DE69106473T2

DE69106473T2 - Warmpressschweissen von Warmstrahlvorrat.

Info

Publication number: DE69106473T2
Application number: DE69106473T
Authority: DE
Inventors: Yasuto Fukada; Seiji Okada; Masami Oki; Yutaka Suzuki; Takao Taka; Hitoshi Teshigawara
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-10-05
Filing date: 1991-10-03
Publication date: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2011-10-04
Also published as: DE69106473D1; ATE116580T1; KR950011312B1; EP0479681A3; EP0479681A2; US5222654A; EP0479681B1

Description

Die Erfindung betrifft das Warmpreßschweißen von Stahlmaterial aus Stahlplatten, Stahldrähten oder Stahlstäben, und spezieller betrifft sie ein Verfahren zum wirksamen Aneinanderfügen von Stahlmaterial in warmem Zustand, z. B. von Stahlmaterial während des Heißwalzens (nachfolgend als "warmes Stahlmaterial" bezeichnet), ohne daß das Material auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, was zu einer Verbindung hoher Qualität führt.
Ein Verfahren des Typs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist z. B. in EP-A-0 296 839 offenbart.
Es wurden viele Versuche unternommen, um eine kontinuierliche Fertigungslinie mit verschiedenen Stationen für die Stahlerzeugung zu schaffen, nicht nur zum Erhöhen der Ausbeute und des Herstellwirkungsgrads, sondern auch zum Einsparen von Energie. Unter diesen Versuchen ist derjenige der hervorstechendste, bei dem eine Warmwalzlinie dadurch kontinuierlich gemacht wird, daß Stahlmaterial Stück für Stück zusammengesetzt wird und kontinuierliche Zufuhr bei z. B. 500 - 1000ºC zu einem Warmwalzwerk erfolgt.
Es ist wohlbekannt, daß das Hinterende einer vorangehenden Stahlplatte und das Vorderende der folgenden Stahlplatte zusammengefügt werden, bevor sie in eine Abbeizlinie oder ein Kaltwalz-Tandemwalzwerk laufen, um kontinuierliche Zufuhr des Stahlmaterials zum Walzwerk zu erzielen. Zu Schweißverfahren, die zu diesem Zweck verwendet werden, gehören Funkenschweißung, Laserschweißung, Gitternahtschweißung, Lichtbogenschweißung und dergleichen. Jedoch wird das zu verschweißende Stahlmaterial erst auf Raumtemperatur abgekühlt. Nur begrenzte Bereiche werden erwärmt, um einen Schweißvorgang auszuführen.
Es ist ziemlich schwierig, die vorstehend genannten Schweißverfahren auf Stahlplatten anzuwenden, die erwärmt sind und warmgehalten werden, während sie einer Warmwalzlinie entlanglaufen. Beim Funkenschweißen werden z. B., da die gesamte zu verschweißende Platte warm ist, die Schweißelektroden beschädigt. Wegen des Vorhandenseins von Zunder an der Oberfläche der Stahlplatte ist es schwierig, konstant Strom mit vorgegebener Dichte zuzuführen. Ferner ruft die Ausbildung von Überschlägen Beschädigung an der Halterung der Elektroden und an anderen Einrichtungen hervor.
Im Fall von Laserschweißung ist es unmöglich, selbst mit den modernsten Schweißtechniken Stahlplatten zu schweißen, die dicker als 30 mm sind. Platten dieser Dicke werden üblicherweise Warmwalzvorgängen unterzogen, so daß Laserschweißen kein praxisgerechtes Verfahren ist. Wenn dünne Platten unter Verwendung von Laserschweißung miteinander verbunden werden, ist es unmöglich, eine Stumpfstoßverbindung mit hoher Genauigkeit zu erzielen. Thermische Beschädigung von Linsen, Spiegeln und anderen Elementen der Schweißeinrichtung ist ebenfalls unvermeidlich.
Es existieren auch Schwierigkeiten beim Bogenschweißen. Genauer gesagt, kann die Drahtzuführung in warmem Zustand nicht gleichmäßig ausgeführt werden, und manchmal kommt es zu einem Abschweißen der einander zugewandten Enden der zu verbindenden Platten, was zu einer Unregelmäßigkeit von Eindringugnswülsten und einer Verringerung des Schweißwirkungsgrads führt.
Die offengelegte Beschreibung Nr. 137691/1986 zu einer japanischen Patentanmeldung schlägt ein mechanisches Verbindungsverfahren vor, bei dem Verbindungsplatten verwendet werden. Jedoch reicht die Verbindungsfestigkeit nicht dazu aus, einen Warmwalzvorgang auszuführen, so daß dies, wenn während eines Heißwalzvorgangs Verbindung zerstört würde, ernsthafte Schwierigkeiten wie eine Beschädigung der Fertigungslinie und ein Ausfallen der Walzen verursacht würde.
Die offengelegte Beschreibung Nr. 1489/1986 zu einer japanischen Patentanmeldung schlägt ein Überlappungsschweißverfahren vor, bei dem ein Entzundern in nassem Zustand oder mechanisches Entzundern mit einer Schleifeinrichtung ausgeführt wird. Da die zu verbindenden Platten heiß sind, tritt jedoch leicht Reoxidation auf, bevor die Platten verbunden sind, was zu unzureichender Verbindungsfestigkeit führt.
Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein Verbindungsverfahren für warmes Stahlmaterial in einer kontinuierlichen Walzlinie, speziell einer kontinuierlichen Warmwalzlinie, zu schaffen.
Eine Unteraufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden warmen Stahlmaterials zu schaffen, das bei praxisgerechten Bedingungen in einer Fertigungslinie leicht und wirkungsvoll ausgeführt werden kann und zu einem ausreichenden Ausmaß an Verbindungsfestigkeit zum Fortfahren mit einem anschließenden Walzvorgang führt.
Es ist dem Fachmann allgemein bekannt, daß, wie dies in der offengelegten Beschreibung Nr. 1489/1986 zu einer japanischen Patentanmeldung offenbart ist, Oxidzunder auf den zu verbindenden Oberflächen entfernt werden sollte, um sie so hochaktiv wie möglich zu machen, bevor der Verbindungsvorgang ausgeführt wird, insbesondere ein Preßverbindungsvorgang an Stahlmaterial. Demgegenüber haben die Erfinder herausgefunden, daß es möglich ist, das Verbinden warmen Stahlmaterials selbst dann auszuführen, wenn die zu verbindenden Oberflächen teilweise mit Oxidzunder bedeckt sind, wenn der Verbindungsvorgang in einer geeigneten reduzierenden Atmosphäre ausgeführt wird.
Stahlmaterial, das durch die Bereitstellung geschmolzenen Stahls, durch Gießen und Walzen hergestellt wurde, weist komplexen Oxidzunder aus Eisenoxid und Oxiden von Si, Mn und anderen im Stahl enthaltenen Metallen auf. Wenn ein Verbindungsvorgang bei üblichen atmosphärischen Bedingungen ausgeführt wird, ist es erforderlich, die zu verbindenden Oberflächen durch Entzunderung zu reinigen, bevor der Verbindungsvorgang ausgeübt wird, da das Vorliegen eines solchen komplexen Oxidzunders den Verbindungsvorgang nachteilig beeinflußt, was zu einer Verringerung der Verbindungsfestigkeit führt.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß ein Entzundern vor dem Ausführen des Verbindungsvorgangs an warmem Stahlmaterial nicht erforderlich ist, wenn der Verbindungsvorgang in reduzierender Atmosphäre ausgeführt wird.
Demgemäß liegt die Erfindung in einem Verfahren zum Ausführen eines Warmpreßschweißvorgangs an warmem Stahlmaterial, wie im Anspruch 1 definiert.
Die Veröffentlichung EP-A-0 296 839 offenbart einen Prozeß, bei dem Metallbänder erwärmt werden, reduzierender Atmosphäre ausgesetzt werden und unter Druck zusammengefügt werden, während sie noch warm sind, wobei das Zusammenfügen jedoch erfolgt, nachdem die Bänder der reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt waren. Demgemäß sind die Bänder vor dem Verbindungsvorgang Luft ausgesetzt, und die Ausbildung eines Oxidfilms auf dem noch auf hohe Temperatur erwärmten Metall ist praktisch unvermeidlich.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Zusammenfügen des warmen Stahlmaterials nach einem Flammstrahlvorgang in reduzierender Atmosphäre ausgeführt werden, die durch eine reduzierende Vorwärme erzeugt wird.
Bei einem noch anderen, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Zusammenfügen nach Erhitzung durch Induktionserwärmung oder direkte elektrische Widerstandserwärmung in reduzierender Atmosphäre ausgeführt werden.
Zu Stahlmaterial, auf das in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, gehören Stahlplatten, Stahldrähte, Stabstahl, Profilstahl und dergleichen. Warmschweißen betrifft einen Schweißvorgang, bei dem das vorstehend genannte Stahlmaterial in einer Heißwalzlinie zusammengefügt wird, ohne auf Raumtemperatur abgekühlt zu sein. Die reduzierende Atmosphäre ist eine solche, die ein reduzierendes Gas wie Wasserstoffgas enthält, oder eine Atmosphäre aus einer reduzierenden Flamme, die dadurch erhalten wird, daß der Sauerstoffgehalt in Verbrennungsluft eingestellt wird. Wenn eine reduzierende Flamme verwendet wird, kann das zusammenzufügende Stahlmaterial durch die reduzierende Flamme selbst erwärmt werden.
Figur 1a ist eine schematische Veranschaulichung eines Warmpreßschweißvorgangs, der die Erfindung verkörpert, wobei warmes Stahlmaterial einem Überlappungsschweißvorgang unter Druck ausgeführt wird;
Figur 1b ist eine schematische Veranschaulichung eines Warmpreßschweißvorgangs, der die Erfindung verkörpert, wobei warmes Stahlmaterial einem Stumpfstoß-Schweißvorgang unter Druck ausgeführt wird;
Figur 2 ist eine schematische Veranschaulichung, die einen Versuch erläutert, der ausgeführt wurde, um geeignete Erwärmungsbedingungen unter Verwendung einer reduzierenden Flamme zu bestimmen;
Figur 3 ist ein Diagramm, das den gewünschten Bereich für ein Sauerstoffverhältnis und ein Sauerstoffanreicherungsverhältnis zeigt;
Figur 4 ist eine schematische Veranschaulichung eines Erwärmungsvorgangs mit einer reduzierenden Flamme bei einem Flammstrahlvorgang;
Figur 5 ist eine schematische Veranschaulichung, die zeigt, wie bei einem Überlappungsschweißvorgang Druck unter Verwendung von Druckwalzen auszuüben ist;
Figur 6 ist eine schematische Veranschaulichung, die zeigt, wie bei einem Überlappungsschweißvorgang Druck unter Verwendung von Druckbacken auszuüben ist;
Figur 7 ist eine schematische Veranschaulichung, die zeigt, wie bei einem Stumpfstoß-Schweißvorgang Druck unter Verwendung von Druckbacken auszuüben ist;
Figur 8 ist eine schematische Veranschaulichung einer Heißwalzlinie, auf die das erfindungsgemäße Warmpreßschweißen angewandt werden kann und
Figuren 9a - 9e sind schematische Veranschaulichungen anderer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßen Druckschweißens.
Gemäß der Erfindung wird das Zusammenfügen heißen Stahlmaterials unter Druck ausgeführt, ohne daß die zusammenzufügenden Flächen einem Entzunderungs- oder Reinigungsvorgang unterzogen wurden. Im Stand der Technik wurde davon ausgegangen, daß eine solche Vorbehandlung unabdingbar ist. Wenn jedoch die Dicke des Zunders extrem groß ist oder wenn die zusammenzufügenden Oberflächen durch das Vorliegen von Zunder aufgerauht sind, ist es ratsam, den Zunder in gewissem Ausmaß von der Schweißfläche zu entfernen, um das erfindungsgemäße Warmpreßschweißen auszuführen. Dies, weil die zum Reduzieren des Zunders in reduzierender Gasatmosphäre erforderliche Zeit um so länger ist, je dicker der Zunder ist, was zu einem geringeren Herstellwirkungsgrad führt. Im allgemeinen liegt die Zunderdicke im Bereich von ungefähr einigen tausend Angström bis ungefähr einigen zehn Mikrometern, abhängig vom Herstellverlauf. Es besteht kein Bedarf, bei der Erfindung eine Vorbehandlung zum Entfernen von Zunder mit einer solchen Dicke auszuführen.
Der Verbindungsvorgang unter Druck wird in reduzierener Atmosphäre ausgeführt. Zunder wird entfernt, und gleichzeitig erfolgt ein Zusammenfügen der Oberflächen des Stahlmaterials. In reduzierender Atmosphäre besteht keine Möglichkeit, daß die aktivierten Oberflächen erneut oxidieren, was zu einer Verbindung hoher Festigkeit führt.
Es ist zu beachten, daß das Erwärmen in reduzierender Atmosphäre eine Reduktion von Zunder und eine Verhinderung von Zunderbildung hervorruft. Das Ausmaß der Reduktion von Zunder oder des Verhinderns von Zunderbildung muß nicht perfekt sein, sondern es ist nur erforderlich, daß während des Verbindungsvorgangs ein neu aktivierter Bereich der Verbindungsflächen entsteht, der groß genug dafür ist, daß er ein ausreichendes Ausmaß an Verbindungsfestigkeit gewährleistet.
Die Figuren 1a und 1b sind schematische Ansichten, die das Verbinden heißen Stahlmaterials mit einer reduzierenden Flamme veranschaulichen. Figur 1a zeigt einen Überlappungsverbindungsvorgang für warmes Stahlmaterial 1. Figur 1b zeigt einen Stumpfstoß-Verbindungsvorgang für warmes Stahlmaterial 1. In beiden Fällen wird die zu verbindende Grenzfläche direkt reduzierenden Flammen ausgesetzt, die von einem Brenner 2 ausgegeben werden.
Wenn ein reduzierendes Gas verwendet wird, wird ein Abschirinkasten genutzt, der den Verbindungsbereich des warmen Stahlmaterials abdeckt, und es wird ein reduzierendes Gas wie Ar + H&sub2; oder dergleichen in den Abschirmkasten eingeleitet. Bei dieser Anordnung kann das Erwärmen durch Hochfreguenz-Induktionserwärmung oder durch direkte elektrische Widerstandserwärmung erfolgen. Direkt nach der Erwärmung für eine gewisse Zeit wird der Druckschweißvorgang unter Verwendung von Druckwalzen oder -backen ausgeführt, die innerhalb des Abschirmkastens vorhanden sind.
Die Temperatur des zusammenzufügenden warmen Stahlmaterials ist nicht auf eine spezielle beschränkt. Jedoch ist das Verbinden um so einfacher, je höher die Temperatur ist. Das Verbinden kann bis zu einer Temperatur höher als ungefähr 500ºC ausgeführt werden. Es ist üblich, die Temperatur warmen Stahlmaterials auf 1000ºC oder mehr einzustellen, um die Walzbelastung zu verringern, wenn ein Warmwalzen direkt nach dem Beenden des Verbindungsvorgangs ausgeführt wird. Es ist erwünscht, den Verbindungsbereich auf eine derartig hohe Temperatur zu erwärmen.
Vom praktischen Gesichtspunkt her gesehen ist das Erwärmen mit einer reduzierenden Flamme erwünscht, um Wärme in einer Warmwalzlinie zuzuführen, verglichen mit einem Verfahren, bei dem Stahlmaterial innerhalb eines mit reduzierendem Gas gefüllten Abschirmkasten erwärmt wird, da die Verwendung einer reduzierenden Flamme keine zusätzliche und komplizierte Ausrüstung erfordert.
"Reduzierende Flamme" bedeutet eine Flamme, die durch Verbrennung brennbarer Gase wie Acetylen, LPG, LNG oder Koksofengas (COG) mit Sauerstoffgas in einer Menge, die kleiner als diejenige, die für vollkommene Verbrennung erforderlich ist, erhalten wird. Die reduzierende Flamme enthält reduzierende Komponenten wie Wasserstoffradikale und CH&sub2;O-Radikale (nachfolgend als "reduzierende Radikale" bezeichnet). Je größer der Gehalt an reduzierenden Radikalen ist, desto höher ist das Reduziervermögen der Flamme. Die vorstehend angegebenen Gleichungen (1) und (2) legen geeignete Bedingungen zum Erhalten einer reduzierenden Flamme fest, die eine erhöhte Menge an reduzierenden Radikalen bei Temperaturen aufweist, die ausreichend hoch für die Zwecke der Erfindung sind.
Selbst wenn eine reduzierende Flamme unter Atmosphärenbedingungen erzeugt wird, reagiert Sauerstoffgas, das von der umgebenden Atmosphäre herrührt, mit restlichem Wasserstoff- und Kohlenmonoxidgas, um reduzierende Radikale zu bilden. Wenn mit Sauerstoff angereicherte Verbrennungsluft verwendet wird, ist der Gehalt von Stickstoffgas in der Verbrennungsluft verringert, und die Flammentemperatur steigt an, was zu vermehrter Erzeugung reduzierter Radikale führt. Eine Erhöhung der Temperatur kompensiert eine Verringerung der Flammtemperatur, die durch Vermischen mit der Umgebungsluft verursacht ist.
Das Reduktionsvermögen einer Flamme wird durch das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Verbrennungsluft beeinflußt, und zwar insbesondere durch die Menge darin enthaltenen Sauerstoffgases. So haben die Erfinder die folgenden Versuche ausgeführt, um Verbrennungsbedingungen zu ermitteln, die dazu geeignet sind, Sauerstoffzunder auf der Oberfläche warmen Stahlmaterials zu entfernen, und um dieses unter Druck auf eine Verbindungstemperatur zu erwärmen.
Figur 2 zeigt schematisch Versuchsabläufe, bei denen ein Brennstoff (COG) und Luft einem Brenner 2 zugeführt werden, wobei die Luft mit zusätzlichem Sauerstoff angereichert werden kann. Eine zu erwärmende Stahlplatte 1 weist Zunder mit einer Dicke von 10 um auf. Die Stahlplatte wird auf 900ºC erwärmt, und die Rückseite wird mit einem wärmeisolierenden Material 3 bedeckt. Im allgemeinen liegt die Dicke von Zunder auf einer warmen Stahlplatte in der Größenordnung von ungefähr 10 um. Nachdem Reduktion mit einer Flamme ausgeführt wurde, wird die erwärmte Stahlplatte schnell abgekühlt, um das Ausmaß der Reduktion optisch untersuchen zu können. Als Einrichtung zum schnellen Abkühlen wird eine Vorrichtung 4 zum Aufsprühen von Stickstoffgas, d. h. eines Kühlmediums, verwendet.
Das Sauerstoffanreicherungsverhältnis P (in Volumen-%), d. h. der Sauerstoffgehalt nach dem Hinzufügen von Sauerstoffgas zur Verbrennungsluft, und das Sauerstoffverhältnis "m", d. h. das Verhältnis der tatsächlichen Menge zugeführten Sauerstoffs zu einer berechneten Menge Sauerstoff, die zum Ausführen vollständiger Verbrennung erforderlich wäre, wurden ermittelt, und die Beziehung zwischen dem Sauerstoffanreicherungsverhältnis P und dem Sauerstoffverhältnis in wurde ebenfalls im Hinblick auf das Reduktionsvermögen bestimmt. Das Sauerstoffverhältnis in wird als "Luftverhältnis" bezeichnet, wenn die Verbrennungsluft nicht mit zusätzlichem Sauerstoff angereichert ist. Ein wünschbares Ausmaß des Reduktionsverinögens bedeutet, daß Zunder innerhalb von 10 Sekunden oder weniger vollständig reduziert ist. Die Zeitdauer von ungefähr 10 Sekunden ist die längste Dauer, die zum Verbinden warmen Stahlmaterials in einer tatsächlichen Warmwalzlinie verwendet werden kann.
Figur 3 zeigt Versuchsergebnisse in Form eines Diagramms. In diesem Diagramm kennzeichnet der Bereich über einer Linie (1), d. h. der durch die Gleichung [P ≥ 214 m - 75] bestimmt ist, Bedingungen, unter denen Reduktion von Zunder erfolgreich ausgeführt werden kann. Genauer gesagt, ist das Reduktionsvermögen einer Flamme um so kleiner, je kleiner das Sauerstoffverhältnis m und je größer das Sauerstoffanreicherungsverhältnis P sind. Dies, weil die Menge reduzierender Komponenten um so größer ist, je kleiner das Sauerstoffverhältnis ist, und die Menge reduzierender Radikale um so größer ist, je größer das Verhältnis P ist.
Die reduzierende Flamme bei der Erfindung wirkt nicht nur beim Ausführen einer Reduktion von Zunder, sondern auch zum Erwärmen oder Halten von heißem Stahlmaterial auf einer für den Verbindungsvorgang geeigneten Temperatur.
Wenn das Sauerstoffverhältnis klein ist, nimmt die Temperatur einer Flamme ab, was zu einer Verschlechterung des Erwärmungsvermögens der Flamme führt. Wenn dagegen die Sauerstoffanreicherung P groß ist, steigt die Flammtemperatur an, was das Erwärmungsvermögen der Flamme erhöht.
Der Bereich über einer Linie (2), d. h. der durch die Gleichung [P ≥ - 150 m + 90] definierte Bereich, kennzeichnet die Bedingungen, unter denen die Temperatur des Stahlmaterials 1 auf ungefähr 1000ºC ansteigt, wenn es von der Flamme erwärmt wird. Im Bereich unter der Linie (2) ist die Sauerstoffanreicherung P so klein, daß die Flamme übermäßig reduzierend wird, was zur Erzeugung von Ruß führt. Der Ruß wird an den Verbindungsflächen abgeschieden, was zu einer Verschlechterung der Verbindungsfestigkeit führt.
Demgemäß ist der schraffierte Bereich in Fig. 3, d. h. der Bereich, in dem beide Gleichungen (1) und (2) erfüllt sind, ein Bereich, der zum Reduzieren von Zunder und zum Erwärmen mit einer Flamme und zum erfolgreichen Ausführen eines Verbindungsvorgangs geeignet ist.
Die Zeit zum Bewirken einer Reduktion von Zunder hängt vom Ausmaß der Oxidation, d. h. die Dicke des Zunders, ab. Sie hängt auch von der Erwärmungstemperatur ab. Je niedriger die Erwärmungstemperatur liegt, desto länger ist die erforderliche Zeit. Jedoch ist es leicht, die Erwärmungstemperatur und die zum Erzielen eines ausreichenden Ausmaßes an Reduktion und Erwärmung geeignete Zeit zu bestimmen, wenn die Abmessungen des zu verbindenden warmen Stahlmaterials und der Zunderzustand berücksichtigt werden, solange das Anreicherungsverhältnis P und das Sauerstoffverhältnis in den durch die Gleichungen (1) und (2) vorgegebenen Erfordernissen genügen.
Wenn die Temperatur des Stahlmaterials niedrig ist, ist es ratsam, Hochfrequenzerwärmung oder direkte elektrische Widerstandserwärmung zusätzlich zur Erwärmung durch Flammen auszuüben, um die für das Erwärmen erforderliche Zeit weiter zu verkürzen.
Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann Zunder, der auf der Verbindungsfläche warmen Stahlmaterials vorhanden ist, durch Flammstrahlen entfernt werden, wobei das warme Stahlmaterial direkt nach dem Entfernen des Zunders einem Überlappungsschweißen oder Stumpfstoßschweißen unter Druck unterzogen wird. In diesem Fall wird dafür gesorgt, daß eine Vorwärmflamme zum Flammstrahlen reduzierend wirkt, was dadurch erfolgt, daß die Erwärmungsbedingungen so eingestellt werden, daß sie den vorstehend angegebenen Gleichungen (1) und (2) genügen. Der Zweck einer reduzierenden Vorwärmflamme ist es, eine reduzierende Atmosphäre an einer Verbindungsfläche zu errichten. Eine derartige reduzierende Vorwärmflamme wird zumindest im Verbindungsschritt direkt nach dem Flammstrahlen mit einem Sauerstoffstrahl bereitgestellt.
Im allgemeinen ist Flammstrahlen ein Verfahren, bei dem die Oberfläche von Stahlmaterial mit einer Verbrennungsflamme unter hoher Temperatur erwärmt wird, um die Oberfläche teilweise anzuschmelzen, wobei dann ein Sauerstoffstrahl auf die Schmelze gerichtet wird, um Oxidation auszuführen und die gebildeten Oxid wegzublasen, damit Oberflächenfehler oder Risse entfernt werden. So ist es bei Flammstrahlen unter üblichen Bedingungen unvermeidlich, daß Oxidation an den Verbindungsflächen auftritt, bevor der Verbindungsvorgang ausgeführt wird. So zeigt die sich ergebende Verbindung selbst dann, wenn Zunder durch das Flainmstrahlen vollständig entfernt wurde, keine zufriedenstellende Verbindungsfestigkeit.
Genauer gesagt, führt Flammstrahlen unter normalen Bedingungen zu einem Anschmelzen und Wegblasen, gefolgt von Oxidation, was für einen Verbindungsvorgang unerwünscht ist. Demgegenüber ist bei der Erfindung die Vorwärmflamme reduzierend, und sie wird als Abschirmgas verwendet, um an den Verbindungsflächen eine reduzierende Atmosphäre zu errichten. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, daß die Vorwärmflamme unter Bedingungen erstellt wird, die die vorstehend angegebenen Gleichungen (1) und (2) erfüllen. Es wird darauf hingewiesen, daß es nicht immer erforderlich ist, eine reduzierende Flamme zu verwenden, bevor ein Verbindungsvorgang ausgeführt wird. Vollständige Verbrennung ist unter gewöhnlichen Umständen während des Erwärmens ratsam, da dies zum Erhöhen der Temperatur und zum Verringern der Vorerwärmungszeit bevorzugt ist.
Fig. 4 zeigt den Schritt des Entfernens von Zunder von warmem Stahlmaterial durch eine Flammstrahlvorrichtung. In Figur 4 ist die Flammstrahlvorrichtung 10 vom Vormischungstyp, bei dein Brennstoff und Sauerstoff vor dem Ausblasen durch eine Brennerdüse vermischt werden. Zu Flammstrahlvorrichtungen vom Vormischungstyp gehört eine solche, bei der ein Brennstoff und Sauerstoff innerhalb einer Brenndüse vermischt werden. Eine solche wird nachfolgend als "Düsenmischtyp" bezeichnet. Ein anderer Typ Flammstrahlvorrichtung, der als "Nachmischungs"-Typ bezeichnet wird, kann verwendet werden.
Die Flammstrahlvorrichtung 10 weist eine Sauerstoffausblasdüse 12 sowie eine obere und untere Vorheizspitze 14, 16 auf, durch die ein vorgemischtes Gas aus Brennstoff und Sauerstoff ausgeblasen wird, um eine Vorwärmflamme zu erzeugen. Warmes, zu verbindendes Stahlmaterial 1 wird durch die Vorwärmflamme auf eine Temperatur von 900 - 950ºC erwärmt. Danach wird Sauerstoffgas hoher Reinheit durch die Sauerstoffausblasdüse 12 auf die Oberfläche des erwärmten Stahlmaterials 1 ausgeblasen. Aufgrund einer Oxidierungsreaktion zwischen Eisenbestandteilen und Sauerstoff steigt die Temperatur stark an, und der geschmolzene Oberflächenbereich des Stahlmaterials wird zusammen mit dem darauf vorhandenen Zunder weggeblasen. Die Flammstrahlvorrichtung wird relativ zum warmen Stahlmaterial bewegt, so daß Entzundern in einem gewünschten Bereich auf der Oberfläche des Stahlmaterials ausgeführt werden kann.
Eine Flammstrahlvorrichtung ist zum Entfernen von Zunder sehr wirkungsvoll. Es kann eine relativ dicke Zunderschicht leicht und schnell selbst dann entfernt werden, wenn sie Oxide von Si und Mn enthält. Nachdem die geschmolzene Oberfläche weggeblasen ist, wird das Ausblasen von Sauerstoff beendet, und die Vorwärmflamme wird reduzierend aufrechterhalten, um an den Verbindungsflächen eine reduzierende Atmosphäre aufrechtzuerhalten. Neuoxidation einer sauberen Fläche nach dem Entfernen von Zunder kann erfolgreich verhindert werden, und restlicher Zunder kann reduziert werden. In diesem Zustand werden die Oberflächen des warmen Stahlmaterials unter Druck zusammengefügt.
Beim erfindungsgemäßen Warmpreßschweißen kann der Verbindungsschritt für die Stahlplatten wie folgt ausgeführt werden.
Im Fall eines Überlappungsschweißvorgangs, wie er in Figur 5 veranschaulicht ist, wird ein überlappter Bereich von einem Ende zum anderen unter Verwendung eines Paars Druckwalzen 5 gewalzt, die an der Ober- und Unterseite einer warmen Stahlplatte vorhanden sind.
Wenn die Breite der warmen Stahlplatte ziemlich klein ist, kann eine Backe 60, wie sie in Figur 6 dargstellt ist, verwendet werden. Die Breite der Backe 60 stimmt mit der der Stahlplatte überein oder ist etwas größer. Die Verbindungsflächen der Stahlplatten werden insgesamt unter Verwendung einer unteren und oberen Backe 60 durch einen einzelnen Druckvorgang miteinander verbunden.
Figur 7 zeigt den Fall, daß ein Stumpfstoß-Schweißvorgang ausgeführt wird. Zwei Paare von Backen 70 werden dazu verwendet, die zu verbindenden Stahlplatten zu fixieren und aneinanderzudrücken, wobei einander gegenüberstehende Enden der Stahlplatten 1 gegeneinandergedrückt werden.
Der Verbindungsvorgang kann ausgeführt werden, während der Verbindungsbereich steht oder während er weiterbewegt wird.
Wenn ein Stahlband wie ein warmgewalztes Stahlband mit einem anderen verbunden wird, während beide fest stehen, ist es erforderlich, einen Schlingenkanal vorzusehen. Ferner wird eine zusätzliche Verbindungsvorrichtung, die sich zusammen mit dem Stahlband bewegt, verwendet, wenn der Verbindungsvorgang bei sich bewegendem Stahlband ausgeführt wird.
Wie vorstehend angegeben, ist die Erfindung wirkungsvoll, um einen kontinuierlichen Warmwalzvorgang auszuführen.
Figur 8 zeigt schematisch eine Veranschaulichung einer Warmwalzlinie, bei der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert ist. Genauer gesagt, werden zwischen einem Vorwalzwerk 21 und einem Fertigwalzwerk 28 eine vorangehende Platte und eine folgende Platte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verbunden.
Das Vorderende der folgenden Stahlplatte wird, nachdem diese einem Vorwalzen durch das Vorwalzwerk 21 unterzogen wurde und vorübergehend in einem Wickelkasten 22 aufgewickelt wurde, in warmem Zustand mit dem Hinterende der vorangehenden Stahlplatte gemäß der Erfindung verbunden, bevor sie zu einem Fertigwalzen gelangen, nachdem sie durch eine Walzmaterial-Geradrichteinrichtung 23 liefen. Genauer gesagt, werden beide Enden durch einen Brenner 24 in reduzierender Atmosphäre erwärmt und dann unter Verwendung einer Verbindungseinrichtung 25 miteinander verbunden. Die angefügte folgende Stahlplatte wird, nachdem sie durch eine Seitenbeschneidungsmaschine 26 und einen Schlingenkanal 27 gelaufen ist, anschließend einem Fertigwalzvorgang durch das Fertigwalzwerk 28 unterzogen.
Demgemäß können gemäß der Erfindung Stahlplatten, die vorgewalzt sind und nicht auf Raumtemperatur abgekühlt sind, miteinander verbunden werden und dann kontinuierlich einem Fertig-Warmwalzschritt zugeführt werden, um einen kontinuierlichen Warmwalzprozeß zu errichten.
Die Figuren 9a - 9e veranschaulichen jeweils eines von fünf Ausführungsbeispielen (a) - (e), bei denen die einander zugewandten Enden einer vorangehenden und einer folgenden warmen Stahlplatte gemäß der Erfindung in der in Fig. 8 dargestellten Warmwalz-Fertigungslinie miteinander verbunden werden.
(a) Wie in Figur 9a dargestellt, werden das Hinterende der vorangehenden Platte 1 und das Vorderende der folgenden Platte 1 einer Kantenbearbeitung unterzogen, bevor sie miteinander in Kontakt gebracht werden. Nach dein Überlappen werden die vorbereiteten Kanten in reduzierender Atmosphäre erwärmt und unter Druck z. B. durch Walzen miteinander verbunden. Ein nicht ausgefüllter Pfeil zeigt die Bewegungsrichtung der Stahlplatten.
(b) Figur 9b zeigt einen Fall, bei dem das Hinterende der vorangehenden Platte 1 und/oder das Vorderende der folgenden Platte 1 vor dem Ausführen von Überlappungsschweißen oder Stumpfstoßschweißen einem Geradrichten mit einer Geradrichteinrichtung 29 unterzogen werden. Nach dem Geradrichten werden beide Enden überlappt oder stumpf aneinandergesetzt und in reduzierender Atmosphäre erwärmt und unter Druck miteinander verbunden.
(c) Wie in Figur 9c dargestellt, werden das Hinterende der vorangehenden Platte 1 oder das Vorderende der folgenden Platte 1 vor dem Überlappungsschweißen einem Biegevorgang unterzogen, um eine Aufwölbung auszubilden. Die Enden der vorangehenden und der folgenden warmen Stahlplatte werden übereinandergelegt und in reduzierender Atmosphäre erwärmt, um einen Verbindevorgang unter Druck auszuführen, wie durch Walzen in Längsrichtung.
(d) Figur 9d zeigt einen Fall, bei dem das Hinterende der vorangehenden Platte 1 und das Vorderende der folgenden Platte 1 übereinandergelegt sind. Nachdem ein Erwärmen in reduzierender Atmosphäre erfolgte, werden die überlappten Enden der Platten unter Druck durch einen Querwalzvorgang mit einem Paar Walzen aus einer oberen und unteren Druckwalze 96 mit abgerundeten Kanten oder Ecken miteinander verbunden.
(e) Figur 9e zeigt einen Fall, bei dem das Hinterende der vorangehenden Platte 1 und das Vorderende der folgenden Platte 1 beschnitten werden, um neu erstellte Kanten zu bilden. Diese Kanten werden in reduzierender Atmosphäre erwärmt und aneinander angeordnet. Während beide Kanten unter Druck durch Haltebacken 98 miteinander in Berührung gebracht werden, werden die zwei warmen Stahlplatten dadurch miteinander verbunden, daß Druck mit einem anderen Paar aus einer oberen und unteren Backe 99 ausgeübt wird.
Die Erfindung wurde hauptsächlich unter Bezugnahme auf den Fall beschrieben, daß eine warme Stahlplatte als "warmes Stahlmaterial" verwendet wird, jedoch kann das erfindungsgemäße Verfahren auf Warmpreßschweißen anderer Stahlmaterialien wie Stabstähle, Stahldrähte und Formstähle auf dieselbe Weise erfolgen.

Beispiele

Warme Stahlplatten mit 15 mm Dicke, 300 mm Breite und 500 mm Länge (C: 0,10 %, Si: 0,5 %, Mn: 1,2 %) wurden bereitgestellt, und die einander zugewandten Endbereiche wurden teilweise über einen Weg von 25 mm ab der Kante übereinandergelegt, erwärmt und in reduzierender Atmosphäre miteinander verbunden. Die Behandlungsbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

(a) Tests mit den Nr. 1 - 22:

Es wurde ein Brenner vom Düsenmischtyp verwendet, und durch eine Ringschlitzdüse wurde ein Mischgas ausgeblasen, um eine Flamme zu erzeugen. Der Brennstoff war COG mit einer Strömungsrate von 20 Nm²/Stunde. Das Sauerstoffverhältnis (m) und die Sauerstoffanreicherungsrate (P) wurden so verändert, wie es in Tabelle 1 dargestellt ist. Bei diesen Testläufen wurde kein Abschirmkasten verwendet.
Bei den Tests mit den Nr. 2 - 22 wurde zunächst absichtlich Zunder dadurch gebildet, daß Erwärmung auf 800ºC unter Verwendung einer üblichen oxidierenden Flamme erfolgte, in der das Sauerstoffverhältnis (m) 1 war. Danach wurde unter den in Tabelle 1 dargestellten Bedingungen eine reduzierende Atmosphäre errichtet, um ein Erwärmen auf die angegebene Verbindungstemperatur vorzunehmen. Teststücke wurden für die angegebene Zeitspanne festgehalten, und es erfolgte ein Verbinden unter Druck.
Beim Test Nr. 1 wurden die Proben auf dieselbe Weise wie bei den Tests mit den Nr. 2 - 22 auf 800ºC erwärmt, um Zunder auszubilden. Danach wurde die Temperatur auf 500ºC verringert, und es erfolgte ein Erwärmen mit reduzierender Flamme und ein Verbinden unter Druck auf dieselbe Weise wie bei den Tests mit den Nr. 2 - 22.

(b) Tests mit den Nr. 23 und 24

Es wurde ein Abschirmkasten verwendet. In diesen wurde als reduzierendes Gas ein Mischgas aus 70 Volumen-% Ar + H&sub2; im Gleichgewicht eingefüllt. Erwärmung erfolgte durch Hochfrequenz-Induktionserwärmung.
Genauer gesagt, wurden Stahlplatten an Luft in 800ºC erwärmt, und dann wurde die Atmosphäre auf die vorstehend genannte reduzierende Atmosphäre geändert. Nach dem Erwärmen auf eine vorgegebene Temperatur wurde ein Verbindungsvorgang unter Druck ausgeführt.

(c) Tests mit den Nr. 25 - 30:

Die Tests mit den Nr. 25 - 30 sind Vergleichsbeispiele. Proben wurden unter Verwendung einer üblichen Flamme mit vollständiger Verbrennung erwärmt und unter Druck zusammengefügt. Als Bezugsbeispiel wurde der Test mit der Nr. 30 ausgeführt, bei dem Zunder vorab vollständig entfernt wurde und die Testproben mit einer reduzierenden Flamme auf 1200ºC erwärmt wurden, um ein Verbinden unter Druck vorzunehmen.
Die folgenden Behandlungsbedingungen waren allen Tests gemeinsam.

(d) Dickenverringerung:

Übereinandergelegte Platten, die anfangs eine Gesamtdicke von 30 mm hatten, wurden mit einer Dickenverringerung von 25 % auf 22,5 mm gewalzt.

(e) Verbindungsvorgang:

Der Verbindungsvorgang erfolgte unter Verwendung eines Paars Walzen aus einer oberen und einer unteren Druckwalze, die in Querrichtung walzten, um ein Verbinden unter Druck auszuüben. Die Temperatur während der Druckausübung auf die Proben ist in Tabelle 1 angegeben.
Die sich ergebenden Verbindungen wurden einem Biegetest bei Raumtemperatur mit einem Biegeradius von 15 mm unterzogen, was als höchststreng angesehen wird.
In Tabelle 1 ist auch das Rißbildungsverhältnis dargestellt. Das Rißbildungsverhältnis ist wie folgt definiert:
Rißbildungsverhältnis = (Gesamtlänge an Rissen/Gesamtlänge der Verbindungslinie) x 100 (%)
Die in Tabelle 1 angegebene Reduzierungszeit bedeutet das Zeitintervall, in dem Proben in einer reduzierenden Flamme oder einer reduzierenden Atmosphäre aufbewahrt wurden. Nachdem die Proben für die angegebene Periode aufbewahrt waren, wurde die Druckausübung durch Walzen begonnen.
Die Testergebnisse für die Tests mit den Nr. 25 - 29 in Tabelle 1 zeigen, daß es schwierig ist, den unter Verwendung der üblichen Flamme mit vollständiger Verbrennung gebildeten Zunder vollständig zu entfernen, so daß aufgrund des Vorliegens viel restlichen Zunders das Rißbildungsverhältnis extrein hoch ist.
Demgegenüber wird bei der Erfindung selbst dann, wenn Zunder an den Verbindungsflächen vorhanden ist, dieser in einer reduzierenden Atmosphäre während des Verbindungsvorgangs unter Druck entfernt, was zu zufriedenstellenden Verbindungen mit extrem geringem Rißbildungsverhältnis führt. Die Testergebnisse der Proben mit den Nr. 23 und 24 zeigen, daß das Verbinden unter Druck in reduzierender Gasatmosphäre auch zu zufriedenstellenden Verbindungen mit hoher Verbindungsfestigkeit führt.
Bei den Tests mit den Nr. 13, 19 und 22 trat, da die Gleichung (1) nicht erfüllt war, keine gründliche Reduzierung von Zunder auf, und das Rißbildungsverhältnis war ziemlich hoch. Bei den Tests mit den Nr. 12, 16 und 20 war die Gleichung (2) nicht erfüllt, und es entstand Ruß, was zu einer Verringerung der Verbindungsfestigkeit aufgrund des Vorliegens des Rußes zwischen den Verbindungsflächen führte.
Beim Test mit der Nr. 30, der ein Bezugsbeispiel war, war das Rißbildungsverhältnis sehr klein, da der Verbindungsvorgang unter Druck in reduzierender Atmosphäre nach dem vollständigen Entfernen von Zunder ausgeführt wurde. Das Rißbildungsverhältnis der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbindungen war mit demjenigen dieses Bezugsbeispiels vergleichbar. Demgemäß ist ein vorangehender und vollständiger Entzunderungsschritt nicht erforderlich. Tabelle Reduktionsbedingungen Reduktionsflamme Test Nr. Stahlplatt.temp. (ºC) Rißbildung (%) Hinweise Redukt.zeit in H&sub2; + 70% Ar (Sek.) Verhältn. (m) Reduktionszeit (Sek.) Erwärmen mit vollständiger Verbrennung Vergleich Hinweis : vorliegende Erfindung

Claims

1. Verfahren zum Warmpreßschweißen warmen Stahlmaterials, das zunächst erhitzt einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt und im erhitzten Zustand unter Druck aneinandergefügt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das aneinanderzufügende warme Stahlmaterial (1) in einer reduzierenden Atmosphäre über seine Stirnseiten oder sich überlappend verbunden und die reduzierende Atmosphäre durch Verwendung einer reduzierenden Flamme (2) aufrechterhalten wird, die durch Verbrennung von Brennstoff und Sauerstoff unter den durch nachfolgende Gleichungen definierten Bedingungen entsteht:

P > 214m - 75 (1)

P ≥ -150m +90 (2)

worin P einAnreicherungsverhältnis (in Volumenprozent) von Sauerstoff in der Verbrennungsluft und m ein Verhältnis von verbranntem Sauerstoff zu einem Sauerstoffanteil sind, der zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden des warmen Stahlmaterials erst nach einem Heißflammstrahlen (10) und in einer vorwärmenden, reduzierenden Flamme erfolgt, die durch eine Vorwärmflamme erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden in einer reduzierenden Atmosphäre nach Erhitzung durch Induktionserwärmung oder durch direkte elektrische Widerstandserwärmung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlmaterial als Stahlplatte, Stahldraht oder Stahlstab vorliegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden ohne Vorbehandlung zur Entfernung von Schuppen entlang einer Warmwalzstraße erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden nach einem Rohwalzen, jedoch vor einem Fertigwalzen erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verbindens Druck über Druckwalzen oder Druckbacken ausgeübt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß P den Wert 70 nicht überschreitet.