DD158407A5

DD158407A5 - Verfahren und vorrichtung zum waermebehandeln von mehrlagen-schweissverbindungen

Info

Publication number: DD158407A5
Application number: DD22919781A
Authority: DD
Inventors: Hans J Peetz
Original assignee: Krupp Gmbh
Priority date: 1980-04-26
Filing date: 1981-04-13
Publication date: 1983-01-12
Also published as: DE3016259C2; EP0038993A1; DE3016259A1; JPS56165585A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Waermebehandeln von Mehrlagen-Schweissverbindungen und die zur Durchfuehrung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung. Ziel ist es, die Guetewerte der Schweissnaht zu verbessern sowie den erforderlichen technisch-oekonomischen Aufwand zu verringern und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine kontrollierte, dem vorliegenden Einzelfall anpassbare Waermebehandlung nach dem Schweissen moeglich ist. Als Loesung wird vorgeschlagen, dass bei der Waermebehandlung im wesentlichen lediglich jeweils die Tiefe einer Schweissraupe bzw. Schweisslage erfasst wird. Dadurch werden nur kleine Waerme- bzw. Kuehlleistungen benoetigt, um den relativ kleinen Querschnitt einer Schweissraupe und ihrer Warmeeinflusszone zu erwaermen bzw. wieder abzukuehlen. Die erfindungsgemaesse Vorrichtung besteht aus einem Lichtbogenschweisskopf und einer Induktorspule, in deren Heizwirklinie im - in bezug auf die Vorschubrichtung - letzten Drittel ein pyrometrischer Tempersatur-Messkopf angeordnet ist. DD#AP

Description

Berlin, den 3. 6. 1981

AP B23K/229 197 58 896/24

Verfahren und Vorrichtung zum Wärmebehandeln von Mehrlagen-Schweißverbindungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mehrlagen-Lichtbogenschweißen ferritischer Stähle und zum anschließenden Wärmebehandeln der Schweißstelle sowie die zur Durchführung dieses Verfahrens erforderliche Vorrichtung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beim Schweißen wird die sich an das Schweißgut anschließende Zone des Grundwerkstoffs einer starken Wärmebeeinflussung unterzogen (sogenannte Wärmeeinflußzone), wobei die äußere Randschicht dieser Zone sogar bis auf Schmelztemperatur gebracht wird. Da das Volumen des zu schweißenden Werkstücks im Verhältnis zu dem Volumen der Schweißnaht im allgemeinen sehr groß ist, kann die im Schweißgut enthaltene Wärmeenergie sehr schnell vom Grundwerkstoff aufgenommen werden, so daß die Schweißraupe und die sie umgebende Wärmeeinflußzone mit verhältnismäßig großer Abkühlungsgeschwindigkeit erkalten. Dabei kommt es im Schweißgut zur Bildung stark ausgeprägter Stengelkristalle (Dendriten) mit bevorzugter Wachsturasrichtung senkrecht zu den Schweißkanten. In der hocherhitzten Wärmeeinflußzone entsteht nach dem Erkalten ein ausgeprägtes Grobkorngefüge, das wesentlich schlechtere Eigenschaften aufweist als.der unbeeinflußte Grundwerkstoffe

Es ist bekannt, durch Normalglühen einer fertigen Schweißverbindung über den Umwandlungspunkt Ac-, (im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: Linie GOS) eine Umkristaliisation der dendritischen Struktur des Schweißgutes zu erreichen und die Grob-

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körnst ruktur in der Wärmeeinflußzone zu beseitigen, und so die Gütewerte der Schweißnaht zu verbessern (vgl« z. B. H. "Wirtζ: Das Verhalten der Stähle beim Schweißen, Teil I: Grundlagen, Düsseldorf 1973, ab Seite 135). Das Normalglühen erfordert aber bei großen Werkstücken einen entsprechend ho-'"'hen Aufwand. Außerdem macht es beispielsweise bei Behältern und Kesseltrommeln Schwierigkeiten, die genaue Werkstückform nach dem Glühvorgang zu erhalten.

Für große Konstruktionen, die nicht im ganzen geglüht werden können, ist es bekannt, die aus Schweißnaht und ihrer nächsten Umgebung (im allgemeinen sechsmal der Wanddicke beiderseits der Schweißnaht) gebildete fertige Schweißverbindung örtlich zu erwärmen« So können beispielsweise Rundnähte von Rohren und Zylindermänteln durch Ringbrenner, elektrische Heizmatten oder mit Induktionsspulen erwärmt werden. Bei den bei Mehrlagenschweißverbindungen üblichen großen Werkstückdicken und entsprechenden Volumina ist es aber meist nicht möglich, den gesamten Werkstoff örtlich so zu erwärmen und abzukühlen, daß das Material an der Oberfläche und im Innern des Werkstücks die gleiche Temperatur aufweist. Dies ist aber zur Erzielung einer gleichmäßigen Gefügestruktur und damit optimaler Eigenschaften der Schweißkonstruktion absolut notwendig .

Beim Schweißen von Mehrlagennähten wird zwar durch das Aufschweißen jeder weiteren Naht die darunter liegende Naht noch einmal erwärmt und damit einer Wärmebehandlung unterzogen. Die damit bewirkte Wärmebehandlung entspricht aber im Regelfall - zumindest bei dickeren Schweißraupen - nicht der für den Einzelfall notwendigen Wärmebehandlung, so daß nur eine unvollständige Umwandlung der Gefügestruktur der jeweils unteren Schweißraupe eintritt. Außerdem tritt diese \7irkung für die zuletzt aufgeschmolzene obere Lage bzw. Schweißraupe nicht ein. Es werden deshalb sogar über das konstruktiv not-

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wendige Maß hinausgehende "Vergütungsraupen" aufgeschweißt und anschließend wieder abgetragen.

Ziel der Erfindung

..Ziel der Erfindung ist es, die Gütewerte der Schweißnaht zu verbessern, sowie den erforderlichen technisch-ökonomischen Aufwand zu verringern und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Mehrlagen-Schweißverbindungen ferritischer Stähle mit anschließendem Wärmebehandeln der Schweißstelle zu entwickeln, mit dem eine kontrollierte, dem vorliegenden Einzelfall anpaßbare Wärmebehandlung nach dem Schweißen möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Wärmebehandlung im wesentlichen lediglich jeweils die Tiefe einer Schweißraupe bzw. Schweißlage erfaßt wird. Bei der nach der Erfindung vorgesehenen Wärmebehandlung werden also nur kleine Wärme- bzw₀ Kühlleistungen benötigt, um den relativ kleinen Querschnitt einer Schweißraupe und ihrer Wärmeeinflußzone zu erwärmen bzw. wieder abzukühlen. Dies ist insbesondere dann der Pail, wenn die Wärmebehandlung im wesentlichen nur die Breite einer Schweißraupe und deren Wärmeeinflußzone erfaßt«

Wenn die durch das Überschweißen bewirkte unvollkommene Umkörnung des Gefüges überschweißter Raupen im Einzelfall als ausreichend angesehen wird, kann es aus wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft sein, die nach dem Schweißen angewandte Wärmebehandlung auf die letzten, oben angebrachten Schweiß-

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raupen zu beschränken. Zumindest sollten aber die seitlich angebrachten,' oben liegenden Schweißraupen der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung unterzogen werden, um gerade das Gefüge der kritischen Stellen der Wärmeeinflußzone im Übergangsbereich vom Schweißwerkstoff zum Grundwerkstoff umzuformen.

Zur Auflösung der dendritischen Gußstruktur des Schweißgutes und der groben Kornstruktur der Wärmeeinflußzone wird die Schweißraupe vorteilhafterweise bis kurz oberhalb des Umwandlungspunktes Ac- erhitzt und anschließend abgekühlt. Um das Verfahren wirtschaftlich gestalten zu können, wird die Erwärmung der Schweißraupen oberhalb des Umwandlungspunktes Ac.} zweckmäßigerweise unmittelbar nach Beendigung der Umwandlung aus der Schweißhitze, also überschläglich bei Erreichen einer Temperatur von etwa 200 ⁰C begonnen. Die Abkühlung soll dabei zweckmäßigerweise - abhängig vom jeweiligen Grundwerkstoff - derart erfolgen, daß das durch die Abkühlung von der Temperatur oberhalb des Umwandlungspunktes Ac-, entstehende feinkörnige Gefüge dem des Grundwerkstoffs möglichst nahekommt. Durch die Beschränkung der Wärmebehandlung auf die relativ kleinen Volumina einer Schweißraupe lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Abkühlungen, die zur Gefügeanpassung bei wasservergüteten Stählen erforderlich sind, vornehmen. Bei vergüteten Stählen ist es zudem vorteilhaft, jede Schweißraupe einer anschließenden Anlaßbehandlung durch Erwärmen auf eine Temperatur kurz unterhalb des Umwandlungspunktes Ac- (im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: Linie PS) zu . unterziehenο

Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung besteht aus einein Lichtbogenschweißkopf und einer Induktorspule, in deren Heizwirklinie im - in bezug auf die Vorschubrichtung - letzten Drittel ein pyrometrischer Temperatur-Ivleßkopf angeordnet ist.

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In bezug auf die Vorschubrichtung ist hinter der Induktorspule eine Kühlbrause angeordnet.

Die Induktorspule ist mechanisch mit dem Lichtbogenschweißkopf gekoppelt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen ;.Zeichnung zeigen

Pig. 1: eine Vorrichtung zum Schweißen und V/armebehandeln nach der Erfindung in der Seitenansicht; .

Pigο 2: die Induktorspule über einer Schweißstelle im Querschnitt längs der Linie II-II in Pig. 1·

Die Vorrichtung zur Wärmebehandlung besteht aus einer induktiven Heizeinrichtung und aus einer Kühleinrichtung. Die Heizeinrichtung besteht aus einer einwindigen Induktorspule 3, die über Plansche 4 an einen 'Transformator 5 angeschlossen ist, der von einer nicht weiter dargestellten ^ittelfrequenzanlage 6 betrieben wird. Die Windung der Induktorspule 3 besteht aus einem mit Wasser kühlbaren Hohlprofil 7 aus Kupfer und ist mit einer dem zu bearbeitenden Werkstück angepaßten !. !Heizwirklinie 8 ausgebildet. Zur Konzentration der magnetischen Pelder ist die Induktorspule 3 an ihrer Heiζ-wirklinie 8- mit von der Spule wegweisenden U-förmigen Silizium-Eisen-Lamellen 9 bestückt. Ss hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das die Heizwirklinie 8 bildende Teilstück 'mindestens 100 mm lang ist, da dann die Schweißnaht bei der Vorschubbewegung nicht plötzlich, sondern allmählich aufgeheizt wird.

In bezug auf die Vorschubrichtung V ist im hinteren Drittel der Heizwirklinie 8 ein berührungslos arbeitender pyrometri-

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scher Temperatur-Meßkopf 12 angeordnet, der über einen flexiblen Glasfaser-Lichtleiter 13 mit einem Pyrometer 14 verbunden ist. Das Pyrometer ist wiederum mit einem Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) 15 verbunden, um das pyrometrische Meßsignal für die Leistungssteuerung der "4littelfrequenzanlage 6 verwerten zu können_o

Mit der Induktorspule 3 ist eine Kühlvorrichtung in Form einer Kühlbrause 16 mit mehreren Düsen 17 und einer Eintrittsleitung 18 gekoppelt» In einfacher "/eise kann diese Kühlbrause mit Druckluft betrieben werden. Beim kontinuierlichen Arbeiten, z. B, beim Schweißen von Umfangsnähten an zylindrischen Mantelflächen, kann die Heizeinrichtung und die Kühlvorrichtung vorteilhafterweise mit dem Lichtbogenschweißkopf 19 gekoppelt sein.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie die aus den Schenkeln 20 der U-förmigen Lamellen 9 austretenden gestrichelt dargestellten Magnetlinien 21 die - im dargestellten Fertigungszustand zuletzt geschweißte Raupe 22 einer 60°-V-M'ahtfuge 23 und die ihr unmittelbar benachbarte Wärmeeinflußzone 24 im Grundwerkstoff durchdringen, so daß deren Schweißgut einschließlich deren Wärmeeinflußzone bis in das Austenitgebiet erhitzt und das Gefüge in der Schweißraupe und in der Wärmeeinflußzone umgeformt werden kann.

Claims

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Erfindungsanspruch

1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Schweißverbindungen ferritischer Stähle mit anschließendem Wärmebehandeln der Schweißstelle, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Wärmebehandlung im wesentlichen lediglich jeweils die Tiefe einer Schweißraupe bzw. einer Schweißlage erfaßt .wird.

Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmebehandlung im wesentlichen jeweils die Breite einer Schweißraupe und deren Wärmeeinflußzone erfaßt.
3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Wärmebehandlung lediglich auf die letzten, oben aufgebrachten Schv/eißraupen erstreckt.
4. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Wärmebehandlung lediglich auf die letzten, oben seitlich aufgebrachten Schweißraupen erstreckte

5ο Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmebehandlung ein Erwärmen des zu behandelnden Materials über die Temperatur des oberen Umwandlungspunktes Ac,, bei dem eine Umwandlung von ferritischem zu austenitischem Gefüge eintritt, einschließt.

6„ Verfahren nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß sich dem Erwärmen auf die Temperatur des oberen Umwandlungspunktes Aco eine Abkühlung mit einer solchen Abkühlgeschwindigkeit anschließt, das zumindest Teilbereiche des zu behandelnden Materials aus martenitischer Gefügestruktur entstehen.

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7. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das zu behandelnde Material auf eine Temperatur unterhalb des unteren Umwandlungspunktes Ac, , bei dem eine Umwandlung von ferritischem in austenitisch.es Gefüge eintritt, erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Wärmebehandlung unmittelbar nach Beendi-

.. gung der von der Schweißhitze herrührenden Umwandlung erfolgt.

9· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Punkte 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß diese aus einem Lichtbogenschweißkopf (19) und einer Induktorspule (3)j in deren Heizwirklinie (8) im - in bezug auf die Vorschubrichtung (V) - letzten Drittel ein pyrometrischer Temperatur-Meßkopf (12) angeordnet ist, besteht.

1Oe Vorrichtung nach Punkt 9» gekennzeichnet dadurch, daß in bezug auf die Vorschubrichtung (V) - hinter der Induktorspule (3) eine Kühlbrause (16) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Punkte 9 oder 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Induktorspule (3) mechanisch mit dem Lichtbogenschweißkopf (19) gekoppelt ist.

Hierzu^^Seiien Zeichnungen