EP0038993A1 - Verfahren zum Wärmebehandeln von Mehrlagen-Schweissverbindungen und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Wärmebehandeln von Mehrlagen-Schweissverbindungen und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens Download PDFInfo
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- EP0038993A1 EP0038993A1 EP81102846A EP81102846A EP0038993A1 EP 0038993 A1 EP0038993 A1 EP 0038993A1 EP 81102846 A EP81102846 A EP 81102846A EP 81102846 A EP81102846 A EP 81102846A EP 0038993 A1 EP0038993 A1 EP 0038993A1
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- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
- C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
Definitions
- the invention relates to a method for multi-layer arc welding of ferritic steels and for the subsequent heat treatment of the welding point, and to a device for carrying out this method.
- the zone of the base material adjoining the weld metal is subjected to a strong heat influence (so-called heat influence zone), the outer peripheral layer of this zone even being brought up to the melting temperature.
- heat influence zone a strong heat influence
- the volume of the workpiece to be welded is generally very large in relation to the volume of the weld seam
- the heat energy contained in the weld metal can be absorbed very quickly by the base material, so that the weld bead and the surrounding heat affected zone cool down at a relatively high cooling rate.
- a pronounced coarse-grain structure is created in the highly heated heat-affected zone, which has significantly worse properties than the unaffected base material.
- the invention is based on the object of specifying a method and a device of the type mentioned at the outset with which a controlled heat treatment after welding which can be adapted to the present individual case is possible.
- This object is achieved in that essentially only the depth of a weld bead or weld layer is detected in the heat treatment.
- only small heat or cooling capacities are required to heat or cool the relatively small cross section of a welding bead and its heat affected zone. This is particularly the case when the heat treatment according to claim 2 essentially covers only the width of a welding bead.
- the weld bead is advantageously heated to just above the transition point A C3 and then cooled.
- the heating of the weld beads above the conversion point Ac 3 is expediently started immediately after the conversion from the welding heat has ended, that is to say roughly when a temperature of about 200 ° C. is reached.
- the cooling should expediently take place, depending on the respective base material, in such a way that the fine-grained structure which results from the cooling above the transition point A C3 comes as close as possible to that of the base material.
- the method according to the invention can also be used for cooling, which is necessary for adapting the structure of water-tempered steels.
- the device for heat treatment consists of an inductive heating device and a cooling device.
- the heating device consists of a single-wind inductor 3, which is connected via flanges 4 to a transformer 5, which is operated by a medium-frequency system 6, not shown.
- the winding of the inductor coil 3 consists of a water-coolable hollow profile 7 made of copper and is formed with a heating line 8 adapted to the workpiece to be machined.
- the inductor coil 3 is equipped on its heating line 8 with U-shaped silicon-iron fins 9 pointing away from the coil. It has proven to be advantageous if the section forming the heating line 8 is at least 100 mm long, since then the weld seam is not heated suddenly but gradually during the feed movement.
- a non-contact pyrometric temperature measuring head 12 is arranged in the rear third of the heating line 8, which is connected to a pyrometer 14 via a flexible glass fiber light guide 13.
- the pyrometer is again equipped with a proportional-integral-differential Controller (PID controller) 15 connected to be able to use the pyrometric measurement signal for the power control of the medium frequency system 6.
- PID controller proportional-integral-differential Controller
- a cooling device in the form of a cooling shower 16 with a plurality of nozzles 17 and an inlet line 18 is coupled to the inductor coil 3.
- This cooling shower can be operated with compressed air in the simplest way.
- the heating device and the cooling device can advantageously be coupled to the arc welding head 19.
- FIG. 2 it can be seen how the broken lines of the magnetic lines 21 emerging from the legs 20 of the U-shaped lamellae 9 - in the production state shown - last welded bead 22 of a 60 ° -V seam 23 and the immediately adjacent heat affected zone 24 thereof Penetrate the base material so that their weld metal including its heat affected zone can be heated up to the austenite area and the structure in the weld bead and in the heat affected zone can be reshaped.
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Abstract
Dieses Verfahren eignet sich zum Mehrlagen-Lichtbogenschweißen ferritischer Stähle und zum anschließenden Wärmebehandeln der Schweißstelle, insbesondere bei großen Werkstückdicken und ensprechenden Volumina. Es sieht vor, die der Verbesserung der Gefügestruktur dienende Nacherwärmung bis kurz oberhalb des Umwandlungspunktes Ac3 im wesentlichen auf den Bereich der jeweils zuletzt aufgebrachten Schweißraupe und deren Wärmeeinflußzone zu beschränken. Die durch das Schweißen eingebrachte Wärmeenergie kann weitgehend ausgenutzt werden, wenn die Nacherwärmung unmittelbar nach der Beendigung der von der Schweißhitze herrührenden Umwandlung erfolgt. Die anschließende Wärmebehandlung schließt zweckmäßigerweise ein Abkühlen der Schweißnaht ein, wobei die Art der Abkühlung den Forderungen des Einzelfalls angepaßt werden kann.
Die zur Durchführung des Verfahrens benötigte Vorrichtung weist hinter dem Lichtbogenschweißkopf (19) eine Induktorspule (3) und eine Kühlbrause (16) auf. Im hinteren Drittel der Heizwirklinie (8) der Induktorspule (3) ist ein pyrometrischer Temperatur-Meßkopf (12) angeordnet.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mehrlagen-Lichtbogenschweißen ferritischer Stähle und zum anschließenden Wärmebehandeln der Schweißstelle sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
- Beim Schweißen wird die sich an das Schweißgut anschließende Zone des Grundwerkstoffs einer starken Wärmebeeinflussung unterzogen (sogenannte Wärmeeinflußzone), wobei die äußere Randschicht dieser Zone sogar bis auf Schmelztemperatur gebracht wird. Da das Volumen des zu schweißenden Werkstücks im Verhältnis zu dem Volumen der Schweißnaht im allgemeinen sehr groß ist, kann die im Schweißgut enthaltene Wärmeenergie sehr schnell vom Grundwerkstoff aufgenommen werden, so daß die Schweißraupe und die sie umgebende Wärmeeinflußzone mit verhältnismäßig großer Abkühlgeschwindigkeit erkalten. Dabei kommt es im Schweißgut zur Bildung stark ausgeprägter Stengelkristalle (Dendriten) mit bevorzugter Wachstumsrichtung senkrecht zu den Schweißkanten. In der hocherhitzten Wärmeeinflußzone entsteht nach dem Erkalten ein ausgeprägtes Grobkorngefüge, das wesentlich schlechtere Eigenschaften aufweist als der unbeeinflußte Grundwerkstoff.
- Es ist bekannt, durch Normalglühen einer fertigen Schweißverbindung über den Umwandlungspunkt Ac3 (im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: Linie GOS) eine Umkristallisation der dendritischen Struktur des Schweißgutes zu erreichen und die Grobkornstruktur in der Wärmeeinflußzone zu beseitigen, und so die Gütewerte der Schweißnaht zu verbessern (vgl. z.B. H. Wirtz: Das Verhalten der Stähle beim Schweißen, Teil I: Grundlagen, Düsseldorf 1973, ab Seite 135). Das Normalglühen erfordert aber bei großen Werkstücken einen entsprechend hohen Aufwand. Außerdem macht es beispielsweise bei Behältern und Kesseltrommeln Schwierigkeiten, die genaue Werkstückform-nach dem Glühvorgang zu erhalten.
- Für große Konstruktionen, die nicht im ganzen geglüht werden können, ist es bekannt, die aus Schweißnaht und ihrer nächsten Umgebung (im allgemeinen sechsmal der Wanddicke beiderseits der Schweißnaht) gebildete fertige Schweißverbindung örtlich zu erwärmen. So können beispielsweise Rundnähte von Rohren und Zylindermänteln durch Ringbrenner, elektrische Heizmatten oder mit Induktionsspulen erwärmt werden. Bei den bei Mehrlagenschweißverbindungen üblichen großen Werkstückdicken und entsprechenden Volumina ist es aber meist nicht möglich, den gesamten Werkstoff örtlich so zu erwärmen und abzukühlen, daß das Material an der Oberfläche und im Innern des Werkstücks die gleiche Temperatur aufweist. Dies ist aber zur Erzielung einer gleichmäßigen Gefügestruktur und damit optimaler Eigenschaften der Schweißkonstruktion absolut notwendig.
- Beim Schweißen von Mehrlagennähten wird zwar durch das Aufschweißen jeder weiteren Naht die darunter liegende Naht noch einmal erwärmt und damit einer Wärmebehandlung unterzogen. Die damit bewirkte Wärmebehandlung entspricht aber im Regelfall - zumindest bei dickeren Schweißraupen - nicht der für den Einzelfall notwendigen Wärmebehandlung, so daß nur eine unvollständige Umwandlung der Gefügestruktur der jeweils unteren Schweißraupe eintritt. Außerdem tritt diese Wirkung für die zuletzt aufgeschmolzene obere Lage bzw. Schweißraupe nicht ein. Es werden deshalb sogar über das konstruktiv notwendige Maß hinausgehende "Vergütungsraupen" aufgeschweißt und anschließend wieder abgetragen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen eine kontrollierte, dem vorliegenden Einzelfall anpaßbare Wärmebehandlung nach dem Schweißen möglich ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Wärmebehandlung im wesentlichen lediglich jeweils die Tiefe einer Schweißraupe bzw. Schweißlage erfaßt wird. Bei der nach der Erfindung vorgesehenen Wärmebehandlung werden also nur kleine Wärme- bzw. Kühlleistungen benötigt, um den relativ kleinen Querschnitt einer Schweißraupe und ihrer Wärmeeinflußzone zu erwärmen bzw. wieder abzukühlen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Wärmebehandlung nach Anspruch 2 im wesentlichen nur die Breite einer Schweißraupe erfaßt.
- Wenn die durch das Uberschweißen bewirkte unvollkommene Umkörnung des Gefüges überschweißter Raupen im Einzelfall als ausreichend angesehen wird, kann es aus wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft sein, die nach dem Schweißen angewandte Wärmebehandlung auf die letzten, oben angebrachten Schweißraupen zu beschränken. Zumindest sollten aber die seitlich angebrachten, oben liegenden Schweißraupen der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung unterzogen werden, um gerade das Gefüge der kritischen Stellen der Wärmeeinflußzone im Ubergangsbereich vom Schweißwerkstoff zum Grundwerkstoff umzuformen.
- Zur Auflösung der dendritischen Gußstruktur des Schweißgutes und der groben Kornstruktur der Wärmeeinflußzone wird die Schweißraupe vorteilhafterweise bis kurz oberhalb des Umwandlungspunktes AC3 erhitzt und anschließend abgekühlt. Um das Verfahren wirtschaftlich gestalten zu können, wird die Erwärmung der Schweißraupen oberhalb des Umwandlungspunktes Ac3 zweckmäßigerweise unmittelbar nach Beendigung der Umwandlung aus der Schweißhitze, also überschläglich bei Erreichen einer Temperatur von etwa 200 °C begonnen. Die Abkühlung soll dabei zweckmäßigerweise - abhängig vom jeweiligen Grundwerkstoff - derart erfolgen, daß das durch die Abkühlung von der Temperatur oberhalb des Umwandlungspunktes AC3 entstehende feinkörnige Gefüge dem des Grundwerkstoffs möglichst nahekommt. Durch die Beschränkung der Wärmebehandlung auf die relativ kleinen Volumina einer Schweißraupe lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Abkühlungen, die zur Gefügeanpassung bei wasservergüteten Stählen erforderlich sind, vornehmen. Bei vergüteten Stählen ist es zudem vorteilhaft, jede Schweißraupe einer anschließenden Anlaßbehandlung durch Erwärmen auf eine Temperatur kurz unterhalb des Umwandlungspunktes Ac1 (im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: Linie PS) zu unterziehen.
- Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
- Fig. 1 eine Vorrichtung zum Schweißen und Wärmebehandeln nach der Erfindung in der Seitenansicht
- Fig. 2 die Induktorspule über einer Schweißstelle im Querschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.
- Die Vorrichtung zur Wärmebehandlung besteht aus einer induktiven Heizeinrichtung und aus einer Kühleinrichtung. Die Heizeinrichtung besteht aus einer einwindigen Induktorspule 3, die über Flansche 4 an einen Transformator 5 angeschlossen ist, der von einer nicht weiter dargestellten Mittelfrequenzanlage 6 betrieben wird. Die Windung der Induktorspule 3 besteht aus einem mit Wasser kühlbaren Hohlprofil 7 aus Kupfer und ist mit einer dem zu bearbeitenden Werkstück angepaßten Heizwirklinie 8 ausgebildet. Zur Konzentration der magnetischen Felder ist die Induktorspule 3 an ihrer Heizwirklinie 8 mit von der Spule wegweisenden U-förmigen Silizium-Eisen-Lamellen 9 bestückt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das die Heizwirklinie 8 bildende Teilstück mindestens 100 mm lang ist, da dann die Schweißnaht bei der Vorschubbewegung nicht plötzlich, sondern allmählich aufgeheizt wird.
- In bezug auf die Vorschubrichtung V ist im hinteren Drittel der Heizwirklinie 8 ein berührungslos arbeitender pyrometrischer Temperatur-Meßkopf 12 angeordnet, der über einen flexiblen Glasfaser-Lichtleiter 13 mit einem Pyrometer 14 verbunden ist. Das Pyrometer ist wiederum mit einem Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) 15 verbunden, um das pyrometrische Meßsignal für die Leistungssteuerung der Mittelfrequenzanlage 6 verwerten zu können.
- Mit der Induktorspule 3 ist eine Kühlvorrichtung in Form einer Kühlbrause 16 mit mehreren Düsen 17 und einer Eintrittsleitung 18 gekoppelt. In einfachster Weise kann diese Kühlbrause mit Druckluft betrieben werden. Beim kontinuierlichen Arbeiten, z.B. beim Schweißen von Umfangsnähten an zylindrischen Mantelflächen, kann die Heizeinrichtung und die Kühlvorrichtung vorteilhafterweise mit dem Lichtbogenschweißkopf 19 gekoppelt sein.
- Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie die aus den Schenkeln 20 der U-förmigen Lamellen 9 austretenden gestrichelt dargestellten Magnetlinien 21 die - im dargestellten Fertigungszustand - zuletzt geschweißte Raupe 22 einer 60°-V-Nahtfuge 23 und die ihr unmittelbar benachbarte Wärmeeinflußzone 24 im Grundwerkstoff durchdringen, so daß deren Schweißgut einschließlich deren Wärmeeinflußzone bis in das Austenitgebiet erhitzt und das Gefüge in der Schweißraupe und in der WärmeeinfluBzone umgeformt werden kann.
Claims (11)
1. Verfahren zum Mehrlagen-Lichtbogenschweißen ferritischer Stähle und zum anschließenden Wärmebehandeln der Schweißstelle, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wärmebehandlung im wesentlichen lediglich jeweils die Tiefe einer Schweißraupe bzw. einer Schweißlage erfaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung im wesentlichen jeweils die Breite einer Schweißraupe und deren Wärmeeinflußzone erfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wärmebehandlung lediglich auf die letzten, oben aufgebrachten Schweißraupen erstreckt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wärmebehandlung lediglich auf die letzten, oben seitlich aufgebrachten Schweißraupen erstreckt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung ein Erwärmen des zu behandelnden Materials über die Temperatur des oberen Umwandlungspunktes Ac3, bei dem eine Umwandlung von ferritischem zu austenitischem Gefüge eintritt, einschließt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich dem Erwärmen auf die Temperatur des oberen Umwandlungspunktes Ac3 eine Abkühlung mit einer solchen Abkühlgeschwindigkeit anschließt, daß zumindest Teilbereiche des zu behandelnden Materials aus martenitischer Gefügestruktur entstehen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Material auf eine Temperatur unterhalb des unteren Umwandlungspunktes Ac1, bei dem eine Umwandlung von ferritischem in austenitisches Gefüge.eintritt, erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung unmittelbar nach Beendigung der von der Schweißhitze herrührenden Umwandlung erfolgt.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Lichtbogenschweißkopf (19) und eine Induktorspule (3), in deren Heizwirklinie (8) im - in bezug auf die Vorschubrichtung (V) - letzten Drittel ein pyrometrischer Temperatur-Meßkopf (12) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß - in bezug auf die Vorschubrichtung (V) - hinter der Induktorspule (3) eine Kühlbrause (16) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorspule (3) mechanisch mit dem Lichtbogenschweißkopf (19) gekoppelt ist.
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