DE2552401B2

DE2552401B2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Wärmebehandlung geschweißter Rohre mit verstärkter Schweißnaht

Info

Publication number: DE2552401B2
Application number: DE19752552401
Authority: DE
Inventors: Hisashi Gondo; Tsurugi Kimura; Hajime Nakasugi; Hideyuki Okatani; Tsutomu Sakimoto; Teruo Tanimoto; Toshio Yamamoto
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1974-11-26
Filing date: 1975-11-22
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE2552401A1; CA1042324A; FR2292772B1; FR2292772A1; IT1049805B; GB1496377A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Rahmen der Herstellung von Stahlrohren mit großem Durchmesser, beispielsweise nach dem UO-Verfahren, ist eine Wärmebehandlung der Rohre, die an den aneinanderstoßenden Teilen des Mantels verschweißt sind, erforderlich, damit entsprechende Qualitätseigenschaften des Rohres gewährleistet sind. Als Heizvorrichtung für diese Wärmebehandlung wird eine Induktionsheizvorrichtung mit hoher Heizleistung

bo und hoher Leistungsfähigkeit benutzt Unmittelbar nach der Erhitzung des geschweißten Rohres ist jedoch die Temperatur der Schweißnaht geringer als die Temperatur des Grundwerkstoffes des Rohres. F i g. 1 zeigt eine Temperaturverteilung innerhalb der Querschnittsfläche

(>^r) im Bereich der Schweißnaht Wenn das Auftragsverhältnis (2AtZt) groü ist, erhält man eine Temperaturverteilung nach F i g. 1 (a). Wenn dieses Auftragsverhältnis klein ist, ergibt sich eine Temperaturverteilung nach

F i g. 1 (b). Die maximale Temperaturdifferenz Δ T_max macht etwa 100 bis 200⁰C aus. Jede große Temperaturdu'ferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht beeinträchtigt die Güte des behandelten Rohres. Infolgedessen soll diese Temperaturdifferenz innerhalb zulässiger Grenzen geregelt werden, damit man Rohre hoher Qualität erhält.

Die zulässige Grenze für die Temperaturdifferenz hängt von dem Verfahren der Wärmebehandlung ab. Ein Beispiel für diese Schranke sind ±20° C für eine Wärmebehandlung bei 950° C.

Zur Verkleinerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht ist die Anwendung einer längeren Aufheizdauer für das geschweißte Rohr üblich, denn die verlängerte Aufheizzeit führt infolge der Wärmeleitung des Rohres zu einer Verkleinerung der genannten Temperaturdifferenz.

Fig.2 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung zur Wärmebehandlung mit einer Induktions-Heizvorrichtung. Danach sind Transportrollen I₁ 2, eine Heizvorrichtung 3 in Form einer Induktionsspule und eine Kühlvorrichtung 4 in der dargestellten Weise zur kontinuierlichen Wärmebehandlung geschweißter Rohre angeordnet Für eine solche Bearbeitungsstrecke besteht eine Grenze für den Abstand der Transportrollen entsprechend der Länge der behandelten Rohre (meistens 6—20 m); Entsprechendes gilt für den Abstand zwischen der Heizvorrichtung 3 und der Kühlvorrichtung 4 in bezug auf das Wärmebehandlungsverfahren und die Leistungsfähigkeit der Anlage. Auch die Länge der Heizvorrichtung selbst ist Grenzen unterworfen. Infolgedessen ist der einzige frei verfügbare Parameter zur Verkleinerung der Temperaturdifferenz die Verlängerung der Beheizungsdauer, was im Hinblick auf verschiedene Arbeitsbedingungen unzweckmäßig ist.

Eine andere Maßnahme zur Verkleinerung der Temperaturdifferenz liegt in der Vorerhitzung der Schweißnaht vor der eigentlichen Wärmebehandlung; diese Vorerhitzung erfolgt mit einem Gasbrenner. Diese Arbeitsweise ist nach den durchgeführten Untersuchungen mit folgenden Nachteilen behaftet:

a) Die zur Vorerhitzung der Schweißnaht eingesetzte Wärmemenge verteilt sich in Umfangsrichtung des Rohres, wenn das Rohr nach der induktiven Erhitzung durch die Kühlvorrichtung gelangt, so daß die der Schweißnaht benachbarten Bereiche des Grundmetalis eine höhere Temperatur als die Schweißnaht selbst haben. Infolgedessen werden diese Teile des Grundmetalls übermäßig stark erhitzt. Wenn sich dann das Rohr bei der Abkühlung zusammenzieht, konzentriert sich die Verformung auf den übermäßig erhitzten Bei eich. Die Verformung wird in diesem Bereich stärker als in arideren Bereichen, so daß die Rundheit des Rohrquerschnitts verschlechtert wird. Die Unrundheit macht etwa 20 bis 30 mm bei einem Rohrdurchmesser von 70 mm aus im Vergleich zu einer Unrundheit von 15 mm ohne Vorerhitzung der Schweißnaht.

b) Je höher die Frequenz des der Induktionsspule zugeführten Stromes ist, um so mehr wird die Wärmemenge konzentriert, jedoch die Eindringtiefe wird kleiner. Wenn die Temperatur des Wärmgutes kleiner ist, wird ebenfalls die Wärmeeindringtiefe kleiner. Infolgedessen kann nach dem Vorerhitzungsverfahren eine gleichförmige Erhitzung der Schweißnaht in Dickenrichtung dann nicht erreicht werden, wenn ein Hochfrequenzstrom benutzt wird. Die für eine Wandstärke von 10 mm nutzbare Frequenz beträgt 50 bis 150 Hz.
c) Die Temperatursteuerung ist schwierig, weil der Abstand zwischen der Regelstelle und der Kühlvorrichtung groß ist.

d) Nicht nur die Schweißnaht, sondern auch der Bereich um die Schweißnaht müssen erhitzt lü werden, so daß der Erhitzungsbereich die Wärmeausbeute absenkt.

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausgestaltung eines Verfahrens der genannten Art, daß die Temperais turdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht möglichst klein gehalten werden kann, um eine wirksame Wärmebehandlung zu garantieren.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung stellt eine kleine Temperaturdifferenz zwischen Grundmetall und Schweißnaht sicher. Außerdem hat das Verfahren eine hohe Wärmeausbeute. Das Verfahren kann automatisiert werden und arbeitet mit hoher Genauigkeit und hoher Ansprechempfindlichkeit. Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 6 gekennzeichnet

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in jo denen darstellen

F i g. 1 die Temperaturverteilung im Bereich der Schweißnaht für eine Erhitzung des Rohres ohne lokale Vorerhitzung,

Fig.2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Vorrichtung,

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Behandlung von Schraubennahtrohren,
F i g. 5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Wärmebehandlungsvorrichtung,

F i g. 6 eine Seitenansicht des Schweißnahterfassungsgerätes in F i g. 5,

F i g. 7 eine grafische Erläuterung der Schweißnahterfassung,

F i g. 8 und 9 jeweils Seitenansichten des Temperaturdifferenzmeßgerätes und des Nahtbeheizers,

Fig. 10 und 11 Blockschaltbilder des Nachführungsteils und der Ausgangssteuerung für den Nahtbeheizer,
so Fig. 12 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 13 Signalwellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach F i g. 12,

Fig. 14 ein Schaubild zur Erläuterung der Temperaturdifferenz zwischen Grundmetall und Schweißnaht in Abhängigkeit von dem Auftragsverhältnis bei einer Wärmebehandlung nach dem Stand der Technik und

Fig. 15 ein Schaubild zur Erläuterung der Temperaturdifferenz zwischen Grundmetall und Schweißnaht bo bei Anwendung der Erfindung.

Fig.3 zeigt eine Heizvorrichtung für nach dem UO-Verfahren hergestellte Rohre. Ein Rohr 7 wird auf Transportrollen 1, 2 gefördert, zwischen denen eine Heizvorrichtung 3 mit einer Induktionsspule, eine ro Kühlvorrichtung 4 zur Kühlung des in der Induktionsspule schnell aufgeheizten Rohres 7 und eine Nahtheizvorrichtung 5 zur zusätzlichen Aufheizung der Schweißnaht 9 des Rohres 7 angeordnet sind.

Das aus der Schweißstation kommende Rohr 7 wird über die Transportrollen 1 der Heizvorrichtung 3 zugeführt und durch die Induktionsspule schnell auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt. Dann wird die Schweißnaht 9, die eine niedrigere Temperatur als das Grundmetall 8 hat, zusätzlich durch die Nahtheizvorrichtung 5 erhitzt, damit die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall 8 und der Schweißnaht 9 auf eine zulässige Schranke verkleinert wird, innerhalb der diese Temperaturdifferenz keinen nachteiligen Einfluß auf die Güte des behandelten Rohres hat. Nach der Erfindung erfolgt die Zusatzbeheizung der Schweißnaht 9 durch die Nahtheizvorrichtung 5 unmittelbar nach der Aufheizung des Rohres durch die Heizvorrichtung 3, also die selektive Erhitzung der Schweißnaht 9, deshalb, weil die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall 8 und der Schweißnaht 9 nach der Erhitzung des Rohres 7 ohne Schwierigkeiten genau erfaßt werden kann. Infolgedessen ist eine Regelung dieser Temperaturdifferenz innerhalb zulässiger Schranken möglich. Dadurch kann die vor der Kühlung erforderliche Zeitdauer verringert werden. Infolgedessen kann man ohne Schwierigkeiten ein Wärmeprofil fahren, so daß nur eine geringe Gefahr einer Überheizung oder Unterbeheizung entsteht.

Im Rahmen der Erfindung wird eine Hochfrequenzspule für die Nahtheizvorrichtung eingesetzt. Man kann allerdings auch einen Gasbrenner, einen ölbrenner, einen Lichtbogen oder einen Laserstrahl einsetzen. Die jeweilige Einrichtung kann im Hinblick auf die Rohrgröße, die Rohrherstellung, den zur Verfügung stehenden Raum und die geforderte Leistung ausgewählt werden.

Das Verfahren nach der Erfindung ist auch bei Schraubennahtrohren anwendbar. In diesem Fall stimmen die Richtung der Schweißnaht 12 und die Richtung der Rohrachse nicht miteinander überein, so daß die Nahtheizvorrichtung 19 der Bahn der Schweißnaht 12 folgen muß.

Nach Fig.4 wird ein Stahlband 10 gerichtet und in einem Biegegerüst 13 zu einem Schraubennahtrohr 11 geformt. Die Schraubenwindungen werden durch eine Außenseitenschweißvorrichtung 14 mit Hilfe einer Schweißnaht 12 verschweißt. Das Rohr läuft über Stützrollen 15 und bewegt sich durch eine Heizvorrichtung 16, die auf das Biegegerüst 13 ausgerichtet ist. Hinter der Heizvorrichtung 16 befinden sich eine Kühldüse 17 und weitere Transportrollen 18. Das Stahlrohr 11 wird nach der Bildung der Schweißnaht von den Stützrollen 15 durch die Heizvorrichtung 16 bewegt und dabei auf die gewünschte Temperatur der Wärmebehandlung erhitzt. Zwischen der Heizvorrichtung 16 und der Kühldüse 17 befindet sich eine Nahtheizvorrichtung 19 an einer bestimmten Stelle der Vorschubbahn der Schweißnaht 12. Diese Nahtheizvorrichtung 19 muß so angeordnet sein, daß sie der fortschreitenden Schweißnaht folgen kann.

Zwischen der Heizvorrichtung 3 und der Kühlvorrichtung 4 wird die Schweißnaht 9 zusätzlich aufgeheizt, so daß die von der Schweißnaht 9 abgegebene Wärmemenge klein ist, bis eine Kühlung des Rohres 7 erfolgt, so daß das gesamte Rohr 7 einschließlich der Schweißnaht 9 gleichförmig erhitzt ist. Infolgedessen können durch übermäßige Erhitzung keine Verformungen auftreten. Wenn die lokale Aufheizung der Schweißnaht 9 erfolgt, ist das gesamte Rohr 7 bereits durch die Heizvorrichtung 3 auf eine hohe Temperatur, im allgemeinen oberhalb des Curiepunktes erhitzt, so daß die Wärme sehr tief eindringt und eine gleichförmige Erhitzung der Schweißnaht in Dickenrichtung gewährleistet ist, auch wenn ein Strom mit hoher Frequenz von 1000 bis 3000 Hz zur Anwendung kommt.

Wenn die Schweißnaht 9 außerdem unmittelbar vor der Kühlung des Rohres 7 zusätzlich erhitzt wird, läßt sich die Temperatur der Schweißnaht 9 sehr leicht regeln, so daß eine sehr genaue und schnelle Regelung gesichert ist. Infolgedessen ermöglicht die Erfindung eine genaue

lü und einfache Regelung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht innerhalb zulässiger Schranken, so daß man ein Rohr mit den gewünschten Eigenschaften erhält. Dieses Verfahren läßt sich in Verbindung mit der herkömmlichen Wärmebehandlung anwenden, so daß dadurch hochwertige Rohre erhalten werden.

Ein Temperaturdifferenzmeßgerät zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen Grundmetall und Schweißnaht ist zwischen der Heizvorrichtung und dem Nahterhitzer angeordnet. Es kann sich um ein Strahlungspyrometer handeln, das quer über die Schweißnaht verstellbar ist, um dadurch die Temperatur eines Bereichs um die Schweißnaht zu erfassen. Die nachgewiesene Temperaturdifferenz wird zur Regelung der Leistung der Nahtheizvorrichtung innerhalb der Leistungsgrenzen benutzt. Als Temperaturdifferenz zwischen Grundmetall und Schweißnaht wird normalerweise die maximale Temperaturdifferenz AT_mix nach F i g. 1 ausgenutzt, ohne daß man auf diese Größe

jo beschränkt ist. Man kann auch einen Integralwert des Temperaturverlaufs, etwa die Fläche K—L\ — Li nach F i g. la oder eine Fläche Ainach F i g. Ib als Maß für die Temperaturdifferenz auswerten. Erforderlichenfalls kann zusätzlich ein Schweißnahterfassungsgerät einge-

J5 setzt werden, das mit einem Einstellglied der Nahtheizvorrichtung verbunden ist, damit dieselbe immer mit bestem Wirkungsgrad im Bereich der Schweißnaht arbeitet.
Im folgenden wird die Vorrichtung nach F i g. 5 und 6

•40 in Einzelheiten erläutert. Die Nahtheizvorrichtung 5 umfaßt ein Schweißnahterfassungsgerät 21, ein Temperaturdifferenzmeßgerät 31, ein Spaltmeßgerät 39 zur Erfassung des Spaltes zwischen der Schweißnaht 9 und der Nahtheizvorrichtung 5, einen Nahtheizkopf 41 und ein Temperaturdifferenzmeßgerät 59 zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht, das ein Rückkoppelungssignal an ein Steuergerät 51 abgibt. Alle Baugruppen sind möglichst nahe an dem Rohr und hintereinander auf einer Seite

^r>o der Heizvorrichtung 3 in Richtung der Rohrachse angeordnet. Ein Vorschubgeschwindigkeitsmesser 29 ist mit der Transportrolle 1 gekoppelt, die sich vor der Heizvorrichtung 3 befindet.

Innerhalb der Heizvorrichtung wird das Rohr 7 vor

ϊίί der Transportrolle 1 getragen und bewegt. Aufgrund einer Fehlzentrierung beim Biegevorgang oder aufgrund von Schweißeinflüssen od. dgl. kann sich die Schweißnaht 9 senkrecht zur Transportrichtung des Rohres 7 um etwa 10 bis 50 mm bei einem UO-Stahlrohr

Wi verschieben. Deshalb ist das Schweißnahterfassungsgerät 21 vorgesehen, damit der Nahtheizkopf 41 der Schweißnaht 9 nachgeführt werden kann, wenn sich dieselbe verschiebt, so daß eine gleichmäßige Erhitzung der Schweißnaht 9 gewährleistet ist.

• · Das Schweißnahterfassungsgerät 21 umfaßt einen unmittelbar oberhalb der Schweißnaht 9 angeordneten Temperaturmesser 22 beispielsweise ein Strahlungspyrometer und eine Stellvorrichtung 23 zur Hin- und

Herbewegung des Strahlungsmessers 22 quer über die Schweißnaht 9 mit einer konstanten Hublänge von 50 bis 100 mm mit konstanter Geschwindigkeit von 1 bis lOcm/sec. Die Stellvorrichtung 23 weist eine in einem Rahmen 27 gelagerte Schraubenspindel 24 und einen Motor 25 zur Drehung der Schraubenspindel 24 auf. Auf der Schraubenspindel 24 sitzt ein Schlitten 26, der den Temperaturmesser 22 trägt und der bei der Drehung der Schraubenspindel 24 periodisch über der Schweißnaht 9 hin- und herbewegt wird.

F i g. 7 erläutert die Wirkungsweise des Schweißnahterfassungsgerätes 21. Da die Schweißnaht 9 eine tiefere Temperatur als das Grundmetall 8 aufweist, erfaßt das Schweißnahterfassungsgerät 21 den Punkt tiefster Temperatur innerhalb eines Flächenbereichs um die Schweißnaht jeweils auf der Außenfläche des Rohres 7. A und B geben jeweils die Umkehrpunkte der Bewegung des Temperaturmessers 22 an; C und D sind jeweils die Randpunkte der Schweißnaht 9. Die Temperatur b im Bereich der Schweißnaht 9 ist niedriger als die Temperatur a des Grundmetalls. Der Temperaturverlauf wird in ein differenziertes Signal c umgewandelt, das die Temperaturänderung anzeigt und dadurch die Nachweisempfindlichkeit vergrößert. Dieses Signal wird in einen Signalimpuls d umgewandelt, der den Mittelpunkt der Schweißnaht 9 angibt.

Das Schweißnahterfassungsgerät 21 kann mechanisch hin- und herbewegt werden, so daß man ein Temperatursignal und daraus ein Stellungssignal für die Lage der Schweißnaht 9 erhält. Man kann jedoch auch eine Abtastvorrichtung für den Flächenbereich um die Schweißnaht 9 zur elektronischen oder optischen Abtastung einsetzen.

Das Schweißnahterfassungsgerät 21 erfaßt jeweils den Mittelpunkt der Schweißnaht 9 aufgrund der Temperaturverteilung in der Nähe der Schweißnaht. Deshalb kann man den Mittelpunkt der Schweißnaht 9 mit hoher Ansprechgeschwindigkeit und hoher Genauigkeit erfassen, indem ein entsprechendes Strahlungspyrometer benutzt wird. Durch Anwendung eines Strahlungspyrometers wird das Schweißnahterfassungsgerät 21 sehr störungsfrei. Die Meßgenauigkeit ändert sich im Laufe der Zeit nicht, weil das Pyrometer eine hohe Wärmebeständigkeit hat. Das Schweißnahterfassungsgerät 21 kann die Lage der Schweißnaht berührungsfrei feststellen.

Das Temperaturdifferenzmeßgerät 31 ist ähnlich wie das Schweißnahterfassungsgerät 21 aufgebaut. Nach Fig.8 trägt ein von einer Antriebsvorrichtung 33 betätigter Schlitten 36 das Strahlungspyrometer 32. Eine Schraubenspindel 34 und ein Motor 35 sitzen in einem Rahmen 37. Der Schlitten 36 kann mittels der Schraubenspindel 34 hin und her geschoben werden.

Das Temperaturdifferenzmeßgerät 31 erfaßt die niedrigste und höchste Temperatur in der Umgebung der Schweißnaht 9 und gibt den Wert dieser Temperaturdifferenz an ein Steuergerät 51 weiter. Anstelle dieses Temperaturdifferenzmeßgeräts 31 kann man eine Mehrzahl von Pyrometern zur Erfassung von Temperaturdifferenzen oder eine Vorrichtung zur elektronischen oder optischen Abtastung der Fläche um die Schweißnaht 9 einsetzen. Da das Temperaturdifferenzmeßgerät 31 einen ähnlichen Aufbau wie das Schweißnahterfassungsgerät 21 hat, kann man eine gleichartige Vorrichtung für beide Zwecke einsetzen.

Nach F i g. 9 umfaßt die Nahtheizvorrichtung 41 eine Induktionsspule 42 zur lokalen Erhitzung der Schweißnaht 9 und eine Nachführeinrichtung 43 zur Verstellung der Spule 42 auf einen Punkt, der möglichst kleinen Abstand von der Schweißnaht 9 hat. Die Nachführeinrichtung 43 umfaßt einen Rahmen 47, in dem eine Schraubenspindel 44 und ein Motor 45 gelagert sind. Die Schraubenspindel 44 trägt einen Schlitten 46, der entsprechend der Drehung der Schraubenspindel 44 hin- und herbewegt wird. Die Drehung wird durch Signale des Steuergeräts 51 zur Nachführung der Nahtheizvorrichtung gesteuert. Von dem Schlitten 46

to erstreckt sich eine Schraubenspindel 48 nach unten, auf der ein Schlitten 49 mit der Induktionsspule 42 verschiebbar ist. Die Schraubenspindel 48 kann durch einen Motor 50 gedreht werden, so daß der Schlitten 49 mit der Induktionsspule 42 nach oben oder nach unten entsprechend der Drehrichtung der Schraubenspindel 48 verschoben werden kann.

Anstelle einer Hochfrequenzspule kann für die Nacherhitzung auch ein Gasbrenner eingesetzt werden. Der Antrieb für die Höheneinstellung kann auch in anderer Weise erfolgen etwa durch einen Hydraulikzylinder, einen Hydraulikmotor, einen Luftmotor od. dgl. Das Temperaturdifferenzmeßgerät 59 hat den gleichen Aufbau wie das Temperaturdifferenzmeßgerät 31. Fig. 10 stellt in einem Blockschaltbild den Regelkreis für die Verstellung der Nahtheizvorrichtung 41 dar. Ein Ausgangssignal des Schweißnahterfassungsgeräts 21 wird in einen Schaltkreis 52 eingegeben, der ein Stellsignal für die Schweißnahtmitte erzeugt. Die Schweißnaht 9 hat eine geringere Temperatur als das Grundmetall, so daß man den Punkt niedrigster Temperatur als Mittelpunkt der Schweißnaht 9 erfassen kann. Der Schaltkreis 52 erfaßt die Stelle niedrigster Temperatur in Abhängigkeit von der Bewegung des Strahlungspyrometer 22. Dabei wird die Temperaturänderung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rohres nachgewiesen. Das Ausgangssignal des Schaltkreises 52 ist ein Signalimpuls, der den Mittelpunkt der Schweißnaht 9 darstellt.
Das Steuergerät 51 enthält eine Stellungsrückmeldeeinrichtung 53, die mit dem Schlitten 46 der Nahtheizvorrichtung 41 verbunden ist. Das Stellungssignal dieser Einrichtung 53 erreicht über eine Rückkoppelungsschaltung 54 einen Vergleicherkreis 55, in den das Stellungssignal mit dem Stellsignal des Vergleicherkreises 52 verglichen wird. Das Differenzsignal beaufschlagt einen Verstärker 56. Das Ausgangssignal des Verstärkers 56 erreicht über einen Phasenschieber 57 eine Thyristorstufe 58. Dort ist es als Torschaltimpuls mit gesteuerter Phasenlage zur Steuerung der Drehzahl des Motors 45 wirksam. Damit bewegt sich die Induktionsspule 42 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rohres 9 in solcher Weise, daß ständig die genaue Ausrichtung auf die Schweißnaht 9 gegeben ist.

Der Abstand zwischen der Schweißnaht 9 und der Induktionsspule 42 wird in gleicher Weise gesteuert. Aufgrund eines Ausgangssignals des Spaltmeßgeräts 39 gibt das Steuergerät 51 ein Schaltsignal für den Motor 50 ab, so daß sich derselbe im Sinne einer Nachregelung des Abstandes dreht. Die Regelung der Spaltbreite oder des Abstandes ist im Rahmen der Erfindung eine zusätzliche Maßnahme.

Fig. 11 zeigt ein Blockschaltbild des Teils des Steuergeräts 51 zur Steuerung der Heizleistung. Ausgangssignale des Vorschubgeschwindigkeitsmessers 29, des Temperaturdifferenzmeßgerätes 31, des Temperaturdifferenzmeßgerätes 59 für Rückkoppelungssigna-Ic und der Nahteinflußeinstellstufe 61 zur Einstellung des Nahteinflußverhältnisses auf die Aufheiztemperatur

werden in den Rechner 62 für die Heizleistung eingegeben. Der Nahteinflußfaktor wird durch die Wanddicke und die sonstigen Kenngrößen des Rohres, also Breite und Dicke der Schweißnaht, bestimmt. Zwar hängt der Nahteinflußfaktor von Änderungen der Breite und Dicke der Schweißnaht ab, doch wird der Mittelwert des Nahteinflußfaktors fest in der Einstellstufe 61 eingestellt. Die der Induktionsspule 42 zugeführte Leistung wird durch Auswertung der Signale eines Hochfrequenzstrommessers 63 und eines Hochfrequenzspannungsmessers 64 in einem Rechner 65 bestimmt. Die Signale der beiden Rechner 63 und 65 werden in einer Vergleicherstufe 66 verglichen, deren Ausgangs-Differenzsignal einen Verstärker 67 beaufschlagt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 67 gelangt über einen Phasenschieber 68 in einen Thyristorinverter 69. Der Ausgang des Thyristorinverters 69 schaltet oder unterbricht den Transformator 70, dessen Ausgangsspannung in dem Gleichrichter 71 gleichgerichtet wird, so daß dadurch die Eingangsleistung der Induktionsspule 42 gesteuert wird.

Da sich das Rohr 7 mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit von etwa 0,2 bis 2 m/min bewegt, muß das Schweißnahterfassungsgerät 21 schnell ansprechen. Da die Schweißnaht vergleichsweise schmal ist, muß dieses Gerät außerdem mit sehr hoher Genauigkeit arbeiten. Da dieses Gerät schließlich einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, muß der Meßteil des Schweißnahterfassungsgerätes 21 wärmebeständig aufgebaut sein. Im folgenden ist eine Ausführungsform eines Schweißnahterfassungsgerätes beschrieben, das mit hoher Genauigkeit schnell anspricht und das hitzebeständig ausgeführt ist. Nach Fig. 12 umfaßt der Temperaturmesser 22 ein Fasersichtgerät und ein Strahlungspyrometer 78. Der optische Fühler 75 des Fasersichtgeräts dient als Temperaturmeßteil des Temperaturmessers 74 und ist mit seiner Spitze sehr nahe zur Oberfläche des Rohres 7 angeordnet. Das Hinterende des Fühlers ist schwenkbar auf einem Zapfen 76 aufgenommen und über ein Glasfaserbündel 77 mit einem optischen Pyrometer 78, z. B. einem binokularen Zweifarbenpyrometer oder einem Strahlungspyrometer, verbunden. Es erfaßt die Temperatur der Fläche um die Schweißnaht 9 aufgrund der von dem optischen Fühler 75 empfangenen Strahlungsintensität. Die Anwendung eines Fasersichtgeräts stellt sicher, daß das Strahlungspyrometer keiner hohen Temperatur ausgesetzt wird. Eine Antriebsvorrichtung 79 umfaßt eine Kurbelscheibe 81, die von einem Motor 80 gedreht wird. Die Kurbelscheibe 81 ist über einen Kurbelarm 84 mit dem optischen Fühler 75 gekoppelt. Der Kurbelarm 84 ist einerseits durch den Zapfen 82 mit dem optischen Fühler 75 und andererseits durch den Zapfen 83 mit der Kurbelscheibe 81 verbunden. Infolgedessen bewirkt die Drehung der Kurbelscheibe 81 eine schwingende Bewegung des optischen Fühlers 75 um den Zapfen 76. Gleichzeitig geht dabei die Spitze des Fühlers 75 senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schweißnaht 9 innerhalb des Flächenbereichs E zu beiden Seiten der Schweißnaht 9 hin und her. Am Umfang der Kurbelscheibe 81 befindet sich eine Nase 85 zur Festlegung der Winkelstellung. Dieser Nase 85 stehen vier Schalter 86, 87, 88,89 gegenüber, die berührungsfrei die Nase 85 erfassen.

Eine Signalverarbeitungsstufe 90 erfaßt den Mittelpunkt der Schweißnaht in Abhängigkeit von dem Temperatursignal des Strahlungspyrometers 78 und eines Vergleichssignals der Schalter 86, 87, 88, 89.

F i g. 13 gibt eine Signalwellenform zur Erläuterung der Verarbeitung dieses Temperatursignals und des Vergleichssignals.
Nach Fig. 13(1) ist der Gesamtumfang (36O⁰C) der Kurbelscheibe 81 als gerade Linie auf die horizontale Achse abgewickelt. Die jeweiligen Signalimpulse der Schalter 86, 87, 88, 89 sind durch die Impulse e, f, g, h dargestellt und geben Vergleichsstellungen für die jeweilige Winkellage der Nase 85 an. Fig. 13(11) zeigt

ίο die Ausgangswellenformen /und m des Strahlungspyrometers 78 zur Darstellung des Temperaturverlaufs im Grundmetall 8 und der Schweißnaht 9. Das Temperatursignal m wird nur ausgewertet, wenn es einen vorgegebenen Pegel S unterschreitet, und beaufschlagt dann die Signalverarbeitungsstufe 90. Dieses Signal wird dann in ein Impulssignal η nach Fig. 13(111) umgewandelt. Die Vergleichsimpulse e, f,g und h für die Vergleichslagen und der Signalimpuls η zur Kennzeichnung der Stelle niedrigster Temperatur werden nach F i g. 13 (IV) miteinander verglichen. Der Fühler 75 und die Kurbelscheibe 81 sind im Betrieb miteinander gekoppelt, so daß die Verstellung der Schweißnaht 9 durch die Größen der Abstände Gi, Gi, Gs, G* zwischen den Signalimpulsen η des Temperaturverlaufs und den Stellungsimpulsen e,f,g,h erfaßt wird. Damit kann man den Mittelpunkt der Schweißnaht 9 erfassen. Sodann wird das dem Mittelpunkt der Schweißnaht 9 darstellende Signal von dem Signalverarbeitungskreis 90 abgegeben und in das Steuergerät 51 eingespeist. Die Induktionsspule 42 wird durch das Steuergerät 51 verfahren, so daß sie sich genau über der Schweißnaht 9 befindet. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

B e i s ρ i e 1 1

Ein nach dem UO-Verfahren hergestelltes Rohr mit den Abmessungen t χ 762 0 χ 12 000 mm wird wärmebehandelt, wobei eine Nahtheizvorrichtung mit einer Hochfrequenz-Induktionsheizspule nahe der Schweißnaht zwischen der Heizvorrichtung und der Kühlvorrichtung gemäß F i g. 3 angeordnet ist. Es sind folgende Arbeitsbedingungen vorgesehen:

Erhitzungstemperatur: 910° C, keine Haltezeit,
Vorschubgeschwindigkeit: 600 mm/min,
Nahtheizvorrichtung: Haarnadel-Heizspule,
Leistung der Nahtheizvorrichtung:

52 kW Ausgangsleistung,
Rohrabmessungen: / χ 7620 χ 12 000 mm.

Die Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall und der Schweißnaht unmittelbar nach der Gesamterhitzung des Rohres ist in Fig. 14 für verschiedene Wandstärken in Abhängigkeit von dem Auftragsverhältnis der Schweißnaht angegeben. Diese Temperaturdifferenz wird durch Nacherhitzen der Schweißnaht auf die in Fig. 15 angegebenen Werte herabgesetzt. Die Temperatur der Außenfläche der Schweißnaht weicht dann weniger als 20° nach oben oder nach unten von der Temperatur des Grundmetalls ab.

Beispiel 2

Zur kontinuierlichen Wärmebehandlung geschweißter Rohre der Abmessungen 10 mm χ 762 mm χ Länge, die nach dem Schraubennahtverfahren hergestellt sind, wird das Verfahren der Erfindung auf der Herstellungsstrecke eingesetzt. Die Herstellungsstrecke

wird mit Vorrichtungen zur Zusatzerhitzung der Schweißnaht mit einer Hochfrequenz-Heizspule ausgestattet, die sich in einer Stellung möglichst nahe der Schweißnaht zwischen der Heizspule und der Kühlvorrichtung gemäß F i g. 4 befindet. In diesem Fall werden folgende Arbeitsbedingungen eingehalten:

Größe der Stahlrohre: 10 χ 762 χ
Auftragsverhältnis der Naht: 30%,

1 mm,

Erhitzungstemperatur: 910⁰C, Leistung des Nahtbeheizers: 50 kW, Temperatur der Naht vor der Erhitzung: 870⁰C, Nahtbeheizungsbedingungen:

Errechnete Ausgangsleistung 10 kW, Vorschubgeschwindigkeit: 2.5 m/min.

Man erhält die gleichen Ergebnisse wie im Beispiel

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen Wärmebehandlung geschweißter Rohre mit verstärkter Schweißnaht, wonach das Rohr in Längsrichtung auf dem gesamten Umfang induktiv erwärmt und anschließend gekflhlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Induktionserhitzung eine zusätzliche Erhitzung der Schweißnaht auf eine Temperatur erfolgt, die der des Grundmaterials möglichst nahekommt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Erhitzung durch Hochfrequenzerhitzung erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Erhitzung durch eine Brennerflamme erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Erhitzung durch einen elektrischen Lichtbogen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Erhitzung durch einen Laserstrahl erfolgt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Induktionsheizvorrichtung zur schnellen Erhitzung des gesamten Rohres auf die gewünschte Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß in Durchlaufrichtung des Rohres (7 oder 11) unmittelbar im Anschluß an die Induktionsheizvorrichtung (3) eine Nahtheizvorrichtung (5) vorgesehen ist daß im Anschluß an die Nahtheizvorrichtung eine Kühlvorrichtung (4) angeordnet ist und daß ein Schweißnahterfassungsgerät (21) zur Führung der Nahtheizvorrichtung (5) entlang der Schweißnaht (9) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Vorrichtung (51) zur Steuerung der Heizleistung der Nahtheizvorrichtung (5) vorgesehen ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Steuerung der Heizleistung (51) ein Temperaturdifferenzmeßgerät (59) zwischen der Nahtheizvorrichtung (5) und der Kühlvorrichtung (4) zur Bestimmung der Temperaturdifferenz zwischen dem Grundmetall (8) und der Schweißnaht (9) umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißnahterfassungsgerät (21) einen berührungslosen Temperaturmesser (22) zur Erfassung der Temperatur des Flächenbereiches um die Schweißnaht (9), eine Vorrichtung zur Hin- und Herbewegung des Schweißnahterfasssungsgerätes (21) in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung der Schweißnaht (9) und zur Abgabe eines Bezugstellungssignals sowie einen Signalverarbeitungskreis zur Erfassung der Stelle niedrigster Temperatur im Mittelteil der Schweißnaht (9) umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Hin- und Herbewegung einen Schlitten (26) für den Temperaturmesser (22), eine Schraubenspindel (24), die mit dem Schlitten (26) über eine Spindelmutter in Eingriff ist, und einen Motor (25) zum Antrieb der Schraubenspindel (24) umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturmesser (22) ein

Strahlungspyrometer umfaßt

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturmesser (22) einen frei schwenkbaren optischen Fühler (75) zur Erfassung der Lichtstrahlung aus der Fläche um die Schweißnaht (9), einen Strahlungspyrometer (78) zur Erfassung der von dem optischen Fühler empfanganen Strahlungsmenge und ein Glasfaserbündel (77) zwischen dem optischen Fühler (75) und dem

ίο Strahlungspyrometer (78) zur Weiterleitung der Lichtmenge umfaßt und daß die Antriebsvorrichtung für den optischen Fühler eine Kurbelscheibe (81) aufweist, an der ein Kurbelarm (84) angelenkt ist, der mit dem optischen Fühler (75) gekoppelt ist,

is und daß mehrere berührungsfreie Stellungsschalter (86,87,88,89) über den Umfang der Kurbelscheibe (81) verteilt sind, die die Winkelstellung der Kurbelscheibe (81) erfassen, wobei zum Antrieb der Kurbelscheibe (81) ein Motor (80) vorgesehen ist

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturdifferenzmeßgerät (31) eine Antriebsvorrichtung auf einem ein Strahlungspyrometer (32) tragenden Schlitten (36), eine Schraubenspindel (34), die in eine Stellmutter des Schlittens (36) eingreift, und einen Motor (35) zur Drehung der Schraubenspindel (34) umfaßt, welche den Schlitten (36) unmittelbar über der Schweißnaht (9) hin- und herbewegt

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahtheizvorrichtung (41) eine Nachführungseinrichtung aus einem Schlitten (46), einer Schraubenspindel (44), die eine Stellmutter des Schlittens eingreift und einen Motor (45) zur Drehung der Schraubenspindel (44) umfaßt, wobei der Motor (45) in Abhängigkeit von Signalen des Schweißnahterfassungsgerätes (21) steuerbar ist

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spaltmeßgerät

(39) zur Messung des Abstandes zwischen der Schweißnaht (9) und der Nahtheizvorrichtung (41) vorgesehen ist, das ein Signal für einen die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Nahtheizvorrichtung steuernden Stellmotor (50) in Abhängigkeit von der gemessenen Spaltgröße abgibt.