DE2635743A1 - Verfahren zum lichtbogenschweissen unter rueckseitiger kuehlung zur herstellung hochzaeher, geschweisster stahlrohre mit hohem durchmesser - Google Patents
Verfahren zum lichtbogenschweissen unter rueckseitiger kuehlung zur herstellung hochzaeher, geschweisster stahlrohre mit hohem durchmesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen der Naht- bzw. Fugenbereiche eines aus einer Stahlplatte geformten
Bohres.
Beim Verschweißen der Fuge eines aus einer Stahlplatte geformten Rohres wird die Wärmeeinflußzone spröde bzw. brüchig.
Die Ursache dafür ist eine im Verlauf des Schweißwärmezyklus erfolgende ausgeprägte Bildung eines oberen Zwischengefüges
bzw. Troostits (Bainit) in der Nachbarschaft einer Bindungsoder Übergangszone zwischen dem Schweißgut und dem Grundwerkstoff.
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unerwünschtι wenn die Kaltzähigkeit einen vorbestimmten Wert
überschreiten muß. Man nimmt an, daß sich aufgrund der Bildung des voreutektoidischen Ferrits keine hohe Zähigkeit des
Schweißguts erzielen läßt. Es ist üblich, die Wärmeeinflußzone während des Schweißvorgangs zu kühlen. Beim ünterpulverlichtbogenschweißen
(UP-Schweißen) kann die Kühlung der Schweißnaht oder -verbindung durch spontanes Abkühlen der
von den Flußmitteln (Pulver) umgebenen Schweißnahtzone, Wärmeabfuhr von der unteren Oberfläche des Grundwerkstoffs
und Wärmeübertragung zum Grundwerkstoff erfolgen. Verläßt man sich ausschließlich auf eine derartige spontane Abkühlung,
kühlt sich die von einer dicken Schlackenschicht umgebene: Schweißnaht nur langsam ab. Dadurch verringert sich
die Charpy-Schlagfestigkeit der Schweißnaht. Im Falle einer Erhöhung der Wärmezufuhr ist diese Tendenz noch ausgeprägter.
Es wurden daher bereits verschiedene Methoden zur Kühlung der Schweißnaht vorgeschlagen, wie die in Verbindung
mit dem Elektro-Schlacke-Senkrechtsohweißen (vertikalen ES-Schweißen)
angewendete Wasserkühlung. Diese Methode läßt sich jedoch beim UP-Schweißen nicht anwenden. Es ist auch
bekannt, die Schweißnahtoberfläche nach dem Schweißvorgang und im Anschluß an die Pulverentfernung mit Hilfe eines
(Sprüh)nebels zu kühlen. Bei dieser Methode kann sich der Beginn der Kühlung aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften
des Pulvers und der Anbringung der Pulverrückgewinnvorrichtung zwischen der Kühlposition und den Elektroden verzögern.
Außerdem eignet sich diese Kühlmethode nicht zum Kühlen der inneren Schweißnaht von Rohren mit hohem Durchmesser,
welche beim vorangehenden Schweißvorgang an der Außenseite geschweißt wurden.
Beim UP-Schweißen wurde versucht, die Zähigkeit der Wärmeeinflußzone
durch Verwendung stärker basischer Pulver oder durch Zusatz von Legierungsbestandteilen (wie Nickel, Molybdän
oder Titan) zum Schweißgut zu verbessern. Außerdem wurde vorgeschlagen, ein sogen· "Mehrlagenschweißen" auf Kosten der
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Schweißleistung durchzuführen oder dem Grundwerkstoff Spurenanteile
von Ti, Al-B, REM-B Ti-Ca oder ähnliche Kombinationen
von Legierungsbestandteilen einzuverleiben. Von Rohren mit hohem Durchmesser, welche für Gebiete mit kaltem Klima (wie
die Arktis, wo die Temperaturen auf -25 bis -400C fallen
können) vorgesehen sind, wird insbesondere eine höhere Kerbschlagzähigkeit des Schweißguts und der Wärmeeinflußzone
verlangt. Dieses Erfordernis läßt sich mit Hilfe der derzeit am Markt befindlichen Stahlplatten und Sohweißdrähte
bzw· -materialien nur schwer unter tragbaren Kosten erfüllen.
Das Ziel der Erfindung bestand somit hauptsächlich darin, ein Verfahren zur Herstellung dickwandiger, geschweißter
Stahlrohre mit höherer Zähigkeit zur Verfügung zu stellen, welches von den handelsüblichen, für Rohrleitungen (Pipelines)
vorgesehenen Stahlplatten und Schweißmaterialien ausgeht. Ferner bestand das Erfindungsziel in der Schaffung
einer Methode zum Schweißen von Stahlrohren, mit dessen Hilfe die Verschlechterung der Kaltzähigkeit der Wärmeeinflußzone
aufgrund hoher Wärmezufuhr zu den dickwandigen, geschweißten Stahlrohren verhindert werden kann. Das Ziel
der Erfindung bestand weiterhin in der Schaffung eines Verfahrens zum Schweißen von Stahlrohren, mit dessen Hilfe eine
übermäßige Härtung der Schweißnahtzone eines Stahlrohres, welches aus "geregelt gewalzten (controlled rolled) Stahlplatten
erzeugt wurde, verhindert werden kann. Außerdem war es das Ziel der Erfindung, ein derartiges Schweißverfahren
zu schaffen, welches die Regelung der chemischen Zusammensetzung und sonstigen Bedingungen des Grundwerkstoffs und
der Schweißmetalle überflüssig macht.
Weitere Ziele der Erfindung lassen sich der nachfolgenden Beschreibung entnehmen.
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zu einem Rohr gebogen, wonach die Längsfuge des Rohres an
dessen innerer Oberfläche verschweißt wird. Anschließend wird an der äußeren Oberfläche längs der gleichen Fuge eine
lichtbogen- oder UP-Schweißung vorgenonmen. Während des zweiten Schweißvorgangs wird die innenseitige Schweißnaht
einer Zwangskühlung unterworfen. Die Zwangskühlung erfolgt somit von jener Seite» welche dem zur Bildung der äußeren
Schweißnaht angewendeten Lichtbogen entgegengesetzt ist. Es wurde festgestellt, daß durch die Zwangskühlung die
Härtbarkeit des Schweißguts durch Unterdrückung der Bildung des voreutektoidischen Ferrits und gleichzeitig die Zähigkeit
der Schweißnaht durch Hemmung der Bildung des oberen Zwischengeftiges bzw. Troostits in der Wärmeeinflußzone verbessert
werden. Wenn die Schweißnaht des dickwandigen Stahlrohres durch mehrere Schweißdurchgänge erzeugt wird, kann
das erfindungsgemäße, unter Zwangskühlung von der Rückseite
erfolgende Lichtbogenschweißen auf den letzten Schweißdurchgang angewendet werden.
Es wird eine höhere Zähigkeit sowohl des Schweißguts als auch der Wärmeeinflußzone erzielt, wenn man für die Zwangskühlung
αμΓοΙι die Bereiche von der Maximaltemperatur bis
8000C und von 800 bis 5000C höhere Ktihlgeschwindigkeiten
anwendet. Eine Kühlgeschwindigkeit von 8 bis 400C (vorzugsweise
von 15 bis 300C) pro Sekunde für den Ktihlbereich von
800 bis 5000C wird zur Erzielung einer hohen Zähigkeit des
Schweißguts und der Wärmeeinflußzone am meisten bevorzugt. Als Kühlmittel können erfindungsgemäß Wasser, flüssiger
Stickstoff oder Trockeneis verwendet werden. Im Falle einer Wasserkühlung tritt der Kühleffekt umso rascher ein, je
stärker der Strom des Kühlwassers ist. Bei einer Zwangsumlaufkühlung mit Hilfe von drei Düsen bei einem Gesamtdurchsatz
von 45 l/min kann die Abkühlung des geschweißten Werkstücks von 800 auf 5000C drei- bis viermal rascher als ohne
Zwangsumlaufkühlung erfolgen. Bei Verwendung von flüssigem
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Stickstoff oder Trockeneis findet die Abkühlung von der Maximaltemperatur auf 8000C aufgrund der Vorkühleffekte dieser
Kühlmittel gewöhnlich rascher statt. Die Kühlgeschwindigkeit im Bereich von 800 bis 5000C ist jedoch geringer
als bei Verwendung von Wasser» da die Wärmeaustauschkapazität der genannten Kühlmittel jener von Wasser unterlegen
ist.
Die durch die rückseitige Kühlung zu erzielende erhöhte Zähigkeit des Schweißguts kann auf die verzögerte Ausscheidung
grober Ferrite von der γ-Korngrenze und die dadurch bedingte Verfeinerung des Ferritgrundes sowie auf
die Verstärkung der Ausscheidung des unteren Zwischengefüges bzw. Troostits (Bainit) zurückzuführen sein. Bei Verwendung
einer durch "geregeltes Walzen" (controlled rolling) hergestellten Ausgangsplatte kann die Zähigkeit des
Schweißguts der inneren Schweißnaht aufgrund des offensichtlichen Verschwindens der Ausscheidungshärtungs-Sprödigkeit»
welches durch die von der innenseitigen Kühlung begleitete zweite Schweißung an der Außenseite verursacht
wird, erhöht werden. Durch die Verwendung der kompensierenden Schweißdrähte kann die Zähigkeit des Schweißguts an der
inneren Oberfläche des Rohres geringer ausfallen als an der Zwischenzone oder in der Nähe der äußeren Rohroberfläche.
Man kann eine solche Zähigkeitseinbuße an der inneren Oberfläche jedoch durch Erhöhung der Ktihlgeschwindigkeit verhindern.
Diese Zähigkeitsänderungen in Richtung der Rohrwanddicke können durch geeignete Wahl der für die einzelnen
Schweißdurchgänge eingesetzten Schweißdrähte ausgeglichen werden.
Die erhöhte Zähigkeit der Wärmeeinflußzone läßt sich dadurch erzielen» daß man die Kühlung im Bereich von der
Maximaltemperatür bis 8000C derart beschleunigt, daß dieser
Bereich vorzugsweise innerhalb von 11 Sek. vollständig
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durchlaufen wird. In diesem Falle kann die Breite der grobkörnigen
Zone verringert werden, und es bilden sich keine grobkörnigen voraustenifcisehen Kristalle. Wenn ferner die
Kühlgeschwindigkeit für den Temperaturbereich von 800 bis 5000C durch die rückseitige Kühlung auf 8°0/Sek. oder darüber
erhöht wird, läßt sich durch Unterdrückung der Bildung des oberen Troostits und Förderung der Bildung des unteren
Troostits eine höhere Zähigkeit der Wärmeeinflußzone erzielen.
Andererseits werden das Schweißgut und die Wärmeeinflußzone bei einer höheren Kühlgeschwindigkeit härter.
Bei der Kühlgeschwindigkeit, bei welcher sich die höchste Zähigkeit erzielen läßt, erreicht die Härte z.B. einen nahezu
an die Sättigung heranreichenden Wert. Aus diesem Grund beträgt die optimale Kühlgeschwindigkeit für den Temperaturbereich
von 800 bis 5000C etwa 15°C/Sek. Die Obergrenze
der Kühlgeschwindigkeit für den Temperaturbereich von 800 bis 5000C wird erfindungsgemäß jedoch auf 40°C/Sek. festgelegt;
bei diesem Wert beginnt die Zähigkeit aufgrund des sogen. "Abschreckeffekts" abzusinken.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
und den beigefügten Zeichnungen deutlicher hervor.
Es folgt eine kurze Erläuterung der Zeichnungen»
Fig. 1(a) und i(b) veranschaulichen eine typische Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Seitenaufriß bzw. einer vergrößerten
Teilansicht;
Fig. 2(a) bis 2(f) zeigen verschiedene Beispiele der Kühlung der Rückseite gemäß der Erfindung;
Fig· 3(a) ist eine graphische Darstellung der Kühldauer, wel-
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ehe zur Kühlung der drei Testrohre von der Maximaltemperatur
auf 8000C erforderlich ist (für die spontane Kühlung und die verschiedenen Ausftihrungsformen
der erfindungsgemäßen rückseitigen Kühlung);
Fig. 3(fe) ist eine entsprechende graphische Darstellung
für den Temperaturbereich von 800 "bis 5000C;
Fig. A ist eine graphische Darstellung der Schweißwärme
zufuhr gegen die Kühldauer (für die spontane Kühlung und die verschiedenen erfindungsgemäßen
Ausführungsformen zur rückseitigen Kühlung);
Fig. 5 zeigt typische Ktihlkurven für den Stahlprüfkörper C
"bei herkömmlicher "bzw. erfindungsgemäßer Kühlung;
Fig· 6(a) ist eine graphische Darstellung der Kühldauer
gegen die Zähigkeit für den Stahlprüfkörper Af welcher durch rückseitige Kühlung durch den Bereich
von der Maximaltemperatur bis 8000C gekühlt wurde;
Fig. 6(b) ist ein entsprechendes Diagramm für den Temperaturbereich,
von 800 bis 5000C;
Fig. 7(a) und 7(b) sind entsprechende Diagramme wie die Fig. 6(a) und 6(b), jedoch für den Stahlprüfkörper
B;
Fig. 8(a) und 8(b) sind entsprechende Diagramme wie die
Fig. 6(a) und 6(b), jedoch für den Stahlprtifkörper C;
Fig. 9(a) und 9(b) sind entsprechende Diagramme wie die Fig. 6(a) und 6(b), jedoch für den Stahlprüfkörper
D;
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Fig. 10(a) ist eine graphische Darstellung der Kühldauer gegen
die Zähigkeit für die Wärmeeinflußzone des Stahlprüfkörpers A im Bereich von der Maximaltemperatur
bis 8000C;
Pig. 10(b) ist ein entsprechendes Diagramm für den Temperaturbereich
von 800 bis 50O0O;
Fig. 11(a) und 11(b) sind entsprechende Diagramme wie die
Fig. 10(a) und 10(b), jedoch für die Stahlprüfkörper B und C;
Fig. 12(a) und 12(b) sind entsprechende Diagramme wie die
Fig. 10(a) und 10(b), jedoch für den Stahlprüfkörper D
Fig. 13(a) ist ein-Diagramm der Kühldauer gegen die Härte der
Wärmeeinflußzone und des Schweißguts für die Stahlprüfkörper A, B und C im Bereich von der
Maximaltemperatur bis 8000C;
Fig. 13(b) ist ein entsprechendes Diagramm für den Temperaturbereich
von 800 bis 5000C;
Fig. 14 ist ein Diagramm» welches die Streuung der Härte
über das innen- und außenseitige Schweißgut für den Stahlprüfkörper B veranschaulicht;
Fig. 15(a) ist ein Diagramm» welches die Streuung der Härte
über das innen- und außenseitige Schweißgut für den Stahlprüfkörper B veranschaulicht (für den
Fall einer herkömmlichen Schweißung unter spontaner Kühlung);
Fig. 15(b) ist ein entsprechendes Diagramm wie Fig. 15(a),
jedoch für den Fall einer Wasserkühlung mit Zwangsumlauf unter Verwendung von drei Düsen;
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Fig. 16(a) ist eine graphische Darstellung der Kühldauer
gegen die Härte der Wärmeeinflußzone und des Schweißguts im Bereich von der Maximaltemperatur
"bis 8000C (für den EaIl einer rückseitigen Kühlung);
Fig. 16(b) ist ein entsprechendes Diagramm wie Fig. 16(a) für den Temperaturbereich von 800 bis 50O0C;
Fig" 17(a) ist eine photographische Aufnahme» welche die
Mikrostruktur des grobkörnigen Bereiches der Wärmeeinflußzone des Prüfkörpers A zeigt, welcher
durch herkömmliche Schweißung unter spontaner Kühlung erhalten wurde;
Fig. 17(b) ist eine entsprechende photographische Aufnahme,
welche jedoch denselben Bereich des nach der erfindungsgemäßen Schweißmethode unter rückseitiger
Kühlung erhaltenen Prüfkörpers A zeigt;
Fig. 18(a) und 18(b) sind entsprechende photographische Aufnahmen wie die Fig. 17(a) und 17(b), welche
denselben Bereich des Prüfkörpers B veranschaulichen;
Fig. 19(a) ist eine photographische Aufnahme, welche die Mikrostruktur der äußeren Oberfläche des Schweißguts
des durch herkömmliche Schweißung erhaltenen Prüfkörpers B veranschaulicht;
Fig. 19(b) ist eine entsprechende photographische Aufnahme
wie Fig. 19(a) desselben Prüfkörpers B, welcher jedoch durch erfindungsgemäße Schweißung unter
rückseitiger Kühlung erhalten wurde;
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Pig. 20(a) ist ein Diagramm, in welchem die Kühldauer von der Maximaltemperatur bis 8000C gegen die Länge
des grobkörnigen Bereichs der Wärmeeinflußzone
für die Prüfkörper A, B, C und D aufgetragen ist;
Fig. 20(b) ist ein entsprechendes Diagramm wie Fig. 20(a),
welches die Kühldauer von 800 bis 50O0C veranschaulicht;
. .
Fig. 21 ist ein Diagramm, welches die Zähigkeitsstreuung bzw. -verteilung der Schweißnaht an der Innenseite
(Innenschweißnaht) in Richtung der Schweißnahtdicke unter Verwendung verschiedener und gleicher
Schweißdrähte für die Innenschweißnaht veranschaulicht; und
Fig. 22 ist ein Diagramm, welches die Härtestreuung bzw. -verteilung über das Schweißgut an der Innen- und
Außenseite in Richtung der Dicke für den durch herkömmliche UP-Schweißung unter Verwendung gleicher
Schweißdrähte an der Innenseite erhaltenen Prüfkörper C und für denselben Prüfkörper veranschaulicht,
welcher nach der erfindungsgemäßen UP-Schweißmethode unter Verwendung derselben Schweißdrähte an der Innenseite erhalten wurde.
Es folgt eine Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform.
In Fig. i(a) wurde das von den Förderwalzen 12 axial beförderte
Stahlrohr 2 längs einer longitudinalen Fuge von der Innenseite her geschweißt und soll nun mit Hilfe der Schweißmaschine
1 auf den Förderwalzen 12 längs der gleichen longitudinalen Fuge, jedoch von der Außenseite her» geschweißt werden.
Während dieses Schweißvorgangs wird das Stahlrohr 2 gleichzeitig mit Hilfe der Kühlvorrichtung 3 von der Rückseite
her (in der dargestellten Ausführungeform der Innen-
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seite des Stahlrohres 2) gekühlt.
Die Kühlvorrichtung 3 ist in Pig. i(b) vergrößert dargestellt
und besteht aus dem Auslegerarm 7» welcher sich in der Längsrichtung der Förderstraße erstreckt und am Ende mit dem
Ktihlwasserbehälter 9 und der Pumpe 10 ausgestattet ist. Am
genannten Ende des Auslegerarms 7 sind außerdem die Trägerrolle 11, welche sich längs der Innenfläche des Stahlrohres
bewegen kann, und die gegen die Schweißnaht längs der Fuge gerichtete Kühlwasserdüse 8 angeordnet. Die Kühlwasserversorgung
der Düse 8 erfolgt über die an die äußere Wasserquelle angeschlossene Wasserleitung 5 sowie den Behälter 9
und die Pumpe 10. Das Kühlwasser kann durch den geregelten Betrieb der Pumpe 10 mit vorbestimmter Strömungsgeschwindigkeit
durch die Düse 8 gegen das an der Innenseite befindliche Schweißgut gesprüht werden. Die Wasserleitung 5 und ein Starkstromkabel
4» wie ein Draht für den Antrieb der Pumpe 10» führen durch den Auslegerarm 7 und sind an (nicht gezeigte)
äußere Vorrichtungen (z.B. eine Wasser- und eine Stromquelle) angeschlossen. In Pig. i(b) steht das Bezugszeichen 6 für
eine voranschreitende Elektrode (oder einen entsprechenden Draht) und eine nachfolgende Elektrode (oder einen entsprechenden
Draht) der Schweißmaschine 1; die Elektroden sind gegenüber der Kühldüse 8 angebracht. Das Bezugszeichen 13 steht
für eine Wasserschale zur Aufnahme des verbrauchten Wasserst welches abwärts fließt und in den Behälter 9 zurückgeführt
wird. Der Auslegerarm 7 kann mit Hilfe des Supports 14 zur Änderung der Position der Düse relativ zum Rohr 2 in der
Längsrichtung verschoben werden.
Das Stahlrohr 2, welches längs einer longitudinalen Fuge an der Innenseite geschweißt wurde» kann somit an der Außenseite
längs derselben Fuge geschweißt werden» indem es gemäß Fig. I(a) und i(b) in der Pfeilrichtung die Förderwalzen 12
entlanggeführt wird. Unter gleichzeitiger äußerer Kühlung wird Kühlwasser durch die Düse 8 auf die innere Schweißnaht unmit-
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telbar gegenüber den Schweißelektroden aufgesprüht.
Gemäß den Fig. 1(a) und i(b) wird lediglich eine Düse 8 zum
Aufsprühen von Kühlwasser auf die Rückseite der äußeren Schweißnaht verwendet. Man kann jedoch auch zwei oder mehr
Düsen in Tandem-Anordnung längs der Schweißfuge einsetzen. Ferner kann man das Kühlwasser zur Erhöhung der Wärmeaustauschkapazität
unter Druck zirkulieren lassen. Wahlweise kann das Kühlwasser auch durch flüssigen Stickstoff ersetzt
werden. Man kann zur Kühlung auch Trockeneis in direkten physikalischen Kontakt mit der Rohrinnenseite bringen.
Es folgt eine Erläuterung der Fig. 2(a) bis 2(f), die die
verschiedenen Kühlmethoden veranschaulichen, die beim UP-Schweißen angewendet werden können.
Fig. 2{a) zeigt eine einzige zur rückseitigen Kühlung verwendete Düse 8, wie bereits mit Bezug auf die Figuren i(a)
und 1(b) erläutert wurde. Fig. 2(a) zeigt oben einen Querschnitt und unten einen Längsschnitt durch die Schweißnaht.
Gemäß Fig., 2(a) zeigen die drei strichlierten Linien Bohrlöcher an» welche von der Endfläche (Stirnseite) des Stahlprtifkörpers
zur Schweißnaht zwecks Einführung von Thermoelementen, mit deren Hilfe die Temperatur in der nachstehend
beschriebenen Weise gemessen wird, gebohrt wurden.
Gemäß Fig. 2(b) sind zwei Düsen 8 in Tandem-Stellung längs der Schweißfuge angebracht. Unter Verwendung von gleich grossen
Düsen kann der Kühlwasserdurchsatz verdoppelt werden, was eine Erhöhung der Kühlgeschwindigkeit zur Folge hat. Wenn
der Durchsatz für eine einzige Düse beispielsweise 12 l/min beträgt, erhöht er sich bei zwei Düsen gemäß Fig. 2(b) auf
24 l/min. Gemäß Fig. 2(c) sind drei Düsen 8 in Tandem-Stellung an der Schweißfuge angeordnet, so daß ein Durchsatz von
36 l/min bei noch höherer Kühlgeschwindigkeit erzielt wird.
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Gemäß Pig. 2(d) wird eine Zwangsumlaufeinrichtung 15» z.B.
ein Behälter und eine Pumpe 10 wie in Pig. i(b) dazu verwendet» das Kühlwasser unter Druck zu den drei Düsen 8 zu
leiten» damit durch Erhöhung des Durchsatzes auf z.B.
45 l/min eine höhere Kühlgeschwindigkeit erzielt wird.
In Fig. 2(e) ist eine Flüssigstickstoffquelle (wie das
Gefäß 16) dargestellt, aus welcher der flüssige Stickstoff zu mehreren innerhalb der Haube 17 angebrachten Düsen 18
abgegeben wird. Der flüssige Stickstoff kann aus den Düsen z.B. mit einem Durchsatz von 400 kg/Std. auf die rückwärtige
Seite des außen befindlichen Schweißguts aufgesprüht werden.
Gemäß Fig. 2(f) wird zur Kühlung der Schweißnaht durch Ausdehnung des Luftschlauches 19 ein Stück Trockeneis 20 auf
die entgegengesetzte bzw. Rückseite des äußeren Schweißguts aufgebracht.
In den Fig. 2(e) und 2(f) zeigen die drei strichlierten Linien
die Stellungen für die Anbringung von Thermoelementen wie im Falle der Fig. 2(a) an.
Die vorgenannten unterschiedlichen Methoden zur rückseitigen Kühlung können selektiv zur Kühlung der Schweißnaht eines
Stahlrohres angewendet werden» welches an der Innenseite bereits geschweißt wurde und an der Außenseite geschweißt wird.
Durch eine derartige Kühlung kann die Bildung des voreutektoidischen oder des oberen Troostits (Bainit) der Wärmeeinflußzone verhindert werden» was eine Erhöhung der Zähigkeit
der Schweißnaht zur Folge hat.
Unter Verwendung von Stahlprüfplatten A, B, C und D wurde
eine Reihe von Lichtbogenschweißtests unter rückseitiger Kühlung durchgeführt, um die Auswirkungen unterschiedlicher
Kühlgeschwindigkeiten auf die Zähigkeit, Härte und Mikrostruktur des Schweißgute und der Wärmeeinflußzone zu untersuchen.
■,
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Es wurden vier Stahlprüfkörper A, B, C und D mit unterschiedlichen
Sicken» Qualitäten und chemischen Zueammensetzungen verwendet (vgl. Tabelle I). Die Prüfplatte D besaß eine
Dicke von 10,3 mm. Die Prüfplatten O und B wurden durch
"geregeltes Walzen" hergestellt und besaßen eine Dicke von
20,3 bzw. 18,3 mm, während die Prüfplatte A aus 1,4-Ni-Stahl
mit einer Dicke von 25,4 mm bestand.
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TABELLE I
Chemische Zusammensetzung der Stahlprüfkörper (Gießpfanne),
Chemische Zusammensetzung der Stahlprüfkörper (Gießpfanne),
Typ | Quali tät (Gr) |
Dicke, | C | Si | Mn | P | S | Cu | Ni | Mo | Nb | 7 | Sol.Al | |
A | X65 | 25,4 | 0,092 | 0,25 | 1,17 | 0,014 | 0,007 | - | 1,41 | 0,17 | - | - | 0,053 | |
70980' | B C |
*7O | 20,3 18,3 |
0,080 0,086 |
0,31 0,23 |
1,45 1,43 |
0,012 0,014 |
0,004 0,005 |
0,19 | 0,26 0,21 |
0,15 | 0,037 0,039 |
0,092 0,091 |
0,045 0,020 |
7/08E7 | D | Z52 | 10,3 | 0,126 | 0,15 | 0,65 | 0,015 | 0,009 | ·" | ™" | "■ | — | 0,017 |
Die Kennwerte für die "bei den Tests verwendeten Schweißdrähte
a und b sind aus Tabelle II ersichtlich. Der Testdraht a besteht aus einer Ni/Mo/Ti-legierung, während der
Testdraht b keinerlei zulegierte Bestandteile enthält.
TABELLE II Chemische Zusammensetzung der Testdrähte, $>
Durch | O | C | O | Si | Mn | O, | P | O, | S | Ni | Mo | Ti | |
messer | O | O | ο, | O, | |||||||||
(mm) | ,03 | ,17 | 2,03 | 011 | 007 | 0,91 | 0,52 | 0,21 | |||||
a | 4,0 | ,07 | ,01 | 0,68 | 009 | 012 | — | — | — | ||||
b | 4,0 | ||||||||||||
Tabelle III veranschaulicht die für die Tests verwendeten Pulver X und Y. Das Testpulver X ist schwach basisch (Basizität
= 1,2), während das Testpulver Y stark basisoh (Basizität = 1,6) ist.
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TABELLE III Chemische Zusammensetzung der Testpulver,
SiO2 | X | 32 | CaO | NnO | MgO | Al2O3 | CaP2 | ZrO2 | 0, | P | 0, | S | PeO |
Y | 28 | 20 | 11 | β | 11 | 13 | 23 | 0, | 011 | 0, | 163 | 0,98 | |
28 | — | 19 | 18 | 22 | — | 022 | 222 | 0,22 | |||||
Tabelle IV zeigt die Schweißdrähte, Pulver und übrigen Schweißbedingungen, welche bei den Prüfkörpern A bis D
angewendet wurden.
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CO OO O
CO cn
Stahl | Innenseite Außenseite |
Voranschrei tende Elek trode |
V | Nachfolgende Elektrode |
V | Elektro denab stand« mm |
Geschwin digkeit» mm/min |
Wärme zufuhr, J/cm |
Draht | Pulver |
D | Innenseite Außenseite |
A | 36 38 |
A | 40 40 |
14 15 |
1250 1000 |
24400 36300 |
a+a a+a |
X Y |
C | Innenseite Außenseite |
700 940 |
36 38 |
640 620 |
40 40 |
14 15 |
850 800 |
43100 48400 |
b+a a+a |
Y Y |
B | Innenseite Außenseite |
920 960 |
36 38 |
700 700 |
40 40 |
14 15 |
850 800 |
43700 48400 |
b+a a+a |
Y Y |
A | 940 960 |
38 38 |
700 700 |
40 40 |
14 15 |
700 700 |
60000 65100 |
a+a a+a |
Y Y |
|
1000 1050 |
800 900 |
I
00
00
ro
CJ)
co
cn
co
Der Überlappungs- bzw. Anschärfwinkel für die Innenseite
und die Schweißnähte beträgt im Falle der Testkörper Ä bis D 45°. Die Tiefe der Überlappung bzw. Anschärfung beträgt
im Falle der Prüfkörper A bis D für die innere bzw. äußere Schweißnaht jeweils ein Drittel der Dicke.
In den Fig. 3(a) und 3(b) sind die Kühlzeiträume, welche zur Abkühlung von der Maximaltemperatur auf 8000C sowie
von 800 auf 50O0C erforderlich sind, für die herkömmliche
Schweißung unter natürlicher Kühlung und für die unter Zuhilfenahme der verschiedenen Kühlmethoden durchgeführte
Schweißung dargestellt. Man erkennt aus Fig. 3(a), daß die zur Kühlung von der Maximaltemperatur auf 8000C erforderliche
Kühldauer bei Verwendung von einer und zwei Düsen im Vergleich zur spontanen Kühlung stufenweise verkürzt
werden kann. Bei Verwendung von drei Düsen bleibt die Kühldauer nahezu gleich wie beim Einsatz von zwei Düsen. Eine
etwas kürzere Kühldauer läßt sich bei Anwendung eines Zwangsumlaufes des Kühlwassers erzielen. Aus Fig. 3(b)
erkennt man ferner, daß der zur Kühlung durch den Bereich von 800 bis 5000C erforderliche Zeitraum mit Erhöhung der
Anzahl der Düsen und damit des Durchsatzes stufenweise verkürzt werden kann und ein Zwangs- bzw. Druckumlauf des
Kühlwassers eine mehrfach höhere Kühlgeschwindigkeit als im Falle der spontanen Kühlung ergibt.
Die Fig. 3(a) und 3(b) zeigen ferner, daß für den Temperaturbereich
von 800 bis 5000C bei Verwendung von flüssigem Stickstoff oder Trockeneis nahezu dieselbe Kühlgeschwindigkeit
wie im Falle des Zwangs- bzw. Druckumlaufs mit drei Düsen (Durchsatz 45 l/min) erzielt wird. Diese hohen Kühleffekte
von flüssigem Stickstoff und Trockeneis können auf die Vorkühlung der Schweißnaht durch den Flüssigstickstoff vor
dem Besprühen mit Hilfe der Düsen oder durch das Trockeneis vor der Ausbildung des Lichtbogens aus dem Schweißbrenner
zurückzuführen sein. Bei Verwendung von flüssigem Stickstoff
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und Trockeneis kann die zur Kühlung von 800 auf 5000C erforderliche
Zeitspanne wesentlich langer als im Palle einer Wasserkühlung sein, da der flüssige Stickstoff oder das
Trockeneis eine geringere Wärmeaustauschkapazität als Wasser aufweist.
In Pig. 4 ist die zur Kühlung von 800 auf 50O0C erforderliche
Zeitspanne für verschiedene Wärmezufuhren am Beispiel des Stahlprüfkörpers A dargestellt (für die herkömmliche
Schweißung und die erfindungsgemäße, mit unterschiedlichen Kühlmethoden durchgeführte Schweißung). Die
ausgezogene Linie in Pig. 4 gibt die "berechneten Werte
für die herkömmliche ÜP-Schweißung bei natürlicher Kühlung wieder. Die gemessenen Werte für die herkömmliche Schweissung
und die erfindungsgemäße Methode unter Wasserkühlung mit einer Düse werden in Pig. 4 in der Nachbarschaft von
65000 J/cm dargestellt. Die gemessenen Werte für die übrigen Kühlmethoden sind in Pig. 4 für die Wärmezufuhr von
65000 J/cm veranschaulicht. Die weißen Symbole in Pig. 4 stellen die gemessenen Werte im mittleren Teil des Prüfkörpers
dar, während die schwarzen Symbole die an der äusseren Oberfläche des Prüfkörpers gemessenen Werte wiedergeben.
Pig. 4 zeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Schweissung mit einer Düse nahezu die dreifache Kühlgeschwindigkeit
als bei der herkömmlichen Schweißung erzielt wird. Bei Erhöhung der Anzahl der Düsen und damit des Kühlwasserdurchsatzes
wird eine höhere Kühlgeschwindigkeit erzielt. Im Palle eines Zwangs- bzw. Druckumlaufs des Kühlwassers mit
drei Düsen (Durchsatz: 45 l/min) kann die mittlere Kühlgeschwindigkeit auf 23°C/Sek. erhöht werden. Pig. 4 zeigt
außerdem, daß die Ktihlgeschwindigkeit aufgrund der rückseitigen Kühlung im mittleren Bereich höher als an der oberen
Fläche des Prüfkörpers ist.
Pig. 5 zeigt typische Kühlkurven für die Prüfkörper C, welche der herkömmlichen Schweißung (unter natürlicher Küh-
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lung) und der erfindungsgemäßen Sohweißung (unter rückseitiger Kühlung) unterworfen wurden. Aus Pig. 5 geht hervor, daß
die maximale Kühlkapazität im Falle des Zwangs- bzw. Druckumlaufs des Kühlwassers mit drei Düsen (Durchsatz: 45 l/min)
erzielt werden kann.
Der Stahlprüfkörper A wird an der Innenseite unter den aus Tabelle IV ersichtlichen Bedingungen einer UP-Schweißung und
anschließend an der Außenseite einer UP-Schweißungf wobei
die Eohrinnenseite mit Wasser, Stickstoff und Trockeneis gemäß den vorstehenden sechs Ktihlvarianten gekühlt wird,
unterworfen. In den Pig. 6(a) und 6(b) sind die gemessenen Werte für die Zähigkeit der Schweißnaht gegen die Kühldauer
aufgetragen, welche zur Kühlung von der Maximaltemperatur
auf 8000C bzw. von 800 auf 5000C erforderlich ist. Die
Zähigkeit der Schweißnaht wird an drei Stellen gemessen, nämlich in der Nähe der äußeren Oberfläche der Schweißnaht,
im mittleren Bereich und in der Nähe der inneren Oberfläche der Schweißnaht. Es werden dieselben Drähte a
für die voranschreitende und die nachfolgende Elektrode
sowie das Pulver Y zur Bildung der inneren und äußeren Schweißnaht verwendet.
Aus Fig. 6(a) geht hervor, daß die Zähigkeit des Schweißguts im angegebenen Temperaturbereich bei einer kürzeren
Kühldauer verbessert wird. Auch Fig. 6(b) zeigt, daß eine kürzere Kühldauer im angegebenen Temperaturbereich zu
einer höheren Zähigkeit des Schweißguts führt. Das Schweißgut des Prüfkörpers A weist vermutlich eine erhöhte
Härtbarkeit auf; bei einer mittleren Kühlgeschwindigkeit von 15°C/Sek. (Kühldauer = 20 Sekunden) für
den Temperaturbereich von 800 bis 5000C läßt sich ein praktisch
konstanter Wert vE - 300C von 127 bis 136 ft-lb (17»56 bis
18,60 mkg) erzielen·
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Der Stahlprüfkörper B wird ebenfalls unter den aus Tabelle IV ersichtlichen Bedingungen einem IJP-Schweißdurehgang
unterworfen. Das dabei erhaltene Rohr wird sodann an der äußeren Fuge nach der ÜP-Methode geschweißt, wobei die
innere Schweißnaht in der vorstehend beschriebenen Weise gekühlt wird.
In den Fig. 7(a) und 7(b) sind die gemessenen Werte der
Zähigkeit des Schweißguts gegen die Kühlzeiträume aufgetragen, welche zur Kühlung durch die angegebenen Temperaturbereiche
erforderlich sind.
Gemäß den Fig. 7(a) und 7(b) werden die Drähte a und b sowie das Pulver Y für die innere Schweißung und dieselben
Drähte a mit dem Pulver Y für die äußere Schweißung verwendet. Die Zähigkeit der Schweißnaht wird an drei Stellen
gemessen, und zwar in der Nähe der äußeren Oberfläche der Schweißnaht, im mittleren Bereich und in der Nähe der inneren
Oberfläche der Schweißnaht.
Die Fig. 7(a) und 7(b) lassen erkennen, daß die Zähigkeit des Schweißguts umso höher ist, je kürzer die Kühlzeiträume
für die angegebenen Temperaturbereiche sind. Insbesondere die aus Fig. 7(b) ersichtliche Kühldauer für den Temperaturbereich
von 800 bis 50O0C beeinflußt die Zähigkeit des
Schweißguts nachhaltig. Im vorliegenden Falle wurden die kompensierenden Drähte (der voranschreitende Draht a und
der nachfolgende Draht b) für die innere Schweißung verwendet, um den Abschreckeffekt zu verringern, welcher während
der äußeren Schweißung auf die innere Schweißnaht einwirken kann. Wenn der durch "geregeltes Walzen" erzeugte
Prüfkörper B der herkömmlichen Schweißung unterworfen wird, erhält die innere Schweißnaht eine geringere Zähigkeit als
die äußere Schweißnaht oder die Übergangszone zwischen der äußeren und inneren Schweißnaht aufgrund einer Ausscheidungshärtung,
welohe durch die Ausscheidung von Nb und Y aus dem Grundwerkstoff und Ti aus den Schweißdrähten verursacht
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wird. Im Falle der erfindungsgemäßen Schweißung unter rückseitiger
Kühlung steht den genannten Elementen keine zur Ausscheidung ausreichende Zeit und Temperatur zur Verfügung,
wodurch der Bereich der Ausscheidungs-Sprödigkeit auf ein Minimum verkleinert werden kann.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Schweißmethode kann somit aufgrund der Unterdrückung der Ausscheidungshärtung des
im vorangehenden Durchgang eingebrachten Schweißguts auf den Einsatz von kompensierenden Drähten bzw. Elektroden
verzichtet werden. Die Zähigkeit des Schweißguts kann dadurch weiter verbessert werden, daß man Drähte mit hoher
Härtbarkeit (wie die Drähte a) für die voranschreitende und die nachfolgende Elektrode verwendet.
Gemäß den Fig. 7(a) und 7(b) werden die Drähte a und b und das Pulver Y für die innere Schweißnaht sowie die Drähte a
und das Pulver Y für die äußere Schweißnaht verwendet.
Die Fig. 8(a) und 8(b) zeigen die Resultate von entsprechenden, an der Stahlplatte C vorgenommenen Tests. Aus den
Figuren geht hervor, daß die Testergebnisse für den Stahlprüfkörper 0 im wesentlichen jenen der Stahlprtifkörper A
und B entsprechen.
In den Fig. 6 bis 9 geben die weißen Kreise die in der Nähe der äußeren Oberfläche gemessenen Werte wieder, während die
schwarz-weißen Kreise und die schwarzen Kreise den Werten entsprechen, welche mit Hilfe der Thermoelemente in den
Zwischenbereichen bzw. in der Nähe der inneren Oberfläche bestimmt wurden.
Wenn eine dünne Stahlplatte geringerer Qualität durch UP-Schweißung
unter Verwendung eines herkömmlichen Drahts A zu einem Rohr geformt wird, kann häufig der Fall eintreten,
daß das Schweißgut keine ausreichende Zähigkeit besitzt. Da-
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her wurde früher vorgeschlagen, einen Ni/Mo/B-Draht sowie
ein mit MnO und ZrOg versetztes Pulver (wie das Pulver X von Tabelle III) zu verwenden. In den Pig. 9(a) und 9(b)
ist die Zähigkeit gegen die Kühldauer der Schweißverbindung aufgetragen, welche unter Verwendung der dünnwandigen
Stahlprüfplatte D geringer Qualität und einer Kombination der herkömmlichen Pulver und Drähte erzielt wurde.
Die Stahlplatte D wird durch UP-Schweißung an der Innenseite
unter Verwendung derselben Drähte a für die voranschreitende und die nachfolgende Elektrode sowie des Pulvers
X zu einem Rohr geformt. Das Rohr wird anschließend an der Außenseite unter Verwendung derselben Drähte a+a
und des Pulvers Y unter gleichzeitiger Kühlung seiner Innenseite der UP-Schweißung unterworfen. Die Zähigkeit des
Schweißguts wird in der Nähe der äußeren und inneren Oberfläche sowie im mittleren Bereich in Abhängigkeit von der
Kühldauer für die beiden Bereiche der Kühltemperatur gemessen.
Während gemäß Pig. 9(a) keine feste Beziehung zwischen der Zähigkeit des Schweißgute und der Kühldauer oberhalb
8000C festgestellt werden kann, geht aus Pig. 9(b) hervor,
daß eine kürzere Kühldauer im Bereich von 800 bis 5000O
die Zähigkeit der Schweißnaht stark verbessert. Man erkennt aus Pig. 9(b), daß die Zähigkeit im Vergleich zur spontanen
Kühlung auf etwa den doppelten Wert (ausgedrückt als vE-30°C) und um etwa 400C (ausgedrückt als vTrs) verbessert werden
kann.
In den Pig. 10(a) und 10(b) ist die Zähigkeit der Wärmeeinflußzone
eines durch UP-Schweißung unter den aus Tabelle IV ersichtlichen Bedingungen erhaltenen Stahlrohrs A gegen die
Kühldauer aufgetragen. Man erkennt, daß die Zähigkeit der Wärmeeinflußzone in beiden Temperaturbereichen durch Verkürzung
der Kühldauer verbessert werden kann. Im Falle einer rückseitigen Kühlung von 800 auf 5000C innerhalb von 14 Sek.
läßt sich die Zähigkeit gegenüber der spontanen Kühlung auf
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etwa das Doppelte (ausgedrückt als vE-30°C) und um etwa 150C (ausgedrückt als vTrs) verbessern. Die beschleunigte
Kühlung durch den Temperaturbereich oberhalb 8000C führt
vermutlich zu einer Verringerung der Größe der voraustenitischen Kristallkörner und verhindert eine Schwächung der
γ-Korngrenze. Man nimmt ferner ant daß die beschleunigte
Kühlung durch den Bereich von 800 bis 5000C die Bildung
eines hochzähen unteren Troostits (Bainite) , fördert jedoch
die Bildung des oberen Troostits (Bainite)* welcher vom Standpunkt der Zähigkeit schädlich sein kann, verhindert.
Die Pig. 11(a) und 1i(b) zeigen entsprechende» mit den
Stahltypen B und C erzielte Resultate. Im Falle des Stahltyps
B führen höhere Kühlgeschwindigkeiten durch beide Temperaturbereiche zu einer höheren Zähigkeit der Wärmeeinflußzone.
Tor allem beeinflußt die Dauer der Kühlung durch den Bereich von 800 bis 5000C die Zähigkeit der
Wärmeeinflußzone nachhaltig. Wenn die Wärmeeinflußzone innerhalb von 12,5 Sek. durch den genannten Temperaturbereich
abgekühlt wurde, können die gemessenen Zähigkeitswerte um das 1,8-fache (ausgedrückt als vE-30°C) und um
etwa 330C (ausgedrückt als vTrs) im Vergleich zur spontanen
Kühlung verbessert werden. Im Falle des Stahltyps C wird die Zähigkeit der Wärmeeinflußzone durch die Kühldauer im
Bereich von 800 bis 5000C maßgeblich beeinflußt. Wenn die
Wärmeeinflußzone innerhalb von 17 Sek. durch den genannten Bereich abgekühlt wurde, können die Zähigkeitswerte im Vergleich
zur spontanen Kühlung um das etwa 1 1/2-fache (ausgedrückt
als vE-30°C) und um etwa 380C (ausgedrückt als vTrs) verbessert werden. Entsprechende Resultate gehen aus
den Fig. 12(a) und 12(b) für den Stahltyp D hervor. Während
für den Temperaturbereich oberhalb 8000C keine bestimmte Beziehung
zwischen der Zähigkeit und der Kühldauer feststellbar ist, zeigt Fig. 1i(b), daß eine für die Kühlung durch
den Bereich von 800 bis 5000C erforderliche kürzere Zeitspanne
zu einer deutlich verbesserten Zähigkeit (ausgedrückt
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ale vTrs) führt.
Fig. 15(a) und 13(b) zeigen die Auswirkungen der erfindungsgemäßen
rückseitigen Kühlung auf die maximale Härte des Schweißguts und der Wärmeeinflußzone von aus den Stahlplatten
A, B und C hergestellten Testrohren. Die Rohre werden durch Schweißung längs einer longitudinalen Verbindungslinie
an der Innenseite und anschließende Schweißung längs derselben Verbindungslinie an der Außenseite unter gleichzeitiger
Zwangskühlung von Seiten der inneren Schweißnaht (wie beschrieben) hergestellt. Bei diesen Stahltypen
existiert wiederum keine definierte Beziehung zwischen der Härte und der Kühldauer durch den Temperaturbereich oberhalb
8000C. Wie jedoch aus Fig. 13(b) hervorgeht, kann die
Härte der Schweißnahtzone bei einer kürzeren Kühldauer für den Temperaturbereich von 800 bis 5000C fortlaufend erhöht
werden, bis die praktisch konstanten Werte von Hv.max.238
für das Schweißgut und Hv.max.260 für die Wärmeeinflußzone
hinsichtlich der Stahltypen A und B erreicht werden. Im Falle der Stahltypen B und C weist die maximale Härte des
Schweißguts bei einer Erhöhung der Kühlgeschwindigkeit für den Bereich von 800 bis 5000C anfangs eine steigende Tendenz
auf und beginnt dann langsam abzusinken, während die Härte der Wärmeeinflußzone monoton ansteigt. Beim Stahl typ B
erreicht die Härte der Wärmeeinflußzone den Wert Hv.max.258
bei der mittleren Kühlgeschwindigkeit von 24°C/Sek. für den Bereich von 800 bis 5000C. Das Kohlenstoff äquivalent (CäqJ
des Stahltyps C beträgt 0,368 und ist somit niedriger als
jenes des Stahltyps B (0,385); daher besitzt der Stahl C
eine geringere Härtbarkeit als der Stahl B. Daraus folgt der etwas geringere "Wert der maximalen Härte der Wärmeeinflußzone
und des Schweißguts beim Stahltyp C gegenüber dem Stahltyp B.
In Falle der durch "geregeltes Walzen1* erhaltenen Stahltypen
B und C verringert sich die Härte des Schweißgute bei kürzerer
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Dauer der rückseitigen Kühlung im Temperaturbereich von 800 bis 50O0O, wie vorstehend erläutert wurde. Pig. 14
zeigt die Härteverteilung bzw. -streuung in Richtung der Flattendicke am inneren und äußeren Schweißgut für die
Schweißverbindung des Stahltyps B. Bei der herkömmlichen UP-Schweißung, an welche sich eine spontane Kühlung anschließt,
werden die innere und äußere Oberfläche sowie die benachbarten Bereiche durch Erhitzen in die Nähe der
Schmelzpunkte erweicht und die Elemente wie Bb, Ti und Y
werden in eine feste Lösung umgewandelt. Andererseits wird der etwa 2 mm von der inneren und äußeren Oberfläche entfernte
mittlere Bereich des Schweißguts auf einen Bereich von 6000O bis zum Ac-Punkt erhitzt und durch die Ausscheidung
von Ni, V und Ti in Form von Carbiden und Nitriden gehärtet«
Wenn das an der Außenseite geschweißte Stahlrohr jedoch an der Innenseite unter gleichzeitiger Kühlung von
der Rückseite her geschweißt wird, wird der Bereich der für die Ausscheidung dieser Elemente erforderlichen Temperatur
und Zeit begrenzt. !Die Ausscheidungshärtung wird dadurch unterdrückt, was wiederum zu-einer geringeren Härte im inneren
Bereich führt. Andererseits wird die äußere Schweißnaht bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit der rückseitigen
Kühlung gehärtet, da dieselben Drähte a für die äußere Schweißung verwendet werden. Bei einer nach der erfindungsgemäßen
Methode erzielten Schweißverbindung verlagert sich somit der Bereich der maximalen Härte aus dem vergleichbaren
Gebiet der Schweißnaht, welche durch herkömmliches, nicht von einer rückseitigen Kühlung begleitetes Schweissen
erzielt wird. Die Härte der Wärmeeinflußzone erhöht sich bei den betreffenden Stahltypen, wie erwähnt, bei einer
Erhöhung der Geschwindigkeit der rückseitigen Kühlung. Der Bereich der maximalen Härte befindet sich in einer mittleren
Zone, welche sich in einem Abstand von 0,5 bis 1 mm von der Schmelzlinie befindet; vgl. die Pig. 15(a) und 15(b). Die
Härtung der Schweißnaht wird mehr durch die Ktihldauer für den Bereich von 800 bis 5000C als durch die Kühldauer für den Be-
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reich oberhalb 8000C beeinflußt. Es wird angenommen, daß
die Kühldauer für den Temperaturbereich oberhalb 8000C ,die
Korngrößen der Austenit-Kristallkörner beeinflußt, während
die Kühldauer für den Bereich zwischen 800 und 5000C die
Ausscheidung des unteren Iroostits (Bainite) begünstigt, während sie die Bildung des oberen Troostits (Bainite)
unterdrückt.
Die Fig. 16(a) und 16(b) veranschaulichen die Testergebnisse
bezüglich der Auswirkungen der rückseitigen Kühlung auf die Härte der Wärmeeinflußzone und des Schweißguts für den
Stahl D geringer Qualität. Man erkennt, daß die Härte der Wärmeeinflußzone und des Schweißguts durch die Kühlgeschwindigkeiten
in den angegebenen Temperaturbereichen stark beeinflußt wird und daß die Härtung bei rascherer
Kühlung ausgeprägter ist. Aus den Figuren geht hervor, daß die Härte des Schweißguts bei rückseitiger Kühlung während
15 Sek. durch den Bereich von 800 bis 5000C Hv.max. 242
beträgt, während die Härte der Wärme einflußzone einen Wert von Hv.max.193 besitzt.
Die Fig. 17(a) und 17(b) bzw. die Fig. 18(a) und 18(b) sind photographische Aufnahmen (400fache Vergrößerung) der Mikrostrukturen
der Wärmeeinflußzone des Stahltyps A bzw. B, welche
durch herkömmliche Schweißung bzw. durch erfindungsgemäße Schweißung mit Hilfe von drei Düsen unter Zwangsumlauf
erzielt wurden. Aus den Figuren geht hervor, daß die Größen der voraustenitischen Kristalle der grobkörnigen Wärmeeinflußzone
bei beiden Stahltypen (A und B) durch die rückseitige Wasserkühlung verringert werden. Man erkennt ferner,
daß die Wärmeeinflußzone infolge der überwiegenden Bildung des wattron Troostits (Bainite) und der entsprechenden Unterdrückung
des %froοst1ts (Bainite) eine hohe Zähigkeit
erreicht.
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Die Fig. 19(a) und I9(b) sind mit Hilfe eines Elektronenmikroskops
(300Ofache Vergrößerung) aufgenommene Photos, welche die Mikrostrukturen des an der Außenseite befindlichen
Schweißguts eines durch herkömmliche Schweißung erhaltenen Rohrs aus dem Stahl B und eines durch erfindungsgemäße
Schweißung aus demselben Stahltyp erhaltenen Rohrs zeigen. Die Aufnahmen lassen erkennen, daß die Bildung
grober Ferrite in der Schweißnahtzone durch die rückseitige Kühlung unterdrückt wird und daß eine stark verfeinerte
Ferritstruktur zusammen mit einem geringen Anteil von Troostit (Bainit) vorhanden ist.
Die Breite und Größe der grobkörnigen Wärmeeinflußzone können durch die rückseitige Kühlung verringert werden.
Die Fig. 20(a) und 20(b) zeigen die Breite und Länge des
grobkörnigen Bereichs der Wärmeeinflußzone für die betreffenden Stahltypen bei verschiedenen Geschwindigkeiten der
rückseitigen Kühlung. Man erkennt, daß die Breite und Länge des grobkörnigen Bereichs der Wärmeeinflußzone bei
den betreffenden Stahltypen durch Anwendung höherer Kühlgeschwindigkeiten für die Temperaturbereiche oberhalb 8000C
sowie von 800 bis 5000C verringert werden können. Bei Verwendung
von flüssigem Stickstoff und Trockeneis läßt sich aufgrund der Vorkühleffekte eine höhere Ktihlgeschwindigkeit
für den Temperaturbereich oberhalb 8000C erzielen. Die Größe
des grobkörnigen Bereichs kann daher selbst dann verringert werden, wenn für den Temperaturbereich von 800 bis 5000C
eine langsamere Kühlung angewendet wird.
Für die Erhöhung der Zähigkeit der Wärmeeinflußzone ist daher eine rasche Kühlung durch die vorgenannten beiden
Temperaturbereiche erforderlich. Durch die rasche Kühlung durch den Bereich oberhalb 8000C wird die Breite der grobkörnigen
Zone verringert und eine Vergröberung der voraustenitischen Kristallkörner verhindert. Die rasche Kühlung
durch den Bereich von 800 bis 5000C verhindert andererseits
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die Ausscheidung des oberen . Troostits (Bainite) und begünstigt die Bildung des unteren Troostits (Bainite). Das
vorgenannte gilt ebenso für das Schweißgut. Die rasche Kühlung durch die beiden Temperaturbereiche bewirkt somit, daß
die Perritbasis des geschmolzenen Metalls feiner wird,und
erleichtert die Bildung des unteren Troostits (Bainite), durch welche die Zähigkeit des Schweißguts erhöht wird.
Wenn der Grundwerkstoff durch "geregeltes Walzen" erzeugt
wird, wird die innere Schweißnaht eines zuvor an der Aussenseite geschweißten Rohres bekanntlich bei der Abkühlung
aufgrund der Ausscheidungshärtung extrem spröde. Bisher wurden zum Schweißen der Innenseite eines zuvor außenseitig
geschweißten Stahlrohres kompensierende Drähte verwendet. Bei einem an der Innenseite und an der Außenseite durch
Lichtbogenschweißung unter rückseitiger Kühlung geschweißten Stahlrohr besteht die Tendenz» daß die Schweißnaht an
der Innenseite eine geringere Härte als jene an der Aussenseite aufweist. Um die Härte und Zähigkeit der Schweißnaht
einheitlicher zu gestalten, wurden Tests durchgeführt,
bei welchen derselbe Draht a bzw. unterschiedliche Drähte a und b für die voranschreitende und nachfolgende Elektrode
verwendet wurden. Die Fig. 21 und 22 zeigen die Ergebnisse. In Pig. 21 ist die Zähigkeit der Schweißnaht gegen den
Abstand von der Außenseite für die beiden Fälle aufgetragen, daß die Stahlrohre (vom Typ B und C) der beidseitigen
Schweißung und anschließenden spontanen Kühlung (bek. UP) und der erfindungsgemäßen Schweißung (erf. UP) unter Verwendung
von zwei Düsen (Durchsatz 24 l/min) unterworfen werden. Wie Fig. 21 zeigt, ist bei Verwendung der voranschreitenden
Elektrode b und der nachfolgenden Elektrode a die innere Oberflächenzone des durch die erfindungsgemäße
Schweißung erzielten Schweißguts weniger zäh als die mittlere Zone und die äußere Oberflächenzone. Dagegen weist
die mittlere Zone des durch die erfindungsgemäße Schweißung erzielten Schweißguts bei Verwendung desselben Drahts a für
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sowohl die voranschreitende als auch die nachfolgende Elektrode nahezu dieselbe Zähigkeit wie die restliche Zone
auf. In Pig. 22- ist die Härte der Schweißnaht gegen den Abstand von der äußeren Oberfläche der Schweißnaht aufgetragen,
wobei sich die Trennlinie zwischen der äußeren und inneren Schweißnaht in einem Abstand von etwa 13 mm von
der äußeren Oberfläche befindet. Der Prüfkörper besteht aus dem Stahl C; die strichlierte und ausgezogene Linie
geben die Kurven wieder, welche durch herkömmliche Schweißung bzw. erfindungsgemäße Schweißung mit zwei
Düsen erzielt wurden, Ss ist anzunehmen, daß die durch
Verwendung der kompensierenden Drähte (Drähte a und b) erzielte innere Schweißnaht eine geringere Härte erhält»
da ihr Härtungsprozeß durch die rückseitige Kühlung beeinträchtigt und dadurch auch die Ausscheidungshärtung
verhindert wird. Aus Pig. 22 geht hervor, daß bei Verwendung derselben Drähte a für sowohl die voranschreitende
als auch die nachfolgende Elektrode eine einheitliche Härteverteilung in Richtung der Plattendicke erzielt werden kann.
Es wird angenommen, daß die Ausscheidungshärtung in der Nachbarschaft der inneren Oberfläche der Schweißnaht durch
die rückseitige Kühlung unterdrückt wird, während die innere Oberfläche durch die Kühlung geringfügig gehärtet wird.
Dadurch wird dem in der Nähe der inneren Oberfläche befindlichen Bereich eine genügende Zähigkeit verliehen. Wenn man
somit im Falle der unter rückseitiger Kühlung erfolgenden erfindungsgemäßen Schweißung dieselben Drähte a für die
voranschreitende und nachfolgende Elektrode anläßlich der
innenseitigen Schweißung verwendet, läßt sich ein über seine Dicke gleichmäßig zähes Schweißgut erzielen. Auf
diese Weise kann auch aufgrund der Unterdrückung der Ausscheidungshärtung, welche ansonsten in der Nähe der inneren
Oberfläche erfolgen würde, eine einheitliche Härte über die Plattendicke erreicht werden.
Bei der vorstehend erläuterten Aueführungeform wird zunächst
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die innere Schweißnaht am Rohr erzeugt und anschließend wird
die Außenseite des Rohres unter gleichzeitiger Kühlung der Innenseite geschweißt. Man kann jedoch auch zuerst die Aussenseite
des Rohres und anschließend dessen Innenseite unter gleichzeitiger Kühlung der Außenseite schweißen. Wenn
die Schweißung an der Innen- und Außenseite in mehreren Durchgängen erfolgt» kann man die rückseitige Kühlung auch
beim letzten Durchgang anwenden.
Obwohl die Erfindung vorstehend in bezug auf die UP-Schweissung
mit zwei Elektroden erläutert wurde, läßt sie sich auch auf die Schutzgasschweißung anwenden. Man kann auch
eine einzige Elektrode oder aber drei oder mehr Elektroden verwenden. Da jedoch die TJP-Schweißung in der Regel
mit einer geringeren Kühlgeschwindigkeit verbunden ist und bei Verwendung mehrerer Elektroden gewöhnlich eine
höhere Wärmezufuhr erforderlich ist, läßt sich die Erfindung mit Vorteil auf die in einem Durchgang erfolgende
ÜP-Schweißung von dickwandigen Stahlrohren mit hohem Durchmesser an der Innen- und Außenseite unter Verwendung von
zwei oder mehr Elektroden anwenden.
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Claims (8)
- PATENTANSPRÜCHEVerfahren zum Lichtbogenschweißen eines Stahlrohres» wobei eine Stahlplatte zu einem Rohr gebogen und die Fuge in mehreren Durchgängen verschweißt wird, und wobei die Schweißnaht während des letzten Schweißdurchgangs von jener Seite her zwangsgekühlt wird, welche der Seite
entgegengesetzt ist, an der die Schweißung erfolgt, - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangskühlung mit einer Geschwindigkeit von 8 bis 4O°C/Sek. bis zum Absinken der Temperatur der Schweißnaht auf 5000C durchgeführt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangskühlung mit einer Geschwindigkeit von 15 bis 30°C/Sek. bis zum Absinken der Temperatur der Schweißnaht auf 5000C durchgeführt wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die Kühlung innerhalb von 11 Sek. bis zum Absinken der Temperatur der Schweißnaht auf 8000C durchgeführt wird.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium Wasser verwendet wird«
- 6# Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium flüssiger Stickstoff verwendet wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß als Kühlmedium Trockeneis verwendet wird.709807/0857
- 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißdurchgänge vor dem letzten Durchgang durch Unterpulver-Lichtbogenschweißung vorgenommen werden» wobei man als Drähte für die voranschreitende und die nachfolgende Elektrode jeweils dieselben Ni/Mo/Ti-Schweißdrähte verwendet.709807/0857Leerseite
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2635743A1 true DE2635743A1 (de) | 1977-02-17 |
DE2635743C2 DE2635743C2 (de) | 1983-12-08 |
Family
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DE19762635743 Expired DE2635743C2 (de) | 1975-08-08 | 1976-08-09 | Kühlapparat zur Kühlung der beim Lichtbogenschweißen entstehenden Wärmeeinflußzone eines von außen zu schweißenden Stahlrohres |
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GB (1) | GB1552660A (de) |
IT (1) | IT1067834B (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006033992A1 (de) * | 2006-01-23 | 2007-08-02 | Schmidt + Clemens Gmbh + Co. Kg | Schweißverfahren |
CN116213887A (zh) * | 2023-05-08 | 2023-06-06 | 中南大学 | 一种1.2738钢塑胶模具的氩弧焊修复方法 |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS52110244A (en) * | 1976-03-12 | 1977-09-16 | Hitachi Ltd | Method and apparatus for welding |
JPS53115387U (de) * | 1977-04-07 | 1978-09-13 | ||
WO1995023669A1 (de) * | 1994-03-01 | 1995-09-08 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zum schweissen von metallischen werkstücken und vorrichtung zum durchführen des verfahrens |
DE19608108C2 (de) * | 1996-03-02 | 1999-04-15 | Audi Ag | Kühlvorrichtung |
EP1531959B1 (de) | 2002-07-17 | 2008-03-05 | Shell Internationale Researchmaatschappij B.V. | Verfahren zur verbindung von expandierbaren rohren |
EA008322B1 (ru) * | 2002-07-25 | 2007-04-27 | Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В. | Кузнечная сварка труб |
US7282663B2 (en) | 2002-07-29 | 2007-10-16 | Shell Oil Company | Forge welding process |
US7774917B2 (en) | 2003-07-17 | 2010-08-17 | Tubefuse Applications B.V. | Forge welding tubulars |
GB201203030D0 (en) | 2012-02-22 | 2012-04-04 | Tubefuse Applic B V | Forge welding of tubular articles |
US11767934B2 (en) | 2013-05-23 | 2023-09-26 | Crc-Evans Pipeline International, Inc. | Internally welded pipes |
US10480862B2 (en) | 2013-05-23 | 2019-11-19 | Crc-Evans Pipeline International, Inc. | Systems and methods for use in welding pipe segments of a pipeline |
US10695876B2 (en) | 2013-05-23 | 2020-06-30 | Crc-Evans Pipeline International, Inc. | Self-powered welding systems and methods |
US10828715B2 (en) | 2014-08-29 | 2020-11-10 | Crc-Evans Pipeline International, Inc. | System for welding |
CN108290245A (zh) * | 2015-12-18 | 2018-07-17 | 自动工程公司 | 增强型结构部件 |
US11458571B2 (en) | 2016-07-01 | 2022-10-04 | Crc-Evans Pipeline International, Inc. | Systems and methods for use in welding pipe segments of a pipeline |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1007448B (de) * | 1954-11-17 | 1957-05-02 | Philips Nv | Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweissen in kohlensaeurehaltiger Atmosphaere mit abschmelzender Drahtelektrode |
DE1115381B (de) * | 1959-07-01 | 1961-10-19 | Philips Nv | Verwendung einer Schweisselektrode aus einem Stahlkern mit einer ZrO und eine Menge Silikat enthaltenden basischen, wasserstoffarmen Umhuellung |
-
1975
- 1975-08-08 JP JP9575575A patent/JPS5220345A/ja active Granted
-
1976
- 1976-08-05 GB GB3260576A patent/GB1552660A/en not_active Expired
- 1976-08-06 CA CA258,605A patent/CA1051979A/en not_active Expired
- 1976-08-06 FR FR7624126A patent/FR2320159A1/fr active Granted
- 1976-08-06 IT IT2612476A patent/IT1067834B/it active
- 1976-08-09 DE DE19762635743 patent/DE2635743C2/de not_active Expired
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1007448B (de) * | 1954-11-17 | 1957-05-02 | Philips Nv | Verfahren zum Schutzgas-Lichtbogenschweissen in kohlensaeurehaltiger Atmosphaere mit abschmelzender Drahtelektrode |
DE1115381B (de) * | 1959-07-01 | 1961-10-19 | Philips Nv | Verwendung einer Schweisselektrode aus einem Stahlkern mit einer ZrO und eine Menge Silikat enthaltenden basischen, wasserstoffarmen Umhuellung |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006033992A1 (de) * | 2006-01-23 | 2007-08-02 | Schmidt + Clemens Gmbh + Co. Kg | Schweißverfahren |
CN116213887A (zh) * | 2023-05-08 | 2023-06-06 | 中南大学 | 一种1.2738钢塑胶模具的氩弧焊修复方法 |
CN116213887B (zh) * | 2023-05-08 | 2023-08-11 | 中南大学 | 一种1.2738钢塑胶模具的氩弧焊修复方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2635743C2 (de) | 1983-12-08 |
IT1067834B (it) | 1985-03-21 |
JPS5220345A (en) | 1977-02-16 |
JPS5311496B2 (de) | 1978-04-21 |
FR2320159A1 (fr) | 1977-03-04 |
FR2320159B1 (de) | 1980-04-04 |
CA1051979A (en) | 1979-04-03 |
GB1552660A (en) | 1979-09-19 |
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