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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Anschweißen eines Rohrstutzens an ein rohrförmiges Werkstück.
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Aufgrund der gekrümmten Außenfläche des rohrförmigen Werkstücks und der Ausdehnung des Rohrstutzens ergibt sich für die beiden Körper eine sattelförmige Durchdringungslinie, entlang welcher die Schweißnaht zu bilden ist. Bei einem automatisierten Anschweißen der Rohrstutzen an das rohrförmige Werkstück muss deshalb um den Umfang des Rohrstutzens die sattelförmige Durchdringungslinie durch eine entsprechende Positionierung des Schweißwerkzeuges nachgefahren werden. Zu diesem Zweck sind aus dem Stand der Technik verschiedene speziell angepasste Verfahren und Vorrichtungen bekannt.
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Aus der
JP 58-009775 A (
2), der
JP 60-203370 A (
1) und der
JP 62-93077 A (
6) sind speziell angepasste Vorrichtungen bekannt, die seitlich des rohrförmigen Werkstücks und des Rohrstutzens angeordnet sind und über eine Vielzahl von Linearführungen verfügen. Die Nachführung des Schweißwerkzeuges erfolgt dabei durch eine kombinierte Bewegung entlang der Linearführungen und zusätzlichen Drehungen gelenkig verbundener Teile. Sowohl der Aufbau als auch die Steuerung der Vorrichtung sind aufwändig, wobei die Konstruktion der Gesamtvorrichtung und der einzelnen Komponenten speziell für das Anschweißen von Rohrstutzen an rohrförmige Werkstücke angepasst ist.
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Gemäß der
JP 10-094874 A ist es bekannt, zum Anschweißen von Rohrstutzen an rohrförmigen Werkstücken einen Industrieroboter einzusetzen, der seitlich des Rohrstutzens und des rohrförmigen Werkstücks angeordnet ist. Der Industrieroboter muss eine hohe Beweglichkeit aufweisen, um die umlaufende, sattelförmige Schweißnaht erzeugen zu können. Des Weiteren ist eine vergleichsweise aufwändige Steuerung erforderlich, um die einzelnen Punkte der Schweißnaht abfahren zu können. Schließlich besteht durch die separate Anordnung des Schweißroboters auch eine erhöhte Gefahr einer versehentlichen Fehlausrichtung.
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Aus der
DE 33 13 230 A1 , der
DE 30 05 153 A1 sowie der
EP 0 060 382 A1 sind Vorrichtungen bekannt, die unmittelbar auf den anzuschweißenden Rohrstutzen aufgesetzt werden, wobei ein Schweißwerkzeug durch eine Drehung um die Längsachse des Rohrstutzens in Umfangsrichtung positioniert wird. Die Nachführung entlang der sattelförmigen Schweißnaht erfolgt dann durch Linearführungen. Dabei ergibt sich der Nachteil, dass der Stellweg durch die Länge der Linearführungen begrenzt ist. Um eine flexible Verstellbarkeit zu erreichen, sind deshalb vergleichsweise lange Linearführungen erforderlich, wodurch sich ein aufwändiger Aufbau und hohe Fertigungskosten ergeben. Zusätzlich besteht bei Linearführungen, die üblicherweise eine Schlittenanordnung aufweisen, eine erhöhte Verschmutzungsgefahr. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass gerade bei dem Verschweißen von Werkstücken vermehrt Verschmutzungen in Form von Spritzern, Staub, Ruß oder dergleichen auftreten können.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anschweißen eines Rohrstutzens an ein rohrförmiges Werkstück anzugeben, welches bei geringen Investitionskosten mit einer hohen Zuverlässigkeit und Flexibilität durchgeführt werden kann.
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Gegenstand der Erfindung und Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Das Verbinden des Rohrstutzens und des Werkstücks entlang der sattelförmigen Schweißnaht erfolgt mittels einer Schweißvorrichtung, die einen Fuß, einen Arm mit aufeinander folgenden und gegeneinander drehbaren Armabschnitten, einen den Fuß mit dem Arm verbindenden Träger, der um eine erste Achse gegenüber dem Fuß drehbar ist und an dem der Arm mit einem seitlichen Versatz zu der ersten Achse angeordnet ist, sowie ein an dem Arm angeordnetes Schweißwerkzeug aufweist. Der Fuß wird mit der ersten Achse parallel zu der Längsachse des Rohrstutzens ausgerichtet. Die Ausrichtung erfolgt koaxial oder in etwa koaxial, wobei geringfügige Fehlausrichtungen gegebenenfalls noch bei der Nachführung des Schweißwerkzeuges während des Schweißvorganges ausgeglichen werden können. Erfindungsgemäß erfolgt für die Positionierung des Schweißwerkzeuges in Umfangsrichtung einerseits und die Nachführung des Schweißwerkzeuges bei einer Veränderung des Umfangswinkels andererseits eine Aufteilung der Bewegungen wodurch eine einfache Steuerung und ein einfacher Aufbau ermöglicht werden. So erfolgt die Positionierung des Schweißwerkzeuges in Umfangsrichtung des Rohrstutzens ausschließlich durch eine Drehung um die erste Achse, wobei der Winkelbereich für die Drehung um die erste Achse größer als 360° ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Nachführung des Schweißwerkzeuges bei einer Veränderung des Umfangswinkels ausschließlich mittels des Arms durch Winkeländerungen zwischen den Armabschnitten. Während des gesamten Schweißvorganges sind damit nur Drehbewegungen und keine Linearbewegungen entlang Linearführungen vorgesehen. Die Schweißvorrichtung weist damit eine geringere Anfälligkeit gegenüber Verschmutzungen und Beschädigungen auf, da an den drehbaren Verbindungen zwischen den einzelnen Armabschnitten auf einfache Weise eine gute Abdichtung erreicht werden kann. Insbesondere kann auf Staub- und Spritzwasser geschützte Ausführungen entsprechender Arme zurückgegriffen werden.
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Der Winkelbereich für die Drehung um die erste Achse ist üblicherweise von einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung begrenzt. Da die Positionierung in Umfangsrichtung ausschließlich durch eine Drehung um die erste Achse erfolgt muss der Winkelbereich größer als 360° sein, um eine vollständig geschlossene Schweißnaht zu erhalten. Der einstellbare und durch eine kontinuierliche Bewegung abfahrbare Winkelbereich kann beispielsweise zwischen 365° und 450°, vorzugsweise zwischen 370° und 400° betragen. Denkbar ist darüber hinaus auch eine freie Drehbarkeit des Trägers mit dem daran befestigten Arm um die erste Achse, wobei dann jedoch ein erhöhter Aufwand für die Bereitstellung von Stromzuführungen, Pneumatikschläuche und dergleichen vorzusehen ist.
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Insbesondere bei großen Wandstärken der zu verbindenden Teile ist in der Regel vorgesehen, die sattelförmige Schweißnaht durch mehrere nacheinander erzeugte Schweißlagen zu bilden, wozu das Schweißwerkzeug mehrmals um den Umfang des Rohrstutzens herumgeführt wird. Bei der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einem von einer ersten und einer zweiten Endstellung begrenzten Winkelbereich wird das Schweißwerkzeug dann in diesem Winkelbereich hin- und hergefahren. Bei dem Hin- und Herfahren kann entweder bei jeder Bewegung oder nur in einer Bewegungsrichtung ein Schweißen erfolgen. Auch kann es vorgesehen sein, die Anfangs- und Endpunkte der nacheinander erzeugten Schweißlagen in einem gewissen Versatz anzuordnen, um die Ausbildung lokaler Schwachstellen zu vermeiden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Schweißvorrichtung an dem Rohrstutzen fixiert. Die Fixierung erfolgt vor dem Schweißen und bleibt während des Schweißvorganges erhalten. Die Fixierung kann durch ein Klemmen erfolgen, wozu die Schweißvorrichtung vorzugsweise eine an den Fuß anschließende Klemmeinrichtung aufweist. Grundsätzlich kann der Fuß auch gegenüber der Klemmvorrichtung in Richtung der ersten Achse verschiebbar sein. Eine Verschiebung erfolgt aber nur, um vor dem Schweißvorgang einen geeigneten Abstand zwischen der zu bildenden Schweißnaht und dem Fuß festzulegen. Während des Schweißens selbst ist grundsätzlich keine Verschiebung des Fußes gegenüber der Klemmeinrichtung vorgesehen.
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Um den Rohrstutzen an dem rohrförmigen Werkstück in einer gewünschten Position zu fixieren, kann dieser zunächst vor Bildung der sattelförmigen Schweißnaht an einzelnen Schweißpunkten angeheftet werden. Zur Erzeugung der sattelförmigen Schweißnaht sind im Rahmen der Erfindung verschiedene Schweißverfahren möglich. Bevorzugt werden ein Metallschutzgasschweißen mit einem Inertgas (MIG), Metallschutzgasschweißen mit einem aktiven Gas (MAG), ein Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) oder ein Unterpulverschweißen durchgeführt.
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Abhängig von dem Schweißverfahren kann es notwendig oder zumindest zweckmäßig sein, während der Positionierung des Schweißwerkzeuges um den Umfang des Rohrstutzens auch das rohrförmige Werkstück zu verdrehen, wozu dieses auf einer einen Drehantrieb umfassenden Trageinrichtung abgestützt sein kann.
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Um die Ausrichtung der Schweißvorrichtung zu bestimmen, kann diese einen elektronischen Neigungssensor aufweisen. Wenn die Schweißvorrichtung wie zuvor beschrieben an dem Rohrstutzen fixiert und das rohrförmige Werkstück zusammen mit dem Rohrstutzen und der daran fixierten Schweißvorrichtung während des Schweißvorganges verdreht wird, ergibt sich der Vorteil, dass durch den Neigungssensor der Drehwinkel des rohrförmigen Werkstücks bestimmt werden kann. Die Drehbewegung des rohrförmigen Werkstücks kann dabei mit dem Signal des an der Schweißvorrichtung angeordneten Neigungssensors gesteuert werden, so dass keine zusätzlichen Winkelgeber oder -messer erforderlich sind.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage gemäß Patentanspruch 9 zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens. Anspruch 10 betrifft eine bevorzugte Ausgestaltung dieser Anlage.
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Zur Bildung der Anlage kann auf besonders vorteilhafte Weise auf an sich bekannte Industrieroboter zurückgegriffen werden, die einen Fuß und einen unmittelbar daran anschließenden Arm aufweisen, wobei dann entgegen der ursprünglich vorgesehenen Verwendung ein Umbau erfolgt, bei dem der Arm von dem Fuß getrennt und über einen zusätzlichen Träger mit einem erheblichen seitlichen Versatz angeordnet wird. Durch eine Drehung des Trägers um die von dem Fuß definierte erste Achse kann dann der ausschließlich drehbare Verbindungen zwischen den Armabschnitten aufweisende Arm um den Umfang seitlich der zu bildenden Schweißnaht angeordnet werden. Bei dem Rückgriff auf einen zweckentfremdet umgebauten Industrieroboter ergibt sich der Vorteil, dass dieser aufgrund hoher Fertigungsstückzahlen kostengünstig erworben werden kann. Insbesondere sind Industrieroboter in staubdichter und spritzwassergeschützter Ausführung erhältlich, wobei eine gute Abdichtung möglich ist, da nur drehbare Verbindungen vorliegen. Des Weiteren ergibt sich der Vorteil, dass auf die vorhandene Steuerung und Steuersoftware des Industrieroboters zurückgegriffen werden kann, wenn diese unter Berücksichtigung der konstruktiven Modifikationen angepasst werden. Eine umfassende Neukonstruktion einer speziell angepassten Anlage ist nicht erforderlich.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Anlage zum Anschweißen eines Rohrstutzens an ein rohrförmiges Werkstück.
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Die Anlage zum Anschweißen eines Rohrstutzens 1 an ein rohrförmiges Werkstück 2 umfasst eine Schweißvorrichtung 3, die mit einer Klemmeinrichtung 4 endseitig auf dem Rohrstutzen 1 befestigt ist. Die Schweißvorrichtung 3 umfasst des Weiteren einen Fuß 5, einen Arm 6, mit aufeinander folgenden und gegeneinander drehbaren Armabschnitten 7a, 7b, 7c, 7d und einen den Fuß 5 mit dem Arm 6 verbindenden Träger 8, der um eine erste Achse A gegenüber dem Fuß 5 drehbar ist und an dem der Arm 6 mit einem seitlichen Versatz zu der ersten Achse A angeordnet ist. An dem freien Ende des Arms 6 ist an dem entsprechenden Armabschnitt 7d ein Schweißwerkzeug 9 angeordnet.
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Der Fuß 5 ist mit der ersten Achse A koaxial zu der Längsachse R des Rohrstutzens 1 ausgerichtet.
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Für die Erzeugung einer sattelförmigen Schweißnaht 10 sind ausschließlich Drehbewegungen vorgesehen. Durch eine Drehung des an dem Träger 8 angeordneten Arms 6 gegenüber dem Fuß 5 um die erste Achse A wird der Arm 6 mit dem daran befestigten Schweißwerkzeug 9 in Umfangsrichtung um den Rohrstutzen 1 herumgefahren. Bei der Veränderung des Umfangswinkels des Schweißwerkzeuges 9 erfolgt die dann erforderliche Nachführung entlang der sattelförmigen Schweißnaht 10 ausschließlich mittels des Arms 6 durch Winkeländerungen zwischen den Armabschnitten 7a, 7b, 7c 7d. Es ergibt sich eine Entkopplung der Drehbewegung einerseits und der Nachführbewegung andererseits. Da ausschließlich Drehbewegungen vorgesehen sind, kann die Schweißvorrichtung 3 auf besonders einfache Weise auch staub- und spritzwassergeschützt ausgebildet werden. Insbesondere ist eine Gefahr der Verschmutzung der Schweißvorrichtung 3 durch Schweißspritzer, Ruß, Staub oder dergleichen gering, so dass sich eine hohe Zuverlässigkeit und ein geringer Wartungsaufwand ergeben.
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Als Fuß 5 und als Arm 6 können die Teile eines herkömmlichen Industrieroboters eingesetzt werden, die dann entgegen ihrer eigentlichen Bestimmung voneinander zu trennen und in abgewandelter Anordnung durch den zusätzlichen Träger 8 zu verbinden sind.
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Je nach Schweißverfahren ist es zweckmäßig, das rohrförmige Werkstück 2 mit dem Rohrstutzen 1 und der daran fixierten Schweißvorrichtung 3 abhängig von der Position des Schweißwerkzeuges 9 um die Längsachse W des rohrförmigen Werkstücks 2 zu drehen. Das rohrförmige Werkstück 2 ist dazu auf einer Trageinrichtung abgelegt, welche einen Drehantrieb 11 sowie Stützrollen 12 aufweist. An der Schweißvorrichtung 3 ist des Weiteren ein elektronischer Neigungssensor 13 angeordnet, der an eine zentrale Anlagensteuerung 14 angeschlossen ist. Da die Winkeleinstellung des Drehantriebes 11 auch durch die zentrale Anlagensteuerung 14 erfolgt, kann das Signal des Neigungssensors 13 zur Bestimmung der Drehposition des rohrförmigen Werkstückes 2 eingesetzt werden. Zusätzliche Winkelgeber oder -messer sind deshalb nicht erforderlich.
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Auch die Bewegung des Schweißwerkzeuges 9 entlang der sattelförmigen Schweißnaht 10 erfolgt mittels der zentralen Anlagensteuerung 14, wozu diese sowohl an den elektromotorischen Antrieb des Fußes 5 als auch an den Arm 6 angeschlossen ist.
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Die Schweißnaht 10 wird vorzugsweise durch mehrere nacheinander erzeugte Schweißlagen gebildet, wobei das Schweißwerkzeug 9 wiederholt um den Umfang des Rohrstutzens 1 geführt wird. Das Schweißwerkzeug 9 wird dabei vorzugsweise zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung hin- und hergefahren, wobei der zwischen den Endstellungen einstellbare Winkelbereich größer ist als 360°, so dass die Schweißnaht 10 mit einem Überlapp gebildet werden kann.
