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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von dickwandigen Stahlrohren mit großem Durchmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der DE-AS 12 40 492 ist es bekannt, dickwandige Stahlrohre in der Weise herzustellen, daß ein Blech zunächst in U-Form gebogen und danach in O-Form verformt wird, worauf man die Längskanten des so gebildeten Rohlings an der Innenseite und an der Außenseite abgeschrägt, so daß V-förmige Fugen entstehen, die dann durch Schweißen geschlossen werden. Dabei werden die Längskanten an der Innen- und Außenseite des Rohlings symmetrisch ausgebildet und auch symmetrisch verschweißt.
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Aus der JP-OS 1 30 241/78 ist es bekannt, einen solchen Rohling mittels einer ersten Lage an der Innen- und Außenseite durch ein Oszillations-MIG-Schweißverfahren unter Verwendung eines Drahtes mit geringem Durchmesser und niederem Schweißstrom zu verschweißen, und die Oberflächenlage durch UP-Lichtbogenschweißverfahren fertigzustellen. Ein anderes Verfahren besteht, wie aus der JP-OS 1 30 242/78 bekannt, darin, daß das Material so vorbereitet wird, daß die Schweißkanten eine Wurzelfläche von 3-8 mm bei einer Mittelebene von 1/3 der Dicke und symmetrisch an der Innen- und Außenseite vorbereitet wird, und eine MIG-Schweißung bis zu 0,5- 5,0 mm Tiefe der Schweißkanten durchgeführt wird, wobei die Endlage mit einem UP-Lichtbogenschweißverfahren ausgeführt wird, welches sowohl den geschnittenen Draht und das Schweißmittel in einer Nutverbindung einschließt.
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Da jedoch diese beiden Verfahren jedes das MIG-Schweißen und das UP-Lichtbogenschweißen in Kombination an der Innen- und Außenseite des Materials anwenden, tritt ein magnetisches Blasphänomen, insbesondere bei Schweißungen in der ersten Lage auf und bewirkt eine verschlechterte Tropfenbildung in dieser, und um dessen Auftreten zu vermeiden, wird die komplizierte Umkonstruktion der Schweißeinrichtung begleitet von Aufwendungen, wie Änderungen der Führungrollen, elektrischen Leitungen usw., um eine durchgehende Schweißung zu ermöglichen. Da die JP-OS 1 30 241/78 das MIG-Schweißen mit dünnem Draht beinhaltet, ist die Wirtschaftlichkeit nicht günstig, und da die JP-OS 1 30 242/78 das UP-Lichtbogenschweißen der Außenlage zum Auftrag des Stahlstücks offenbart, erhält das Schweißmaterial Einschlüsse und die Eigenschaften des Materials werden vermindert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß man an der Schweißnaht eine gut ausgebildete Mikrostruktur und eine hohe Zähigkeit erhält, so daß weitgehend fehlerfrei Schweißnähte ausgebildet werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die angegebene Ausgestaltung der Schweißfuge einerseits und die Art der Schweißung andererseits erhält man eine hohe Zähigkeit an der Schweißstelle bei gut ausgebildeter Mikrostruktur des eingesetzten Materials, so daß man sehr gute Schweißnähten auch bei dickwandigen Rohren erhält. Der Querschnittsbereich der Schweißnaht an der Innenfläche wird zur Minderung der zugeführten Schweißwärme und zur Vermeidung von Störungen der Tropfenbildung in Folge der Eigenschaften des geschmolzenen Flußmittels gering gehalten. Durch den großen Querschnittsbereich der Schweißfuge auf der Außenseite kann die Schmelze tief eindringen und durch die Kombination der beiden Schweißarten kann die Zuführwärme niedrig gehalten werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen und an den Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
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Fig. 1A in vergrößertem Maßstab schematisch eine Ansicht des zu schweißenden Teils eines dickwandigen Rohlings mit großem Durchmesser,
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Fig. 1B in vergrößertem Maßstab schematisch eine Ansicht einer Schweißstelle des dickwandigen geschweißten Stahlrohres mit großem Durchmesser,
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Fig. 2A eine schematische Ansicht einer Schweißanordnung an der Innenseite,
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Fig. 2B eine schematische Ansicht ähnlich Fig. 1 für die Außenseite,
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Fig. 3 einen Schaltplan einer Schweißmaschine für die Außenseite,
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Fig. 4 eine Graphik, welche einen Vergleich zwischen der Erfindung und dem reinen MIG-Schweißen anhand der Dichte des Magnetflusses in der Schweißkante und des Schweißstroms darstellt,
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Fig. 5 eine Graphik, welche einen Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen und bekannten Verfahren in Charpy-Kennwerten des geschweißten Metalls darstellt,
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Fig. 6 schematisch eine Ansicht, welche einen Umriß des Prüfstücks für den Charpy-Test darstellt,
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Fig. 7 eine Graphik, welche den Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen und dem bekannten Verfahren in Charpy-Kennwerten der von Schweißwärme beeinflußten Bereiche darstellt, und
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Fig. 8 schematisch eine Ansicht, welche den Umriß eines Prüfstückes des Charpy-Tests gemäß Fig. 7 darstellt.
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Das Schweißverfahren wird auf einen Rohling 1 angewendet, der durch U- und O-Formverfahren gebildet wurde, und dessen Dicke im wesentlichen mehr als 32-50 mm beträgt. Zum Nahtschweißen des Rohlings an seiner Innen- und Außenseite in einem Durchgang werden nicht, wie bei bekannten Verfahren, symmetrische Schweißkanten an der Innen- und Außenseite vorbereitet, sondern, wie in Fig. 1B dargestellt, ist die Schweißkante derart, daß der Querschnittsbereich an der Innenkante 2 kleiner, als an der Außenkante 3 ist. Das Maß der Verminderung der Innenkante gegenüber der Außenkante ist zweckmäßig in Abhängigkeit von der optimal zugeführten Wärme, die durch die Dicke bedingt ist, den Eigenschaften des Materials, der Anzahl der Pole, dem Durchmesser des Drahtes und anderen Bedingungen bestimmt. Entsprechend wird eine Schweißung des so behandelten Rohlings 1 in einem Durchgang an der Innenkante und der Außenkante durchgeführt. Bis heute wird nach dem Stand der Technik die Füllung an beiden Seiten durch das gleiche Schweißverfahren ausgeführt. Demgegenüber wird gemäß der Erfindung mittels unterschiedlichen entsprechenden Verfahren geschweißt. Dies bedeutet, daß an der Innenkante das Material, wie in Fig. 2A gezeigt, vom Innersten der Lage her mittels einer Wechselstrom-Mehrpol- UP-Lichtbogenschweißmaschine unter Verwendung eines geschmolzenen Flußmittels geschweißt wird, während an der Außenkante das Material mit einer Schweißung in einem Durchlauf derart aufgebracht wird, daß die erste Lage durch den Starkstrom-MIG-Schweißrüssel 4 und die zweite Lage durch die UP-Lichtbogenrüssel 5 b für die Außenseite, unter Verwendung von geschmolzenen Flußmittel, geschweißt wird. Auf diese Weise ist die Innenkante, wie in Fig. 1B dargestellt, durch die UP-Lichtbogenschweißlage 11 geführt, und die Außenkante ist mit der Starkstrom- MIG-Schweißlage 12 als erste Lage und mit der UP-Lichtbogenschweißlage 13 als zweite Lage geschweißt.
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In Fig. 2A und Fig. 2B bezeichnet das Bezugszeichen 5 a einen UP-Lichtbogenrüssel, 7 a und 7 b Düsen für die Zuführung von Flußmittel, 8 a und 8 b geschmolzenes Flußmittel, 9 a und 9 b Lichtbogendrähte für das UP-Lichtbogenschweißen, 10 einen Draht mit großem Durchmesser für das MIG-Schweißen, und der Starkstrom-MIG-Schweißrüssel 4 hat eine doppelte Abdeckanordnung, die aus einer inneren Abdeckhülse 41 und einer äußeren Abdeckhülse 42 besteht, nach welcher ein Nachabdeckteil 43 angeordnet ist. Bei einer Schweißmaschine ist, wie in Fig. 3 dargestellt, ein erster Pol für die Starkstrom-MIG-Schweißung mit einem Gleichstromumformer verbunden, zum Umwandeln der Stromcharakteristika in Gleichstrom umgekehrter Polarität (DCRP) mit einer abfallenden Charakteristik, und darauffolgend ist ein zweiter und dritter Pol für die UP-Lichtbogenschweißung mit einem Wechselstrom- Scott "T" verbunden. So geschaltet, sind der Starkstrom- MIG-Schweißrüssel 4 und die UP-Lichtbogenrüssel 5 b der Außenfläche auf einem Wagen 6 für eine Schweißung in einem Durchgang angeordnet.
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Die Starkstrom-MIG-Schweißung wird im allgemeinen unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Schutzgasatmosphäre mit 50-200 l/min eines inerten Gases, welches CO2 oder N2 enthält, sich aufbrauchende Elektrode mit 3,2-6,4 mm ∅ Schweißstrom von 600-1500 A, Lichtbogenspannung von 23-36 Volt und Schweißgeschwindigkeit von 300-1500 mm/min.
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Bei einer Ausführungsform wird asymmetrisch die innere Kante 2 kleiner als die äußere Kante 3 ausgebildet, die Innenseite des Rohlings 1 durch UP-Lichtbogenschweißung ausgefüllt, und eine Starkstrom-MIG-Schweißung in einer ersten Lage der Außenseite durchgeführt, und eine zweite Lage mittels UP-Lichtbogenschweißung ausgefüllt. An der Außenseite kann die Ausfüllung zweckmäßig an der Kante 3 durch Starkstrom-MIG-Schweißung mit einer großen Schweißmaterialmenge ausgeführt werden. Da außerdem die Starkstrom- MIG-Schweißung mit der UP-Lichtbogenschweißung kombiniert wird, ist die Menge der insgesamt zugeführten Schweißwärme vermindert, und die Verbrauchsmenge an Flußmittel kann im Fall einer mehrpoligen UP-Lichtbogenschweißung vermindert werden gegenüber dem Fall, in dem eine Mehrpol- Lichtbogenschweißung über die ganze Außenkante mit der gleichen zugeführten Wärme durchgeführt ist. Infolge der verminderten Wärme zum Schmelzen des Flußmittels mit einem hohen Wirkungsgrad, wird die Schlacke nie überdeckt und entsprechend sind in dem geschmolzenen Flußmittel die Schmelztropfen auch bei sehr dickem Material (z. B. 50 mm) gleichförmig. Die niedere zugeführte Schweißwärme bedingt auch eine ausgezeichnete Zähigkeit des geschweißten Materials und der durch die Wärme beeinflußten Bereiche.
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Wenn die erste Lage aus mehreren Schweißlagen durch Starkstrom-MIG-Schweißung mit mehr als zwei Polen gebildet wird, kann die ausgezeichnete Zähigkeit in der Mitte der Dicke des Materials erreicht werden.
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Wenn an der Innenseite eine MIG-Schweißung durchgeführt wird oder das Füllen durch MIG-Schweißung in deren ersten Lage erfolgt, wird, da die MIG-Schweißung üblicherweise Gleichstrom verwendet, ein Magnetfeld durch den in dem Kabel entlang der Mittelachse des Rohres strömenden Gleichstrom aufgebaut; d. h. ein Magnetfeld wird um den Schweißrüssel im Umfang des Rohres aufgebaut. Der Rohling 1 wird durch starke Magnetisierung in der gleichen Richtung beeinflußt. Wenn der Lichtbogen in einem solchen Magnetfeld liegt, wird der Lichtbogen auf den Schweißdraht zu gedrückt, und das sogenannte magnetische Blasphänomen wird erzeugt. Die Erfindung verwendet ein Wechselstrom-Tauchschweißverfahren an der Innenseite, wodurch das magnetische Blasphänomen und damit eine verschlechterte Tropfenbildung verhindert wird.
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Fig. 4 zeigt das Verhältnis zwischen der Dichte des Magnetflusses und dem Schweißstrom in der inneren Schweißkante eines Rohlings mit 48 mm Außendurchmesser und 32 mm Dicke. Wie aus Fig. 4 zu ersehen, ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafter, als das MIG-Schweißen oder ein Verfahren, das das MIG-Schweißen einschließt. Die Erfindung schweißt nicht nur die Innenseite mit Wechselstrom-UP- Lichtbogen, sondern schweißt unter solchen Bedingungen, daß die Kante 2 der Innenseite schmaler, als die an der Außenseite wird. Durch diese Maßnahmen wird die erforderliche abgelagerte Menge vermindert, und die zugeführte Schweißwärme kann geringer gehalten werden, als im Vergleich mit UP-Lichtbogenschweißung an symmetrischen Kanten mit gleichem Querschnittsbereich an der Innen- und Außenseite. Daher sind die guten Bedingungen der Tropfenbildung der Zähigkeit der geschweißten Teile sichergestellt, wobei die Probleme gelöst werden, die im Stand der Technik durch die Eigenschaften des geschmolzenen Flußmittels bei hohen Temperaturen und die zugeführte Schweißwärme auftreten.
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Im folgenden werden Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens ausfgeführt.
Beispiel 1
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Drei Arten von dickwandigen Rohlingen mit großem Durchmesser (Dicke 32 mm, 38 mm, 50 mm), die durch die U- und O-Formung gelaufen sind, wurden so in der Schweißkante asymmetrisch ausgebildet, daß die innere Kante schmaler als die äußere Kante war. Die innere Kante wurde durch einen UP- Lichtbogen mit zwei Polen unter Verwendung eines geschmolzenen Flußmittels geschweißt, und die Außenkante wurde mit einem Starkstrom-MIG in der ersten Lage und mit einem Tauchlichtbogen mit zwei Polen in der zweiten Lage geschweißt. Tabelle 1 zeigt die Dicke und die chemische Zusammensetzung der in Beispiel 1 geprüften Rohlinge, und Tabelle 2 zeigt die Schweißbedingungen jeder der Proben. Die Drähte in Tabelle 2 waren Ni-Mo-Ti-Stähle und der Abstand zwischen den ersten und den zweiten Drähten an der Außenseite betrug 380 mm. &udf53;ns&udf54;Æ&udf50;&udf53;ns&udf54;Æ&udf50;&udf53;ns&udf54;Æ&udf50;
Beispiel 2
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Es wurden an dem Stahl Nr. 1 gemäß den vorstehenden Bedingungen Charpy-Tests durchgeführt. Fig. 5 zeigt den Vergleich der Ergebnisse zwischen dem Fall (bekanntes Verfahren 1), in dem die Mehrfachschweißschicht durch UP-Lichtbogenschweißung mit zwei Polen an den symmetrischen Kanten der Innen- und der Außenseite durchgeführt wurde, und dem Fall (bekanntes Verfahren 2), bei dem eine Schweißlage durch UP-Lichtschweißbogen mit drei Polen an den symmetrischen Kanten an den Innen- und Außenseiten hergestellt wurde. Das Versuchsstück (10 × 10 mm) wurde, wie in Fig. 6 dargestellt, ausgebildet. Wie aus Fig. 5 zu ersehen, ist das Verfahren gemäß der Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik außerordentlich gut inbezug auf vE -50°C an der Innen- und Außenseite.
Beispiel 3
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Beim Stahl Nr. 1 wurde der Charpy-Test an den von der Schweißwärme beeinflußten Bereichen durchgeführt, und die Ergebnisse sind in Fig. 7 dargestellt. Fig. 8 zeigt die Lage in den Teststücken. Wie aus Fig. 7 zu ersehen, ergibt das Verfahren gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik eine hohe Zähigkeit des durch die Schweißwärme beeinflußten Bereichs.
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Bei den Stählen Nr. 2 und Nr. 3 wurden die Charpy-Tests ebenso durchgeführt, und die hohe Zähigkeit wurde in dem Schweißmetall und in den von der Schweißwärme beeinflußten Bereichen festgestellt, und ein ausgezeichnetes Aussehen der Tropfen-(Raupen)-Bildung wurde im Vergleich mit dem Stand der Technik erreicht.
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Wie vorstehend ausgeführt, verwendet die Erfindung in Kombination das Starkstrom-MIG, das zum Schweißen der innersten Teile der Schweißkante geeignet ist, welche das tiefe Einfließen erfordert und den UP-Lichtbogen für das Schweißen an der Oberfläche der Kante, die eine gute Tropfen-( Raupen)-Ausbildung erfordert, so daß ausgezeichnete Eigenschaften in der Mikrosubstruktur und der Zähigkeit der geschweißten Bereiche an der Außenseite erreicht werden, und das magnetische Blasen und die schlechte Tropfen-(Raupen) -Bildung an der Innenseite mit Sicherheit vermieden werden kann. Darüber hinaus wird die zugeführte Schweißwärme abgesenkt, und so das Problem bei der Verwendung von geschmolzenen Flußmitteln gelöst, und eine Verminderung der Zähigkeit verhindert, und die Innenseite kann mit gut aussehenden Tropfen (Raupen) und die geschweißten Teile mit hoher Zähigkeit ausgebildet werden. Entsprechend ist die Erfindung sehr günstig zum Schweißen von dickwandigen geschweißten Stahlrohren mit großem Durchmesser, die einen dickeren Querschnitt erhalten können.