DE4318931C1

DE4318931C1 - Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren

Info

Publication number: DE4318931C1
Application number: DE19934318931
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr Ing Niederhoff; Von Ingo Dr Ing Hagen; Manfred Dr Ing Keller; Klaus-Juergen Dipl I Reineking; Heinz Dipl Ing Holder
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1993-06-03
Filing date: 1993-06-03
Publication date: 1994-12-01
Anticipated expiration: 2013-06-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren aus Stahl gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein gattungsmäßiges Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren ist der DE-Z "BLECH Rohre + Profile" 1974 Nr. 11, S. 461-462 zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird das angelieferte Band nach der Bearbeitung der Längskanten in einem Formwalzwerk kalt zu einem Schlitzrohr geformt und anschließend mittels HF-Schweißen daraus ein Rohr erzeugt. Der so entstan dene endlose Rohrstrang wird anschließend kalibriert. Vor Einlauf in das Streckreduzierwalzwerk wird in Linie der endlose Rohrstrang in einem Durch laufofen auf ca. 980 Grad Celsius erwärmt und anschließend auf die gewünsch te Endabmessung umgeformt.

Im Hochbau als Konstruktionsrohre, im Maschinenbau, in der Fördertechnik und zum Bau von Off-Shore-Plattformen werden geschweißte Profilrohre, insbeson dere mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt in vielfältiger Weise verwendet. Entsprechend DIN 49411 können Profilrohre mit Kantenlängen bis zu 120 mm und Wanddicken bis zu 12,5 mm über einen Kaltumformprozeß, d. h. direkt in Linie mit der Schweißanlage oder separat über Kaltziehen und entsprechend DIN 49410 eine größere Kantenlänge und Wanddicke aufweisende Profile über einen Warmumformprozeß hergestellt werden. Die konventionelle und seit Jahren eingeführte Verfahrensweise von Warmprofilen geht aus von einem Band, üblicherweise ein besäumtes oder nicht besäumtes Warmband, das über eine Gerüststrecke kalt zu einem Schlitzrohr umgeformt wird. Anschließend wird mittels HF-Schweißen ein geschweißtes Mutterrohr erzeugt. Dieses wird anschließend induktiv auf eine Temperatur oberhalb Ac₃, d.h. für übliche C-Mn-Stähle im Bereich zwischen 900 und 1000°C erwärmt und in einem Streckreduzierwalzwerk auf die angestrebte Vorrohrabmessung gewalzt und in den letzten Gerüsten auf die gewünschte Endprofilabmessung umgeformt. Anschließend erfolgt die Abkühlung an ruhender Luft.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß nur wenige ausgewählte Mutterrohrabmessungen erzeugt werden, die über das Streckreduzieren in eine Vielzahl von Abmessungen hinsichtlich Durchmesser und Wanddicke aufgesplittet werden können. Die wenigen Mutterohrabmessungen bedeuten auch wenige Bandabmessungen und damit eine geringe Lagerhaltung. Ein weiterer Vorteil gegenüber den kaltgefertigten Profilen mit Wanddicken größer 4 mm besteht darin, daß die Kantenabrundung geringer ist, da durch das Warmwalzen im Austenitgebiet keine Aufhärtungen im Kantenbereich entstehen. Bei kaltgefertigten Profilen im Wanddickenbereich größer 4 mm sind größere Kantenradien erforderlich, da ansonsten die Gefahr besteht, daß die Aufhärtung im Kantenbereich zu stark zunimmt und im Falle der Überschreitung der Grenzformänderung Risse entstehen können. Die größeren Kantenabrundungen sind aber nicht erwünscht, da bei aneinanderstoßenden Profilen der entstehende Hohlraum immer größer wird, je größer die Kantenradien sind. Dies führt oft zu Schwierigkeiten beim Verschweißen von Profilen im Stoßbereich.

Nachteilig bei dem bekannten Warmwalz-Verfahren ist, daß durch die hohe Erwärmung auf über Ac₃ ein Großteil der vorteilhaften Bandeigenschaften (Oberfläche, Toleranz) wieder verlorengeht. Außerdem ist je nach Abmessungspalette ein häufiger Umbau des Streckreduzierwalzwerkes erforderlich. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß kontrolliert (TM) gewalzte Bänder nicht eingesetzt werden können, da durch die hohe Umformtemperatur der TM-Effekt, insbesondere was die Streckgrenze betrifft, wieder verlorengeht. Bei kaltumgeformten Profilen kann man diesen Effekt im Hinblick auf eine Reduzierung der Wanddicke prinzipiell zwar auch nutzen, jedoch verschärfen sich bei höherfesten TM-Stählen die vorab geschilderten Probleme bei der Umformung durch die Nichtvermeidbarkeit unebener Seitenflächen (Seitenflächen werden zunehmend nach innen gebogen).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Profilrohren aus Stahl anzugeben, mit dem eine gute Oberflächenqualität bei geringen Toleranzen, insbesondere was die Kantenabrundung betrifft, des Profilrohres erzielbar ist und bei dem auch kontrolliert (TM bzw. TG) gewalztes Band eingesetzt werden kann, ohne daß die TM-Eigenschaften entscheidend verlorengehen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Erzeugung von Profilrohren mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt das geschweißte Rohr induktiv in einer Zeit von 400 sec auf eine Temperatur in einem an sich bekannten Bereich zwischen 600 Grad Celsius und kleiner Ac₁ erwärmt wird und anschließend die Umformung zur gewünschten Endprofilabmessung erfolgt. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Umformen im ferritischen Bereich ist im Prinzip bekannt (D.N. Hawkins "Warm Working of Steels", Journal of Mechanical Working Technology 11 (1985) 11. Seite 5-21). Im Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren ist bei dem offenbarten Verfahren die Umformung unterhalb Ac₁ Teil eines Warmwalzprozesses oder der teilweise oder vollständige Ersatz eines nachgeschalteten Kaltwalzprozesses. Die gewünschte Umformtemperatur bei diesem Verfahren wird durch gezielte Zwischenabkühlung im Zuge eines Warmwalzprozesses erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß die vorteilhaften Bandqualitäten, d.h. Oberflächenqualität und Dickentoleranz weitgehend erhalten bleiben und auch kontrolliert (TM) gewalztes Warm-Band eingesetzt werden kann. Durch umfangreiche Untersuchungen wurde herausgefunden, daß eine Erweichung des TM-Stahles bei Wiedererwärmung auf Temperaturen T(A_c1-Temperatur)-20°C dann nicht eintritt, wenn dieser Zustand nicht wesentlich mehr als 400 Sekunden andauert. Somit sinken in dem angegebenen Temperaturbereich die erhöhten Streckgrenzenwerte nicht oder nur geringfügig ab und das hohe Zähigkeitsniveau der TM-Stähle bleibt ebenfalls erhalten. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Kantenabrundung so klein gehalten werden kann wie bei einem klassischen warmgewalzten Profil und daß die nur geringfügigen Härtesteigerungen im Kantenbereich im Sinne der nur geringfügig veränderten Werkstoffeigenschaften nicht störend sind. Somit können durch das erfindungsgemäße Verfahren die Vorteile der Warm- und Kaltprofilierung in sich vereinigt werden.

Besonders vorteilhaft ist das vorgeschlagene Verfahren, wenn als Stahl ein mikrolegierter C-Mn-Stahl eingesetzt und das Band über ein kontrolliertes TM-Walzen erzeugt wird. Für ein solches Ausgangsmaterial liegt die Temperatur vor dem Umformen des geschweißten Rohres im Bereich von 620-680°C. Die Zähigkeitseigenschaften der Schweißnaht kann man verbessern, wenn man nach dem Schweißen diesen Bereich induktiv oberhalb Ac₃ glüht.

Anhand zweier Ausführungsbeispiele wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Beispiel 1

Verwendet wurde ein Warmband der Festigkeitsstufe entsprechend St 52 (St E 355) in der Abmessung 500×8,8 mm. Das Ausgangsmaterial war wie folgt legiert:

0,17% C, 0,35% Si, 1,44% Mn, 0,018% P, 0,005% S, 0,023% Al, 0,03% Nb.

Das Band entsprach damit einer Normalglühgüte St 52. Das Bandmaterial hatte im Walzausgangszustand die folgenden mechanischen Eigenschaften:

R_p0,2 = 482 N/mm²
R_m = 604 N/mm²
ISO-V-Kerbschlagzähigkeit (quer) bei -20°C: 148 J/cm²

Das Band wurde in üblicher Weise gemäß Erfindung zum Profil der Abmessung 150×100×8,8 mm umgeformt (Umformtemperatur 620°C). Anschließend wurden in den Kantenbereichen die mechanischen Eigenschaften erneut bestimmt. In gleicher Weise wurde auch ein Profil kalteingeformt und untersucht. Die Eckenradien des kaltumgeformten Profils waren dabei deutlich geringer ausgeformt. Die mechanischen Eigenschaften beider Profile wurden zusätzlich auch nach Auslagerung (2h 250°C, entspricht einer künstlichen Alterungsbehandlung) bestimmt.

Tafel 1 enthält die Ergebnisse. Dabei fällt auf, daß das erfindungsgemäß hergestellte Profil in den verformten Eckenbereichen trotz eines wesentlich kleineren Eckenradius und damit eines höheren Gesamtverformungsgrades weniger aufhärtet als das Kaltprofil. Dementsprechend fällt die Zähigkeit gegenüber dem Kaltprofil weniger ab. Eine Alterung tritt quasi nicht auf. Somit liegen gegenüber dem Kaltprofil verbesserte Zähigkeitseigenschaften vor. Außerdem bleiben gegenüber dem Warmprofil der Zähigkeitsverlust und der Abbau an Dehnungsreserve in den Eckenbereichen deutlich geringer.

Beispiel 2

Verwendet wurde ein Warmband der Festigkeitsstufe entsprechend St E 460 TM (DIN 17 172) in der Abmessung 500%11 mm. Das Ausgangsmaterial war wie folgt legiert:

0,085% C, 0,25% Si, 1,43% Mn, 0,014% P, 0,004% S, 0,035% Al, 0,035% Nb.

Das Bandmaterial hatte im Ausgangszustand die folgenden mechanischen Eigenschaften:

R_p0,2 = 463 N/mm²
R_m = 556 N/mm²
ISO-V-Kerbschlagzähigkeit (quer) bei -20°C: 297 J/cm².

Es wurden die gleichen Vergleichsversuche wie im Falle des Beispieles 1 durchgeführt. Die Umformtemperatur lag bei 650°C. Bei dem kalteingeformten Profil der Abmessung 150×100×11 mm zeigten sich trotz eines deutlich größeren Kantenradius bereits erste kleinere Kantenaufbrüche.

Tafel 2 enthält das Ergebnis der Vergleichsversuche. Auch hier wird deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren dazu führt, daß die überlegenen Eigenschaften des TM-Ausgangsmaterials weitgehend erhalten werden können. Das Kaltprofil zeigt hingegen in den hoch kaltverformten Eckenbereichen einen deutlichen Zähigkeitsverlust, besitzt deutlich verminderte Dehnungsreserven und macht die bekannten Schwierigkeiten infolge zu hoher Umformgrade in den Eckenbereichen (Kantenanrisse, etc.).

Ein Nachteil der Kaltprofile liegt auch darin, daß sie infolge des Umformprozesses mit verhältnismäßig hohen Eigenspannungen behaftet sind. Dies führt zu Problemen bei Schweißarbeiten und bei der spanenen Bearbeitung infolge einer erhöhten Neigung zu Verzug. Es wurden daher Eigenspannungsmessungen durchgeführt, die belegen, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Profile weitgehend spannungsfrei und damit in ihrem Verhalten wie Warmprofile anzusehen sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren aus Stahl, bei dem ausgehend von einem Band über Kalteinformung zuerst ein Schlitzrohr und anschließend mittels HF-Schweißung ein Rohr erzeugt wird, das nach Erwärmung auf die gewünschte Abmessung direkt in Linie umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Profilrohren mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt das geschweißte Rohr induktiv in einer Zeit von 400 sec auf eine Temperatur in einem an sich bekannten Bereich zwischen 600 Grad Celsius und kleiner Ac₁ erwärmt wird und anschließend die Umformung zur gewünschten Endprofilabmessung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schweißen der Schweißnahtbereich oberhalb Ac₃ induktiv geglüht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz eines mikrolegierten C-Mn-Stahles das Band über ein kontrolliertes TM- oder TG-Walzen erzeugt und das geschweißte Rohr vor dem Umformen zur Endprofilabmessung auf einer Temperatur im Bereich von 620-680 Grad Celsius erwärmt wird.