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Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den gattungsbildenden Merkmalen einer Hybridschweißtechnik und einer mit ihr kombinierten MSG-Technik zum mechanisierten Schweißen von Rohren mit einer Blech- oder einer Wanddicke bis zu 12 mm und darüber hinaus unter Verwendung einer Prozesskombination, bestehend aus einer Laser-MSG-Hybrid- und einer MSG-Technik, wobei bei der Orbitalschweißung von Rohren Durchmesserbereiche von 80 bis 800 mm bearbeitet werden können.
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Hybride Verfahren zum Schweißen sind gekennzeichnet durch die Kopplung zweier oder mehrerer unterschiedlicher Prozesse zur Wirkung in einer Prozesszone und somit zur Erzeugung eines gemeinsamen Schmelzbades. Stand der Technik sind hierbei hybride Verfahren, welche durch die Kopplung zweier oder mehrerer Lichtbögen, eines oder mehrerer Lichtbögen mit einem oder mehreren Laserstrahlen ein gemeinsames Schmelzbad zum Schweißen erzeugen.
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Im Gegensatz dazu werden als kombinierte Verfahren zum Schweißen solche bezeichnet, die die Wirkpunkte zweier oder mehrerer Prozesse so anordnen, dass sie durch getrennte Schmelzbäder zur Herstellung einer Verbindungs- oder Auftragschweißung beitragen. Hinsichtlich der Anordnungsvarianten der Prozesse ist der Stand der Technik bei den kombinierten Verfahren vergleichbar zu dem der hybriden Verfahren.
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Kennzeichnend sowohl für kombinierte als für auch hybride Schweißverfahren ist, dass die Schweißbewegung ausschließlich mechanisiert ausgeführt wird.
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Bestimmender Parameter zur Definition des Schweißverfahrens als kombiniertes oder hybrides ist der Abstand der Wirkpunkte der Einzelprozesse zueinander. Dieser Abstand wird in Abhängigkeit von den technologischen Prozesseigenschaften und der zu erfüllenden Schweißaufgabe eingestellt. Nachteilig ist dabei bisher, dass sich auf Grund der speziellen Eigenschaften der einzelnen Prozesse Abhängigkeiten zwischen der Anordnung ihrer Wirkpunkte und der Richtung der Ausführung des kombinierten bzw. des hybriden Verfahrens zum Schweißen ergeben, was dazu führt, dass zeitaufwändige Leerfahrten erforderlich werden oder die kompletten Werkzeugsysteme nach jedem Einzeldurchlauf um 180° gedreht werden müssen.
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Beispielhaft für die Abhängigkeit der Bewegungsrichtung von der Anordnung der jeweiligen Prozesswerkzeuge seien jüngste Entwicklungen zum orbitalen Schweißen von Rohrverbindungsnähten durch eine Verfahrensvariante genannt, welche ein hybrides Schweißverfahren, beschrieben durch die Kopplung von Laserstrahl und MSG-Lichtbogen zur Herstellung des Hauptnahtquerschnittes mit einem weiteren MSG-Lichtbogen zur Herstellung der Fülllage kombiniert.
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Die Wechselwirkung von Schmelzbad und Schwerkraft des Hybridprozesses für die Schweißung des Hauptnahtquerschnittes führt dazu, dass ausgehend von der 12-Uhr-Position ein Schweißen mit unveränderter Anordnung jeweils nur für 180° des Rohrwinkels in fallender Position möglich ist, das Schweißen der zweiten 180° des Rohrumfangs in ebenfalls fallender Position setzt einen kompletten Umbau der Anordnung in einen mit Blick in die Rohrachse spiegelbildlichen Zustand voraus.
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Nachfolgend soll anhand des bekannten Standes der Technik auf einige Lösungen näher eingegangen werden.
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So ist nach
US 4,507,540 ein Schweißverfahren in hybrider Form mittels eines Laserstrahls und eines MIG-Schweißprozesses bekannt geworden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es lediglich ohne Parameterwechsel nur in einer Schweißrichtung funktioniert, also richtungsabhängig ist und, dass es keine Möglichkeit einer prozessintegrierten nachträglichen metallurgischen Beeinflussung durch eine mit dem Führungssystem verbundene aber außerhalb der gemeinsamen Wirkzone von Laserstrahl und Lichtbogen wirkende Energiequelle gibt.
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Weiterhin wurde in
DE 198 49 117 B4 ein Schweißverfahren unter Ausführung eines Laserstrahls zusammen mit zwei MSG-Prozessen und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens vorgeschlagen. Das Verfahren kann bei symmetrischer Orientierung der Lichtbögen zum Laserstrahl richtungsunabhängig wirken. Es hat aber den Nachteil, dass es keine Möglichkeit einer prozessintegrierten nachträglichen metallurgischen Beeinflussung durch eine mit dem Führungssystem verbundene aber außerhalb der gemeinsamen Wirkzone von Laserstrahl und der Lichtbögen wirkende Energiequelle gibt und, dass ein großes durch mehrere Lichtbögen und einem Laserstrahl erzeugtes Schmelzbad den Einsatz zum Orbitalschweißen behindert oder erschwert.
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Nach
WO 2005/056230 A1 wird eine Orbitalschweißvorrichtung für den Rohrleitungsbau vorgestellt. Hier wird gezeigt, die Rohrstöße von landverlegten Pipelines durch Orbitalschweißvorrichtungen auszuführen, die eine hybride Verbindung von Laserstrahl und Lichtbogen ermöglichen. Die vorgeschlagene Kombination von Laserstrahloptik und Lichtbogenbrenner bedingt eine feste Bewegungsrichtung und setzt deshalb das Schweißen eines kompletten Rohrumlaufes und damit sowohl in fallender als auch steigender Position voraus, was aufgrund der Schmelzbadgröße beim Hybridprozess wenig Erfolg versprechend ist.
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Schließlich ist mit
DE 10 2009 020 146 B3 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden der Enden von Rohren aus Stahl mittels Orbitalschweißen in Hybridtechnik bekannt geworden. Das Verfahren setzt hier eine Laser-Lichtbogen-Hybridtechnik um. Dabei sind der Laser- und der Lichtbogenschweißkopf getrennt auf einem Führungsring positioniert und sie werden während des Schweißvorganges unabhängig voneinander über dem Rohrumfang verfahren und gesteuert.
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Gemäß des allgemeinen bekannten und aus der Patentliteratur im Besonderen bekannten Standes der Technik werden die entsprechenden Nachteile desselben offenbart, die insbesondere aus der richtungsabhängigen Bewegung eines Schweißroboters bei Orbitalschweißungen und einem komplizierten Umbau einer hybrid- und kombiniert arbeitenden Schweißvorrichtung resultieren, letzteres z. B. bei der Neuausrichtung der Brenner bei einer zweiten Nahtfolge oder beim Schweißen von z. B. neuen Werkstücken in Wannenlage aus einer aktuell erreichten Lage der Lichtbogenbrenner (MSG-Brenner) und einer Laserstrahloptik.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Anordnung der Wirkpunkte von wenigstens zwei Schweißprozessen in einem hybrid und in einem kombiniert erzeugten Schweißbad und die Orientierung ihrer Wirkachsen in Bezug zu wenigstens einem dritten, fest oder verschieblich angeordneten Laserschweißkopfes, unter Verwendung wenigstens einer motorischen Achse so zu verändern, dass das mit hybriden und kombinierten Verfahrensmerkmalen charakterisierte Schweißverfahren richtungsunabhängig arbeiten kann und keine komplizierten Neueinrichtungen der MSG- und Laserschweißköpfe beim Richtungswechsel ausgeführt werden müssen sowie Wandstärken von Rohren bis 12 mm und darüber hinaus schweißbar sind, wobei auch das Schweißen von mehreren Fülllagen möglich sein soll.
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Die erfinderische Aufgabe wird gemäß der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Zur Darlegung der Erfindung sind weitere Hinweise erforderlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich generell beim Schweißen von Rohrstößen bis 12 mm Wanddicke und darüber hinaus, des mechanisierten Schweißens bei gemeinsamem Einsatz eines Laser-MSG-Hybridprozesses mit einem außerhalb des letzteren „nachlaufenden” Lichtbogenbrenners. Insofern erzeugt die mittels eines Orbitalroboters verfahrbare Kombination eines ersten Lichtbogenbrenners mit einem starr mittig positionierten oder beweglich, d. h. seitlich verschiebbaren Laserschweißkopf eine erste Lage an einem Rohrstoß, wobei ein zweiter in der gemeinsamen Vorrichtung mitgeführter Lichtbogenbrenner eine Decklage schweißt. Nachdem ein erster Halbumlauf des Orbitalroboters am zu schweißenden Rohrstoß aus der 12-Uhr-Position vollzogen ist, erfolgt eine Rückstellung des Orbitalroboters aus der erreichten 6-Uhr-Position in die ursprüngliche 12-Uhr-Position, wobei für den nunmehr entgegengesetzt stattfindenden 2. Halbumlauf der erste Lichtbogenbrenner als „nachlaufender” Brenner aus dem Hybridprozess herausgefahren wird und der zweite Lichtbogenbrenner in den Hybridprozess eintritt. Dadurch, nämlich vermittels der abwechselnden Lichtbogenbrennerpositionierung ist es möglich, stets in der Position „fallend” zu schweißen. Bei Wandstärken der zu verschweißenden Rohrstöße über 12 mm, wird die Rückstellung des Orbitalroboters aus der 6-Uhr-Position in die 12-Uhr-Position dazu benutzt, eine weitere Fülllage oder die abschließende Decklage mit dem ersten Lichtbogenbrenner zu schweißen.
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Es ist denkbar, dass die MSG-Technik auch durch Plasma-Technik ersetzt wird oder eine Kombination der beiden unterschiedlichen Lichtbogentechniken verwendet wird.
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Verfahrensgemäß sollen die MSG-Techniken mit Draht- oder Bandelektroden oder mittels Kombination derselben betrieben werden. Ferner soll der Abstand des in kombinierter Anordnung nachlaufend schweißenden Lichtbogenbrenners zum vorlaufenden Hybridprozess manuell oder motorisch in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit und der Lichtbogenleistung so eingestellt werden können, dass eine definierte metallurgische Beeinflussung in Form einer Wärmenachbehandlung der vorlaufend hergestellten Hybridlage durch den nachlaufenden MSG-Prozess erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Schweißverfahren wird in orbitaler Schweißposition prinzipiell durch nachfolgende Schritte charakterisiert.
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In einem ersten Verfahrensschritt bildet ein Laserschweißkopf während des ersten Halbumlaufs ab der 12-Uhr-Position mit dem ersten Lichtbogenbrenner in hybrider Anordnung eine gemeinsame Wirkzone und es wird eine erste Lage erzeugt, während der zweite Lichtbogenbrenner in einer dem Hybridprozess nachlaufenden Anordnung eine zweite Lage schweißt. Damit ist bei Rohrwanddicken bis 12 mm die Schweißverbindung der ersten Rohrhälfte fertiggestellt. Danach erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt beim Schweißen von Rohrwanddicken bis 12 mm mit inaktivem Schweißsystem eine Rückstellung desselben aus der 6-Uhr-Position (also mit inaktiven Schweißköpfen) in die 12-Uhr-Position. Beim Schweißen von Rohrwanddicken über 12 mm wird die Rückstellbewegung des Schweißsystems in die 12-Uhr-Position zum Schweißen einer Füll- oder Decklage genutzt. in einem dritten Verfahrensschritt erfolgt eine Neupositionierung der Lichtbogenbrenner zum Laserschweißkopf, indem der erste Lichtbogenbrenner aus der hybriden in eine zum Hybridprozess nachlaufenden Anordnung und der zweite Lichtbogenbrenner aus der nachlaufenden Anordnung in den Hybridprozess mit dem Laserschweißkopf wechseln. In einem vierten Verfahrensschritt bildet der Laserschweißkopf während eines zweiten in 12-Uhr-Position entgegengesetzt beginnenden Halbumlaufs mit dem zweiten Lichtbogenbrenner eine gemeinsame Wirkzone und erzeugt die erste Lage, während der erste Lichtbogenbrenner in nachlaufender Anordnung zum Hybridprozess die zweite Lage schweißt.
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Es kann vorgesehen werden, dass der zweite und der dritte Verfahrensschritt, während der Rückbewegung zeitlich parallel ausgeführt werden und dass der Abstand des in kombinierter Anordnung nachlaufend schweißenden Lichtbogenbrenners zum vorlaufenden Hybridprozess manuell oder motorisch in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit und der Lichtbogenleistung so eingestellt wird, dass eine definierte metallurgische Beeinflussung in Form einer Wärmenachbehandlung der vorlaufend hergestellten Hybridlage durch den nachlaufenden MSG-Prozess erfolgt.
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Es ist denkbar, dass der Wechsel des ersten Lichtbogenbrenners und des zweiten Lichtbogenbrenners aus jeweils einer hybriden bzw. kombinierten Anordnung zum Laserschweißkopf mit der Laserstrahloptik auch dergestalt erfolgen kann, dass die Lichtbogenbrenner an den Endpunkten einer Traverse schwenkbar fixiert sind, um einen individuell notwendigen Brennerwinkel einstellen zu können, und der zwischen ihnen angeordnete Laserschweißkopf mit der Laserstrahloptik auf einer horizontalen Führungsbahn verfahren werden kann.
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Eine Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens kann wie folgt angegeben werden.
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Beim Schweißen von Rohrstößen befindet sich entweder bei einem Orbitalroboter oder bei einem kartesischen Roboter direkt an deren Z-Achse der, einem Orientierungswechsel der beiden Lichtbogenbrenner dienende Schwenkantrieb in Form eines Koppelgetriebes. Dieser sorgt über eine Planeten-Schneckengetriebekombination für eine wechselnde Lage des ersten und des zweiten Lichtbogenbrenners in Bezug zum beispielsweise zentral fixierten Laserschweißkopf, wenn ein erster Halbumlauf absolviert ist und der zweite Halbumlauf nach Rückstellung des Schweißsystems bevorsteht. Analog vollführt der Schwenkantrieb den Orientierungswechsel ebenso in der Anordnung innerhalb eines kartesischen Roboters beim Schweißen ebener Werkstücke. Die Lichtbogenbrenner sind mittels der Befestigungselemente Verbindungsblech und Einstellwinkel mit dem Schwenkantrieb verbunden. Die Einstellwinkel dienen der Einstellung des Brenners zum Laserstrahl. Das Schwenken ist erforderlich, da die Schweißung in 2 Fallnähten erfolgt, so dass jeder Lichtbogenbrenner einmal zur Laserstrahloptik hin geschwenkt, um dann in Kombination mit dem Laserstrahl den Hybridprozess auszubilden, und einmal von der Laserstrahloptik weggeschwenkt werden muss, um die Decklage zu schweißen. Die Laserstrahloptik kann zentral zwischen den beiden Lichtbogenbrennern angeordnet sein und sie ist separat an der Z-Achse angebracht.
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Neben einem Lichtbogenbrenner ist auch ein, der Nahtverfolgung jeweils dienender, taktiler Sensor mit am Verbindungsblech angebracht. Da der Hybridprozess dem Decklagenprozess vorläuft, ist jeweils nur der Sensor im Einsatz, welcher mit am Verbindungsblech des Hybridbrenners angebracht ist.
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Die Vorrichtung ist derart ausgelegt, dass die Anordnung der Wirkpunkte und die Orientierung der erläuterten Wirkachsen von wenigstens 2 Lichtbogenbrennern in Bezug zu wenigstens einem z. B. fest angeordneten Laserschweißkopf unter Verwendung wenigstens einer motorischen Achse so veränderbar ist, dass das Schweißverfahren richtungsunabhängig ausführbar ist und, dass die Anordnung des Wirkpunktes des Laserstrahls in Bezug zu wenigstens 2 Lichtbogenbrennern unter Verwendung wenigstens einer motorischen Achse ebenfalls so veränderbar ist, dass ein richtungsunabhängiges Schweißen erfolgen kann.
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Wie bereits bei der Erläuterung der Verfahrensdurchführung angedeutet, können die Lichtbogenbrenner an den Endpunkten einer Traverse schwenkbar, zur Einstellung eines gewünschten Brennwinkels, befestigt sein, wobei es sich dann erforderlich macht, dass die Laserstrahloptik nebst Laserschweißkopf mittels einer horizontalen Führung und einem mit ihm verbundenen Antrieb zu den Lichtbogenbrennern hin verfahrbar gestaltet ist.
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Es sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass das Verfahren und eine entsprechend zur Realisierung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung gleichermaßen für das Verbindungs- und das Auftragschweißen einsetzbar sind.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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Dazu wird auf die 1 und 2 zurückgegriffen. Sie zeigen:
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1 Verschwenken eines ersten und eines zweiten Lichtbogenbrenners zu einem mittig und zentral fixierten Laserschweißkopf nebst Laserstrahloptik beim Orbitalschweißen und
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2 Festeinstellbare Lichtbogenbrenner an den Endpunkten einer Traverse mit zwischen ihnen verfahrbarem Laserschweißkopf nebst Laserstrahloptik beim Orbitalschweißen.
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Die in den 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen bedeuten:
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohr
- 2
- Laserschweißkopf mit Laserstrahloptik
- 3
- erster Lichtbogenbrenner (hybride Anordnung)
- 4
- zweiter Lichtbogenbrenner (kombinierte Anordnung)
- 5
- Koppelgetriebe
- 6
- Führungsbahn
- 7
- Traverse
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Nach 1 befindet sich ein Laserschweißkopf mit Laserstrahloptik 2 in mittiger zentraler Lage und dort fixiert zwischen zwei Lichtbogenbrennern (hybride Anordnung) 3 und (kombinierte Anordnung) 4, wobei letztere nach jeweils erfolgtem Halbumlauf um den Stoß eines Rohres 1 ihre Position zum Laserschweißkopf 2 zwischen einer hybriden und einer kombinierten Anordnung wechseln können, indem ein Koppelgetriebe 5, als Planeten-Schneckengetriebe ausgebildet, diese in definiertem Radius verschwenkt. Dadurch gelingt es, in beiden Halbumläufen einer Orbitalschweißung, in der Schweißposition „fallend” zu schweißen. Beim Verschweißen von ebenen Werkstücken mit Blechdicken > 12 mm ist eine derartige Zustellung der ersten und zweiten Lichtbogenbrenner 3, 4 analog denkbar.
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Als eine Variante zur 1 stellt sich eine Vorrichtung dar, die gemäß 2 mit einem horizontal auf einer Führungsbahn 6 verfahrbaren Laserschweißkopf mit Laserstrahloptik 2 ausgestattet ist. Die ersten und zweiten Lichtbogenbrenner 3, 4 befinden sich hierbei jeweils an den Endpunkten einer Traverse 7 schwenkbar fixiert, wobei der Laserschweißkopf 2 motorisch zu ihnen verfahrbar ausgebildet ist und damit auch über diesen Weg jeweils abwechselnd zum ersten Lichtbogenbrenner 3 bzw. zum zweiten Lichtbogenbrenner 4 die hybride bzw. kombinierte Position eingenommen werden kann. Auch diese Lösung ist für das Schweißen in Wannenlage einsetzbar.
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Die Vorteile der Erfindung können zusammenfassend darin gesehen werden:
- – aufwändige Umrüstungen der Brenneranordnungen, insbesondere beim Orbitalschweißen entfallen,
- – Leerfahrten, insbesondere beim Orbitalschweißen werden vermieden, da bei der Rückstellung des Schweißsystems aus der 6- in die 12-Uhr-Position weitere Füll- bzw. Decklagen schweißbar sind,
- – erhebliche Steigerung der Arbeitsproduktivität beim Füll- und Decklagenschweißen und relativ geringer Konstruktionsaufwand der das Verfahren umsetzenden Vorrichtung.
