DE102005022244B4 - Führungs- und Verformungssystem, dessen Verwendung sowie Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren - Google Patents

Führungs- und Verformungssystem, dessen Verwendung sowie Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren Download PDF

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Abstract

Führungs- und Verformungssystem zur Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial, bestehend
• aus mehreren in Vorschubrichtung des Werkstücks hintereinander angeordneten Rollenpaaren zur zunehmenden Kaltverformung und Krümmung der Ränder des Werkstücks im Vorschubverlauf,
• wobei erste Rollenpaare an Oberseite und Unterseite des Werkstücks angreifen und in dem Bereich, in dem die gebogenen Ränder Hinterschneidungen bilden, Rollenpaare vorgesehen sind, die an den Außenseiten der gekrümmten Ränder angreifen und die Form eines Rohres bilden und
• aus einer Schweißvorrichtung,
• wobei das Werkstück nach dem Schweißen bis zur Abkühlung durch schwimmend gelagerte Seitenrollen gestützt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Führungs- und Verformungssystem zur Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial, bei denen die Bandkanten (Naht) beispielsweise mit Hilfe eines Lasers oder durch Hochfrequenztechnik geschlossen wird, ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren und die Verwendung des Führungs- und Verformungssystems zur Herstellung von geschweißten Rohren.
  • Die Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial ist bekannt ( DE 35 29 160 A1 ). In der Regel wird dabei das zunächst bandförmige Werkstück (metallisches Bandmaterial) kalt einer immer stärkeren Verformung der Ränder unterzogen. Die in der Vorschubeinrichtung ersten Rollenpaare weisen dabei etwas ineinander greifende Formen auf, die das Bandmaterial soweit verbiegen, dass die gekrümmten Ränder zum bisherigen Querschnitt des Bandes etwas mehr als rechtwinklig stehen. In diesem Verformungsgrad kann keine Formrolle mehr in das auf diese Weise einen Hinterschnitt aufweisende teilweise schon zu einem Rohr vorgeformte Werkstück eingreifen.
  • Es ist deshalb bekannt, ab einem derartigen Verformungsgrad an den Außenseiten antriebslose Rollen vorzusehen, die die hochgebogenen Bereiche des Werkstückes im weiteren Durchlauf näher aneinander drücken und die Rohrkrümmung vervollständigen. Dies führt jedoch häufig zu einem Versatz der beiden Ränder zueinander, der zu Inhomogenitäten führt, die später ausgeglichen werden müssen.
  • Zur Behebung dieser Inhomogenitäten ist aus der DE 198 34 400 C1 bekannt, das teilweise vorgeformte Rohr in einer ersten Drehstrecke um etwa eine Vierteldrehung zu tordieren und in dieser tordierten Lage im weiteren Vorschub derartig weiter zu verformen, dass der zwischen den Rändern befindliche Schlitz im weiteren Vorschubverlauf verkleinert wird. Die Inhomogenitäten werden nach diesem Verfahren jedoch nicht vermieden.
  • Aus der DE 101 31 461 C1 ist eine Anlage zum Zusammenfügen und Längsschweißen von aus Blechen oder dergleichen gebogenen Rohren bekannt. Die Bleche beziehungsweise Rohre sind auf Rollen gelagert.
  • Aus der DE 35 29 160 A1 ist eine Formwalzvorrichtung mit beweglichem Schlitten bekannt.
  • Die EP 0 919 299 A2 betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen einer Schweißnahtüberhöhung.
  • In der WO 03/047783 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wechseln der Walzen in einem Rohrschweißgerüst beschrieben.
  • Die nach den bekannten Verfahren verformten und geschweißten Rohre springen leicht auf, weil in dem austenitischen Kristallgefüge des Rohres Spannungen auftreten. Dies wirkt sich besonders stark bei dünnen Rohren aus.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Vorrichtung zum Schweißen von Rohren aus metallischem Bandmaterial, bei der ein Aufspringen der Rohre vermieden wird. Die Schweißnaht soll so ausgeführt werden, dass praktisch keine Inhomogenitäten auftreten. Die Konzeption der neuen Vorrichtung soll so einfach sein, dass sie leicht zu bedienen ist.
  • Es wurde ein Führungs- und Verformungssystem zur Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial gefunden, bestehend
    • • aus mehreren in Vorschubrichtung des Werkstücks hintereinander angeordneten Rollenpaaren zur zunehmenden Kaltverformung und Krümmung der Ränder des Werkstücks im Vorschubverlauf,
    • • wobei die ersten Rollenpaare an Oberseite und Unterseite des Werkstücks angreifen und in dem Bereich, in dem die gebogenen Ränder Hinterschneidungen bilden, Rollenpaare vorgesehen sind, die an den Außenseiten der gekrümmten Ränder angreifen und die Form eines Rohres bilden und
    • • aus einer Schweißvorrichtung,
    • • wobei das Werkstück nach dem Schweißen bis zur Abkühlung durch schwimmend gelagerte Seitenrollen gestützt wird.
  • Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Führungs- und Verformungssystems werden Inhomogenitäten des geschweißten Rohres weitgehend ausgeschlossen. Die so hergestellten Rohre springen auch bei Belastung nicht auf. Eine aus der EP 919299 A2 bekannte notwendige Nachbearbeitung der Schweißnaht entfällt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Stauchrollenführungs- und Schlitzrohrverformungssystem zur Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial
    • • aus mehreren in Vorschubrichtung des Werkstücks hintereinander angeordneten Rollen zur zunehmenden Kaltverformung und Krümmung der Ränder des Werkstücks im Vorschubverlauf, wobei erste Rollenpaare an Oberseite und Unterseite des Werkstücks angreifen und in dem Bereich, in dem die gebogenen Ränder Hinterschneidungen bilden, Rollenpaare vorgesehen sind, die an den Außenseiten der gekrümmten Ränder angreifen und eine variable Form eines Rohres bilden und individuell geformt werden können und aus einer Kalibriervorrichtung für Schweißstauchrollen, wobei das geschweißte Rohr nach dem Schweißen bis zur Abkühlung durch schwimmend gelagerte Seitenrollen gehalten wird, zudem das Schlitzrohr und die dementsprechende Nahtlage mit einer Zentralverstellung auf die 3 sternförmig angeordneten Stauchrollen so beeinflussbar ist, dass das gesamte Rohrführungssystem mit nur einer mechanischen Verstelleinheit (motorisch automatisch oder manuell) so einstellbar ist, dass die Nahtlage vor und während dem Schweißprozess grundsätzlich immer in optimaler Schweißposition automatisch oder auch manuell justiert werden kann und
    • • aus einer Schweißbrennerführung, die mit entsprechenden Radialführungen zentrisch zur Rohrachse ausrichtbar ist und auch bei Nachführung stets in exakt gleichem Radius und Abstand zum Material bleibt, wenn eine Nachjustierung automatisch oder manuell erfolgt,
    bestehen.
  • So ist grundsätzlich gleiche Materialdurchdringung am Schlitzrohr möglich, egal in welcher radialen Position sich das System oder das Schlitzrohr befindet. Ebenso bleibt der Abstand Schweißsystem und Rohr grundsätzlich exakt gleich, was sich besonders bei hochqualifizierterem und anspruchsvollerem Laserschweißen durch den stets gleichen Fokusabstand hervorhebt. Dadurch ist erstmals auch die Einführung eines geregelten Schweißprozesses an einem Schlitzrohr möglich.
  • In dem erfindungsgemäßen Führungs- und Verformungssystem kann das Schweißen mit allen üblichen Methoden zum Schließen von Bandkanten (Nähten) in metallischen Materialien durchgeführt werden. Im besonderen sei das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen) und das Laser-Schweißen genannt.
  • Wie bei allen anderen Schweißverfahren für Rohre wird bei dem WIG-Schweißen in der Profiliermaschine das flache Band zum Rohr eingeformt. Im Schweißbereich brennt ein Lichtbogen in einem Schutzgasmantel aus inertem Gas (Argon-Helium-Wasserstoff-Gemisch oder reines Argon) zwischen einer nicht abschmelzenden Wolfram-Kathode und den Bandkanten. Zur Erhöhung der Schweißgeschwindigkeit oder bei Rohren mit größerer Abmessung werden mehrere Kathodenbrenner eingesetzt. Je nach Anwendung wird mit Gleich- oder Wechselstrom gearbeitet (Firmenschrift der Firma Dreistern-Werk Maschinenbau GmbH & Co. KG).
  • Wichtigster Vorteil des Laser-Schweißens ist die hervorragende Nahtqualität. Die Schweißgeschwindigkeit liegt in der Regel auch höher als beim WIG-Schweißen. Die Wärmebeeinflussung des Rohrmaterials ist jedoch wesentlich geringer als bei dem WIG-Schweißen.
  • Bei dem Laser-Schweißen wird ein stark gebündelter Lichtstrahl aus nicht divergierendem Licht auf die Schweißstelle gerichtet. Der Lichtstrahl entsteht in einem optischen Resonator, der aus zwei Spiegeln und zwei Parallelen HF-Elektroden besteht. Die gesamte Energie des Lasers wird auf einen Punkt von etwa 0,25 mm konzentriert. Dies führt zu einer extremen Energiedichte von über 3 Millionen W/cm2. In der Regel bildet sich an der Schweißstelle ein Dampfkanal mit ionisiertem Metallgas. Die Temperatur liegt bei etwa 25.000 °C. Um den Dampfkanal bildet sich eine Schmelzzone. Das zum Rohr eingeformte Blechband wird unter dem Laserstrahl hindurch bewegt. Hierdurch bildet sich eine kontinuierliche Schweißnaht (Firmenschrift der Firma Dreistern-Werk Maschinenbau GmbH & Co. KG).
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das in bekannter Weise aus metallischem Bandmaterial vorgeformte Rohr mit offenen Kanten (Schlitzrohr) in das erfindungsgemäße Führungs- und Verformungssystem eingeführt, in dem die noch offenen Kanten mit einer an sich bekannten Schweißvorrichtung geschlossen werden.
  • Als metallische Bandmaterialien seien Metallbänder (Coils) aus Edelstahl, Blech, Kupfer und Messing, bevorzugt Edelstahl, genannt.
  • Nach dem Schweißen wird das Rohr erfindungsgemäß zwischen zwei in Vorschubrichtung hinter der Schweißvorrichtung angeordnete schwimmend gelagerte Seitenrollen bis zur Abkühlung gestützt.
  • Unter schwimmend gelagerte Seitenrollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Rollen zu verstehen, die das Rohr ohne Druck praktisch nur führen und Biege- und/oder Torsionskräfte ausschließen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmend gelagerten Seitenrollen selbstzentrierend für das Rohr sind. Die Selbstzentrierung kann durch eine konische Form der Innenfläche der Seitenrollen erreicht werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Werkstück durch schwimmend gelagerte Seitenrollen bis zur Abkühlung gestützt. Bevorzugt erfolgt erfindungsgemäß eine Abkühlung bis zu einer Temperatur im Bereich von etwa Raumtemperatur. Damit wird einer dentritischen Gefügeausbildung der Schmelze im Erstarrungszustand entgegengewirkt oder sie wird unterbunden.
  • In einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können alle Führungs- und Stauchrollen des Werkstück während der Kaltverformung vor dem Schweißen abhängig von dem Durchmesser des geformten Rohres durch eine zentrale Höhenverstellung und eine zentrale Seitenverstellung justiert werden.
  • Die Höhen- und Seitenverstellung gemäß der Erfindung kann durch mechanische oder elektronische Vorrichtungen in an sich bekannter Weise erfolgen.
  • Bei der Formung des Rohres aus dem Metallband mit Hilfe der Stauchrollen treten leicht, abhängig von dem verwendeten Metall unterschiedliche Dicken des Materials auf. Diese können gemäß der Erfindung durch eine exzentrische Verstellung der Stauchrollen ausgeglichen werden.
  • In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Stauchrollen zur Justierung über Hebel mit einer Exzenterscheibe verbunden.
  • Eine weitere besondere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft die Justierung des zu einem Schlitzrohr geformten Rohres zur Einführung in die Schweißvorrichtung.
  • Die Justierung der Schweißvorrichtung zu den Kanten des noch offenen Rohres kann mechanisch erfolgen.
  • Im besonderen bevorzugen Ausführungsform im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt jedoch die Justierung der Schweißvorrichtung zu den Kanten des noch offenen Rohres durch ein optisches Bandkantenerkennungssystem. Die Lage des Schweißbrenners zu den offenen Kanten wird erfindungsgemäß über das optische Banderkennungssystem gesteuert.
  • Optische Bandkantenerkennungssysteme sind an sich bekannt.
  • Es wurde auch ein Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial gefunden, dadurch gekennzeichnet, dass das zunächst flache Bandmaterial in mehreren in Förderrichtung hintereinander liegenden Umformstationen zu einem Rohr kalt umgeformt wird, indem die Ränder des Bandmaterials durch Stauch- und Führungsrollen mehr und mehr umgebogen und aufeinanderzu gekrümmt werden, wobei der zwischen den Rändern befindliche Schlitz im weiteren Verlauf des Vorschubs und der Verformung verkleinert und endgültig geschlossen und verschweißt wird, das Werkstück durch im Anstellwinkel variabel sternförmig einstellbar ist und die Stauchrollen zudem jeweils einzeln höhenverstellbar und auch gegeneinander exzentrisch verstellbar sind.
  • Dadurch können die Bandkanten präzise gegeneinander gehalten und kalibriert werden, sogar dann, wenn ungleiche Materialstärken oder Materialgeometrien miteinander verschweißt werden. Die Anpressdrücke können jeweils pro Stauchrolle separat geregelt und elektronisch gesteuert werden, so dass ebenso Ungleichmäßigkeiten in den Bandbreiten mit daraus resultierenden abweichendem Grundquerschnitt der zu formenden Rohre automatisch eliminiert werden. Weiterhin ist dadurch die Möglichkeit gegeben, die Kräfte auf jeder Werkstückkante oder Wandstärke soweit zu optimieren, bis ein optimaler Schmelzprozess egal mit welcher Schweißtechnik, erfolgt.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung eines Führungs- oder Verformungssystems zur Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial.
    •
  • Die vorliegende Erfindung kann durch die 1 bis 3 erläutert werden.
  • 1 zeigt das erfindungsgemäße Führungs- oder Verformungssystem von der Seite.
  • 1 zeigt das erfindungsgemäße Führungs- oder Verformungssystem vom Eingang (1) des Schlitzrohrs (12) aus dem durch die Schweißvorrichtung (3) die Öffnung geschlossen wird. Das noch nicht erkaltete Rohr wird bis zur Abkühlung durch die schwimmend gelagerten Seitenrollen (4) gestützt. Nach der Abkühlung wird das Rohr in Vorschubrichtung durch den Ausgang (2) heraus befördert.
  • Vor der Schweißvorrichtung (3) wird das Schlitzrohr durch die untere Stauchrolle (9) und die rechte und linke Stauchrolle (10) zusammengedrückt. Durch die zentrale Höhenverstellung erfolgt eine Justierung der Stauchrollen (9 und 10) und der Schweißvorrichtung (3) in Abhängigkeit von dem Durchmesser des Rohres.
  • Über das optische Bandkantenerkennungssystem (7) wird die Höhenverstellung (8) der Schweißvorrichtung (3) in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage der Bandkanten gesteuert.
  • Die seitliche Führung des Rohres kann über eine zentrale Seitenverstellung (6) justiert werden.
  • 2 zeigt das erfindungsgemäße Führungs- oder Verformungssystem vom Eingang (1) des Schlitzrohrs (12) aus (Vorderansicht).
  • Das Schlitzrohr (12) wird durch die Stauchrollen (9 und 10) zusammengedrückt und die offenen Kanten mit Hilfe der Schweißvorrichtung (3) geschlossen. Die rechte und die linke Stauchrolle (10) kann gemeinsam mit der Schweißvorrichtung (3) über die zentrale Höhenverstellung (5) justiert werden. Eine Feinjustierung der Stauchrollen (10) ist über die Exzenterverstellung (14) über die Hebel (15) möglich. Die untere Stauchrolle (9) bleibt konstant. Die linke und rechte Stauchrolle (10) können über die Verstellung (13) gegebenenfalls separat in der Höhe verstellt werden.
  • 3 zeigt das erfindungsgemäße Führungs- oder Verformungssystem von oben aus.
  • 3 zeigt das erfindungsgemäße Führungs- oder Verformungssystem mit dem Eingang (1) des Schlitzrohrs, dessen Kanten durch die Schweißvorrichtung (3) geschlossen werden. Das noch nicht erkaltete Rohr wird bis zur Abkühlung durch die schwimmend gelagerten Seitenrollen (4) gestützt. Nach der Abkühlung wird das Rohr in Vorschubrichtung durch den Ausgang (2) heraus befördert.
  • Durch die zentrale Höhenverstellung (5) können die rechte und linke obere Stauchrolle justiert werden. Durch die zentrale Seitenverstellung (6) kann die Führung des Schlitzrohrs (12) justiert werden.
    • 1
    Eingang des zu einem Rohr geformten Bandmaterials (Schlitzrohr) (1)
    2
    Ausgang des geschweißten Rohres
    3
    Schweißvorrichtung
    4
    schwimmend gelagerte Seitenrollen
    5
    zentrale Höhenverstellung der Stauchrollen (9) und (10) und der Schweißvorrichtung (3)
    6
    zentrale Seitenverstellung der Führung des Rohres
    7
    Bandkantenerkennung des geformten Bandmaterials (12)
    8
    Führung der Schweißvorrichtung (3)
    9
    untere Stauchrolle
    10
    linke, rechte und untere Stauchrolle
    11
    Kalibrierung der linken uns rechten Stauchrolle (10)
    12
    Rohr
    13
    Höhenverstellung der linken und rechten Stauchrolle (10)
    14
    Zentriereinheit für die Exzenterverstellung
    15
    Hebel zur exzentrischen Einstellung der linken und rechten Stauchrolle (10)

Claims (14)

  1. Führungs- und Verformungssystem zur Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial, bestehend • aus mehreren in Vorschubrichtung des Werkstücks hintereinander angeordneten Rollenpaaren zur zunehmenden Kaltverformung und Krümmung der Ränder des Werkstücks im Vorschubverlauf, • wobei erste Rollenpaare an Oberseite und Unterseite des Werkstücks angreifen und in dem Bereich, in dem die gebogenen Ränder Hinterschneidungen bilden, Rollenpaare vorgesehen sind, die an den Außenseiten der gekrümmten Ränder angreifen und die Form eines Rohres bilden und • aus einer Schweißvorrichtung, • wobei das Werkstück nach dem Schweißen bis zur Abkühlung durch schwimmend gelagerte Seitenrollen gestützt wird.
  2. Führungs- und Verformungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmend gelagerten Seitenrollen selbstzentrierend sind und keine zusätzlichen und ungewollten mechanischen Kräfte auf das geschweißte und entsprechend erwärmte Rohr übertragen werden.
  3. Führungs- und Verformungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück durch schwimmend gelagerte Seitenrollen bis zur Abkühlung auf Raumtemperatur gestützt wird.
  4. Führungs- und Verformungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Führungs- und Stauchrollen der Stauchrollenführungseinheit während der Kaltverformung vor dem Schweißen unabhängig von dem Durchmesser des geformten Rohres durch eine zentrale Steuerung justiert und positioniert werden können und dadurch die Nahtlage individuell beeinflusst werden kann.
  5. Führungs- und Verformungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Justiermöglichkeit die Feinjustierung der Stauchrollen nicht nur zentrisch, sondern auch exzentrisch über Hebel mit vordefinierbaren Anpressdrücken einzelner Rollen erfolgen kann.
  6. Führungs- und Verformungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Schweißvorrichtung zu den Kanten des offenen Rohres durch ein mechanisches oder optisches Bandkantenerkennungssystem zentrisch zur Rohrachse mit stets gleichen Abständen zum Material erfolgt.
  7. Verfahren zur Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial dadurch gekennzeichnet, dass das zunächst flache Bandmaterial in mehreren in Förderrichtung hintereinander liegenden Umformstationen zu einem Rohr kalt umgeformt wird, indem die Ränder des Bandmaterials durch Stauch- und Führungsrollen mehr und mehr umgebogen und aufeinanderzu gekrümmt werden, wobei der zwischen den Rändern befindliche Schlitz im weiteren Verlauf des Vorschubs und der Verformung verkleinert und endgültig geschlossen und verschweißt wird, und das Werkstück nach dem Schweißen bis zur Abkühlung durch schwimmend gelagerte Seitenrollen gestützt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmend gelagerten Seitenrollen selbstzentrierend sind.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück durch schwimmend gelagerte Seitenrollen bis zur Abkühlung auf Raumtemperatur gestützt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Führungs- und Stauchrollen des Werkstück während der Kaltverformung vor dem Schweißen unabhängig von dem Durchmesser des geformten Rohres durch eine zentrale Stelleinheit justiert werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Justierung der Halte- und Stauchrollen über Hebel mit der Exzenterverstellung verbunden ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zu einem Schlitzrohr geformte Werkstück vor der Einführung in die Schweißvorrichtung durch ein optisches Bandkantenerkennungsystem geführt wird und dadurch der Schweißkopf und/oder die gesamte Führungseinheit zur Schlitzrohrzentrierung verstellt und kontinuierlich während dem Schweißprozess vollelektronisch oder manuell justiert werden kann.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Schweißbrenners über das mechanische oder optische Banderkennungssystem gesteuert wird.
  14. Verwendung eines Führungs- oder Verformungssystems nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Herstellung von geschweißten Rohren aus metallischem Bandmaterial.
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