DE2842583A1

DE2842583A1 - Schweissverfahren zur herstellung von stahlrohren

Info

Publication number: DE2842583A1
Application number: DE19782842583
Authority: DE
Inventors: Shigeo Fujimori; Taizi Nagatani; Kozaburo Otani; Tohru Saito
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1978-06-30
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1980-01-03
Also published as: IT7869185A0; US4258242A; JPS558308A; IT1108546B; DE2842583C2; JPS607578B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schweißverfahren zur Herstellung von Stahlrohren und insbesondere auf ein Schweißverfahren, mit dem hochwertige Stahlrohre, speziell Stahlrohre mit großen Wandstärken, bei großen Produktionsgeschwindigkeiten herstellbar sind.

Stahlrohre mit großem Durchmesser werden im allgemeinen mit UOE-Verfahren, einem Spiralverfahren oder einem Biegewalzverfahren hergestellt, wobei diese Verfahren einen Schweißvorgang beinhalten. Hinsichtlich dieses Schweißvorganges werden jedoch derzeit weitgehende Anforderungen an ein in der Praxis verwendbares Schweißverfahren gestellt, um die hohe Schweißgeschwindigkeit und damit die hohe Produktions-Leistungsfähigkeit sowie die hochwertige Quali-

15 tat der Stahlrohre zu erreichen.

Wenn ein Stahlrohr mit großem Durchmesser zur Verwendung als Pipeline zum Transportieren von Erdöl oder Erdgas mit einer Nahtschweißung hergestellt wird, so wird iiblicherweise ein Schweißverfahren mit verdecktem Bogen oder ein Unterpulverschweißverfahren verwendet, das nachstehend als SAW-Verfahren abgekürzt werden soll.

Um beim SAW-Verfahren die für die Rohre erforderliche Dimensxonsgenauigkeit zu gewährleisten und den Schweißvorgang zu vereinfachen, steht das Basismetall 1, wie in Pig. 3 (A) angedeutet, an seinen beiden Enden la und Ib über eine an diesen Enden ausgebildete Grund-, Wurzeloder Stoßfläche der Schweißung in engem Eingriff miteinander, so daß eine Aussparung oder Nut ohne einen Wurzelabstand oder eine Wurzelkerbe zwischen diesen beiden Enden ausgebildet ist. Mit den Bezugszeichen 11, 13 und 14 sind jeweils das Schweißmittel, der Schweißdraht und die Stromkontaktspitze bezeichnet. Aus Gründen der Produktions-Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit hat

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man bisher bei SAW-Verfahren ein Mehrfach-Elektrodensystem mit zwei oder drei Elektroden verwendet und den Schweißvorgang in einem Arbeitsgang ausgeführt. Das SAW-Verfahren wird von Experten auf dem Gebiet der Schweißverfahren als dem Gasbogenschweißen und den anderen Schweißverfahren überlegen angesehen, und zwar unter dem Gesichtspunkt, daß es der Herstellung von Leitungsrohren am besten entgegenkommt. Dies beruht darauf, daß die Einbrandtiefe und die Form der Schweißnaht oder des Schweißwulstes hervorragend sind, sogar bei hoher Schweißgeschwindigkeit, und zwar aufgrund der hohen Hitzezufuhr beim Schweißen, und weiterhin ist die Produktions-Leistungsfähigkeit hoch, und zwar aufgrund einer sehr großen Metallaufbringungsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit.

Die Bezeichnung "Gasbogenschweißen" ist ein Sammelbegriff in der Schweißtechnik, mit dem folgende Verfahren bezeichnet werden:

Das Metall-Inertgas-Schweißen oder MIG-Verfahren, bei dem ein Schutzgas in Form eines Inertgases verwendet wird, das üblicherweise mit einer kleinen Menge Sauerstoff gemischt wird, Kohlendioxid-Bogenschweißen und Abschmelzelektroden-Bogenschweiß-Verfahren, bei denen eine Gasmischung aus Kohlendioxid, einem Inertgas und einer kleinen Menge Sauerstoff als Schutzgas verwendet wird. Die Gasbogenschwexßverfahren werden nachstehend als GMA-Verfahren bezeichnet.

In letzter Zeit ist eine verbesserte Festigkeit, die beispielsweise größer als 3,5 kg · m bei -6o°C ist, der Schweißzone bei Stahlrohren mit großem Durchmesser zur Verwendung als Pipeline erforderlich geworden, da diese Pipelines immer häufiger als früher in kalten klimatisehen Regionen verwendet und eingebaut werden. Um Stahl-

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rohre mit großer Wandstärke bei hoher Produktions-Leistungsfähigkeit mit dem SAW-Verfahren mit Mehrfach-Elektroden herzustellen, wird das Schweißverfahren mit einer großen Hitzezufuhr beim Schweißen von mehr als 60 000 Joule/cm durchgeführt, wenn die Plattenstärke einen Wert bis zu 25 mm erreicht. Infolge einer derartigen großen Hitzezufuhr beim Schweißen wird aber die Qualität des Basismetalls beeinträchtigt, beispielsweise wird die Schlag- oder Stoßfestigkeit der durch die Hitze beein-

Io trächtigten Zone des Basismetalls verringert.

In einem Falle, wo keine Maßnahme getroffen wird, um das Stahlmaterial mit einer zufriedenstellenden Festigkeit bei niedriger Temperatur auszustatten, und wo ein norma— les Stahlmaterial, wie es von dem API-Standard 5 L gefordert wird, mit dem SAW-Verfahren geschweißt wird, wird die Hitzezufuhr beim Schweißen auf einen niedrigen Wert begrenzt, um die Festigkeit bei niedriger Temperatur zu erreichen, und somit ist ein Schweißen in mehreren Schichten für den SchweißVorgang erforderlich. Infolge der begrenzten Hitzezufuhr beim Schweißen wird die Menge des aufgebrachten Metalls pro Zeiteinheit ebenfalls reduziert und somit die Produktions-Leistungsfähigkeit verringert. Darüber hinaus ist es so, daß das Schweißmetall der ersten Schichten, die auf den inneren und äußeren Oberflächen des Rohres ausgebildet werden, es mit sich bringt, daß der Wurzelverlauf an den ersten Schichten vorbeiläuft, an denen das Schweißmetall die Eigenschaft aufweist, daß es durch ein Entspannungsglühen spröde oder brüchig wird. Um das Sprödewerden beim Entspannen oder beim Entspannungsglühen zu vermeiden, ist ein zusätzlicher Schritt des Abmeißeins oder Abklopfens der Rückseite erforderlich, und die Produktions-Leistungsfähigkeit wird durch dieses Abklopfen der Rückseite weiter redu-

35 ziert.

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Das ΟΜΛ-Verfahren ist bisher als Alternative zum KAW-Verfahren ausprobiert worden, um einen Weg zu finden, Stahlrohre bei hoher Produktions-Leistungsfähigkeit zu schweißen, welche die erforderliche Festigkeit bei niedriger Temperatur garantieren, ohne eine spezielle Art von Stahlmaterial zu verwenden. Beim gewöhnlichen GMA-Verfahren wird das Schweißen mittels eines Elektrodendrahtes mit einem relativ kleinen Durchmesser in einem Bereich zwischen o,8 mm und 2,ο mm durchgeführt, und die Nachteile des Verfahrens sind im allgemeinen folgende:

(a) die Menge an aufgebrachtem Metall pro Zeiteinheit und somit die Leistungsfähigkeit des Schweißverfahrens ist nicht sehr hoch, (b) die Einbrandtiefe ist gering und (c) aufgrund der Form der Schweißnaht oder des Schweißwulstes neigen die Schweißungen dazu, Fehler aufzuweisen.

Die Leistungsfähigkeit beim Schweißen soll nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert werden.

Beim herkömmlichen MIG-Verfahren mit einem Draht mit kleinem Durchmesser liegt der verwendete Schweißstrom im allgemeinen in dem Bereich zwischen den Dreiecke aufweisenden, gestrichelten Linien ( Δ )/ wobei diese Linien

maximale und minimale Stromwerte angeben, da Fig. 2 die Beziehung zwischen dem Schweißstrom I und dem Drahtdurchmesser d angibt. Weiterhin ist es so, daß beim GMA-Ver— fahren, bei dem Kohlendioxidgas als Schutzgas zur Anwendung gelangt, der verwendete Schweißstrom im Bereich zwischen den mit Kreisen versehenen, gestrichelten Linien

( ο ) liegt, welche die maximalen und

minimalen Stromwerte in Fig. 2 angeben. Der obere Teil dieses Bereiches mit hohem Strom, der für das GMA-Verfahren mit CO₂-GaS verwendet wird, ist im wesentlichen für die Fälle des Heftschweißens geeignet, und daher wird der untere Teil, der sich unterhalb der Kettenlinie mit den

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zwei Punkten in Fig. 2 befindet und einen Strom von I = 25Od repräsentiert, für das normale GMA-Verfahren verwendet . Die relativ kleine Menge von aufgebrachtem Metall pro Zeiteinheit ist mit den oben erwähnten Schweißstrombereichen verknüpft.

Was die Einbrandtiefe anbetrifft, so bietet diese Einbrandtiefe beim normalen MIG-Verfahren keine Schwierigkeiten, da das MIG-Verfahren üblicherweise bei einer nie-

Io drigen Schweißgeschwindigkeit von weniger als 5o cm/min

ausgeführt wird und darüber hinaus der beim herkömmlichen MIG-Verfahren verwendete Draht mit kleinem Durchmesser eine gute Konzentration des Bogen bewirkt. Da aber eine hohe Schweißgeschwindigkeit von mehr als 5o cm/min für die Herstellung von Stahlrohren erforderlich ist, wird die Einbrandtiefe auf einen ziemlich niedrigen Wert in Verbindung mit dem oben erwähnten Schweißstromwert reduziert. Beim herkömmlichen MIG-Verfahren mit einem Draht mit kleinem Durchmesser der oben beschriebenen Art hat die Schweißnaht oder der Schweißwulst die in Fig. 1 (A) dargestellte Form. Wie aus Fig. 1 (A) erkennbar, hat die Schweißnaht ein unteres Teil, das extrem schmal und länglich ausgebildet ist, sowie ein oberes Teil konvexer Form, das ebenfalls schmal ausgebildet ist. Da die Ein-

25 brandbreite am unteren Teil der Schweißnaht 8 schmal ist, kann eine kleine Abweichung der Schweißnahtbahn oder der Orientierung des Bogens zu einem unvollständigen Eindringen an der Wurzel- oder Stoßfläche 3 der Schweißnaht führen. Da darüber hinaus die Querschnitts-

form der Schweißnaht in Längsrichtung länglich ausgebildet ist, besteht die Gefahr, daß Schweißdefekte, wie z. B. Warmrisse und Bindefehler, hervorgerufen werden.

Nachstehend soll ein weiteres GMA-Verfahren, nämlich das bekannte MIG-Verfahren oder, das Metall-Inertgas-Schweißen,

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erläutert v/erden, bei dem ein hoher Schweißstrom einen Draht mit kleinem Durchmesser durchfließt. Wenn der hohe Schweißstrom durch den Draht mit kleinem Durchmesser fließt, so kann die Zone des durch den Bogen erhitzten Basismetalls zum Schweißen des Rohres nicht ausreichend sein, und die Form des aufgebrachten Metalls ist in Längsrichtung länglich und hinsichtlich der Breite schmaler ausgebildet als die Form der Schweißnaht 8, die beim herkömmlichen MIG-Verfahren mit einem Draht mit kleinem Durchmesser ausgebildet wird (vgl. Fig. 1 (A)). Das Schweißmetall der so hergestellten konvex geformten Schweißnaht kann einen Bindefehler am Schweißnahtgrund· aufweisen und längs der Schweißnaht eine Hinterschneidung hervorrufen. Es ist schwierig, den schmal vorspringenden Teil der Einbrandtiefe für das Eindringen zur Wurzeloder Stoßfläche 3 der Enden la + Ib des Basismetalls 1 zu verwenden, da der sogenannte fingerförmige Einbrand beim MIG-Verfahren mit einem hohen Strom und einem Draht mit kleinem Durchmesser so schmal und länglich ausgebildet ist, daß der dünn vorstehende Teil des Einbrandes eine tiefe, aber sehr schmale Einbrandtiefe besitzt. Darüber hinaus besteht die Gefahr und die Neigung der Ausbildung von Warmrissen, teilweise weil das aufgebrachte Metall der Schweißnaht 8 in Längsrichtung länglich ausgebildet ist, wie es im Querschnitt der Darstellung nach Fig. 1 (A) dargestellt ist, und teilweise weil die Abkühlgeschwindigkeit des aufgebrachten Metalls hoch ist.

Darüber hinaus ist es aus den obengenannten Gründen sowie den nachstehend angegebenen Überlegungen möglich, das MIG-Verfahren durchzuführen, indem man hohe Schweißströme für die Drähte mit kleinem Durchmesser verwendet. Wenn nämlich das Schweißen unter Verwendung eines hohen Schweißstromes für die Drähte mit kleinem Durchmesser durchgeführt wird, so wird das sogenannte Rotationsphänomen des Bogens indu-

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- Io -

ziert, das zur Spritzerbildung, einer flachen Einbrandtiefe und einer mangelnden Ausfluchtung der Form der Schweißnaht führt. Infolgedessen wird ein Schweißstrom verwendet, der vom Drahtdnrchmesser in den oben angegebenen Bereichen abhängt und zwischen den beiden Linien Δ liegt.

In der JP-OS 51-61452 bzw. der JP-PS 53-9571 ist ein
GMA-Verfahren angegeben, bei dem ein hoher Schweißstrom

und ein Draht mit großem Durchmesser verwendet werden, um die Qualität und Herstellungsgeschwindigkeit von dickwandigen Rohren zu verbessern. Bei dem dort beschriebenen Verfahren werden der hohe Schweißstrom und der Draht mit großem Durchmesser kombiniert, um die Stromdichte des

15 Drahtes und somit die Einschnürungskraft des Stromes zu

verringern, um auf diese Weise die Ausbreitung des Bogens zu gewährleisten, was in Form der Schweißnaht verbessert und aufgrund des hohen Stromes zu einer ausreichenden Einbrandtiefe führt. Beim GMA-Verfahren mit einem hohen elektrischen Schweißstrom ist die Stromdichte des Drahtes mit großem Durchmesser' niedrig, und zwar trotz des hohen elektrischen Schweißstromes, und daher kann der Bogen während des Schweißens aufgrund der geringen Bogenstabilität in der Nut nicht stabil sein. Wenn beispielsweise

25 das normale GMA-Verfahren, das unter den Bedingungen

durchgeführt wird, daß ein Strom von 3oo A durch einen
Draht mit 1,2 mm Durchmesser fließt, mit einem bei hohem Schweißstrom durchgeführten GMA-Verfahren verglichen wird, das so durchgeführt wird, daß ein Strom von 8oo A

3o durch einen Draht mit 4,ο mm Durchmesser fließt, so be-

2 tragen die Stromdichten im ersten Falle 256 A/mm und im

2
zweiten Falle 64 A/mm . Die Stromdichte beim Draht mit

dem großen Durchmesser ist wesentlich niedriger als die bei dem Draht mit dem kleinen Durchmesser. Dementsprechend ist das in einer Richtung gehende Leitungsvermögen des

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Schweißbögens beim zuletzt genannten Schweißen unzulänglich und die Bogenstabilität in der Nut somit gering. Diese Bogeninstabilität hat die Neigung Schweißdefekte zu verursachen, wie z. B. Bindefehler, da der Bogen bei einem größeren Strom sogar noch unstabiler ist, was auf der magnetischen Blaswirkung beruht, die von einem direkten Strom induziert wird, wie er beim GMA-Verfahren als Energiequelle verwendet wird.

Weiterhin beruht dies darauf, daß der Erzeugungsbereich des Bogens an der Spitze des Drahtes eine geringe Stabilität besitzt, die auf dem großen Durchmesser des Drahtes beruht.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß der Hauptzweck des GMA-Verfahrens mit Drähten mit großem Durchmesser darin besteht, die elektrischen Stromdichten und somit die Einschnürungskraft zu reduzieren, so daß die Bogensteifigkeit niedrig ist. Aufgrund der niedrigen Einschnürungskraft ist es wahrscheinlich, daß die magnetische Blaswirkung auftritt und daß der Bogen abgelenkt wird. Darüber hinaus ist es hinsichtlich der Eindringtiefe so, daß die erzielte Einbrandtiefe nicht sehr tief ist, was auf der niedrigen Stromdichte beruht. Weiterhin ist die spezifisehe Schmelzgeschwindigkeit des Drahtes relativ zum Strom niedriger als beim herkömmlichen GMA-Verfahren mit Drähten mit großem Durchmesser. Da die letzte Schweißschicht am breitesten Teil der Nut ausgebildet wird, resultieren derartige Probleme, wie z. B. mangelnde Breite oder schlechte Form der Schweißnaht und auch Bindefehler, Hinterschneidungen und mangelnde Ausfluchtung der vollen Schweißnaht oder überwölbte Kehlnaht. Die Unzulänglichkeiten des GMA-Verfahrens mit hohem Schweißstrom und Drähten mit großem Durchmesser liegen somit darin, wenn man sie mit dem SAW-Verfahren vergleicht, daß die oben erwähn-

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ten Probleme auftreten.

In der JP-OS 51-9275o ist ein Schweißverfahren angegeben, bei dem Zwischenschweißnähte 6 und 9 in der in Fig. 5 angegebenen Art mit dem GMA-Verfahren aufgebaut oder aufgeschichtet werden und bei dem mit dem SAW-Verfahren auf die Zwischenschweißnähte 6 bzw. 9 Schweißnähte 7 und Io mit einer Dicke zwischen 2 und 7 mm aufgebracht werden. Bei diesem Schweißverfahren besitzen die Zwischenschweißnähte 6 und 9, d. h. die letzten mit dem GMA-Verfahren vorgenommenen Schweißnähte, eine Querschnittsform, die konvex ist und eine geringe Breite aufweist, wie es oben im Zusammenhang mit dem GMA-Verfahren mit einem Draht mit kleinem Durchmesser erläutert worden ist, wobei ferner Bindefehler am Schweißnahtgrund auftreten. Ferner verbreitern sich die Schweißnähte 7 und Io seitlich mit einer Tiefe von 2 bis 7 mm. Infolgedessen besitzen die Schweißnähte 7 und Io eine sehr niedrige Eindring- oder Einbrandtiefe, und es besteht die Neigung, daß Bjndefehler 12 in der in Fig. 5 angedeuteten Form auftreten, die auf der Ausbildung von dünnen Schweißnähten 7 und Io auf den Zwischenschweißnähten 6 bzw. 9 beruhen. Da darüber hinaus die mit dem SAW-Verfahren hergestellte letzte Schicht eine geringe Dicke zwischen 2 und 7 mm aufweist, ist es

25 erforderlich, die Schweißnähte in der Nut dicht an der

Rohroberfläche mit dem GMA-Verfahren aufzubauen oder aufzuschichten, bei dem die Metallaufbringungsrate und somit die Leistungsfähigkeit des Schweißverfahrens üblicherweise niedrig sind.

Die JP-OS 52-3543 beschreibt ein Schweißverfahren, bei dem die letzte Schweißschicht mit dem SAW-Verfahren hergestellt wird, und zwar im Anschluß an einen Schweißvorgang mit GMA-Verfahren, wie es bei der JP-OS 51-9275o der

35 Fall ist. Beim Schweißverfahren nach der JP-OS 52-3543

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wird jedoch während des SAW-Verfahrens für die letzte Schicht eine Elektrode nu t einem rechtwinkeligen Querschnitt angeordnet, so daß die Langseiten der Elektrode im wesentlichen senkrecht zur Schweißlinie verlaufen- Die rechtwinkelige Elektrode wird bei dem SAW-Verfahren mit einer relativ niedrigen Hitzezufuhr beim Schweißen verwendet, um in stabiler Weise eine Oberflächenschweißnaht auszubilden, die dünn, aber breit ist. In der JP-OS 52-3543 ist aber keinerlei Maßnahme angegeben, um die in Fig. 5 angedeuteten Bindefehler 12 zu beseitigen. Der Schweißvorgang mit dem GMA-Verfahren gemäß der JP-OS 52-3543 wird mit einer niedrigen elektrischen Stromdichte durchgeführt, wie es auch bei dem Verfahren nach der JP-OS 51-61452 und der JP-PS 53-9571 der Fall ist, welehe die oben erläuterten Schwierigkeiten mit sich bringen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schweißverfahren zur Herstellung von hochwertigen Stahlrohren bei großer Produktions-Leistungsfähigkeit anzugeben.

Das erfindungsgemäße Schweißverfahren beinhaltet das folgende Konzept:

Verwendung eines Drahtes mit kleinem Durchmesser, d. h.

einen Draht mit kleinem Durchmesser als Abschmelzelektrode, um die Festigkeit der Schweißzone des Stahlrohres bei niedriger Temperatur zu verbessern; Verwendung eines wesentlich höheren Schweißstromes als er üblicherweise für Drähte mit kleinem Durchmesser verwendet wird sowie als Schutzgasatmosphäre des GMA-Verfahrens die Verwendung einer Gasmischung, bei der Kohlendioxid einem Inertgas als dem größeren Teil der Gasmischung zugefügt und mit diesem vermischt wird. Infolgedessen wird eine große Eindringtiefe oder Einbrandtiefe mit ausreichender Ausbreitung erreicht, und die

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Heizzone des Basismetalls besitzt eine große Breite, so daß ausgezeichnete erste Schweißnahtschichten in stabiler Form gebildet werden.

Das GMA-Verfahren zur Herstellung der ersten Schweißnahtschichten wird mit SAW-Verfahren für die letzte Schicht kombiniert, bei dem das Oberflächenaussehen der Schweißnähte ausgezeichnet und die Form des Schweißnahtgrundes gut ist und bei dem sich eine glatte Oberflächenkontur leicht erzielen läßt. Infolge einer derartigen Kombination kann eine ausgezeichnete Qualität der Schweißzone des Stahlrohres bei hoher Schweißgeschwindigkeit und großer Produktions-Leistungsfähigkeit erzielt werden.

Gemäß der Erfindung wird ein Schweißverfahren zur Herstellung von Stahlrohren mit folgenden Verfahrensschritten angegeben:

- Erstellen einer Gasmetallbogenschwexßung (GMA-Verfahren) unter einer Schutzgasatmosphäre unter Bildung einer ersten Schweißschicht an den gegeneinanderstoßenden und mit Nuten versehenen Enden einer Stahlplatte und

- Erstellen einer verdeckten Bogenschweißung (SAW-Verfahren) unter Bildung der letzten Schweißschicht, das sich dadurch auszeichnet, daß beim GMA-Verfahrensschritt (a) ein hoher elektrischer Strom I in Ampere, der in dem durch die Formel

50Od = I = 50Od - 150

definierten Bereich liegt, wobei d der Durchmesser des Abschmelzelektrodendrahtes in mm ist, durch einen Draht mit kleinem Durchmesser zwischen o,8 und 2,4 mm innerhalb der Schutzgasatmosphäre aus einer Gasmischung geleitet wird, die im wesentlichen ein Inertgas und als

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Zusatz Kohlendioxid enthält, wobei die Leitung des Stromes durch den Draht innerhalb der Atmosphäre die Erzeugung eines rotierenden Bogens unterdrückt, aufgrund der von der hohen Stromdichte erzeugten Einschnürungskraft einen steiferen, stabileren Bogen erzeugt, den Widerstand des Bogens gegenüber einer Ablenkung des Bogens durch die magnetische Blaswirkung erhöht und das Eindringen in das Basismetall verbessert, und (b) die Drahtausdehnung (1) in mm zwischen dem Ende einer Stromkontakt-

Io spitze und dem Boden der Nut durch die Formel

1 >1Od + 5

bestimmt ist, so daß die Aufbringungsgeschwindigkeit an geschmolzenem Metall durch die große Drahtausdehnung beträchtlich vergrößert wird. Vorzugsweise oszilliert der Bogen in der Querrichtung zur Schweißlinie mit einer Frequenz zwischen 3 und 3o Hz und mit einer Breite zwischen 1 und 15 mm.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und im Vergleich mit bekannten Schweißverfahren sowie unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 (A) und (B) Querschnitte zur Erläuterung der

Schweißzone eines Rohres sowie der Eindringtiefe und der Form der Schweißnaht, wenn das GMA-Verfahren mit Anlegen eines hohen elektrischen Stromes an Drähte mit kleinem Durchmesser durchgeführt

wird, wobei die Fig. 1 (A) dem herkömmlichen Verfahren und Fig. 1 (B) dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechen;

Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwi-

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sehen dem Drahtdurchmesser (d) in mm und dem Schweißstrom (I) in Ampere;

Fig. 3 (A) eine schematische Darstellung im Querschnitt zur Erläuterung des Aufbaues beim herkömmlichen

SAW-Verfahren;

Fig. 3 (B) eine der Fig. 3 (A) ähnliche Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform des GMA-Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Schweißstrom (I) und der Schmelzgeschwindigkeit des Drahtes pro Zeiteinheit, um die Abhängigkeit des Widerstand-Heizeffektes von der Draht

ausdehnung zu verdeutlichen;

Fig. 5 eine schematische Darstellung im Querschnitt zur Erläuterung des Aufbaus einer Schweißnaht durch ein herkömmliches GMA-Verfahren zusammen mit einem SAW-

Verfahren;

Fig. 6 eine schematische Darstellung im Querschnitt zur Erläuterung des Aufbaus des Schweißmetalls gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren; und in

Fig. 7 und 8 schematische Darstellungen im Schnitt zur Erläuterung der Doppelnutformen, die beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren zur Herstellung von Rohren zur Anwendung gelangen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Draht mit kleinem Durchmesser, der im Bereich zwischen o,8 und 2,4 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 1,2 und 1,6 mm liegt, mit hoher Geschwindigkeit zugeführt, beispielsweise mit einer

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Geschwindigkeit von 25 bis 35 m/min bei beispielsweise einem Drahtdurchmesser von 1,2 mm; eine Schutzgasatmosphäre enthält ein Inertgas als größeren Teil des Schutzgases sowie ein Kohlendioxidgas als zusätzlichen Anteil, und es wird ein Schweißstrom mit einem hohen Wert in der Weise eingestellt, daß ein Sprühlichtbogen mit einer hohen Stromdichte realisiert wird, der durch folgende Formel definiert ist

Io 500 = I (A) = 50Od - 150 ...(D

Das Inertgas ist zumindest ein Element aus der Gruppe, die aus Argon und Helium besteht, jedoch wird üblicherweise Argon verwendet. Der Schweißstrom gemäß Formel (1) wird auf eine Stromdichte aus dem Bereich zwischen 4oo und

2
53o A/mm reduziert, beispielsweise im Hinblick auf einen Drahtdurchmesser von 1,2 mm. Solch ein hoher Strom oder Stromdichte wurde bislang, wie oben erläutert, als ungeeignet für das Schweißverfahren angesehen. Wenn ein hoher Strom in Kombination mit einem Draht mit kleinem Durchmesser bei herkömmlichen MIG-Verfahren verwendet wird, so tritt eine plastische Verformung im Draht aufgrund der Widerstandsbeheizung in der Drahtausdehnung auf, und die Form des Drahtspitzenendes ändert sich in eine lange konische Form. Infolgedessen verändert sich, wie dem Fachmann bekannt, der Bogen zu einem rotierenden Sprühbogen mit dem Ergebnis, daß Spritzerbildung in beträchtlichem Maße, eine niedrige Einbrandtiefe sowie mangelnde Ausfluchtung der Schweißnahtform auftreten. Da aber beim erfindungsgemäßen Verfahren Kohlendioxidgas dem Schutzgas zugefügt wird, um die Schutzgasmischung zu bilden, wird jedoch der konische Teil des Drahtspitzenendes verkürzt und der rotierende Sprühbogen unterdrückt. Dementsprechend ist es möglich, in vorteilhafter Weise den sogenannten versteiften Bogen auszunutzen, der durch die Ein-

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schnürungskraft dünn zusammengequetscht ist. Die tiefe Einbrandtiefe wird nämlich aufgrund der Tatsache erreicht, daß der Bogen dünn versteift oder stabilisiert ist, und der Widerstand des Bogens gegenüber der magnetischen Blaswirkung und Auslenkung wird durch die Tatsache erhöht, daß der Bogen durch die Einschnürungskraft versteift oder stabilisiert wird. Darüber hinaus wird die Menge an Metallauftrag pro Zeiteinheit und somit die Schweiß-Leistungsfähigkeit aufgrund des hohen Schweißstromes erhöht.

Das Schutzgas kann eine kleine Menge an Sauerstoff enthalten, ohne irgendeinen Effekt auf die obenerwähnten Vorteile auszuüben.

Der Schweißstrom (I) in Ampere wird in Abhängigkeit vom Drahtdurchmesser (d) in mm innerhalb des Bereiches ausgewählt, der durch die nachstehende Formel definiert ist:

50Od = I ^ 500 d - 15o,

und zwar aus den folgenden Gründen. Da nämlich die Drahtausdehnung bzw. Drahtlänge beim erfindungsgemäßen Verfahren groß ist, wird eine ausreichende Einschnürungskraft auf die Bogensäule ausgeübt, während der Draht gemäß einem bevorzugten Merkmal eine Oszillationsbewegung ausführt. Die Beziehung 50Od = I muß erfüllt sein, um eine unnormale Vibration des Drahtspitzenendes des Drahtes und des Bogens zu vermeiden. Wenn nämlich der Schweißstrom einen Wert von 50Od überschreitet, so wird der Heizwiderstand sehr groß und bringt eine unnormale Vibration mit sich. Wenn mit anderen Worten der Schweißstrom I den oberen Grenzwert überschreitet und extrem hoch wird, so schmilzt der Draht in nicht stabiler Weise aufgrund der Rotation des Bogens, und die geschmolzene Elektrode wird unstabil aufgrund des extrem großen Druckes des Bogens.

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Wenn Schweißstrom (I) niedriger ist als der untere Grenzwert, der durch die Formel

50Od - 150

definiert ist, so wird der Wert des elektrischen Stromes nicht erreicht, der zur Ausübung einer ausreichend großen Einschnürungskraft erforderlich ist, und somit wird die hohe Leistungsfähigkeit nicht erzielt, die zum Schweißen bei der Herstellung von Rohren erforderlich ist. Unterhalb des unteren Grenzwertes ist mit anderen Worten die Schmelzgeschwindigkeit des Drahtes zu niedrig, um eine hohe Leistungsfähigkeit beim Schweißen zu erzielen.

Der Durchmesser des Elektrodendrahtes liegt aus folgenden Gründen zwischen o,8 und 2,4 mm: Wenn der Durchmesser des Schweißdrahtes größer als 2,4 mm ist, so ist der in der Drahtspitzenlänge erzeugte Heizwiderstand beträchtlich niedriger als der eines Drahtes mit einem Durchmesser von weniger als 2,4 mm. Die Auftragsgeschwindigkeit wird in erwünschter Weise über die Rate erhöht, die proportional zum Schweißstrom ist, wenn der Drahtdurchmesser, wie beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, 2,4 mm oder weniger beträgt. Eine derartige erwünschte Zunahme wird aber nicht mit einem Drahtdurchmesser oberhalb von 2,4 mm erreicht. Obwohl die Einschnürüngskraft in erwünschtem Maße auf diese Weise erhöht wird, um den Bogen beim erfindungsgemäßen Verfahren zu stabilisieren, wird eine derartige erwünschte Zunahme nicht mit einem Drahtdurchmesser oberhalb von 2,4 mm erzielt. Wenn andererseits der Durchmesser des Schweißdrahtes niedriger als o,8 mm ist, so ist der maximal zulässige elektrische Strom zu niedrig, um eine hohe Auftragsgeschwindigkeit des Drahtes zu erreichen. Wenn weiterhin ein Draht mit einem Durchmesser von weniger als o,8 mm mit hoher Geschwindigkeit

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zugeführt wird, so besteht die Tendenz, daß Schwierigkeiten auftreten, wie z. B. ein Biegen des Drahtes, und daher ist es fraglich, ob der Schweißvorgang bei industriellen Maßstäben stabil durchgeführt werden kann. Ein Drahtdurchmesser zwischen 1,2 und 1,6 mm ist vorzuziehen.

Die Vorteile einer hohen Stromdichte können in vollem Umfang verwendet werden, ohne eine Rotation des Bogens zu induzieren, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Schutzgasmischung für die Schweißatmosphäre verwendet wird und daß weiterhin ein Strombereich zur Anwendung gelangt, der in Fig. 2 mit D bezeichnet ist und der früher nicht verwendet worden ist.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist der Abstand zwischen dem Vorderende der Stromkontaktspitze und dem Boden der Nut, d. h. die Drahtausdehnung in mm, durch die folgende Beziehung spezifiziert:

2o 1> 1Od + 5 ... (2) ,

wobei der Wert d den Durchmesser des Drahtes in mm angibt. Eine Besonderheit des Schweißens mit Drähten mit kleinem Durchmesser besteht darin, daß die Metallauftragsgeschwindigkeit pro Zeiteinheit, die auch als Auftragsrate bezeichnet wird, von dem proportionalen Verhältnis mit dem Schweißstrom abweicht und stärker als der Wert zunimmt, der durch dieses Verhältnis definiert ist, wenn der Schweißstrom erhöht wird. Dieser Effekt ist so zu verstehen, daß er aus der Widerstandsheizung in der Drahtspitzenausdeh'nung aufgrund des Schweißströmes resultiert. In Fig. 4 ist die Wirkung der Drahtausdehnung auf die Auftragsbreite des Drahtes mit kleinem Durchmesser schematisch durch die ausgezogene Linie dargestellt, während die Kettenlinie mit einem Punkt eine kleinere und größere Drahtausdehnung an—

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gibt. Hinsichtlich des Drahtes mit großem Durchmesser ist jedoch der Heizeffekt an der Drahtspitzenausdehnung so gering, daß das Verhältnis zwischen der Auftragsbreite und dem Schweißstrom die gestrichelte gerade Linie leicht überschreitet, wie es mit der Kettenlinie mit drei Punkten angedeutet ist. Um eine hohe Auftragsrate für ein Schweißverfahren mit hoher Leistungsfähigkeit bei Drähten mit großem Durchmesser zu gewährleisten, muß der Strom somit erhöht werden, beispielsweise auf einen Wert im Punkt A in Fig* 4, mit dem Ergebnis, daß eine Instabilität des Bogens, wie z. B. eine magnetische Blaswirkung, verursacht wird. Darüber hinaus stellt die niedrige Stromdichte, wie oben bereits im Zusammenhang mit der JP-OS 51-61452 erläutert, einen Grund für Bogenxnstabilitäten dar. Andererseits ist es im Hinblick auf Drähte mit kleinem Durchmesser so, daß auch bei üblichen Ausdehnungslängen (1) der Widerstandsheizeffekt zu beobachten ist, wie es mit der ausgezogenen Linie und dem Punkt (B) angedeutet ist, obwohl der Wert des elektrischen Stromes immer noch gi:oß ist. Wenn jedoch beim erfindungsgemäßen Verfahren die Ausdehnungslänge auf der Formel 1>1Od + 5 basiert, so wird der elektrische Strom reduziert, wie es mit der einen Punkt aufweisenden Kettenlinie und dem Punkt C in Fig. 4 angedeutet ist. Ein derartiger elektrischer Strom, wie er durch den Punkt C angedeutet ist, ist vorteilhafter für die Stabilisierung des Bogens und die Form der Schweißnaht als der durch den Punkt B angedeutete Strom. Wie bereits erwähnt, ist darüber hinaus die Stromdichte und somit die Einschnürungskraft des Drahtes mit kleinem Durchmesser in Punkt C weitaus höher als die des Drahtes mit großem Durchmesser im Punkt A. Dementsprechend wird ein tiefer Eindringungseffekt erzielt, auch wenn eine Oszillation mit hoher Frequenz auf den Schweißbogen ausgeübt wird, indem man den Elektrodendraht bei hoher Frequenz oszillieren läßt. Aus den oben angegebenen Grün-

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den soll die Drahtausdehnung 1 größer als 1Od + 5 sein, wobei der Wert d der Durchmesser des Drahtes in mm ist. Es ist wünschenswert, die Drahtausdehnung auf einen Wert unterhalb eines zu hohen Wertes zu begrenzen, der eine

5 übermäßige Aufweichung des Drahtes und eine unnormale

Bogenoszillation mit sich bringen würde, welche auf der Oszillation bei hoher Frequenz beruht, die gelegentlich vorgenommen wird. Die maximalen Drahtausdehnungen 1 betragen bei Drähten, die einen Drahtdurchmesser von 1,2 mm

Io und 2,4 mm aufweisen, jeweils 3o mm bzw. 5o mm.

Beim herkömmlichen MIG-Verfahren mit Drähten mit kleinem Durchmesser, bei dem ein Argongas mit einem Zusatz von Sauerstoff in einer Menge zwischen 1 und 2 % als Schutzgas verwendet wird, hat man den Schweißstrom, der für eine stabile Schweißung für eine vorgegebene Drahtausdehnung verwendet wird, experimentell so bestimmt, daß er den maximalen Wert nicht überschreitet, der durch die Kettenlinie mit zwei Punkten definiert ist, die in Fig. 4 mit A/R bezeichnet ist. Diese Linie kennzeichnet die maximale Schmelzrate, bei der der Bogen beim MIG-Verfahren einen stabilen axialen Sprühübergang aufweist und oberhalb der ein rotierender Sprühvorgang erzeugt wird. Da jedoch eine Schutzgasatmosphäre aus gemischten Gasen in der oben erwähnten Form beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, wird der rotierende Sprühvorgang auch bei elektrischen Stromwerten unterdrückt, die den kritischen Wert der A/R-Linie überschreiten, und es kann somit ein hoher Schweißstrom verwendet werden, während ein stabiler Bogen erzeugt wird. Das Schutzgas enthält an Volumenanteilen bis 3o X und vorzugsweise Io bis 2o % Kohlendioxidgas, und das Inertgas ist im wesentlichen ausgeglichen und kann einen geringen Anteil an Sauerstoff enthalten. Die Schweißspannung kann innerhalb eines optimalen, gewünschten Bereiches gewählt werden, beispielsweise innerhalb des Be-

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reiches zwischen 3o und 4o Volt, jedoch ist eine hohe Spannung wünschenswert, beispielsweise im Bereich zwischen 37 und 4o Volt, um die Breite des Bodens der Einbrandtiefe an der Wurzel- oder Stoßfläche 3 (vgl. Fig. 1 (A)) bis zu einem Maße zu vergrößern, das beim Schweißen zulässig ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des neuartigen Verfahrens wird die Stromkontaktspitze einem Oszillations-Vorgang unterworfen, so daß der Bogen mit hoher Frequenz in einer Richtung quer zur Schweißlinie oszilliert. Infolgedessen kann eine flache Schweißnaht mit einer ausgezeichneten breiten Einbrandtiefe hergestellt werden. Dabei ist es nämlich so, daß durch die Oszillationsbewegung des Bogens bei eiher hohen Frequenz die durch den Bogen beheizte Zone des Basismetalls ausgeweitet und die Eindringungsform verbreitert wird, um einen ausgezeichneten Schmelzvorgang an der Wurzel- oder Stoßfläche sowie einen besonders guten Schweißnahtgrund zu erzielen. Wie in Fig.

' 3 (B) angedeutet, bedeutet dies, daß die Stromkontaktspitze 16 mit einer hohen Frequenz von drei oder mehr Schwingungen pro Sekunde zwischen den durch die ausgezogenen und gestrichelten Linien angegebenen Stellungen oszilliert, so daß der Bogen eine Oszillationsbewegung in einer senkrecht zur Schweißlinie verlaufenden Richtung ausführt. Die Breite der Eindring- oder Einbrandtiefe wird somit verbreitert, während die Tiefe der warzenartigen Eindringtiefe aufgrund der hohen Stromdichte des Bogens herabgesetzt wird. Trotz dieser Abnahme ist die Eindringtiefe oder Einbrandtiefe, wenn eine hohe Stromdichte verwendet wird, ausreichend, um die Wurzel- oder Stoßfläche 3 des Rohres zu schmelzen und zu verbinden, was dadurch erfolgt, daß das Schweißen ohne Bildung einer Wurzelkerbe oder eines Wurzelabstandes zwischen den Enden des Basismetalls vorgenommen wird. Darüber hinaus wird dafür gesorgt, daß sich die Eindringung quer

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zur Schweißlinie verbreitert. Dementsprechend ist die so erzielte Form des Einbrandes geeignet für die Einbrandform an der Wurzel- oder StoiSf lache 3. Da weiterhin die Oszillation bei hoher Frequenz sowohl die durch den Bogen beheizte Zone des Basismetalls 1 als auch die Dispersionszone des vom Schweißdraht 13 gelieferten geschmolzenen Metalls vergrößert und da weiterhin die auf das geschmolzene Metall ausgeübte Bogenkraft verbreitert wird, so entsteht ein besonders guter Schweißnahtgrund. Beim Schweißen von dicken Platten bei hoher Schweißgeschwindigkeit und niedriger Hitzezufuhr beim Schweißen werden im allgemeinen Warmrisse der Schweißnähte aufgrund des raschen Abkühlens erzeugt. Derartige Probleme werden jedoch dadurch gelöst, daß die Form der Schweißnaht und des Einbrandes verbessert worden sind. Um zu erreichen, daß bei einer hohen Schweißgeschwindigkeit keine Zickzack-Form des Einbrandes hervorgerufen wird und damit die Bogenkraft gleichmäßig auf die breite Zone des geschmolzenen Metalls in der Nut aufgebracht wird, ist es erforderlich, daß die Oszillationsfrequenz nicht weniger als 3 Hz beträgt. Ferner ist es erforderlich, daß die Oszillationsfrequenz nicht mehr als 3o Hz beträgt, damit das geschmolzene Metall am vorderen Ende des Schweißdrahtes in stabiler Form in das Basismetall übetragen wird. Vorzugsweise liegt die Oszillationsfrequenz zwischen 5 und 2o Hz. Aus den nachstehend angegebenen Gründen liegt die Oszillationsbreite zwischen 1 und 15 mm. Bei der Oszillationsbreite von weniger als 1 mm kann der Einbrand nicht in wirksamer Weise verbreitert werden, während oberhalb eines Wertes von 15 mm die vorbereitete Kante in extremem Maße geschmolzen wird, so daß die Gefahr besteht, daß Schweißfehler am Schweißnahtgrund der ersten Schweißschicht ausgebildet werden. Die Wirkungen der Oszillation, die der Stromkontaktspitze in Querrichtung zur Schweißlinie erteilt werden, lassen sich in gleichem Maße durch eine Oszillation erzielen, bei der das-

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Ende der Stromkontaktspitze die Bahn eines Kreises oder eines Pseudokreises beschreibt, also eines Oszillationszyklus oder -kreises, während die Spitze längs der Schweißlinie vorrückt. Die Bahn der Oszillation bei hoher Frequenz ist nicht in speziller Weise beschränkt, solange die Bahn eine Komponente quer zur Schweißlinie aufweist.

Das Sprödewerden beim Entspannen oder Abkühlen (SR-Sprödewerden) kann in wirksamer Weise gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verhindert werden, indem man die Länge der Wurzel- oder Stoßfläche und den Winkel der Nut an der Wurzel begrenzt. Das SR-Sprödewerden, das aus einer beträchtliehen Verdünnung oder Konzentrationsverringerung des Schweißmetalls in den ersten Schichten durch das Basismetall resultiert, kann in wirksamer Weise verhindert werden, wenn das GMA-Verfahren unter einer Schutzgasatmosphäre der oben erwähnten Gasmischung vorgenommen wird, um die ersten Schweißschichten auf der Doppelnut auszubilden, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Dicke der Wurzel- oder Stoßfläche zwischen 3 und 8 mm sowie einen Keilwinkel am Boden der Nut zwischen 45 und 16o aufweist. Ganz allgemein ausgedrückt ist es so, daß die Metallwärmebehandlungselemente aufgrund der Verdünnung oder Konzentrationsverringerung durch das Basismetall in das Schweißmetall der ersten Schichten eindringen und das SR-Sprödewerden verursachen. Wenn das SAW-Verfahren zum Schweißen der ersten Schichten verwendet wird, so haben die das SR-Sprödewerden fördernden Stoffe Sauerstoff und Phosphor in aufgelöster Form die Neigung, daß sie in reichem Maße in diesen Schichten vorhanden sind. Wenn das GMA-Verfahren beim Schweißen der ersten Schichten verwendet wird, so werden Sauerstoff und Phosphor in gelöster Form verringert, und das SR-Sprödewerden kann in

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vorteilhafter Weise reduziert werden. Wenn die Dicke der Wurzel- oder StoßflMche einen Wert von 8 nun überschreitet, so wird im allgemeinen eine Schweißnaht mit birnenförmiger Gestalt erzeugt, wie sie in Fig. 1 (A) dargestellt ist.

Mit einer derartigen Form der Schweißnaht können jedoch gegebenenfalls Warmrisse erzeugt werden. Wenn andererseits die Wurzel- oder Stoßfläche weniger als 3 mm beträgt, so können Schwierigkeiten, wie z. B. Durchbrennen,.auftreten, auch wenn eine Heftschweißung durchgeführt worden ist.

Ein kleiner Nut- oder Keilwinkel ist für die Leistungsfähigkeit des Schweißverfahrens vorteilhaft, jedoch wird bei einem Keilwinkel von weniger als 45° die Schweißnaht birnenförmig, und es können daher Schweißrisse erzeugt werden, wenn die erste Schicht gebildet ist. Andererseits wird bei einem Nut- oder Keilwinkel von mehr als 16o° das Eindringen oder der Einbrand erhöht, aber die Leistungsfähigkeit beim Schweißen wird in beträchtlichem Maße reduziert, was auf der Zunahme des Querschnittsbereiches der Nut beruht. Es ist wünschenswert, eine Nut mit einer Form der in Fig. 8 dargestellten Art zu verwenden, um den Nutbereich auf eine so kleine Fläche wie möglich zu verringern, und zwar unter dem Gesichtspunkt der Leistungsfähigkeit bei Anwendung des SAW-Verfahrens beim Schweißen.

Aus Fig. 8 läßt sich entnehmen, daß der Nut- oder Keilwinkel an der oberen oder Oberflächenschweißschicht mit dem SAW-Verfahren geringer als 45° sein kann, daß aber der Nut- oder Keilwinkel am Boden 45° oder mehr betragen sollte.

Schließlich soll das Schweißen der letzten Schicht näher erläutert werden. Obwohl das GMA-Verfahren beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren, wie oben bereits erwähnt, in stabiler Weise dafür sorgt, daß die Schweißnaht der ersten Schicht frei von Schweißrissen ist und eine große

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Eindringtiefe oder Einbrandtiefe aufweist, liefert die Form der Schweißnaht ein Problem, weil der Nutteil des Rohres sich an einer Stelle erweitet, die dicht an der Oberfläche des Rohres liegt, wenn das GMA-Verfahren beim Schweißen der letzten Schicht verwendet wird. Es besteht nämlich die Tendenz, daß Schweißnähte erhalten werden, die konvex ausgebildet sind und eine schmale Breite aufweisen, da das GMA-Verfahren im allgemeinen einen geringeren Schweißnahtgrund aufweist als das SAW-Verfahren, was auch auf der Schmelzfähigkeit des Bogens mit hoher Stromdichte beim GMA-Verfahren beruht, wobei diese Fähigkeit in Tiefenrichtung groß, jedoch in Breitenrichtung des Bogens niedrig ist.

Das WIG-Verfahren oder Wolfram-Inertgas-Schweißverfahren ist nicht so praktisch zum Schweißen der letzten Schicht wie das SAW-Verfahren, da nicht genug Verstärkung der Schweißung für ein dickwandiges Rohr durch das WIG-Verfahren erfolgt und da weiterhin die Eigenschaften der Schweißung beim WIG-Verfahren bei hoher Geschwindigkeit niedriger als die beim SAW-Verfahren sind.

Zusammenfassend ist es so, daß die Merkmale und Eigenschaften des SAW-Verfahrens, verglichen mit denen des GMA-Verfahrens, darin zu sehen sind, daß eine breite Schweißnaht mit einer geringen Eindringtiefe leicht erzeugt werden kann, und zwar aufgrund der Verbreiterung des Bogens, der eine niedrige Stromdichte aufweist, und daß gemäß den Eigenschaften der Schlackenschildschweißung der Schweißnahtgrund ausgezeichnet ist und eine glatte Schweißnaht leicht erzielt werden kann.

Um die Abkühlungsgeschwindigkeit durch Erhöhung der Hitzezufuhr beim Schweißen durch die Schweißung der letzten Schicht zu verringern, und zwar innerhalb der die Festig-

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keit gewährleistenden Grenzen, muß das SAW-Verfahren, das eine Schweißung bei einer Hitzezufuhr im Bereich zwischen 25 und 45 kJ/cm ermöglicht, bei der letzten Schicht zur Anwendung gelangen. Um ferner eine unerwünschte Zunahme der Härte in der Schweißzone abzuschwächen, wobei diese Zunahme aus der niedrigen Hitzezufuhr beim Schweißen in jeder Schweißschicht und somit aus einer hohen Abkühlungsgeschwindigkeit gemäß dem GMA-Verfahren beim erfindungsgemäßen Verfahren resultiert, muß das SAW-Verfahren für die letzte Schweißschicht verwendet werden, um somit die vorhergehenden Schichten auszuglühen.

Wie oben bereits erwähnt, kann eine Schweißzone eines Stahlrohres, insbesondere eines dickwandigen Stahlrohres mit

15 verbesserten Eigenschaften gemäß dem erfindungsgemäßen

Verfahren erzeugt werden, indem man das GMA-Verfahren mit hoher Schmelzgeschwindigkeit oder Schmelzrate und vorzugsweise hoher Oszillationsfrequenz zum Schweißen der ersten Schichten verwendet und indem man das SAW-Verfahren zum Schweißen der letzten Schichten verwendet. Die Erfindung zeichnet sich somit durch die Wahl von Schweißverfahren für die ersten und letzten Schichten eines Stahlrohres, insbesondere eines dickwandigen Stahlrohres, aus. Bei der Anordnung nach Fig. 6 können nämlich die Zwischenschweißnähte 6 und 9 mit jedem beliebigen Schweißverfahren, wie z. B. dem normalen GMA-Verfahren, hergestellt werden, das keine Schweißprobleme bietet, vorausgesetzt, daß das Schweißen der ersten Schichten mit dem GMA-Verfahren mit hoher Schmelzrate und vorzugsweise mit hoher Oszillationsfrequenz durchgeführt wird, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist. Vom Standpunkt der Leistungsfähigkeit und Qualität des Schweißens her ist es jedoch wünschenswert, das GMA-Verfahren gemäß der Erfindung auf das Schweißen der Zwischenschweißnähte anzuwenden. Wenn das normale GMA-Verfahren für die Zwischenschweißnähte zur Anwendung gelangt,

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so haben die Schweißnähte die Neigung, daß sie eine konvexe Form mit geringer Breite aufweisen. Das SAW-Verfahren, das nach diesem GMA-Verfahren durchgeführt wird, besitzt die ISieigung, Bindefehler 12 (vgl. Fig. 5) am Schweißnahtgrund der Schweißnaht hervorzurufen, die durch das normale GMA-Verfahren gebildet werden. Ein derartiger Schweißfehler kann jedoch dadurch verhindert werden, daß man die Dicke P der mit dem SAW-Verfahren hergestellten Schweißnaht so wählt, daß sie mindestens 8 mm, jedoch eher mehr als Io mm, beträgt. Wenn die Dicke l^j der Schweißnaht 7 mm oder weniger beträgt, so kann hieraus ein Bindefehler resultieren. Unzureichende Festigkeit vE-6o = 3,5 kg-m des Schweißmetalls und der hitzebeeinträchtigten Zone der letzten Schichten kann aufgrund einer sehr großen Hitzezufuhr beim Schweißen nicht erfolgen, wenn die Dicke P der Schweißnaht 8 mm oder mehr beträgt.

Die GMA- und SAW-Verfahren gemäß der Erfindung können in breitem Umfang zur Herstellung von Stahlrohren mit großem Durchmesser verwendet werden, bei denen gefordert wird, daß sie eine ausgezeichnete Festigkeit bei niedriger Temperatur aufweisen. Es ist jedoch wünschenswert, diese Verfahren bei der Herstellung von dickwandigen Stahlrohren anzuwenden, die eine Dicke von nicht weniger als 12,7 mm (o,5 inch), insbesondere aber 25,4 mm (1 inch) oder mehr aufweisen. Diese Schweißverfahren lassen sich in der Herstellungslinie eines UOE-Verfahrens, eines Spiralverfahrens oder eines Biegewalzverfahrens zur Anwendung bringen, die hier nicht im einzelnen angegeben sind, da sie als solche bekannt sind. Die Materialien des Stahlrohres können normale Materialien sein, wie sie z. B. im API Standard 5 L gefordert werden, oder es kann sich um spezielle Materialien handeln. Unter Verwendung des neuartigen Verfahrens ist es möglich, in den Rohren für eine Pipeline und den am Meer konstruierten Rohrkonstruktionen die Beanspruchungskonzentration am Schweißnahtgrund zu verringern und die

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- 3ο -

Dauerfestigkeit zu erhöhen.

Das neuartige Verfahren wird im folgenden anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen im einzelnen näher erläutert.

Beispiel 1

Ein Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von Io4 cm (41 inch), einer Wandstärke von 25 mm und der Bezeichnung X-65 wurde hergestellt und getestet- Die Zusammensetzung der Stahlplatte hatte die in Tabelle I angegebenen Werte.

TABELLE I

Stahl	Chemische Zusammensetzung	C	Si	Mn	P	S	Ni	V	Nb
sorte		o,o6	o,2o	1,35	o, ool	o,oo4	o,25	o, 14	o,o3
X-65	Anteile in Gew.-%

Die Nut mit ihrer in Fig. 7 dargestellten Form und den in Tabelle II angegebenen Werten wurde an den gegeneinanderstoßenden Enden einer Stahlplatte ausgebildet. Nach dem Heftschweißen wurden GMA-Verfahren mit Oszillationsbewegung mit hoher Frequenz und das SAW-Verfahren gemäß der Erfindung sowie MIG-Verfahren mit einem Schweißdraht mit kleinem Durchmesser und geringem Strom unter den Bedingungen durchgeführt, die im einzelnen in Tabelle II angegeben sind.

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TABELLE II

	Stand der Technik	4	Erfindungsgemäßes Verfahren	t	= 25 mm	1
	t - 25 mm	3		t R	. = t. = 10 mm 'F ⁼ 5 mm	-
Form der Keilnut (mm)	t = t = 11 mm R-F = 3 mm	5		θ	X ■ »2 - ⁶⁰°	°'⁵ ro
	Q=Q- An⁰	14,2			Tandemartiges SAW-Verfahren	OO 12,1 ^
Schweißverfahren	MIG-Verfahren	12,1	GMA-Verfahren		4,0	ΙΌ 11,0 £π
Durchmesser des Elektrodendrahtes (mm)	1,2	20,3	1,2		35	21,9 J*
-3 Drahtausdehnung (Abstand zwischen Spitze tDund Basismetall in mm)	15	-	20		schmelzendes Flußmittel mit hoher Basizita't	9/20
Q₀ Ab s chirmung	Ar+CO (20%) 30 l/min	Ar+CO (20%) 50 l/min		30/32
Schweißspannung (V)	30	36		720/660
^Schweißetrom (A)	260-	550		60
OJVorschubgeschwindigkeit (cm/min)	30	60		42,7
Hitzezufuhr beim Schweißen (kJ/cm)	16,8	19,0		-
Oszillationsfrequenz d. Elektrode (Hz)	-	15		-
Oszillationsbreite	-	3
Schrittzahl (Anzahl pro Seite)	1
Einbrandtiefe der ersten Schicht (mm)	6
Schweißzeit (relativ zum SAW-Verfahren)	0,5
Festigkeit vE-20 (kg-m) - Schweißmetall, geschweißt	15,7
- Schweißmetall danach, 600°C χ 1 h SR	14,3
- HAZ, geschweißt	21,4
Dicke bzw, Breite der Schweißnaht (mm)	-

Die Zusammensetzung des verwendeten Schweißdrahtes ist in der nachstehenden Tabelle III angegeben.

TABELLE III

Schweißdraht	C	Chemische	Si	Mn	Zusammensetzung	S	Cu
Schweißdraht mit kleinem Durchmesser von 1,2 mm Schweißdraht für SAW-Ver- fahren mit 4,o mm Durch messer	o, 11 o,12	Anteile	ο,68 o,o5	1,34 1,9	in Gew.-%	o,oo5 o,oo4	o, 26 o,3o
	P
	o,oo9 ο, oo8

Das Flußmittel, das beim Experiment gemäß diesem Beispiel während des SAW-Verfahrens der Oberflächenschicht verwendet wurde, war ein basisches, schmelzendes Flußmittel, mit SiO₂-CaO-TiO₃-CaF₂ als Hauptbestandteilen. Die Ergebnisse der Schweißung sind in den unteren sechs Zeilen von Tabelle II angegeben. Wie sich der Tabelle II entnehmen läßt, wird die Leistungsfähigkeit des Schweißverfahrens beträchtlich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbessert, wenn man es mit dem herkömmlichen MIG-Verfahren mit einem Schweißdraht mit kleinem Durchmesser vergleicht. Das GMA-Verfahren beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren wäre effizienter als das SAW-Verfahren, wenn die beiden Verfahr ens sehr it te unter der Voraussetzung miteinander verglichen würden, daß die Hitzezufuhr beim Schweißen beim GMA-Verfahren und beim SAW-Verfahren gleich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer großen Eindringoder Einbrandtiefe. Die Wurzel- oder Stoßfläche von 5 mm Dicke könnte demnach beim erfindungsgemäßen Schweißverfahren verwendet werden _T während die Wurzel- oder Stoßfläche

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von nur 3 mm Dicke beim herkömmlichen GMA-Verfahren wegen der geringen Eindringtiefe und Schweißrisse Verwendung finden könnte.

Die geringe Leistungsfähigkeit beim Schweißen mit dem normalen GMA-Verfahren ist mit der dünnen Wurzel- oder Stoßfläche verknüpft und daher mit dem großen Querschnittsbereich der Keilnut. Darüber hinaus besaßen die mit dem erfindungsgemäßen Schweißverfahren hergestellten Schweißnähte eine ausgezeichnete Schweißnahtform und eine ausreichende Breite, wenn man sie mit den nach dem bekannten GMA-Verfahren hergestellten Schweißnähten verglich. Dies ergibt sich aus dem Umstand, daß das SAW-Verfahren für die letzten Schweißschichten verwendet wurde.

Zusammenfassend ergibt sich, daß mit der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein dichtes, fehlerfreies Schweißmetall ohne Risse in den ersten Schichten sowie eine homogene glatte und regelmäßige Oberfläche der Schweißnähte erzeugt werden, wobei eine Schweißzone des Rohres mit verbesserter Festigkeit bei hoher Leistungsfähigkeit des Schweißverfahrens hergestellt wird.

Beispiel 2

Ein Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von 155 cm (61 inch) und einer Wandstärke von 34 mm wurde aus einem 2,5 %-Ni-Mn-Nb-V-System, niedrig legiertem Stahl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem herkömmlichen tandemartigen SAW-Verfahren hergestellt und dann getestet. An den gegeneinanderstoßenden Enden der Stahlplatte wurde die Keilnut mit einer Form ausgebildet, wie sie in Fig. 7 dargestellt und in Tabelle IV spezifiziert ist. Nach dem Heftschweißen wurden die beiden oben erwähnten Schweißverfahren unter den Bedingungen durchgeführt, wie sie im

einzelnen in Tabelle IV angegeben sind.

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TABELLE IV

Form der Keilnut (mm)

Stand der Technik

= 32 mm ., ^a 22 mm, t„ = 5 mm

R.F ■ 5 mm θ, » 75° θ.

70"

Erfindungsgemäßes Verfahren

t. =

R.F
θ, ■

Q O ■■■_...

j ζ tnm « t„ = 13 mm

6 mm

70^l

Schweißverfahren

Tandemartiges SAW-Verfahren

GMA-Verfahren

Tandemartiges SAW-Verfahren

Durchmesser des Elektrodendrahtes (mm) ,Prahtausdehnung (Abstand zwischen Spitze

und Basismetall in mm)
«5

O Ab schirmung

CO Schweißspannung (V)

^ Sc|:i weißst rom (A)

^ VOTschubgeschwindigkeit (cm/min) ■*** f^itzezufuhr beim Schweißen (kJ/cm) Oszillationsfrequenz der Elektrode (Hz) Oszillationsbreite

Schrittzahl (Anzahl pro Seite) Einbrandtiefe der ersten Schicht (mm) Abschlagen der Rückseite Schweißzeit (relativ zum SAW-Verfahren) Festigkeit vE-20 (kg-m)

- Schweißmetall geschweißt

- Schweißmetall danach, 600°C χ 1 h SR

- HAZ, geschweißt

Dicke bzw. Breite der Schweißnaht (mm)

4,0 35

schmelzendes Flußmittel mit hoher Basizität

31/33 720/600 70 36

11 4

erforderlich 1

10,4

4,8

16,2

9/30

2,0
27

Ar+CO (20%)
l/min

4,5

6 .
nein
0,3

•12,5
10,3
18,0

4,0 35

schmelzendes Flußmittel mit hoher Basizität

35/42 900/780 100 38,5

nein 0,3

11,5

7,3

16,7

10/32

OO

to

cn

oo

Die Zusammensetzungen der verwendeten Schweißdrähte sind im einzelnen in Tabelle V angegeben.

TABELLE V

Schweißdraht	Chemische Zusammensetzung	C	Si	Mn	P	S	Ni	Mo	Cu
Schweißdraht mit kleinem Durchmesser von 2,o mm Schweißdraht für SAW-Ver- fahren mit 4,o mm	Anteil in Gew.-%	o,o4 o,o7	o,39 o,14	o,85 1,5o	o,oo3 o,oo4	o,oo4 o,oo4	3,5 3,5	o,3o o,3o	o,o1 o,o1

Das bei diesem Ausführungsbeispiel während des SAW-Verfahrens verwendete Flußmittel war ein basisches, schmelzendes Flußmittel mit SiO₂-CaO-TiO₂-CaF₂ als Hauptbestandteilen.

Wie aus der Tabelle IV ersichtlich, war die Leistungsfähigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schweißung gegenüber dem konventionellen, tandemartigen SAW-Verfahren verbessert.Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus folgenden Umständen: erstens kann die Wurzelfläche aufgrund einer großen Einbrandtiefe beim Schweißen dick sein, mit dem Ergebnis, daß die Querschnittsfläche der Keilnuten reduziert werden kann; zweitens ist die Schmelzrate oder Schmelzgeschwindigkeit des Schweißdrahtes beträchtlich hoch, obwohl die Hitzezufuhr beim Schweißen niedrig ist, mit dem Ergebnis, daß die Anzahl der Schweißschritte reduziert werden kann; und drittens ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens des SR-Sprödewerdens aufgrund der niedrigen Hitzezufuhr beim Schweißen unwahrscheinlich, obwohl die Verdünnung

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oder Konzentrationsverringerung des Schweißmetalls in den ersten Schichten durch das Basismetall groß ist.

Ein Abschlagen oder Abklopfen der Rückseite ist nicht erforderlich, da das SR-Sprödewerden nicht auftritt.
5

Risse oder Brüche in der ersten Schweißschicht waren nach Beendigung des Schweißvorganges nicht zu beobachten, obwohl die Dicke der Wurzel- oder Stoßfläche groß war und
einen Wert von etwa 6 nun' aufwies. Die Schweißnahtoberfläehe erwies sich nach Beendigung der Schweißung als ausgezeichnet, da das SAW-Verfahren im Anschluß an das GMA-Verfahren für die letzten Schichten verwendet wurde.

Beispiel 3

Es wurde ein Stahlrohr wie in Beispiel 1 hergestellt,
mit der Abweichung, daß die Oszillationsbewegung mit hoher Frequenz nicht während des GMA-VerfahrensSchrittes,
ausgeführt wurde. Die Bedingungen für die Herstellung des

2o Rohres lassen sich durch die in Tabelle VI angegebenen Werte beschreiben. Die in Tabelle VI nicht angegebenen Produktionsbedingungen waren die gleichen wie in Beispiel 1.

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TABELLE VI

«Ο O co co co

O Ol

	Stand der Technik	Erfindungsgemäßes Verfahren	GMA-Verfahren	t = 10 mm
	t = 25 mm	t = 25 mm	(ohne Oszillation)	5 mm
	t. = t„ = 11 mm	t =		Q₂ - 60°
Form der Keilnut (mm)	R.F = 3 mm	1 R-F =	1,2	Tandemartiges SAW-Verfahren
	O₁ = Q₂ = 60°		20
	MIG-Verfahren, Draht mit
S chweιßve r fahr en	kleinem Durchmesser, nie	Ar+C0₂ (16%)	4,0
	driger Schweißstrom	40 l/min	35
Durchmesser des Elektrodendrahtes (mm)	1,2	38
Drahtausdehnung (Abstand zwischen	15	530	schmelzendes Flußmittel mit
Spitze und Basismetall in mm)		60	hoher Basizität
Abschirmung	Ar+CO (20 %)	20,1	30/32
	30 l/min	1	720/660
Schweißspannung (V)	30	6	60
Schweißstrom (A)	260	0,5	42,7
Vorschubgeschwindigkeit (cm/min)	30		1
Hitzezufuhr beim Schweißen (kJ/cm)	15,6	15,5	-
Schrittzahl (Anzahl pro Seite)	4	l-,4	0,5
Einbrandtiefe der ersten Schicht (mm)	3	21,7
Schweißzeit (relativ zum SAW-Verfahren'	5	-	12,4
Festigkeit vE-20 (kg-m)			11,2
- Schweißmetall, geschweißt	14,2	21,5 P*
- Schweißmetall danach 600oc χ 1 h SR	12,1	9/20 jr«*
- HAZ, geschweißt	20,3
Dicke bzw, Breite der Schweißnaht (mm)	-

u>

CO CJ

Wie sich aus Tabelle VI entnehmen läßt, sind die im Beispiel 3 erzielten Schweißergebnisse im wesentlichen die gleichen wie die bei Beispiel

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Leerseite

Claims

vχ] tv

K 12 453/3/cb

NIPPON STEEL CORPORATION 6-3, Othemachi 2-chome

Chiyoda-ku Tokyo/ Japan

Schweißverfahreh zur Herstellung von Stahlrohren.

Patentansprüche

Schweißverfahren zur Herstellung von SteV.rohr;;r;. insbesondere von dickwandigen Stahlrohren mit einer We.rd-.Sterke von nicht weniger als 12,7 mm und vorzugsweise nicht weniger als 25,4 mm, mit folgenden Verfahrensschr· . ten:

- Erstellen einer Gasmetallbogti schweißung (GMA- Ver f -?.hr ί r unter einer Schutzgasatmosphäre unter Bildung ainer ersten Schweißschicht an den gegeneinanderstoßenden und mit Nuten versehenen Enden einer Stahlplatte und - Erstellen einer verdeckten Bogenschweißung (SAW-Verfahren) unter Bildung der letzten Schweißschicht, dadurch gekennzeichnet , daß beim GMA-Verfanrensschritt (a) ein hoher elektrischer Strom (I) '..n Ampere, der in dem durch die Formel

5oo = I = 5ood - 15o,

90988 1 /OSA6

definierten Bereich liegt, wobei d der Durchmesser des Abschmelzelektrodendrahtes in mm ist, durch einen Draht mit kleinem Durchmesser zwischen o,8 und 2,4 mm, vorzugsweise zwischen 1,2 und 1,6 mm, innerhalb der Schutzgasatmosphäre aus einer Gasmischung geleitet wird, die im wesentlichen ein Inertgas und als Zusatz Kohlendioxid, vorzugsweise mit einem Anteil von Io bis 2o % der Gasmischung, enthält, wobei die Leitung des Stromes durch den Draht innerhalb der Atmosphäre die Erzeugung eines rotierenden Bogens unterdrückt, aufgrund der von der hohen Stromdichte erzeugten Einschnürungskraft einen steiferen, stabileren Bogen erzeugt, den Widerstand des Bogens gegenüber einer Ablenkung des Bogens durch die magnetische Blaswirkung erhöht und das Eindringen in das Basismetall verbessert, und (b) die Drahtausdehnung (1) in mm zwischen dem Ende einer Stromkontaktspitze und dem Boden der Nut durch die Formel

1 >lOd + 5,

bestimmt ist, so daß die Aufbringungsgeschwindigkeit an geschmolzenem Metall durch die große Drahtausdehnung beträchtlich vergrößert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß mit dem Bogen eine Oszillationsbewegung in Querrichtung zur Schweißlinie mit einer Frequenz zwischen 3 und 3o Hz, vorzugsweise zwischen 5 und 2o Hz, und mit einer Breite zwischen 1 und 15 mm ausge-

3ο führt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß an jeder Seite einer Stahlplatte eine Nut aut*gebildet wird, daß jede dieser Nuten einen Winkel zwischen 45° und 16o° besitzt und daß die

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von den gegeneinanderstoßenden Enden gebildete Wurzeloder Stoßfläche zwischen 3 und 8 mm lang ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht

oder Zwischenschichten zwischen der ersten und der letzten Schweißschicht mit einem GMA-Verfahrensschritt hergestellt werden, wobei (a) ein hoher elektrischer Strom (I) in Ampere, der in dem durch die Formel Io

5OOd = I = 50Od - 150

definierten Bereich liegt, wobei d der Durchmesser des Schweißdrahtes in mm ist, durch einen Draht mit kleinem Durchmesser zwischen o,8 und 2,4 mm innerhalb der Schutzgasatmosphäre aus einer Gasmischung geleitet wird, die im wesentlichen ein Inertgas und als Zusatz Kohlendioxid enthält, wobei die Leitung des Stromes durch den Draht innerhalb der Atmosphäre die Erzeugung eines rotierenden Bogens unterdrückt, aufgrund der von der hohen Stromdichte erzengten Einschnürungskraft einen steiferen, stabileren Bogen erzeugt, den Widerstand des Bogens gegenüber einer Ablenkung des Bogens durch die magnetische Blaswirkung erhöht und das Eindringen in das Basismetall verbessert, und (b) die Drahtausdehnung (1) in mm durch die Formel

1 >lOd + 5,

bestimmt ist, so daß die Aufbringungsgeschwindigkeit an geschmolzenem Metall beträchtlich vergrößert wird-

909881/0546