur des Schweißnahtbereiches oberhalb der für eine Lösungsglühung notwendigen Mindesttemperatur Tmin halten. Der Abstand zwischen Lichtbogen 7 und dem ersten Infrarot­ strahler 8 ist so gewählt, daß sich der durch den Lichtbogen 7 aufgeschmolzene äußere Bereich 2.1 der Schweißnaht 2.2 auf dem Weg durch Wärmeabgabe an den inneren Bereich 2.2 wieder verfestigen kann, so daß der gesamte Schweißnahtbereich sich etwa auf gleicher Temperatur oberhalb Tmin befindet. Bei Ver­ wendung von Infrarotstrahlern 8 kann durch ein Quarzglasrohr 9 eine (durch Pfeile angedeutete) Schutzgasatmosphäre um das ge­ samte Rohr 1 aufrechterhalten werden. An die Wärmebehandlungs­ strecke schließt sich noch eine ebenfalls unter Schutzgas befind­ liche Abkühlstrecke 10 an. Unter der Wärmebehandlungsvorrichtung und mit räumlicher Zuordnung zu dieser ist in der Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Temperaturverläufe angegeben.

Auf der Abszisse ist die Temperatur aufgetragen, wobei bei­ spielhaft zur Veranschaulichung des in Betracht kommenden Bereiches zwei Temperaturen angegeben sind. Auf der Ordinate ist die Strecke entsprechend der Länge der Wärmebehandlungs­ vorrichtung aufgetragen, wobei (unter der Voraussetzung einer konstanten Durchlaufgeschwindigkeit des Rohres dies gleich­ bedeutend mit der Zeit ist. Das Diagramm stellt daher den zeitlichen bzw. räumlichen Verlauf der Temperaturen bei der Wärmebehandlung dar. Die gestrichelte Linie Tmin deutet die Temperatur an, die mindestens zum Lösungsglühen des Rohr­ materials nötig ist, während die Linie Ts die Schmelztemperatur des Rohrmaterials andeutet. Die Linie Ta veranschaulicht die Temperatur im Außenbereich 2.1 der Schweißnaht 2 und die Linie Ti veranschaulicht den Temperaturverlauf im Innenbereich 2.2 der Schweißnaht während der Wärmebehandlung. Erkennbar ist aus dem Diagramm, daß im Bereich des Lichtbogens 7 der Außenbe­ reich auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes Ts auf­ geheizt wird, der Innenbereich jedoch deutlich unter dieser Temperatur bleibt. Zwischen Lichtbogen 7 und dem ersten Infra­ rotstrahler 8 gleichen sich die Temperaturen von Außenbe­ reich 2.1 und Innenbereich 2.2 an. Je nach der Strahlungs­ charakteristik der Infrarotstrahler 8 wird auch bei der weiteren Wärmebehandlung der Außenbereich 2.1 auf höhere Temperaturen als der Innenbereich 2.2 gebracht, wobei jedenfalls sichergestellt sein muß, daß die Temperatur Ti zwischen Tmin und Ts liegen muß, während es für den Außen­ bereich 2.1 zulässig ist, daß dieser zwischendurch, wie durch die punktierten Linien Ta′ angedeutet, den Schmelzpunkt Ts überschreitet. In der Abkühlstrecke 10 wird schließlich noch unter Schutzgas die Temperatur des Schweißnahtbereiches soweit reduziert bis kein Schutzgas zur Vermeidung von Reaktionen mit der Umgebungsatomosphäre mehr nötig ist.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für die einer Rohrproduktionsanlage direkt nachgeordnete Wärmebehandlung.

Claims (7)

1. Verfahren zum selektiven Lösungsglühen der Schweißnaht (2), insbesondere einschließlich deren Wärmeeinflußzone (3), eines längsnahtgeschweißten Metallrohres (1), wobei das Rohr (1) ins­ besondere einen Durchmesser von weniger als 100 mm und eine Wanddicke von weniger als 2,5 mm hat und wobei eine Wärmebe­ handlungsvorrichtung (5, 8) und das Rohr (1) relativ zueinander bewegt werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) die Schweißnaht (2) wird, vorzugsweise mittels wenigstens eines mit wenigstens einer nicht abschmelzenden Elektrode (5) erzeugten Lichtbogens (7), unter Schutzgas (I) so hoch erhitzt, daß ihr Außenbereich (2.1) aufgeschmolzen wird;
• b) anschließend wird die Schweißnaht (2) selektiv durch weitere Heizmittel (8), beispielsweise weitere Lichtbogen, Infrarot­ strahler oder Induktionsspulen, für einen vorgebbaren Zeit­ raum unter Schutzgas (I) mindestens auf einer für das Lösungsglühen des Rohrmaterials erforderlichen Temperatur (Tmin), aber zumindest im Innenbereich (2.2) der Schweiß­ naht (2) unterhalb der Schmelztemperatur (Ts) gehalten und danach unter Schutzgas (I) abgekühlt (10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schweißnaht (2) nicht bis zur Innenseite (2.2) des Metallrohres (1) aufgeschmolzen wird und die Wirkung der weiteren Heizmittel (8) gerade dann einsetzt, wenn der Außenbereich (2.1) der Schweißnaht (2) wieder teigig oder fest wird und durch Wärmeleitung sich der ganze Schweiß­ nahtbereich (2, 3) auf einer Temperatur unterhalb der Schmelz­ temperatur (Ts) befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Metallrohr (1) aus nichtro­ stendem Stahl besteht, vorzugsweise aus einer molybdänhaltigen Legierung.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vorgebbare Zeitraum länger als 5 Sekunden, vorzugsweise 15 bis 30 Sekunden ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die weiteren Heiz­ mittel (8) die Schweißnaht (2) in räumlichen Abständen etwa punktuell auf eine Temperatur erheblich über der für das Lösungs­ glühen des Rohrmaterials notwendigen Mindesttemperatur (Tmin) aufheizen, wobei durch Wärmeleitung ein Temperaturausgleich innerhalb der Schweißnaht (2.1, 2.2) erfolgt, während Rohr (1) und Wärmebehandlungsstellen relativ zueinander bewegt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Lichtbogen (7) und die weiteren Heizmittel (8) ortsfest sind und das Metallrohr (1) unter diesen hindurch bewegt werden.

7. Vorrichtung zum selektiven Lösungsglühen der Schweißnaht (2) eines längsnahtgeschweißten Rohres (1), enthaltend folgende Teile:

• a) wenigstens ein erstes etwa punktuell wirkendes Heizmittel (5, 7) hoher Energiedichte zum Aufschmelzen des Außenberei­ ches (2.1) der Schweißnaht (2) des Rohres (1), vorzugsweise eine nicht abschmelzende, einen Lichtbogen (7) erzeugende E- Elektrode (5);
• b) weitere Heizmittel (8), vorzugsweise Infrarotstrahler oder Induktionsspulen, welche eine selektive Aufheizung des Schweißnahtbereiches (2, 3) bewirken können;
• c) Mittel (6, 9) zur Aufrechterhaltung einer Schutzgasatmosphä­ re (I) im Einwirkungsbereich der ersten Elektrode (5) und in der Umgebung des Metallrohres (1) unterhalb der weiteren Heizmittel (8) und im Bereich einer anschließenden Abkühl­ strecke (10);
• d) Vorrichtungen (11) zum Bewegen der Metallrohre entlang der durch die Heizmittel (5, 8) vorgegebenen Linie.