CN107466260A - 用于持久地接合第一管状构件和第二构件的焊接组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊接组件，用于将第一管状构件与第二构件沿着二维或三维的相交曲线持久地接合。本发明的特征在于，操纵器单元是呈竖直关节臂机器人形式的六轴开式运动链，附装在框架的末端上，设有供应模块，其上附装有至少一个部件：控制单元；电能供应单元；用于与焊接过程相关的材料的至少一个储备装置，材料包括焊丝和处理气体；至少一个部件通过连接管线与焊接工具相连接，供应模块可旋转地支承，用于执行与焊接工具绕着管纵轴线运动同时的旋转运动，该旋转运动能够实现焊接工具绕着管纵轴线的无尽旋转，供应模块至少沿着一平面可自由定位地铰接在相对于焊接组件单独构造的承载结构件上，或者供应模块以抗扭的方式与承载环模块相连接。

Description

用于持久地接合第一管状构件和第二构件的焊接组件

技术领域

本发明涉及一种用于沿着二维或三维相交曲线持久地接合第一管状构件和第二构件的焊接组件，这两个构件沿着所述相交曲线接触，所述焊接组件包括与所述第一构件的背离所述相交曲线的管状末端可拆卸且固定接合的固定组件、间接或直接安装在所述固定组件上从而其能绕着配属于所述第一构件的管纵轴线可枢转的操纵器单元、和附装至所述可自由定位的操纵器末端的焊接工具。

背景技术

可更新能源的发展已带来对离岸风力涡轮机的不断增长的需求，而风力涡轮机必须通过吊杆、三角桩或三脚架形式的资源保护基座结构被牢固地放置在海床上或海床中，所有这些基座结构的特征均在于具有管节件的钢架管结构，这些管节件作为由相交管组成的钢架接合元件。取决于各种不同的基座结构类型，可使用多种呈X、Y、K和双K构造的管节件。在该设计范围内，管节件在接合角度、管接头的定位、钢架管的厚度以及直径方面呈现不同，由此导致即使在相同的框架结构件内也可使用很多不同类型的接头。当接合两个钢架管时(这通常需要将管接头与大直径的基管相接合)，这里的尺寸通常需要通过焊接来完成接合。在本文中，正确地加工焊缝并且沿着两个管构件沿着其相互接触的三维相交曲线将这两个构件尽可能精确地接合对于焊缝的质量和尺寸公差是关键性的。

由于待接合的构件的大尺寸和重量，焊缝加工和通过焊接接合管节件连接件的过程在大多数情况下要手工地完成，使得加工过程是漫长的、效率低下且花费大。大量的不同类型的管接合妨碍了使用焊接机器人完成这种类型的管节件，这是因为预先不可能采用单一自动化的通用焊接组件进行这种操作。

在本文中，DE 33 13 230 A1公开了一种用于将管接头自动焊接至较大基管元件的方法和装置，其中基管元件被可旋转地支承。当管元件已被钉到基管上时，将具有以铰接方式接合从而可绕着管接头的纵轴线旋转的焊接臂组件的固定组件附装到管接头上，该焊接臂组件也在两个方向上以及绕着管纵轴线的旋转方向上进行轴向移位，使得焊接工具可沿着三维相交曲线精确地移动。然而，考虑到用于附装到管接头的已知焊接组件的尺寸，仅适合于将管接头接合到管轴线相对于彼此正交地定位的基管段上。

已知的装置利用了这样的事实，即由于基管段的旋转定位，总是在“平焊位置”执行焊接过程，使得能够实现可能最快的焊接速度和非常高的焊接质量，但其也存在着这样的缺点，即假如特别当制造近海平台时待操作的管节件的总重量为30吨或更重，并且管通常达到10米长且具有大约1-3米的直径，待接合的管构件的操作将受到构件的尺寸和重量的限制。并且，具有多组管角度(在这些组中管接头的管纵轴线以小于90°，优选小于45°的角度与基管的管纵轴线对齐)的管节件会面临空间上的挑战，这是因为由于径向突出的构造焊接工具不能绕着待焊接的管接头的管纵轴线旋转360°。

在文献EP 0060382 A1、EP 181 1047 A1、JP 60203370 A、DE 10 2009 043 021B3、DE 30 05 153 A1和EP 013341 1 A1中公开了非常类似的用于接合两个管状构件的焊接组件，其中管状构件的管纵轴线相互正交地取向。

专利申请DE 10 2011 118 615 A1记载了一种用于沿着基管段焊接管接头的装置，基管段的管轴线形成了锐角。为了沿着三维相交曲线焊接两个管构件，安装了能在线性轴线上双向移动的焊接机器人，但该机器人同样仅能对相交曲线的部分区段起作用。为了能完成焊接，必须要绕着待彼此接合的管构件布置至少两个，优选三个这种类型的焊接机器人。

专利申请EP 2 311 595 A1记载了一种用于沿着共同的相交曲线接合连个工件的埋弧焊接装置，其中焊接装置连同焊接过程所需的构件(例如焊丝供给部和控制器)一起被安装在平台上，并且布置成和焊接工具一起可绕着焊接工具绕着其旋转的轴线旋转，从而沿着整个焊缝进行焊接。该组件适合于焊接管纵轴线相互竖直定位的两个管构件。

专利申请EP 0 049 037 A1也公开了一种与上述焊接组件类似的焊接组件，其能在管纵轴线相互正交的两个管构件之间形成焊接节点。焊接组件固定但可拆卸地安装在相对于直径较大的管构件竖直取向的较小管构件上，并且能够在可竖直降低的焊嘴能封闭两个管构件之间的间隙的同时绕着管纵轴线旋转。同样在该申请中，执行焊接过程所需的所有构件布置在可旋转安装的焊接组件上。

专利申请JP 57195583 A记载了一种用于将管接头焊接至安装成可绕着水平轴线旋转的主管的焊接组件。焊接组件紧固至管接头的端部，并且包括能绕着管接头的纵轴线被可旋转地引导的焊接工具，其中在主管绕着其水平对齐的管纵轴线旋转的同时，该焊接工具被永久性地保持在沿着焊缝形成的焊接点的正上方。

发明内容

本发明的目的在于改进用于沿着第一管状构件和优选也为管状的第二构件沿着其接触的二维或三维相交曲线将所述两个构件持久地接合的焊接组件，所述焊接组件包括与所述第一构件的背离所述相交曲线的管状末端可拆卸且固定接合的固定组件、间接或直接安装在所述固定组件上从而能绕着配属于所述第一构件的管纵轴线可枢转的操纵器单元，所述操纵器单元具有可自由定位的操纵器末端、并且包括以以下方式附装至所述可自由定位的操纵器末端的焊接工具，即所述焊接组件是尽可能柔性、紧凑和轻质的，并且能够执行焊接任务以尤其为了现场制造管节件，而不需要待接合的构件具有单独的支承结构。特别地，能够焊接任何类型的具有至少一个管接头的管节件组，该管接头的管纵轴线与基管段的管纵轴线夹成45°的锐角以及更小。所述焊接组件也能使得至少一个焊接工具在没有与周围的管壁区域相撞的风险下绕着所述管接头的管纵轴线旋转至少360°，优选在大多数情况下绕着所述管纵轴线无尽地(unendlich)旋转，从而能够沿着所述相交曲线形成至少一个完全不间断的、均质的焊缝。焊接工具绕着管纵轴线的无尽旋转也使得能焊接厚度多达几厘米厚的较大壁厚，并且能相互具有相应的较大焊缝填充体积。在本发明中，多个单粒“焊珠”应通过在焊缝上随意经常滚过从而完全填充所述焊缝填充体积。此外，焊接组件在没有额外安装耗费的情况下应可拆卸地固定附装在具有不同管直径的管接头上。

权利要求1给出了实现本发明的任务的解决方案。相应的从属权利要求以及参照附图的说明书中给出了有利的改进方案。

根据本解决方案，用于沿着第一管状构件和第二构件沿着其彼此接触的二维或三维相交曲线将所述第一管状构件持久地连接至所述第二构件的焊接组件具有权利要求1前序部分所述的特征，其特征在于，所述操纵器单元是竖直关节臂机器人形式的六轴开式运动链，并且附装在框架的末端上。另外，设置以下构件中的至少一个附装到其上的供应模块：控制单元、电能供应单元、用于与焊接过程相关的材料(包括焊丝和处理气体)的至少一个储备装置。上述构件中的至少一个是通过连接管线与焊接工具相连接，并且所述供应模块可旋转地支承使得在焊接工具绕着管纵轴线运动的同时其能进行旋转运动，这实现了所述焊接工具绕着管纵轴线运动的无尽旋转。所述供应模块或者能够以铰接方式附装到构造成与所述焊接组件分开的承载结构件上，从而至少沿着一个平面是可自由定位的，或者可以与承载环模块连接。

术语“操纵器单元”意味着设有由铰接关节连接的刚性体所组成的系统的运动链。铰接关节可以具有不同的自由度。铰接关节可以被构造成具有至少一个旋转轴线的旋转铰接关节、或推拉式铰接关节。对于焊接组件的运动链被构造成竖直关节臂机器人形式的六轴开式运动链。

所述焊接组件的固定组件仅支撑在所述第一管状构件上。为此，配属于固定组件的夹持模块在端侧上轴向置入到在一侧敞开的第一管状构件中。在所述夹持模块随后在径向上展开的过程中，所述固定组件与管内壁形成在轴向上牢固的、可抗扭的、力且摩擦锁合连接结构。在此，所述夹持模块通过可径向偏移的摩擦元件与第一管状构件的管内壁作用连接，其中，可不同程度实现各个摩擦元件的径向伸展(Ausstellung)，从而根据由径向上分配成摩擦元件且致动器驱动的杠杆机构的设计和尺寸可使用同一夹持模块用于紧固具有分别不同的内管直径的管状构件，这些内管直径相互之间具有多达一米的差别。

在优选的实施例中，所述固定组件配备有机械能存储单元，其支持关于致动器驱动的杠杆机构方面产生的径向作用的夹紧力，以至于正如在长期焊接过程中可能产生的第一管状构件的热引起的径向拓宽的情形下，摩擦元件相应地以力加载的方式被随动(nachführen)，由此保持径向夹紧力，并由此确保焊接组件总是可靠地保持在相应的第一管状构件上。

所述夹持模块也与支撑平台相连接，该支撑平台可直接或间接地靠置在第一构件的轴向端侧的管状末端上，并且将固定组件在轴向上支撑在第一构件上。所述支撑平台也用作接收相对于所述支撑平台在轴向上固定地且绕着旋转轴线可旋转地支承的承载环模块，当夹持模块处于接合状态时，该旋转轴线在第一管状构件内部与管纵轴线重合。

为了能够将承载环模块相对于支撑平台可旋转地支承，该承载环模块优选包括至少一个具有环形段的承载环，该环形段以轴向且抗扭的方式与支撑平台可拆卸且牢固地连接，并且布置成可相对于承载环旋转。为了使所述至少一个承载环相对于以固定方式与支撑平台连接的环形段可旋转运动，于是使用一方面以固定方式与承载环连接并且另一方面通过传动机构与环形段配合的伺服马达。

所述承载环模块的至少一个承载环布置成可通过马达相对于所述夹持模块旋转，并且有利地具有圆形构造的外周边缘(peripheren Umfangsrand)，至少一个保持设备沿着该外周边缘附装，该至少一个保持设备与线性框架配合，从而所述线性框架可通过致动器驱动相对于保持设备沿着线性轴线双向偏移。如果夹持模块已置入到第一管状构件中，则线性框架的线性轴线平行于第一管状构件的管纵轴线延伸，其中，所述线性框架处于与第一管状构件的外壁具有尽可能最小的径向间隔。如将在下文中描述的那样，所述线性框架的致动器驱动是由与附装在承载模块上的保持设备相配合的、马达驱动的丝杠机构实现，从而保证线性框架受控地双向偏移。所述线性框架优选包括桁架状的加固结构件，该加固结构件是极其刚性的，因而具有极低的静态挠度。所述线性框架可达到4米长，并且在其一端上布置有运动链形式的操纵器单元，特别是六轴竖直关节臂机器人的形式，从而对附装至运动链的自由端的焊接工具进一步空间定位。空间上紧凑的关节臂机器人具有小于100kg优选为60kg左右的净重，由此在空间上可自由地枢转和定位。通过这种方式，关节臂机器人和与其接合的焊接工具这两者都可以在管接头的外壁上完全绕着管接头尽可能紧密地枢转，使得能够在不与周围壁构件相撞的情形下沿着接合轮廓形成连续的焊缝。

为了主要确保将所述焊接工具支撑成可绕着固定安装在管接头内的夹持模块旋转以至于焊接工具能绕着管接头的管轴线在同一方向上多次旋转从而形成不间断的、完全环形的焊缝(其可以由多个焊接层组成)，重要的是实现用于焊接工具和操纵器单元的能量和材料的连续供给。为了这个目的，优选的实施例提供了结构上为独立单元形式的供应模块。为此，所述供应模块配备有焊接工具的所有供应单元都安装在上面的模块承载件，例如包括用于起动和控制焊接工具的控制单元、电能供应单元、和至少一个焊接过程所需材料例如焊丝、处理气体等的储备装置。

各个供应单元通过相应的连接管线与焊接工具连接。为了避免由于旋转引起的沿着连接管线的复杂情况，必须确保供应单元的旋转与焊接工具的旋转同步。

在根据上述方案的优选变型中，所述供应模块以与焊接组件分开的方式可旋转地支承在单独承载结构件上。所述承载结构件优选在待焊接的管构件上方突出，使得所述供应模块固定在承载结构件上以实现空间运动和旋转，并且能在空间上移动。优选地，所述承载结构件连同与其附装的供应模块也能用于将焊接组件安装在管接头上并且从其拆下。

可替换地，能够将供应模块与焊接组件的承载环模块机械地联接，从而确保这两个模块以抗扭的方式相互连接。

根据本发明设计的焊接组件提供了一种将所谓的管节件(Rohrknoten)接合在一起的优选方式，其中，具有几乎任何可能的直径的管接头(Rohrstutzen)待与基管焊接，并且管接头可布置成相对于基管的管纵轴线几乎成任何角度。可以消除可能发生的与焊接组件和管接头之间的碰撞相关的难题，这是因为焊接组件能够以较小的尺寸具有紧凑的构造。根据本解决方案的焊接组件的模块化构造意味着分别具有操纵器单元的两个、三个或更多线性框架和可安装在其上的附设焊接单元能够固定到承载环模块上，由此能够显著降低将管接头完全焊接至基管所需的焊接时间。

附图说明

下文将基于实施例并参照附图对本发明进行描述，这仅是示例性的而不会限制本发明的构思。在附图中：

图1：根据解决方案在管节件上构造的焊接组件的透视总图；

图2a,b：具有a)较小直径和b)较大直径的管节件内部的焊接组件的布置；

图3a,b：在与管内壁处于a)松脱状态以及b)张紧状态的夹持机构；

图4a,b,c：夹持模块的细节a)到支撑平台下侧上的图解斜视透视图；b)穿过夹持模块的支撑平台的部分纵向横截面；

图5a,b：夹持模块的视图；

图6：承载环模块的视图；

图7a-c：a)线性框架b)保持设备和c)穿过具有框架的保持设备的横截面；以及

图8：具有安装在承载结构件上的供应模块的焊接组件。

具体实施方式

图1示出了具有管接头的管节件的示意图，该管接头表示为第一管状构件1，该第一管状构件1在一侧端侧上通过焊接工艺与第二管状构件2(下文称为基管)沿着三维相交曲线3连接或已连接。基管2具有比管接头1大的管直径。当然，管接头和基管的管直径也可能具有相同的大小。图1所示的管接头1具有管纵轴线1R，其与基管2的管纵轴线2R夹成小于90°、优选≤45°的角度。

将管接头1连接至基管2的焊接技术接合过程借助焊接组件4实现，该焊接组件4仅固定在管接头1上，也就是说，对于焊接过程而言，也不需要基管2的单独支承。焊接组件4仅支撑在管接头1，并且能够实现焊接工具6绕着管接头1在空间上很接近三维相交曲线3且沿着三维相交曲线3的空间定位或引导。为此目的，焊接工具6附装在操纵器单元7的运动末端，该操纵器单元优选构造成铰接构造的机器人臂的形式，优选是六轴竖直关节机器人臂。操纵器单元7能够实现焊接工具6沿着且绕着至少六个轴线的空间精确定位。操纵器单元7自身通过在一侧上与线性框架8固定，该线性框架8通过保持设备9与固定组件5连接。线性框架8借助马达动力可沿着其纵向范围相对于保持设备9双向偏移地支承。

固定组件5用于将整个焊接组件可靠地、可拆卸地固定支承在仅管接头1上。为此，固定组件5包括通过马达可旋转驱动的承载环模块5.1，该承载环模块5.1能够实现焊接工具6绕着管接头1的管轴线1R进而沿着三维相交曲线3的整个长度回转。承载环模块5.1连接至夹持模块5.2(图1未示出)，该夹持模块5.2通过展开机构确保了相对于管接头1的内壁可拆卸地牢固安置并且将整个焊接组件支撑在管接头1上。根据本解决方案的焊接组件4的特征在于具有紧凑型结构并且紧靠在管接头1上，并且在空间方面狭窄的接合区域中也能实现焊接工具6自身的空间定位。仅为了完整性，需要提到图1所示的管节件2具有另外的管接头1',1"，其中，管接头1'轴线相对于管轴线2R正交地定向，而另一管接头1"管轴线相对于管轴线2R成锐角地定向。根据本解决方案构造的焊接组件由于其紧凑和模块化构造使得能够将几乎处于任何倾斜状态以及具有任何尺寸的管接头被焊接在称为第二(优选管状的)构件的接合主体上。

图2a和b示出了在分别具有不同管内直径的管接头1上根据本解决方案的同一焊接组件4的可变的使用范围。除了上文提到的焊接组件4的部件(采用上文提到的附图标记表示以避免重复)之外，附图进一步示出了夹持模块5.2，该夹持模块5.2能通过马达驱动的杠杆机构实现与各管接头1的管内壁的轴向且抗扭转地接合。由于设置在夹持模块5.2上的摩擦元件10(下文将对这些元件进行更详细地描述)的连续径向展开，夹持模块5.1可固定在具有处于1m(图2a)至1.50m(图2b)之间的管内直径RD的管接头中，以便实现可拆卸且牢固的固定。

图3a示出了穿过在接合管1内部处于松脱状态夹持模块的局部纵向横截面。图3b示出了穿过处于张紧状态的夹持模块5.2的相应的局部纵向横截面，在该张紧状态中，摩擦元件10以力加载的方式与管内壁1i在径向上配合。

如图3a和b所示，夹持模块5.2可经由管接头1的端侧末端置入到管接头1的内部中，其中，导向滚子11使夹持模块5.2更容易地装配到管接头1中。为了给管接头1端侧末端上的夹持模块5.2提供轴向支撑，夹持模块5.2具有构造成环形板形式的支撑平台12以及具有面向管接头1的下侧13，支承元件14附装在该下侧13上，支承元件14在环圆周方向上均匀地分布(参见图4a,b)并且分别具有径向延伸范围，电隔绝元件15至少沿着该延伸范围以区段方式安装，通过该电隔绝元件15确保了夹持模块5.2与管接头1热隔绝和尤其是电隔绝，以将夹持模块与焊接电流隔绝。

因此，管接头1的端侧末端靠在支承元件14的电隔绝元件、优选热隔绝元件15上，这些隔绝元件限定了支撑平台12的靠置平面16。支承元件14分别具有径向延伸范围，该径向延伸范围的尺寸如此确定以使得：当环形板构造的支撑平台12相对于管接头以中心方式定向时，分别具有不同大小的管内直径和外直径的管接头的端侧末端都靠在支承元件14上。沿着每个相应的支承元件14径向提供可根据管尺寸在径向上定位的间隔保持件17，从而更容易将支撑平台12相对于管接头1的端侧末端粗略对中(Grobzentrierung)。

如上所述，导向滚子11安装在支撑平台12上并且通过承载支撑件18与之在轴向上间隔开，这些导向滚子用于简化将夹持模块置入到相应管接头中的过程，这将在随后进行说明。在本实施例中，提供各四个通过共同的连接板19连接以实现相互之间稳定的导向滚子11，该连接板处于距支撑平台12一固定的预定间隔处。

如图4a所示，环形板构造的支撑平台12具有中心开口，马达驱动的丝杠机构穿过该中心开口伸出(将在随后进行说明)以驱动使摩擦元件10径向偏移的杠杆机构，参见图4c,d。支撑平台12的外环直径相应大于管接头1的管外直径，由此使得安装在支撑平台12的下侧13上的支承元件14也具有比分别待接合的管接头的外直径要大的径向延伸范围。

另外，所谓的摩擦元件组件20分别沿着圆周方向附装在环形板构造的支撑平台12的两个支承元件14之间，为了清除起见其未在图4中示出，而在图4c和4d中示出。摩擦元件组件20包括导轨21，滑架22沿着导轨21可双向偏移地支承，摩擦元件10安装在该滑架22上。导轨21类似于支承元件14相对于管接头轴线在径向上延伸，并且相对于靠置平面16倾斜地安装在支撑平台12上。导轨21优选相对于靠置平面16倾斜角度α，其中0°<α<10°，优选为5°。

所有的摩擦元件组件20与构造成杠杆机构的致动器单元作用连接，摩擦元件组件20可通过该致动器单元从摩擦元件组件20分别布置成距管接头的内壁第一间隔的第一位置移动到摩擦元件组件分别布置成距所述轴线比第一间隔大的第二间隔的第二位置中，由此使得各摩擦元件组件20的摩擦元件10分别与管内壁形成力且摩擦锁合的锁定连接结构。通过上文描述的导轨21相对于靠置平面16倾斜，使得与管内壁形成力且摩擦锁合的锁定连接结构的摩擦元件10既施加径向作用的保持力，又施加在轴向上将夹持模块5.2拉入管接头1的轴向作用的拉力。

与管内壁1i接触的摩擦元件10可被更换，用于更好地适配相应管接头1的内直径。有利地，摩擦元件10与沿着支承元件14的隔绝元件15那样由相同的隔绝材料制造。

有利地，滑架22的尺寸和构造如此确定，以使得与管内壁1i接触的摩擦元件10布置成与导轨21具有一特定的轴向间隔，进而也与处于接合状态的管接头的敞开端侧末端具有一轴向间隔。

通过杠杆机构与摩擦元件组件20作用连接的共同的致动器单元用作使摩擦元件组件20在径向上偏移。为了解释构造成线性致动器的共同的致动器单元，请参见图5a,b。图5a示出了穿过置入在管接头中的夹持模块5.2的纵向横截面。图5b示出了其自身具有杠杆机构的共同的致动器单元。以下说明同等地设计这两个视图。因此，每个摩擦元件组件20的滑架22以铰接的方式与联接器件23(也参见图4c,5b)在一侧上连接，在另一侧上铰接在沿着丝杠25引导的丝杠螺母24上。丝杠25的丝杠上末端连接至驱动马达26。马达26通过保持架27'固定地连接至马达板27，四个引导杆28分别穿过该马达板27滑动地支承。每个引导杆28的滑动支承分别通过集成在马达板27中的滚珠轴套27"实现。引导杆28的杆下末端与连接板19固定地连接。优选呈板簧总成形式的弹簧元件30装配在马达板27和与支撑平台12固定连接的基板29之间，并且支撑住马达26以及保持架27'和马达板27。引导杆28也滑动地穿过基板29。

基于图5a所示的组合结构，当丝杠25适当地旋转时，丝杠螺母24竖直向上运动，由此摩擦元件组件20的滑架22借助于联接器件23在径向上向外运动从而与管内壁1i配合。各个联接器件23的长度优选如此测得，以使得在张紧状态下联接器件23与丝杠纵轴线25S夹成优选80°至85°之间的角度。为了确保对不同的管接头内直径保持该角度，可以适配各个联接器件23的长度。在实现联接器件23的优选变型中(如图5b的下部图所示)，联接器件23包括套筒23H，该套筒23H在其末端区域中设有分别相反取向的内螺纹。具有孔眼23B1,23B2的螺栓元件在两侧上拧入到这些内螺纹中，并且联接器件23的总长可预给定其拧入深度。

由于各个摩擦元件组件20的导轨21倾斜地布置，因此实现：只要摩擦元件组件20的摩擦元件10以力加载的方式压抵着内壁1i，则生产在轴向上朝着管接头1方向的拉向内部的拉力。附加于马达26以及保持架27'和马达板28的自重力，该拉力也能够将板簧总成30压缩。通过这种方式，机械张紧能被临时地储存在板簧总成30中。由于分别待接合的管接头1在焊接过程中可能会由于产生的热而经历热膨胀，因而要使摩擦元件组件20在维持夹紧力的情况下在径向上相应地随动。为了避免在此以马达方式重新激活丝杠驱动器，于是临时储存在板簧总成30中的机械张紧能确保了通过使滑架22抵着管接头内壁以力加载的方式随动从而补偿了管接头的热膨胀，为了激活驱动马达26(通常不构造成伺服马达)，采用接近开关或终端开关，以确保该马达精确地行进直至板簧总成30以期望程度被压紧的距离。也即，在触发终端开关之后，驱动马达获得信号且随后停机。

假如驱动马达26构造成伺服马达，可省略终端开关，以便仍保证丝杠25能以位置调节的方式被马达驱动。

图2a和2b示出了承载环模块5.1安装在支撑平台12的上侧。为了确保承载环模块5.1相对于支撑平台12绕着与管接头纵轴线重合的旋转轴线D可旋转地支承，承载环模块5.1具有与支撑平台12固定连接的环形段31，承载环模块5.1优选通过滚动轴承W可旋转地支承在该环形段31上，同样参见图4d。图6示出了这方面的另一图示，其为从下方观察承载环模块5.1的透视图。在环形段31的环内侧上设有内齿部(没有更详细地示出)，与承载环模块5.1固定连接的伺服马达32的驱动轮32'与该内齿部处于配合。

承载环模块5.1具有通过支杆结构件33与固定连接的两个承载环板34.1和34.2，在所述两个承载环板34.1和34.2的外周边缘上分别设有外周扁平的两个接触段35，这些接触段在上述两个承载环板34.1,34.2的外周边缘上布置成在直径上彼此对置，在这些接触段上分别安装有保持设备9(图6未示出，参见图2a,b)用于各线性框架8的安装。与使用各单个焊接工具相比，设置两个线性框架8以及在相对于夹持模块5.2可旋转地附装的承载环模块5.1上与之连接的焊接工具使得能够在明显较短的时间内完成焊接工作。

承载环模块5.1的直径应大致与管接头直径相同，即，至少应仅稍大，从而将通过管接头的径向膨胀降至最低，使得也能够焊接管接头组(Rohrstutzenkonstellationen)，其中，管接头纵轴线与主管纵轴线夹成小于45°的角度。

在有利的实施例中，沿着保持设备9被双向引导的线性框架8(参见图2a,b和图7a,b,c)由三个平行引导的纵向支撑件36组装而成，这些纵向支撑件分别具有几米的长度，例如多达3至5米(参见图2a,b和图7a)。图7a仅示出了线性框架8自身，图7b是保持设备9的单独视图，而图7c示出了穿过具有内部引导的线性框架8的保持设备9的横截面。

线性框架8的三个纵向支撑件36通过内置的桁架结构件37例如通过附着粘合相互固定地连接，由此形成能够承受来自叠加的竖直和水平运动的负载而不会发生显著自身变形的刚性框架结构件。借助伺服马达38驱动的丝杠39与丝杠螺母39'接合，并且也平行于纵向支撑件36延伸(参见图7c)。纵向支撑件36沿着保持结构9以滑动的方式被引导，使得整个线性框架8可通过丝杠轮传动机构(上文已经描述)双向行进，也即，在图2a和b中所示的情形中可上升或下降。为此，用作导轨的三个纵向支撑件36同时穿过集成在保持设备9中的半开式滚珠轴套40，由此使得加固的桁架结构件37能朝着保持设备9运动，而不发生碰撞。上述构造是很轻的，并且也能通过线性框架8的加固结构引导线缆、焊丝或其它供应管线41。在与伺服马达38对置的下端上，附装有上文描述的操纵器单元7，并且通过附装在线性框架8上的供应单元42向操纵器单元7提供焊接操作所需的能量和材料。在图2a,b所示的实施例中，供应单元42附装在线性框架8的下端上，而在图7a所示的实施例中，它们附装在框架8的上端上。操纵器单元7优选是六轴竖直关节臂机器人，其采用适当的传感器系统使得安装在其上的焊接工具6相对于三维相交曲线3沿着管接头精确地定位。有利地，传感器单元54位于可自由定位的操纵器末端上，用以无接触地检测有待在焊接路径上被填充的、沿着相交曲线的存在的空隙或槽状缺口的形状和/或大小。传感器单元54有利地构造成线性截面传感器(Linienschnittsensor)，在焊接之前，借助该线性截面传感器测量待填充的焊缝的真实横截面。随后，基于该信息进行线路规划以及如何将下一焊接层铺设到相应的焊缝横截面中。

在消耗了大量能量和材料并且焊接工具多次绕着管接头纵轴线从而沿着焊缝形成了多层焊珠(Schweiβraupe)的焊接过程中，必须向直接安装在线性框架8上的供应单元42进行能量和焊接材料的连续地外部地供应。

为此目的，需要提供呈供应模块43形式的、优选与焊接组件4单独构造的单元。图8示意性示出了焊接组件4和供应模块43，其中，焊接组件4在端侧上固定到管接头1上，该管接头1的管纵轴线相对于基管2的管纵轴线以45°倾斜。焊接组件4具有两个安装在承载环模块5.1上的焊接工具6，这些焊接工具6分别在可线性运动的线性框架8的一侧上安装成面向三维相交曲线3，并且这些线性框架8铰接在承载环模块5.1上。

通过单独构造的供应模块43向焊接工具6提供电能，以及提供尤其是焊接过程所需的材料(例如焊丝和处理气体)，该供应模块43以在空间上很大程度可自由定位的方式铰接在单独的承载结构件44上。用于将供应模块43悬挂在承载结构件44上的悬挂设备52既能实现供应模块43的竖直(z-轴)和水平(x,y轴)的定位，也能实现供应模块43绕着竖直轴线(z-轴)的旋转。

供应模块43具有模块承载件45，对于焊接过程很重要的所有逻辑构件都设置在该模块承载件45上。这些构件涉及到每个焊接工具的各控制单元46.1,46.2、带有相应的机动化的焊丝供给部47.1,47.2的焊丝存储空间。优选通过外部线缆供给部48向单独的供应模块、尤其向控制单元46.1和46.2供应能量，该外部线缆供给部48通过在供应模块43居中布置的滑环联接器49联接。如必要的话，可提供向供应模块43供应处理气体的另一外部供给部50。焊接气体供给部50也通过流体密封式滑环连接器49'与供应模块43附接。通过这种方式，外部能量源以及气体储备装置(例如气瓶的形式)可在管节件的区域内很容易触及到的部位处进行储备以及相应地使用。

在供应模块43和供应单元42之间设置相应柔性构造的连接管线51，通过连接管线51最终向焊接工具供应能量以及焊接过程所需的材料。

由于借助承载环模块5.1使焊接工具6绕着管接头1的管纵轴线可旋转地布置，因此供应模块43必须按照与焊接工具6的旋转运动相同形式绕着管纵轴线携同旋转，从而防止连接管线51不会缠绕并损坏。为此，供应模块43的模块承载件45以适当的方式悬挂在承载结构件44上并且超过焊接组件4以及待焊接的管接头竖直地伸出，从而可在空间上可自由定位地悬挂并且尤其能绕着竖直轴线z可旋转地支承，该承载结构件44例如可构造成吊杆或三脚架或四腿结构的形式。

另外，借助稳定且承载负载地构造的模块承载件45，供应模块43还可用作升降元件(Kranelement)，焊接组件4能够整体可拆卸固定地附装到该升降元件上。借助于安装在模块承载件45上的机动化驱动的换向滚子53(线绳绕着该换向滚子53)，焊接组件4能够为了安装而下降，为了拆卸而提升。

通过根据本解决方案的焊接组件的模块化构型，能够焊接不同尺寸的管节件结构。因而，能够将焊接组件的系统构造组件以在尺寸方面适配于分别待实现的焊接任务的方式进行更换，并且能与其它组件相结合。例如，可提供并相互组合不同大小的承载环模块5.1以及不同大小的夹持模块5.2。也可将不同长度的线性框架8置入到保持设备9中。甚至能够提供不同尺寸和强度的操纵器单元7，其随后适当地将个别选定的焊接工具6在空间上自由地定位，用以执行相应的焊接任务。

因此，通过上述的焊接组件，在基管和管接头存在任意角度的情形下，能够焊接具有任何直径的管接头。焊接操纵器和管接头之间的碰撞问题将是极小的或不存在。这种新型焊接组件与基于台架的、必须静止不动的焊接系统相比成本会低很多，并且由于模块化构型而能够关于加工时间方面容易地校准(skalieren)。因而，可通过相应的线性框架将例如两个、三个或更多的焊接工具固定在承载环模块上，从而能显著降低所需的焊接时间。另一重大的优势在于焊接组件的紧凑构造。基于台架(portalbasiert)的解决方案要固定到单一的加工地点上，而根据本发明的焊接组件能安装至管节件并且立即进行焊接。

附图标记列表

1 第一管状构件，管接头

2 第二构件，基管

3 三维相交曲线

4 焊接组件

5 固定组件

5.1 承载环模块

5.2 夹持模块

6 焊接工具

7 操纵器单元

8 线性框架

9 保持设备

10 摩擦元件

11 导向滚子

12 支撑平台

13 支撑平台的下侧

14 支承元件

15 隔绝元件

16 靠置平面

17 间隔保持件

18 承载支撑件

19 连接板

20 摩擦元件组件

21 导轨

22 滑架

23 联接器件

23H 套筒

23B1 带孔眼的螺栓

23B2 带孔眼的螺栓

24 丝杠螺母

25 丝杠

26 驱动马达

27 马达板

27' 保持架

27" 滚珠轴套

28 引导杆

30 机械能存储装置，板簧总成

31 环形段

32 伺服马达

32' 驱动轮

33 支杆结构件

34.1,34.2 承载环

35 接触段

36 纵向支撑件

37 桁架结构件

38 致动器

39 丝杠

39' 丝杠螺母

40 半开式滚珠轴套

41 供应管线

42 供应单元

43 供应模块

44 承载结构件

45 模块承载件

46.1,46.2 控制单元

47.1,47.2 储备装置，焊丝供给部

48 外部线缆供给部

49 滑环组件

50 焊接气体供给部

51 连接管线

52 悬挂设备

53 换向滚子

54 传感器单元

W 滚动轴承

1i 管内壁

1R 管纵轴线

D 旋转轴线

RD 管接头直径

Claims (18)

1.一种焊接组件，用于将第一管状构件(1)与第二构件(2)沿着二维或三维的相交曲线(3)持久地接合，上述两个构件(1,2)沿着所述相交曲线相互接触，

所述焊接组件包括：

-固定组件(5)，用于在与所述相交曲线(3)相背离的、所述第一构件的管状末端上以可拆卸的方式固定地接合；

-操纵器单元(7)，所述操纵器单元间接或直接地在所述固定组件(5)上绕着配属于所述第一构件(1)的管纵轴线(1R)可枢转地支承，所述操纵器单元具有可自由定位的操纵器末端；以及

-焊接工具(6)，所述焊接工具附装在所述可自由定位的操纵器末端上，

其中，所述固定组件(5)包括：

-夹持模块(5.2)，所述夹持模块在端侧上以轴向方式至少部分可置入到所述第一构件(1)的管状末端中，所述夹持模块构造用于以可拆卸的方式固定地接合到配属于所述第一管状构件的管内壁(1i)上；以及

-承载环模块(5.1)，所述承载环模块以可旋转的方式附装到所述夹持模块(5.2)上，所述承载环模块在所述夹持模块(5.2)的接合状态下轴向超出所述第一构件(1)的管状末端，并且与将所述承载环模块(5.1)绕着所述管纵轴线(1R)旋转驱动的伺服马达(32)作用连接，从而所述承载环模块(5.1)无尽地绕着所述管纵轴线(1R)可旋转地支承，并且其中，至少一个线性框架(8)附装在所述承载环模块(5.1)上，该线性框架借助于致动器(38)可平行于所述管纵轴线(1R)双向偏移地支承，

其特征在于，

所述操纵器单元(7)是呈竖直关节臂机器人形式的六轴开式运动链，并且附装在所述框架(8)的末端上，

设有供应模块，在该供应模块上附装有以下部件中的至少一个部件：

-控制单元，

-电能供应单元，

-用于与焊接过程相关的材料的至少一个储备装置，所述材料包括焊丝和处理气体，

所述至少一个部件通过连接管线与焊接工具相连接，

所述供应模块可旋转地支承，用于执行与所述焊接工具绕着所述管纵轴线运动同时的旋转运动，该旋转运动能够实现所述焊接工具绕着所述管纵轴线的无尽旋转，并且

所述供应模块至少沿着一平面可自由定位地铰接在相对于所述焊接组件单独构造的承载结构件上，或者

所述供应模块以抗扭的方式与所述承载环模块相连接。

2.根据权利要求1所述的焊接组件，

其特征在于，

所述夹持模块(5.2)具有支撑平台(12)，用于沿着配属于所述支撑平台(12)的靠置平面(16)直接或间接地靠置到所述第一构件(1)的轴向端侧管状末端上。

3.根据权利要求2所述的焊接组件，

其特征在于，

直接或间接在所述支撑平台(12)上布置有至少三个摩擦元件组件(20)，所述摩擦元件组件分别相对于与所述靠置平面(16)正交取向的轴线(A)至少可径向运动，在所述夹持模块(5.2)的接合状态下，该轴线与所述第一构件(1)的管纵轴线(1R)重合，并且所述摩擦元件组件绕着所述轴线(A)均匀分布地布置，并且所述摩擦元件组件能够以致动方式从第一位置转移到第二位置中，从而所述摩擦元件组件(20)分别与所述管内壁(1i)构成力和摩擦锁合连接结构，在所述第一位置中，所述摩擦元件组件(20)分别相对于所述轴线(A)具有径向第一间隔，在所述第二位置中，所述摩擦元件组件(20)分别相对于所述轴线(A)具有第二间隔，该第二间隔大于所述第一间隔。

4.根据权利要求2或3所述的焊接组件，

其特征在于，

所述支撑平台(12)具有可面朝所述第一构件(1)的下侧，至少三个支承元件(14)绕着所述轴线(A)均匀分布地布置在所述下侧上，所述至少三个支承元件分别具有径向延伸范围，沿着该径向延伸范围至少以区段方式附装有电隔绝元件(15)，并且

配属于所述至少三个支承元件(14)的所述电隔绝元件(15)展开所述靠置平面(16)。

5.根据权利要求3或4所述的焊接组件，

其特征在于，

所述至少三个摩擦元件组件(20)分别具有直接或间接附装在所述支撑平台(12)上的线性导轨(21)，滑架(22)分别沿着所述导轨可双向偏移地支承，所述滑架具有能与所述管内壁(1i)相配合的摩擦元件(10)，并且

所述至少三个摩擦元件组件(20)的滑架(22)分别通过联接器件(23)与共同的致动器单元作用连接，所述共同的致动器单元支撑在所述支撑平台(12)上。

6.根据权利要求5所述的焊接组件，

其特征在于，

所述摩擦元件组件(20)的导轨(21)在到所述支撑平台(12)上的轴向投影中相对于所述轴线(A)径向地取向并且相对于所述靠置平面(16)倾斜地布置，以使得：在所述夹持模块(5.2)的接合状态下，在所述摩擦元件(10)与所述管内壁(1i)之间，既有径向作用的保持力也有轴向作用的牵拉力起作用，所述径向作用的保持力将所述夹持模块(5.2)以轴向固定的方式进行固定，所述轴向作用的牵拉力将所述夹持模块(5.2)轴向地朝着所述第一构件(1)的方向牵拉。

7.根据权利要求6所述的焊接组件，

其特征在于，

所述导轨(21)分别以角度α相对于所述靠置平面倾斜，其中，0°<α≤10°。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的焊接组件，

其特征在于，

所述共同的致动器单元是线性致动器，该线性致动器具有致动作用方向，该致动作用方向沿着所述轴线(A)取向，并且沿着所述致动作用方向设有可双向偏移的调节器件(24)，所述调节器件与所述摩擦元件组件(20)的联接器件(23)作用连接。

9.根据权利要求6和8所述的焊接组件，

其特征在于，

沿着所述致动作用方向，机械能存储单元(30)与所述线性致动器作用连接，所述机械能存储单元能够施加至少一个力，该至少一个力支持将所述夹持模块(5.2)轴向地朝着所述第一构件(1)的方向牵拉的所述轴向作用的牵拉力。

10.根据权利要求8或9所述的焊接组件，

其特征在于，

所述线性致动器具有驱动马达(26)，该驱动马达通过所述机械能存储单元(30)与所述支撑平台(12)作用连接，并且

所述驱动马达(26)与丝杠(25)连接，所述丝杠沿着所述轴线(A)取向，所述丝杠与丝杠螺母(24)配合，所述丝杠螺母与所述至少三个摩擦元件组件(20)的联接器件(23)连接。

11.根据权利要求10所述的焊接组件，

其特征在于，

所述机械能存储单元(30)是弹簧组件，所述弹簧组件布置在所述驱动马达(26)与所述支撑平台(12)之间，并且

所述驱动马达(26)相对于所述支撑平台(12)可轴向运动地支承，从而在所述夹持模块(5.2)的接合状态下，所述弹簧组件(30)施加沿着所述致动作用方向取向的张力。

12.根据权利要求2至11中任一项所述的焊接组件，

其特征在于，

在所述支撑平台(12)上布置有框架结构件，所述框架结构件在轴向上伸出超过所述夹持模块(5.2)，至少三个导向滚子(11)附装在所述框架结构件的、与所述支撑平台(12)相对置的框架结构件末端上，所述导向滚子支持所述夹持模块(5.2)可靠地置入到所述第一管状构件(1)中。

13.根据权利要求2至12中任一项所述的焊接组件，

其特征在于，

所述承载环模块(5.1)具有至少一个承载环(34.2)，所述承载环与所述支撑平台(12)以绕着所述轴线(A)抗扭的方式连接，在所述承载环的环内侧上设有内环(31)，所述内环相对于所述承载环(34.2)可旋转地支承，所述内环直接或间接与伺服马达(32)配合，该伺服马达固定地设置在所述承载环(34.2)上。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的焊接组件，

其特征在于，

所述至少一个线性框架(8)在所述承载环模块(5.1)的径向外部并且能连同所述承载环模块一起绕着所述管纵轴线(1R)可旋转地附装。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的焊接组件，

其特征在于，

在所述操纵器单元(7)的可自由定位的操纵器末端上设有传感器单元(54)，该传感器单元用于以无接触的方式检测沿着所述相交曲线形成的空隙或槽状缺口的形状和/或大小，所述空隙或槽状缺口在焊接路径中待被填充。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的焊接组件，

其特征在于，

相对于所述焊接组件单独构造的所述供应模块通过悬挂设备铰接在单独的承载结构件上，以使得能够实现所述供应模块的竖直和水平定位以及能够实现所述供应模块绕着竖直轴线的旋转。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的焊接组件，

其特征在于，

为了能量供应，在相对于所述焊接组件单独构造的所述供应模块上设有滑环耦合器，在该滑环耦合器上联接有外部线缆供给部。

18.根据权利要求17所述的焊接组件，

其特征在于，

在相对于所述焊接组件单独构造的所述供应模块上设有流体密封式滑环耦合器，在该流体密封式滑环耦合器上联接有外部焊接气体供给部。