DE4006169C2 - - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/02—Seam welding; Backing means; Inserts
- B23K9/025—Seam welding; Backing means; Inserts for rectilinear seams
- B23K9/0253—Seam welding; Backing means; Inserts for rectilinear seams for the longitudinal seam of tubes
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leitungsrohren.
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.
Aus der AT 2 75 274 ist ein Verfahren zum elektrischen Schweißen
von Stahl, vorzugsweise zum Nahtschweißen von Rohren, bekannt, bei
dem die zu verschweißenden Teile durch elektrischen Widerstand
aufgeheizt werden. Die Bandkanten werden dabei so genähert, daß
die aufgeschmolzenen Randzonen
gegebenenfalls unter Zugabe von Schweißzusatzwerkstoff
ineinanderfließen. Der Spiegel des
Schmelzbades wird von der Unterseite durch eine keramische
Bandabstützung begrenzt und der auf die zu verschweißenden Teile
ausgeübte Druck wird so eingestellt, daß keine Aufstauchung bzw.
Aufbiegung der Werkstoffzeilen eintritt.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zu schaffen, daß die Ausstauchung von Schweißgut zur
Bandkantenreinigung ermöglicht bzw. erleichtert.
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, ein bis auf eine Temperatur
dicht unter dem Schmelzpunkt erwärmter Heißdraht mit im allgemeinen
gleicher oder etwas höherer Geschwindigkeit als das Rohr parallel zur
Rohrbewegungsrichtung (oder leicht zu dieser geneigt) und bezüglich der
Blechdicke etwa mittig eingeführt wird,
wobei der Anpreßdruck der Bandkanten
beim Verschweißen so groß ist, daß das verunreinigte Schweißgut
aus dem Schweißspalt ausgestaucht 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.
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, bei dem
- a) bandförmiges Ausgangsmaterial zu einem Schlitzrohr geformt wird,
- b) die Bandkanten mittels Widerstandserwärmung durch ein elektromagnetisches HF-Feld aufgeschmolzen werden,
- c) zur Erzielung einer gleichmäßigen Erwärmung der Bandkantenmitten durch das HF-Feld ein auf eine Temperatur dicht unterhalb des Schmelzpunktes vorgewärmter Heißdraht aus Schweißzusatzwerkstoff mindestens mit Schweißgeschwindigkeit derart in den Schweißspalt geführt wird, daß der Heißdraht parallel zur Rohrbewegungsrichtung oder leicht dazu geneigt mit beiden Bandkanten im Bereich der Bandkantenmitten in Berührung kommt, und
- d) die Bandkanten unter solchem Anpreßdruck miteinander verschweißt werden, daß das verunreinigte Schweißgut aus dem Schweißspalt ausgestaucht wird.
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 und 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904006169 DE4006169A1 (de) | 1990-02-23 | 1990-02-23 | Verfahren zur herstellung von leitungsrohren |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904006169 DE4006169A1 (de) | 1990-02-23 | 1990-02-23 | Verfahren zur herstellung von leitungsrohren |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4006169A1 DE4006169A1 (de) | 1991-09-05 |
DE4006169C2 true DE4006169C2 (de) | 1992-07-16 |
Family
ID=6401069
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19904006169 Granted DE4006169A1 (de) | 1990-02-23 | 1990-02-23 | Verfahren zur herstellung von leitungsrohren |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4006169A1 (de) |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1206105B (de) * | 1964-01-22 | 1965-12-02 | Siemens Ag | Verfahren zum induktiven Nahtschweissen von Rohren |
DE1237241B (de) * | 1964-02-14 | 1967-03-23 | Mannesmann Ag | Verfahren zum elektrischen Nahtschweissen von Stahlrohren |
US4649256A (en) * | 1985-01-10 | 1987-03-10 | Nippon Steel Corporation | High-frequency electric resistance welding method using irradiation with a laser beam |
-
1990
- 1990-02-23 DE DE19904006169 patent/DE4006169A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4006169A1 (de) | 1991-09-05 |
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