DE4006169A1 - Verfahren zur herstellung von leitungsrohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leitungsrohren insbesondere aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein grundlegendes Problem bei der Herstellung von HF-Widerstands-preßgeschweißten Leitungsrohren aus zu einem Schlitzrohr eingeformtem Stahlband ist es, daß die infolge der Erwärmung durch den Schweißstrom mit verflüssigtem Material überzogenen Schweißkanten immer oxidisch verunreinigt sind. Die Oxidbildung wird beispielsweise verursacht durch den Abbrand von Silizium, Mangan, Aluminium, Titan usw. aus dem erwärmten Rohrwerkstoff. Es ist bekannt, eine Abschirmung gegen die oxidierenden Umgebungseinflüsse durch inerte bzw. reduzierende Gasatmosphären vorzusehen. Eine derartige Sondermaßnahme verhindert die Oxidation während der Erwärmungs- und Anschmelzphase der zu verschweißenden Bandkanten in der Regel aber nur unvollständig. Hinzu kommt, daß die Bandkanten während der Einformung des Bandes zum Rohr immer durch Staub, Zunder, Fette, Emulsion oder ähnliches verunreinigt werden, so daß auch hierdurch Sauerstoff auf den Bandkanten bzw. auch Oxide (Zunder) mitgeschleppt werden.

Eine Bandkantenbesäumung kann zwar den ursprünglichen Zustand der Bandkanten verbessern, nicht aber eine Gewähr für oxidfreie Kanten im Schweißpunkt bieten, da die Bandkantenbesäumung in jedem Fall vor der Rohreinformung stattfinden muß. Infolgedessen muß stets davon ausgegangen werden, daß sich kurz vor dem Berührungspunkt beider Bandkanten im Schweißpunkt auf den angeschmolzenen Oberflächen der zu verschweißenden Stirnflächen der Bandkanten Oxide befinden.

Im Grundsatz ist es möglich, einen Reinigungseffekt dadurch zu erzielen, daß durch ein ausreichendes Aufeinanderpressen der Bandkanten die Oxide mit dem aufgeschmolzenen Schweißgut aus der Schweißnaht herausgedrückt werden. Dies erfordert ein genügendes Aufschmelzen der Bandkanten, die im Verlauf der Verschweißung aufeinanderzu bewegt werden. Da die Mittenbereiche der Bandkanten bei der HF-Widerstandserwärmung jedoch aufgrund physikalischer Gegebenheiten (Skin-Effekt) stets kälter als die äußeren Ecken bleiben, kommt es im Berührungspunkt zu einer zu frühzeitigen Verschweißung der Bandmitten. Wegen einer vielfach zu geringen Dicke des Schmelzfilms stoßen die oxidierten Oberflächen ohne einen ausreichenden Reinigungseffekt (Ausstaucheffekt) aufeinander. Infolge der somit schon bei geringem Stauchdruck stattfindenden Verschweißung ohne größeren Materialfluß aus der Schweißnahtmitte zu den Außenzonen bleiben immer submikroskopisch kleine Oxide in der Bindeebene erhalten. Diese sind in der Regel aber nur dann von Nachteil, wenn extrem hohe Zähigkeitsanforderungen an die Rohre (z. B. extreme Tieftemperaturzähigkeit) gestellt werden. Bei derartigen Qualitätsanforderungen und auch im Hinblick auf sauergasbeständige Rohre besteht die Notwendigkeit, den oxidischen Reinheitsgrad in der Bindeebene zu verbessern. Dies geschieht heute zum einen durch eine gezielte Werkstoffauswahl, d. h. durch den Einsatz niedrig C-haltiger und hochreiner Legierungen für das Bandmaterial und zum anderen durch Verbesserungsmaßnahmen im Sinne einer optimalen Prozeßführung beim Einformen des Stahlbandes und beim Schweißen. Beides verteuert die Herstellung derartiger Leitungsrohre.

Aus der DE 36 00 452 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Leitungsrohren aus Stahl bekannt, bei dem eine Kombination von HF-Schweißen und Laserschweißen angewandt wird. Der Laserstrahl, der im Schweißspalt parallel zur Rohrachse auf den Schweißpunkt fokussiert wird, hat die Aufgabe, die Erwärmung der Bandkantenmitten zu intensivieren, um hierdurch eine bessere Ausstauchung, also einen besseren Materialfluß an den Bandkanten von der Mitte zu den Rändern und dadurch einen besseren Reinigungseffekt in der Schweißnaht zu erzielen. Da aber einerseits bisher nur vergleichsweise geringe Laserausgangsleistungen (ca. 10-25 kW) zur Verfügung stehen und andererseits der Wanddickenbereich von Leitungsrohren mit den erwähnten extrem hohen Anforderungen bei ca. 5-15 mm liegt, müssen die Schweißanlagen, auf denen diese Rohre hergestellt werden sollen, bei induktiver Leistungsübertragung mit HF-Generatorleistungen von bis zu 2000 kW ausgerüstet sein. Die an der Schweißstelle nutzbare Leistung liegt dabei in der Größenordnung von maximal 450 kW (ca. 20% der aufgenommenen Leistung). Auch gegenüber diesem Nutzleistungswert nimmt sich eine effektive Laserleistung von 10-25 kW recht bescheiden aus. Dementsprechend gering müssen die Erfolgsaussichten einer solchen Maßnahme eingeschätzt werden. Hinzu kommt die Schwierigkeit, den Laserstrahl zwischen den Bandkanten zum Schweißpunkt zu führen. Die Lösung dieser Problematik erfordert einen erheblichen Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Stahlleitungsrohren mit extremen Anforderungen hinsichtlich der Tieftemperaturzähigkeit (z. B. 35 J bei -60°C) anzugeben, das die geschilderten Nachteile vermeidet, also mit vergleichsweise geringem Aufwand ausführbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.

Im Unterschied zum Stand der Technik wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine bessere Kantenmittenerwärmung und infolge dieser sowie in Verbindung mit der Erzeugung einer größeren Menge verflüssigten Materials (durch den aufgeschmolzenen Heißdraht) eine effektivere Kantenreinigung während des Ausstauchprozesses dadurch erreicht, daß zwischen die in Richtung Schweißpunkt aufeinander zulaufenden Bandkanten, die gleichzeitig wie beim herkömmlichen Verfahren HF-widerstandserwärmt werden, mindestens ein bis auf eine Temperatur dicht unter dem Schmelzpunkt erwärmter Heißdraht mit im allgemeinen gleicher oder etwas höherer Geschwindigkeit als das Rohr in Rohrbewegungsrichtung (oder leicht zu dieser geneigt) und bezüglich der Blechdicke etwa mittig eingeführt wird. Zweckmäßigerweise wird die Erwärmung des Heißdrahtes mittels Widerstandserwärmung durchgeführt, wozu eine von der HF-Stromquelle getrennte Stromquelle benutzt wird. Durch die Heißdrahtzuführung wird die Menge des verflüssigten Materials gezielt erhöht. Außerdem resultiert aus dieser Heißdrahtzuführung eine Umverteilung des HF-Strompfades infolge der Kurzschlußbildung im Kontaktbereich des Heißdrahtes mit den Bandkanten. Die hierdurch verbesserten Prozeßbedingungen können noch dadurch weiter positiv beeinflußt bzw. stabilisiert werden, indem hinter dem Heißdrahtkontaktierungspunkt von außen oder innen oder auch nur einseitig ein oder mehrere hintereinander angeordnete Lichtbögen (z. B. WIG) oder Acetylen-Sauerstoff-Flammen auf den Schweißspalt gerichtet werden. Mit besonderem Vorteil werden Lichtbogenverfahren mit abschmelzenden Drahtelektroden (z. B. Plasma-MIG, MIG oder MAGM) eingesetzt, da hierdurch zusätzlich flüssiges Schweißgut erzeugt wird, welches den noch vorhandenen Spalt zwischen den Bandkanten völlig füllt. Hierdurch wird eine nochmals verbesserte Reinigungswirkung beim Ausstauchen der flüssigen Phase in den Schweißgrat erzielt.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß ohne größeren maschinellen Aufwand die Gewährleistung extrem sauberer Schweißkanten und damit auch qualitativ hochwertiger Schweißnähte ermöglicht wird. Darüberhinaus läßt dieses Verfahren im Vergleich zu den klassischen Schmelzschweißverfahren hohe Schweißgeschwindigkeiten zu (beispielsweise bei Wanddicken von 5-20 mm im Bereich von ca. 5-15 m/min), so daß eine ausgezeichnete Wirtschaftlichkeit wie beim bisher angewandten HF-Schweißen ohne Zusatzmaßnahmen gegeben ist. Schließlich können mit diesem Verfahren auch Leitungsrohre aus hochlegierten Chrom-Nickel-Stählen und Nickelbasiswerkstoffen hergestellt werden. Hierbei gibt es keinerlei Probleme wegen der Zugänglichkeit des Schweißspaltes infolge der Rohrgeometrie. Die Zuführung des Heißdrahtes in den Schweißspalt und die Anordnung von zusätzlichen Schweißbrennern kann auch bei kleineren Rohrdurchmessern ohne weiteres vorgenommen werden.

Anhand der Darstellungen in den Fig. 1 bis 6 wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf den Schweißspalt,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie B-B in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie C-C in Fig. 1,

Fig. 5 einen Schnitt gemäß Linie D-D in Fig. 1,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine glühbehandelte Schweißnaht.

In Fig. 1 wird ein Stahlband durch die Walzen 2a, b zu einem Schlitzrohr 1 eingeformt und dann HF-widerstandsgeschweißt. Die Übertragung des Schweißstromes erfolgt durch die HF-Spule 3 auf induktivem Wege. Der offene Schweißspalt (Schlitz) trägt das Bezugszeichen 4, der eigentliche Schweißpunkt, an dem die Bandkanten miteinander verbunden sind, das Bezugszeichen 5. In den Schweißspalt 4 wird von oben unter einem flachen Winkel ein Heißdraht 6 zugeführt, der zuvor durch ein Kontaktrohr 7 gleitet, das an eine gesonderte Stromquelle angeschlossen ist und eine Widerstandserwärmung des Heißdrahtes 6 bis auf eine Temperatur dicht unterhalb des Schmelzpunktes bewirkt. Wie Fig. 2 zeigt, tritt der Heißdraht 6 etwa in Bandkantenmitte mit den Bandkanten in Kontakt. Dadurch wird an der Kontaktstelle ein elektrischer Kurzschluß erzeugt. In dem schematisch angedeuteten Temperaturprofil 8a wird deutlich, daß die Bandkantenmitten durch die HF-Widerstandserwärmung bis dahin deutlich geringer erwärmt wurden als die äußeren Bereiche der Bandkanten. An dieser Stelle besitzt der Heißdraht noch eine feste bis teigige Konsistenz. Wenn die Zufuhr des Heißdrahtes 6 mit einer etwas höheren Geschwindigkeit als die Schweißgeschwindigkeit erfolgt, staucht sich das Material des Heißdrahtes im Schweißspalt 4 entsprechend auf, so daß eine weitergehende Auffüllung des Schweißspaltes 4 daraus resultiert. Im gezeigten Verfahrensschema kommen zwischen der Kontaktzone des Heißdrahtes 6 mit den Bandkanten und dem eigentlichen Schweißpunkt 5 noch zusätzliche Lichtbogenbrenner 9, 10 zum Einsatz, die entsprechend Fig. 1 und dem Schnitt in Fig. 3 dicht hintereinander von oben bzw. unten gleichzeitig auf die Bandkanten im Schweißspalt 4 einwirken und diese weiter anschmelzen. Da der Schweißspalt im Vergleich zu Fig. 2 enger geworden ist, hat der vorher runde Heißdraht 6 nun eine ovale Form angenommen. Die Temperatur 8b der Bandkanten ist an dieser Stelle schon fast gleichmäßig geworden, wie dies auch schematisch angedeutet ist.

Der Temperaturausgleich ist eine Folge der Heißdrahtzuführung und des dadurch verursachten elektrischen Kurzschlusses sowie der zusätzlichen Energieeintragung durch die Zusatzschweißbrenner 9 und 10. Die Lichtbogenaufschmelzzonen sind in Fig. 3 mit den Bezugszeichen 11a, 11b bezeichnet.

An dieser Stelle ist noch darauf hinzuweisen, daß der zugeführte Heißdraht 6 auch eine andere als runde Form aufweisen kann. Es können z. B. auch rechteckige oder quadratische Drähte oder sogar Bänder, die über die gesamte Bandkantenbreite gehen, verwendet werden. Daraus ergeben sich entsprechend unterschiedliche Füllgrade des Schweißspaltes 4 durch den Heißdraht 6 und außerdem Verlagerungen des Kontaktierungspunktes mit den Bandkanten in bezug auf den eigentlichen Schweißpunkt 5, die zur optimalen Temperaturverteilung in den Bandkanten nutzbar gemacht werden können. Als Material für den Heißdraht 6 kommt insbesondere der Rohrwerkstoff selbst in Frage, es können jedoch auch gezielt anderslegierte Zusätze verwendet werden. Hinsichtlich der Schweißzusatzbrenner ist noch anzumerken, daß die Durchführung der Erfindung eine Vielzahl von Variationen zuläßt. So können neben Acetylen-Sauerstoff-Flammen (z. B. als Linienbrenner) alle Arten von Lichtbogenbrennern (z. B. WIG, MIG, MAG, Plasma-MIG) einzeln oder in Kombination verwendet werden. Dabei können die Brenner von innen, von außen oder auch von beiden Seiten auf den Schweißspalt einwirken. Zusätzlich kann der auf Schweißtemperatur gebrachte Bereich durch inerte oder reduzierende Gase abgeschirmt werden, um Verunreinigungen des Schweißgutes durch Oxidation zu vermeiden.

Die Verhältnisse im eigentlichen Schweißpunkt 5 sind aus Fig. 4 entnehmbar. Man erkennt, daß erhebliche Mengen an Material nach innen und außen zu einem Schweißgrat 12a, b aus dem Schweißspalt ausgestaucht worden sind. Die Bindeebene ist gestrichelt dargestellt.

Die auf den Bandkanten eventuell vorhandenen Verunreinigungen sind in diesem Schweißgrat 12a, b enthalten. Die Wärmeeinflußzone 13 ist, wie wiederum aus einer schematischen Andeutung entnehmbar ist, recht schmal.

Nach Abhobeln des Schweißgrates 12a, b ergibt sich das in Fig. 5 dargestellte Bild. Die an sich schon guten Eigenschaften der erfindungsgemäß erzeugten Schweißnaht können durch eine z. B. zweifache Glühung der Schweißnaht (14) mit kontrollierter Abkühlung noch weiter verbessert werden, so daß sich die in Fig. 6 gezeigten Verhältnisse ergeben.

Ausführungsbeispiel

In Laborschweißversuchen wurden 40 mm breite und 12,7 mm dicke Blechbänder aus thermomechanisch gewalztem Warmbreitband der Gütestufe X70 nach HF-Konduktivschweißverfahren bei einer Schweißgeschwindigkeit von 12 m/min miteinander verschweißt. Der Werkstoff hatte folgende Zusammensetzung (Gewichts-%):

0,08%
C
0,020%	Si
1,6%	Mn
0,4%	Al
0,07%	V
0,04%	Nb

Rest Eisen und übliche Verunreinigungen.

Der HF-Schweißprozeß wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in folgender Weise ausgeführt:

Ein Heißdraht von 2 mm Durchmesser (artähnlich Grundwerkstoff) wurde mit einer Geschwindigkeit von 12,2 m/min, also mit etwas über der Schweißgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit in den Schweißspalt geführt. Die zur Widerstandserwärmung des Heißdrahtes erforderliche Stromstärke betrug 1000 A. Im Bereich der Berührung des Heißdrahtes mit den Bandkanten wurden von außen und innen Schutzgaslichtbögen auf den Spalt gerichtet.

Je Lichtbogen wurden zwei Drähte mit 1,6 mm Durchmesser (artähnlich Grundwerkstoff), die in engem Abstand in Tandemanordnung positioniert waren, zugeführt. Die Stromstärke je Lichtbogen betrug 800 A bei 26 V. Aufgrund der Abschmelzleistung der Lichtbogenprozesse und des zugeführten Heißdrahtes wurde der Schweißspalt mehr als ausgefüllt. Ein Gasschutz bis zum Ausstauchpunkt (eigentlicher Schweißpunkt) der Bandkanten war deshalb nicht erforderlich. Durch die Ausstauchung ergab sich ein Schweißgrat, der im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren eine ähnliche geometrische Form aufwies, jedoch einen erhöhten Flüssiganteil aufwies. Die flüssige Phase wurde vollständig aus dem Schweißspalt ausgestaucht. Auch das außenseitig etwas verbreiterte Schweißbad der Lichtbogenprozesse wurde so ausgestaucht, daß hiervon nach der Entgratung keine Reste übrig blieben. Die Schweißnahtbindeebene sowie die Nebennahtbereiche zeigten nach der induktiven Naht-Doppelglühung ein Zähigkeitsverhalten, das sich von dem des Grundwerkstoffes nicht mehr unterschied. Damit sind Rohre, die in dieser Weise geschweißt werden, für den Tieftemperatureinsatz bestens geeignet.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Leitungsrohren, insbesondere aus Stahl, durch Einformung von bandförmigem Ausgangsmaterial zu einem Schlitzrohr und Verschweißen der im Schlitz des Schlitzrohres unter Anwendung eines Anpreßdruckes zusammenstoßenden Bandkanten, wobei zur Aufschmelzung der Bandkanten mindestens eine HF-Widerstandserwärmung vorgenommen und verunreinigtes Schweißgut aus dem Schweißspalt ausgestaucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein über eine Wärmequelle auf eine Temperatur dicht unterhalb des Schmelzpunktes vorgewärmter Heißdraht aus Schweißzusatzwerkstoff mindestens mit Schweißgeschwindigkeit fortlaufend vor dem Schweißpunkt in den Schweißspalt geführt wird, wobei der Heißdraht parallel zur Rohrbewegungsrichtung oder leicht zu dieser geneigt im Bereich der Bandkantenmitten mit diesen in Berührung kommt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißdraht mit einer etwas höheren Geschwindigkeit als die Schweißgeschwindigkeit zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißdraht durch Widerstandserwärmung mittels einer von der HF-Stromquelle unabhängigen Stromquelle auf erhöhte Temperatur gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kontaktzone von Heißdraht und Bandkanten und dem eigentlichen Schweißpunkt von innen und/oder außen ein oder mehrere hintereinander angeordnete Schweißbrenner auf den Schweißspalt gerichtet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schweißbrenner nach einem Lichtbogenverfahren mit abschmelzenden Drahtelektroden verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf erhöhter Temperatur befindlichen Bandkanten im Schweißspalt bis zum eigentlichen Schweißpunkt durch inerte oder reduzierende Gase abgeschirmt werden.