DE102012017130B4

DE102012017130B4 - Laser-Rohreinschweißen

Info

Publication number: DE102012017130B4
Application number: DE102012017130.7A
Authority: DE
Inventors: Dieter Liebenow; Werner König; Christian Hofmann
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2012-09-01
Filing date: 2012-09-01
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2032-09-02
Also published as: CN103658989A; CN103658989B; DE102012017130A1

Abstract

Verfahren zum Einschweißen von Rohren eines Rohrbündels in Bohrungen von Rohrböden mittels Laserschweißen, wobei sowohl die Rohre als auch die Rohrböden aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,25% gebildet sind und die Rohre über den Rohrboden mit einer vorgegebenen Rohrteilung verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schweißvorgang der Rohrboden (2) in einem Abschnitt (14), der ein in eine Bohrung (21a) einzuschweißendes Rohr (10a) enthält, mit mindestens einem Induktor (12) auf eine vorgegebene Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, wobei der mindestens eine Induktor (12) außerhalb der Bohrung (21a) und der vorgesehenen Schweißnaht (31) so positioniert wird, dass zwischen der Achse (26) des einzuschweißenden Rohres (10a) und der dieser Achse (26) zugewandten Innenkontur (K) des stromdurchflossenen, im Rohrboden (2) induktive Erwärmung erzeugenden Leiters (17) des Induktors (12) der zum Rohrboden (2) parallele minimale Abstand (18) höchstens fünf Rohrteilungen (t) beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Einschweißen von Rohren eines Rohrbündels in Bohrungen von Rohrböden mittels Laserschweißen.
Ein wichtiger Schritt bei der Fertigung von Rohrbündelapparaten ist das Einschweißen von Rohren in die Rohrböden. Das Wolfram-Inert-Gas(WIG)-Rohreinschweißen unter Verwendung von Orbitalschweißgeräten ist hierfür bis heute das etablierteste und am weitesten verbreitete Schweißverfahren. Üblicherweise werden die Rohre halbautomatisch eingeschweißt, d. h. ein Orbitalschweißgerät wird manuell positioniert und mit Hilfe zentrischer Spanndorne oder angepasster Vorrichtungen am Rohr bzw. am Rohrboden fixiert. Anschließend wird der eigentliche Schweißvorgang mit dem Orbitalschweißgerät automatisch ausgeführt. Eine vollautomatische Schweißvorrichtung zum Einschweißen von Rohren in einen Rohrboden mit automatischer Positionierung des Schweißgerätes und anschließender Rohreinschweißung, die zudem noch die Anforderungen von Druckgeräten erfüllt, konnte noch nicht wirtschaftlich realisiert werden.
Beim WIG-Rohreinschweißen werden typische Schweißgeschwindigkeiten von 0,05 bis 0,2 m/min bei Einschweißtiefen von 1,0 bis 1,5 mm bei einer einlagigen Schweißnaht erzielt. Die WIG-Schweißnähte werden meist mit mindestens zwei Schweißlagen ausgeführt, wobei die Lagen direkt oder versetzt übereinander liegen, um die Höhe der Schweißnaht zu erhöhen und dadurch die Festigkeit zu erhöhen. Der Rohrboden und die Rohrenden müssen nur geringfügig auf eine Temperatur von etwa 80°C vorgewärmt werden. Diese Vorwärmung erfolgt großflächig mit elektrischen Heizmatten über Widerstandserwärmung. Da das Rohreinschweißen auf Grund der hohen Anzahl an Prozesswiederholungen der zeitaufwändigste Bearbeitungsschritt in der konventionellen Rohrbündel-Fertigung ist, liegt dort beim Bestreben nach Verkürzung der Fertigungszeit das größte Optimierungspotential.
Hierfür bietet sich das Strahlschweißen mit Laser an. Ein Überblick wird in dem Aufsatz von Castell-Codesal, Andrés: „Laser-Rohreinschweißen bei Rohrbündel-Apparaten”, Produktionstechnik in der Wärmeübertragerfertigung, PP Publico Publications, 2009, S. 132–164, gegeben, in dem von dem Forschungsprojekt „OrbiLas” berichtet wird. Beim Laserschweißen werden die Verfahrensvarianten Tiefschweißen und Wärmeleitungsschweißen unterschieden. Beim Tiefschweißen werden lokal sehr hohe Energiedichten erzeugt. Bei Leistungsdichten von über 10⁶ W/cm² entsteht eine Metall-Dampfplasmakapillare, das sogenannte „Keyhole”. Beste Schweißergebnisse werden erzielt, wenn die zu verschweißenden Werkstücke, in diesem Fall Rohre in Bohrungen eines Rohrbodens, spaltfrei aneinander liegen. Dies kann z. B. durch Einwalzen oder hydraulisches Aufweiten erfolgen. Je nach Leistung des Lasers und Schweißgeschwindigkeit sind Schweißnahttiefen bis zu etwa 10 mm bei einer Schweißlage erreichbar. Im Gegensatz zum WIG-Schweißen wird daher nur eine Schweißlage zur Erzielung der erforderlichen Festigkeit benötigt. Die Schweißgeschwindigkeit liegt je nach Randbedingungen in einem Bereich von 1,0 bis 10,0 m/min und ist damit eine Größenordnung höher als bei konventionellen Schweißverfahren. Laserschweißnähte sind typischerweise sehr schmal mit einem Tiefen-Breiten-Verhältnis von 2:1 bis 10:1. Beim Rohreinschweißen eines Rohres mit einer Wandstärke von 2,0 mm hat die Schweißnaht beispielweise eine Tiefe von 2,0 mm und eine Breite von 0,5 mm. Daraus ist ersichtlich, dass der Laserstrahl sehr genau auf den Fügestoß positioniert sein muss, um eine gleichmäßige Verteilung der Schweißnaht auf die zu verschweißenden Werkstücke zu erreichen.
Sind die Leistungsdichten beim Laserschweißen kleiner als 10⁶ W/cm², so führt dies zum Wärmeleitungsschweißen, bei dem nur die Oberfläche aufgeschmolzen wird. Das Erscheinungsbild der Schweißnaht ähnelt dem beim WIG-Schweißen, jedoch ist die Schweißgeschwindigkeit mit 0,5–2,0 m/min höher. Tiefschweißen und Wärmeleitungsschweißen kann man auch als „kombiniertes Schweißen” ausführen. Dadurch erreicht man eine Kantenverrundung, erhöhte Sicherheit, Mehrlagenverschweißung, falls gefordert, und Glättung der Nahtgeometrie.
Bei der Fertigung von Rohrbündelapparaten kommen unlegierte und niedrig legierte Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt oft zur Anwendung. Der Kohlenstoff ist dabei der wichtigste Legierungsbestandteil des Stahls. Unlegierte und niedrig legierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,25% gelten als gut schweißbar. Stähle mit diesen geringen Kohlenstoffgehalten haben große kritische Abkühlgeschwindigkeiten, sind also bei normalen Abkühlungsgeschwindigkeiten bezüglich Aufhärtungen unempfindlich. Stähle mit größeren Kohlenstoffgehalten sind empfindlicher gegen Aufhärtungen, weshalb für das Schweißen solcher Stähle die Normen entsprechende Wärmebehandlungen vorschreiben.
Innerhalb des OrbiLas-Projektes wurden mehrere Schweißversuche unter Veränderung u. a. der Parameter Rohrdurchmesser, Rohrwandstärke, Rohrbodendicke und Werkstoffe durchgeführt. Die Prüfstücke bestanden aus jeweils einem Rohrstück, das in eine gebohrte Scheibe eingewalzt wurde. Außerdem wurde beispielhaft ein Rohrfeld mit 5 × 5 Rohren geschweißt. Für die Versuche wurden als gut schweißbare Werkstoffe der rostfreie Edelstahl 1.4571 und der niedrig legierte, warmfeste Kesselrohrstahl 1.5415 (16Mo3) gewählt.
Aus dem Werkstoffblatt des nichtrostenden austenitischen Stahls 1.4571 (Merkblatt 3203, Teil 3, des DVS (Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V)) kann man entnehmen, dass dieser für das Laserstrahlschweißen sehr gut geeignet ist.
Bei dem niedrig legiertem Stahl 16Mo3 ist das Laserstrahlschweißen kein Standardschweißverfahren. Zum Vorwärmen vor dem Schweißvorgang allgemein sind z. B. in der Norm EN 1011-2:2001 Vorwärmtemperaturen angegeben, die in Abhängigkeit von der Werkstoffdicke größer werden und z. B. bei Dicken größer 30 mm 100°C betragen.
Im OrbiLas-Bericht wird beim Thema der Schweißnaht-Nachbearbeitung darauf hingewiesen, dass bei Bedarf der gesamte Apparat nach dem Schweißen einer Wärmenachbehandlung zu unterziehen sei, um innere Spannungen abzubauen oder die Härte des Schweißguts zu reduzieren. Eine tatsächliche Notwendigkeit dieser Maßnahme oder überhaupt irgendeiner Wärmebehandlung der Prüfstücke wurde innerhalb des Forschungsprojekts jedoch nicht festgestellt.
Obwohl sich das Laserschweißen bei vielen praktischen Anwendungen bereits seit langem bewährt hat, sind für das Lasereinschweißen von Rohren in dicke massive Rohrböden noch keine wirtschaftlichen Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Hierauf wird auch in dem zitierten Orbi-Las-Bericht hingewiesen.
Stähle mit einem Kohlenstoffanteil von mehr als 0,2% sind härtbare Stähle. Soll ein Werkstück aus solch einem Stahl gehärtet werden, so wird die Abkühlgeschwindigkeit bewusst erhöht, indem man das erwärmte Werkstück z. B. in Wasser oder Öl taucht und dort schlagartig abkühlt. Das Härtungsverhalten lässt sich dabei durch verschiedene Legierungszusätze beeinflussen.
Ein so gehärtetes Werkstück ist spröde, rissempfindlich und schlecht verformbar. Um das Werkstück wieder zäher zu machen, wird es einer Wärmebehandlung unterzogen, dem sogenannten Anlassen. Das Schweißen eines so behandelten Werkstücks ist konventionell nicht mehr möglich, da dadurch die Gefügestruktur zerstört werden würde, die dem Werkstoff die Härte gibt.
Die DE 196 37 465 C1 beschreibt ein Verfahren zum Strahlschweißen von härtbaren Stählen mittels Kurzzeitwärmebehandlung als alleiniges Vorwärmen. Das Vorwärmen erfolgt induktiv, wobei die maximale Erwärmungstemperatur sich nach der Temperatur einer vorangegangenen Anlassbehandlung richtet. Die Abkühlzeit richtet sich nach der kritischen Abkühlzeit. Die Schweißung wird also in Kombination mit einer Vergütung durchgeführt, welche entweder vor oder nach der Schweißung erfolgt. Die Erwärmungstiefe, die Erwärmungsbreite und die Erwärmungszeiten werden abhängig gemacht vom sich einstellenden Gefügezustand und alternativ von der Härte der Schweiß- und Wärmeeinflusszone, die maximal 350 HV_0,05 betragen darf.
Die JP S64-40 194 A , die ausführlich in der oben erwähnten DE 196 37 465 C1 diskutiert wird, beschreibt ein Laserschweißverfahren für nicht härtbare dünne Bleche, bei dem die Abkühlgeschwindigkeit durch prozessintegrierte Nachwärmung abgesenkt wird. Dünne Bleche wirken wie Kühlrippen. Die Wärme der relativ kleinen Schweißstelle wird schnell innerhalb des angrenzenden Blechs abgeleitet mit der Folge einer schnellen Abkühlung und anschließender Aufhärtung. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird hinter dem Laserschweißkopf eine Hochfrequenzinduktionsheizung mit gleicher Geschwindigkeit nachgeführt. Der Schweißbereich wird bis auf eine Glühtemperatur von 1000°C geheizt. Ziel des Verfahrens ist eine Zähigkeitserhöhung und eine Verbesserung der Umformbarkeit der Bleche. Die Abkühlgeschwindigkeit kann durch die Vorschubgeschwindigkeit, die Maximaltemperatur, die Breite und die Länge des Induktors beeinflusst werden. Der Schweißbereich wird durch eine externe Schutzgaszuführung vor Oxidationen geschützt. Die Vorschubgeschwindigkeit kann nur in einem begrenzten Bereich verändert werden, da sie an die Schweißgeschwindigkeit des Lasers gekoppelt ist. Das Verfahren eignet sich besonders für das Fügen von dünnen Blechen, da hier der Induktor über die gesamte Blechdicke wirkt. Das Verfahren hat dort seine Grenzen, wo wenigstens ein Werkstück deutlich andere Abmessungen und/oder Wärmeableitungseigenschaften hat.
In der EP 1 157 753 A2 wird ein Verfahren zum Verbinden von Stahlstreifen oder -bändern in einer Stahlbandverarbeitungsstraße vorgestellt. Dabei werden zunächst die Enden zweier Stahlbänder abgeschnitten, die Enden aneinander gestoßen und dort fixiert. Zur Vermeidung von Aufhärtungen wird mit einer an einem Schlitten befestigten induktiven Heizung die Schweißstelle erst bis auf eine Glühtemperatur von etwa 1000°C vorgewärmt, ehe eine ebenfalls am Schlitten befindliche Laserstrahlvorrichtung die Stahlbandenden in einem Arbeitsgang zusammenschweißt. Durch die intensive Vorwärmung wird soviel Wärme in die Werkstücke eingetragen, dass eine Nachwärmung nicht mehr erforderlich ist. Durch die Koppelung der Vorwärmung an die Vorschubgeschwindigkeit des Laserkopfes ist jedoch eine unabhängige Regelung der Vorwärmung nicht möglich. Dies ist bei immer gleichen Randbedingungen des Schweißprozesses kein Nachteil. Werden jedoch andere Blechdicken oder Werkstoffe verwendet, so müssen die Schweißparameter immer wieder neu ermittelt werden. Der Abkühlprozess unterliegt keiner Kontrolle und kann nicht durch einen Regelkreis beeinflusst werden.
Ähnliche Verhältnisse wie beim Verschweißen von ebenen Blechen gibt es bei der Herstellung von längsnahtgeschweißten Rohren. Entsprechende Verfahren unter Verwendung des Laserschweißens sind beispielsweise in den JP H03-291 176 A , JP S60-46 890 A oder EP 0 933 159 A1 beschrieben. Dabei befindet sich der Laserschweißkopf an einer festen Position. Ein schmaler Blechstreifen wird durch mehrere Umformungsstufen geführt und dort rohrförmig gebogen. Die Seiten des Blechstreifens werden zum Schluss spaltfrei aneinander gepresst und anschließend mit einem Laser miteinander verschweißt. Dem Schweißvorgang selbst geht eine Widerstands- oder Induktions-Vorwärmung voraus. Damit wird der Umform- und Schweißvorgang unterstützt, und Aufhärtungen werden vermieden bei gleichzeitigem Absenken der erforderlichen Laserleistung.
Das in der JP H03-291 176 A beschriebene Verfahren ist speziell auf die Herstellung von Rohren aus ferritischem nichtrostenden Stahl ausgerichtet, der bei verstärktem Wärmeeintrag zu einer Vergröberung der Gefügestruktur neigt. Die Vorwärmtemperaturen werden auf einen Bereich zwischen 200°C und 600°C begrenzt. Mit dem Verfahren können hohe Schweißgeschwindigkeiten erreicht werden.
Das Ziel der JP S60-46 890 A liegt in der Verminderung der Laserleistung und schlägt daher eine hohe Vorwärmtemperatur bei etwa 1000°C vor.
Die EP 0 933 159 A1 untersucht den Einfluss der Vorwärmtemperatur auf die Schweißgeschwindigkeit. An einem Beispiel zur Herstellung einer Längsnaht für ein Rohr da = 508 mm, s = 12,7 mm und einer Laserleistung von 20 kW lassen sich so Schweißgeschwindigkeiten zwischen etwa 3,5 und 7,0 m/min erreichen.
In der DE 100 47 492 A1 wird induktives Vorwärmen für Lichtbogen- und Rollennahtschweißen vorgeschlagen. Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schweißen von metallischen Werkstoffen mit lokaler induktiver Vorwärmung unter Verwendung von Induktoren vorgestellt, die zur Vorwärmung, z. B. für Stumpfnähte, in Abhängigkeit von den physikalischen und geometrischen Eigenschaften der zu verbindenden Werkstoffe speziell angepasst sind. Die Induktoren haben eine Leistung von 15 bis 30 kW mit einer Frequenz von ca. 9 bis 23 kHz. Die Temperatur im Bereich des induktiven Vorwärmens wird dabei fortlaufend gemessen, damit in Abhängigkeit von der Schweißgeschwindigkeit v_S immer gleiche Verhältnisse herrschen.
Aus der DE 102 55 978 A1 ist ein Laserschweißverfahren in Verbindung mit dem Einschweißen von Rohren in Gitterrohrböden eines Rohrbündelapparates bekannt. Hier wird ein Gitterrohrboden für einen Wärmetauscher vorgestellt. Dabei sorgen Gitterbleche für einen steifen Rohrboden und entlasten so die Wärmetauscherrohre. Durch den Einsatz der versteifenden Gitterbleche können die Rohrböden selbst recht dünn ausgeführt werden. Das Einschweißen der Ankerbolzen und Wärmetauscherrohre erfolgt mit einer durchgeschweißten Stumpfnaht mit einer Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißanlage. Durch dieses Verfahren und durch den Wegfall von Schweißhilfsmitteln entstehen nur geringe thermische Spannungen. Einzelheiten zur Schweißvorrichtung werden nicht vorgestellt. Eine Wärmebehandlung findet nicht statt.
Aus der JP S63 137 595 A ist ein Verfahren zum Einschweißen von Rohren eines Rohrbündels in Bohrungen von Rohrböden mittels Laserschweißen bekannt. Es werden Maßnahmen vorgeschlagen, die das Schweißen vereinfachen und das Auftreten von Kerben bzw. Unterschneidungen und Versetzungen verhindern.
Die Induktoren selbst können vielfältig ausgebildet sein. Ein einfacher gekühlter Induktor mit einwindiger Spule zum Erwärmen einer Lötstelle zwischen einem Rohr und einem Flansch ist z. B. in der US 2 477 118 A beschrieben. Ein unterbrechungsfreies Wirbelfeld an der Stelle, wo die beiden Stromleiter an die Spule anschließen, soll dadurch erreicht werden, dass die Stromzuführungsleitungen kleiner sind als die größte Breite der Spule.
Die US 2 456 091 A zeigt einen ähnlichen Induktor mit seitlicher Stromzuführung zur Erwärmung von einem oder mehreren nebeneinander liegenden Werkstücken. Der Induktor hat austauschbare Innenelemente mit verschiedenen lichten Innenkonturen.
In der US 4 698 473 A sind gekühlte Induktoren mit feuerfester innerer Auskleidung in einwindiger oder zweiwindiger Ausführung gezeigt. Das Auskleidungsmaterial ist bevorzugt Molybdän oder Wolfram.
Eine spezielle Ausführung einer internen Induktionsheizung mit innerem Kühlkanal ist in der US 3 612 806 A beschrieben. Hier ist nur die dem Werkstoff zugewandte Seite des Kühlkanals aus elektrisch leitendem Material ausgeführt, die anderen Wände bestehen aus Kunststoff. Hierdurch wird die Effizienz des Induktors gesteigert.
Die Windungen der Spule eines Induktors müssen immer gegeneinander elektrisch isoliert sein, damit es zu keinen Kurzschlussströmen kommt. Bei einwindigen Ausführungen der Spule entsteht dadurch ein Spalt zwischen Anfang und Ende der Spule. An diesem Spalt ist die Induktionsleistung etwas verringert. Die CH 316 946 A löst dieses Problem bei einem plattenförmigen Induktor zur induktiven Hochfrequenzerhitzung dadurch, dass der die Werkstücköffnung umschließende rahmenförmige Teil des Induktors an der Anschlussstelle der Zuführungsleiter zwei sich überlappende Teile aufweist und wenigstens einer dieser Teile einen örtlich verengten Querschnitt besitzt.
Eine zweiteilige Ausführung ist in der DE 21 60 694 A gezeigt. Die Spalte der zwei Teile kann dort durch überlappende Abschnitte überbrückt werden.
Einen Überblick über verschiedene Aspekte von Induktoren gibt der Artikel von Zinn, Stanley; Semiatin, S. L.: „Coil design and fabrication”, HEAT TREATING; Teil 1, Juni 1988, Seiten 32–36; Teil 2, August 1988, Seiten 29–32; Teil 3, Oktober 1988, Seiten 39–41.
Während beim Schweißen von kleinen Werkstücken die Schweißvorrichtung meist stationär ist und die Werkstücke zur Schweißstelle hin- und wieder abtransportiert werden, ist dies bei der Fertigung eines großen Rohrbündelapparates nicht mehr möglich. Hier befindet sich der zu bearbeitende Rohrboden an einer festen Position und der Schweißkopf muss im Rahmen einer Grobpositionierung innerhalb eines größeren Bearbeitungsbereiches zu den jeweiligen Schweißstellen verfahren werden. Für diese Aufgabe haben sich CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen bewährt. Wegen ihrer hohen Wiederholgenauigkeit der Positionierungen werden oft kartesische Portalsysteme mit horizontal und vertikal verfahrbaren Schlitten verwendet.
Ein Beispiel für ein kartesisches Portalsystem ist in der DE 26 20 406 A1 offenbart. Dieses besteht aus einer Montagevorrichtung zum Einschieben von Rohren in Rohrböden von großen Wärmetauschanlagen. Die Einschubvorrichtung ist dabei an einer an einem Rohrboden befestigten Kreuzschlittenanordnung angeordnet, welche ihrerseits mit Spreizdornen an leeren Löchern des Rohrbodens befestigt ist. Nachdem die Einschubvorrichtung manuell an eine Arbeitsposition bewegt worden ist, wird diese Position mit einem Positionierbolzen fixiert.
Die US 4 643 247 A zeigt ein am Rand eines Rohrbodens befestigtes Portalsystem mit einer Vorrichtung zum Entfernen und Wiedereinsetzen einzelner Rohre.
In der EP 0 172 435 A1 wird eine multifunktionale Werkzeugmaschine zum Rohreinschweißen bei relativ kleinen Rohrbündelapparaten vorgestellt. Diese besteht aus einem ortsfesten portalartigen Maschinenrahmen mit einem Werkzeugträger mit einer Mehrzahl von individuell gesteuerten Werkzeugen zum Fräsen, Aufweiten, Schweißen und Einwalzen. Nach der Bearbeitung eines Rohrbodens fährt der Werkzeugträger zur Seite, der Rohrbündelapparat fährt auf Schienen an dem Werkzeugträger vorbei, der Werkzeugträger fährt an seine ursprüngliche Position zurück und dreht sich zur anderen Seite des Rohrbündelapparates, wo diese nun bearbeitet wird. Der Werkzeugträger ist über die gesamte Querschnittsfläche des Rohrbodens verfahrbar.
Zum Erreichen der notwendigen Energiedichten zur Erzeugung eines Keyholes wird der Laserschweißstrahl in der Regel stark fokussiert, so dass in Bezug auf die Bewegungsautomaten eine extrem hohe Positioniergenauigkeit gefordert werden muss, um eine gleichbleibende Schweißnahtqualität zu gewährleisten. Unter Berücksichtigung einer Nahtbreite an der erforderlichen Schweißnahttiefe beim Lasereinschweißen von üblicherweise nur 0,25 mm sollten die Schweißbahntoleranzen einen Wert von 0,1 mm nicht überschreiten. Diese Anforderung macht eine geeignete Automatisierung von Positionierung und Führung des Laserstrahls erforderlich. Hierfür bieten sich kartesische, CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen mit üblichen Positioniergenauigkeiten von ±0,005 bis ±0,02 mm an. Diese Vorgehensweise setzt voraus, dass vor dem Schweißvorgang die jeweilige Schweißbahn entsprechend dem jeweils gegebenen Fügestoß genau ermittelt werden muss. Eine Positionierung des Schweißkopfes auf die Bohrungsachse allein anhand der Nennmaße eines vorgegebenen Bohrbildes ist vor dem Hintergrund insbesondere von maximalen Fertigungstoleranzen der Bohrungen im Rohrboden von ca. 0,6 mm nicht ausreichend.
Nachdem im Rahmen der Grobpositionierung die richtige Schweißstelle ermittelt wurde und der Schweißkopf in etwa richtig davor positioniert ist, muss der Schweißkopf noch auf den richtigen Abstand zum Rohrboden gebracht werden, da bei einem Rohrboden mit mehreren Metern Durchmesser eine ideale Ebenheit nicht vorausgesetzt werden kann und lokale Abweichungen auftreten können. In dem nächsten Schritt ist eine Feinfokussierung des Schweißkopfes auf die Rohrachse notwendig. Anschließend muss die Schweißbahn festgelegt werden.
Nun gibt es bei der Vorbereitung der Schweißnaht bei Rohren, die in einen Rohrboden mit einem Laserstrahl einzuschweißen sind, eine Besonderheit. Für das Lasereinschweißen ist das spaltfreie Einwalzen der Rohre die ideale Nahtvorbereitung. Zudem müssen die Flächen der Rohraußenwand und der Bohrung im Rohrboden im Kontaktbereich sauber und fettfrei sein. Die Kontaktflächen sind außerdem möglichst glatt, d. h. sie sollten eine nur geringe Rauhigkeit aufweisen. Nach dem Einwalzen sollten die Rohrüberstände mit dem Rohrboden plangefräst und geschliffen werden. Eine solche Vorbereitung bietet den besten Schutz vor Schweißfehlern in Form von Einschlüssen oder Poren. In diesem Zustand jedoch ist die Rohrbodenfläche metallisch blank. Bei sauber ausgeführten Vorarbeiten ist die Kontur des Rohraußendurchmessers kaum noch wahrnehmbar und für irgendwelche Konturmessungen als Grundlage für die Schweißbahn nicht mehr verfügbar. Zudem ist die Nahtbreite von Laserschweißnähten geringer als die übliche Toleranzbreite der Bohrung. Wenn der Laserstrahl auf den Nennwert positioniert wird, ist daher ein sicheres Treffen des Fugenstoßes nicht mehr gewährleistet.
Die JP S59-50 986 A beispielsweise setzt das Vorhandensein einer detektierbaren Spaltkontur voraus. Hier wird ein parallel zum Rohrboden verfahrbares Portalsystem mit einem zentralen, fest eingebauten Lasergenerator vorgestellt. Dieser Lasergenerator führt einen Laserstrahl mit einem Umlenkspiegel zu einem an einem Kreuzschlitten befindlichen Schweißkopf. Der Schweißkopf weist ein um eine Achse rotierendes Spiegelsystem auf, womit eine kreisförmige Schweißbahn erzeugt wird. Der Radius der Schweißbahn ist dabei veränderbar. Aus dem Laserstrahl wird mit einem halbdurchlässigen Spiegel ein Signal zu einer Auswerteeinrichtung gelenkt. Diese tastet die Kontur des Rohraußendurchmessers ab, ermittelt die Rohrachse und richtet den Schweißkopf darauf aus. Während des Schweißvorgangs wird der Laserstrahl an der Kontur des Rohraußendurchmessers nachgeführt.
Die JP H11-347 762 A stellt einen Schweißkopf vor, mit dem der Laserstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt wird. Beim Einschweißen eines Rohres in einen Rohrboden wird in einem Arbeitsgang mit dem einen Strahl die Hauptschweißung durchgeführt und mit dem zweiten Strahl einer anderen Brennweite eine Hilfsschweißung, die die innere Kante des Rohrs abrundet.
In der DE 100 10 574 A1 wird eine Laserbearbeitungsmaschine mit liegendem Werkstück und horizontal verfahrbarem Kreuzschlitten beschrieben. Mit einer ersten Positioniereinheit wird der Werkzeugträger linear bewegt und mit einer zweiten Positioniereinheit wird der Werkzeugträger in Polarkoordinaten bewegt, womit auch kreisförmige Konturen erzeugt werden können.
Eine weitere Portalwerkzeugmaschine für die Bearbeitung von ebenen vertikal stehenden Werkstücken ist in der EP 0 917 004 A2 gezeigt. Das Gewicht des Werkzeugträgers wird hier mit Gegengewichten entlastet.
Die DE 10 2007 027 377 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von kreisförmigen Schweißbahnen mit einem Laserstrahl unter Verwendung eines automatischen Nahtführungssystems. Die entsprechende Vorrichtung weist ein optisches Messsystem auf, welches die Bearbeitungsoptik mitbenutzt. Mit mindestens zwei Lichtstrahlen wird die Werkstückoberfläche abtastet, die Fügeposition bestimmt und der Bearbeitungslaserstrahl auf diese Position nachgeführt. In die Optik integriert ist ein Keiltaumelspiegel, mit dem beliebige, z. B. auch kreisförmige, Schweißbahnen geführt werden können. Vorteilhaft bei dieser Vorrichtung ist die kompakte Bauweise. Für die Strahlführung wird einzig ein in der Optik integrierter Spiegel bewegt, es müssen keine Massen bewegt werden. Allerdings hat konstruktiv bedingt der auf dem Werkstück auftretende Laserstrahl immer eine geringe Abweichung vom idealen senkrechten Auftreffwinkel. Ähnliche Positioniereinrichtungen unter Verwendung von externen Projektoren sind z. B. in den DE 10 2006 004 919 A1 , EP 2 062 674 A1 , DE 10 2008 056 695 A1 oder der DE 10 2009 057 209 A1 beschrieben.
Wenn bei der Vorrichtung nach DE 10 2007 027 377 A1 die Messstrahlen senkrecht auftreffen, kann es jedoch passieren, dass Konturen nicht sicher erkannt werden. In diesem Sinne liefert eine Vorrichtung nach JP H07-51 869 A eine Verbesserung. Hier wird die Fügestelle mit zwei Leuchten aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet. Hierdurch entstehen selbst bei kleinen Erhebungen oder Vertiefungen entsprechende helle Bereiche oder Schatten, die mit einem Bildverarbeitungssystem gut erkannt werden können.
Ein anderes Prinzip wird in der EP 1 153 695 A2 verwendet. Hier wird das Werkstück mit mehreren Laserstrahlen abgetastet. Ein Bildauswertungssystem filtert bestimmte Wellenlängen des reflektierten Lichts. Konturen im Werkstück, wie z. B. Fügestöße, haben dabei eine besondere Charakteristik und können so erkannt werden.
Für das Laser-Auftragsschweißen mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff wird in der DE 10 2010 018 686 A1 eine kompakte Laserschweißvorrichtung mit mehreren Funktionselementen vorgestellt Dabei beinhaltet eine laseroptische Einheit darin befindliche Kanäle, durch die verschiedene Medien zur Schweißstelle geführt werden können. Bevorzugt ist dies ein pulverförminger Zusatzwerkstoff. Die Kanäle können jedoch alternativ oder gleichzeitig ebenso für Schutzgas oder für ein Kühlmittel verwendet werden. Die Schweißstelle wird von einer ringförmig ausgeführten leicht austauschbaren Induktionsheizung umgeben. Durch zwei unabhängig voneinander arbeitende Antriebe können jeweils die laseroptische Einheit bzw. die Austrittsdüse verstellt werden. Im Inneren des Schweißkopfes befindet sich weiterhin ein halbdurchlässiger Spiegel, mit dem ein Signal zu einem optischen Detektor ausgeleitet werden kann. Dieser dient der Überwachung und Regelung der Bearbeitung, z. B. kann damit eine ortsaufgelöste Temperaturüberwachung durchgeführt werden. Die Brennweite des Laserstrahls kann durch eine innere geschirmte Verstellvorrichtung manuell verändert werden. Die laseroptische Einheit kann mit einer zweidimensionalen Justiereinrichtung parallel zur Werkstückoberfläche ausgerichtet werden. Hinweise zum genauen zeitlichen Ablauf von Heizen und Schweißen in Abhängigkeit von den örtlichen Verhältnissen und von den Werkstoffen werden nicht gegeben. Mit den Verstelleinrichtungen ist die flexible Einstellung von Abständen senkrecht zur Werkstückoberfläche möglich. Zum Herstellung von kleinen kreisförmigen Schweißbahnen ist die Vorrichtung allein nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den zeitlichen Aufwand für das Einschweißen eines Bündels von Rohren, d. h. einer großen Anzahl von Rohren, in einen Rohrboden zu verringern und dabei gleichzeitig den erforderlichen technischen Aufwand zu vereinfachen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 11 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 22 gelöst.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die erforderliche Zeit für die Vorbereitung der jeweiligen Rohreinschweißungen und für eine eventuelle Nachbehandlung der Schweißnähte deutlich reduziert sowie die benötigte Apparatur wesentlich vereinfacht.
Die erfindungsgemäße Positionierung mindestens eines Induktors in Bezug auf die Achse des einzuschweißenden Rohres macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass Rohrböden anisotrop ausgebildet sind und damit auch die Wärmeleitfähigkeit der Rohrböden anisotrop ist. Rohrböden weisen eine Vielzahl von Bohrungen auf, die den Rohrboden in dessen Dickenrichtung durchlaufen und die in Flächenrichtung einen engen Abstand zueinander aufweisen. Die Bohrungswandungen stellen eine Temperatur- bzw. Wärmebarriere dar, sodass die Wärme in der Flächenrichtung durch die schmalen Materialstege zwischen den Bohrungen hindurch geleitet wird. Im Vergleich zu einer massiven Platte erhöht sich die Temperatur an der Wärmeeintragsstelle stärker. Durch den größeren Temperaturgradienten erfolgt eine schnellere Erwärmung an Stellen mit gleichem Abstand zur Wärmequelle. Mit induktiver Erwärmung ist ein örtlich und zeitlich begrenztes Vorwärmen von geeignetem Stahl auf hohe Temperaturen bei kurzen Regelzeiten möglich, was gerade bei dicken Rohrböden mit darin eingesetzten Rohren dazu führt, dass trotz einer höheren Wärmeableitung in Dickenrichtung die Fügestöße bzw. Schweißstellen schnell, sicher und dabei wirtschaftlich auf die gewünschte Vorwärmtemperatur gebracht werden können. Obwohl der Rohrboden in seiner Dickenrichtung die Wärme relativ schnell ableitet und die an den Bohrungswandungen anliegenden Rohre wie „Kühlrippen” wirken, wird die jeweilige Schweißstelle aufgrund der konzentrierten und schnellen, höher temperierten Vorwärmung auf die erforderliche Vorwärmtemperatur gebracht, ohne dass Rohrboden und Rohre in Dickenrichtung bzw. Rohrlängsrichtung außerhalb des Schweißbereiches in relevantem Umfang miterwärmen. Ehe beispielsweise der Rohrboden an der Schweißstelle über seine ganze Dicke durchgewärmt ist, ist die Rohreinschweißung dort schon wieder beendet. Das hat zum einen zur Folge, dass mit einem relativ klein gebauten Induktor eine relativ große Rohrbodenfläche erwärmt werden kann. Zum anderen kann der Abstand zwischen Induktor und dem einzuschweißenden Rohr bzw. der dafür vorgesehenen Schweißnaht relativ groß gewählt werden, wodurch die Anzahl der auf dem Induktor auftreffenden Schweißspritzer sehr gering ist und zudem Bohrungen, die der Bohrung mit dem einzuschweißenden Rohr benachbart sind, vorgewärmt werden, falls dort die nächsten Rohre einzuschweißen sind, oder aber nachgewärmt werden, falls dort zuvor Rohre eingeschweißt worden sind. Darüber hinaus erstreckt sich die induktive Erwärmung auch noch auf die dem einzuschweißenden Rohr abgewandte Seite des Induktors, was ebenfalls der Vor- oder Nachwärmung zugute kommt. Es wurde festgestellt, dass Induktoren, deren minimaler Abstand zur Achse des einzuschweißenden Rohres fünf Rohrteilungen betrug, noch eine induktive Erwärmung der entsprechenden Bohrungswand in ausreichender Höhe und Schnelligkeit mit angemessenen Mitteln bewirken können. Der stromdurchflossene, im Rohrboden induktive Erwärmung erzeugende Leiter des Induktors liegt zur Begrenzung von Induktionsverlusten möglichst nahe am Rohrboden an. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass dabei weder Rohrboden noch Induktor beschädigt werden. Der Abstand kann sich weiterhin dadurch erhöhen, dass zwischen Induktor und Rohrboden eine Schutzeinrichtung angeordnet wird. Der Energieeintrag durch Induktion kann bei Rohrböden hoch ausgenutzt werden, da die flächige Wärmeausbreitung für die in der Fläche verteilten diskreten Schweißstellen an den Bohrungswandungen genutzt wird. So können diese diskreten, flächig verteilten Schweißstellen nacheinander „flächenförmig” bzw. „in der Fläche”, d. h. beispielsweise entlang einer Spirale, angefahren und geschweißt werden.
Für ein besonders effektives Vorwärmen der Schweißstelle, d. h. des Schweißbereiches zu beiden Seiten des Fügestoßes zwischen einzuschweißendem Rohr und zugehöriger Bohrungswand, und gleichzeitiges Vor- bzw. Nachwärmen benachbarter anschließend einzuschweißender Rohre oder unmittelbar vorher eingeschweißter Rohre ist es bevorzugt, dass der besagte minimale Abstand in einem Bereich zwischen der vorgesehenen Schweißnaht und bis drei Rohrteilungen und besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen der vorgesehenen Schweißnaht und einer Rohrteilung liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der mindestens eine Induktor so geformt und positioniert, dass zwischen der Achse des einzuschweißenden Rohres und der dieser Achse zugewandten Innenkontur des stromdurchflossenen, im Rohrboden induktive Erwärmung erzeugenden Leiters des Induktors der zum Boden parallele maximale Abstand höchstens fünf Rohrteilungen beträgt. Die Innenkontur eines solchermaßen geformten und positionierten Induktors befindet sich vollständig innerhalb des Abstands von höchstens fünf Rohrteilungen zur Achse des einzuschweißenden Rohres, sodass der gesamte Induktor für eine wirksame Erwärmung der betreffenden Schweißstelle herangezogen wird.
Besonders bevorzugt wird dabei der ein einzuschweißendes Rohr enthaltende Abschnitt mit nur einem einzigen ringförmigen Induktor vorgewärmt, der das einzuschweißende Rohr umschließt. Der ringförmige Induktor kann z. B. polygonzugartig ausgebildet sein oder in einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform kreisringförmig. Der Schweißbereich wird auf diese Weise besonders gleichmäßig vorgewärmt. Ebenso werden die benachbarten umliegenden Schweißstellen mit bereits eingeschweißten Rohren oder mit noch einzuschweißenden Rohren mit einem solchen Induktor gewärmt.
Dabei werden ringförmige, nur ein Rohr umschließende Induktoren vorteilhafterweise mit einem Innendurchmesser ausgebildet, der um 1–16 mm und bevorzugt um 8–12 mm größer ist als der Bohrungsdurchmesser. Auf diese Weise bleibt auf der Innenseite des ringförmigen Induktors ausreichend Platz zur Führung des Laserschweißstrahls bzw. zur Ausbildung der Laserschweißnaht. Durch den erfindungsgemäßen Abstand wird der Induktor ausreichend vor Hitzeeinwirkungen und Schweißspritzern geschützt, wodurch sich seine Lebensdauer erhöht
In günstiger Weiterbildung der Erfindung wird der Abschnitt auch während des Schweißvorganges gewärmt, wodurch eine gleichbleibende Temperierung gewährleistet wird. Ohne Wärmung würden die Temperaturen im Schweißbereich so schnell fallen, dass die kritische Abkühlgeschwindigkeit t₈₅ unterschritten würde. Zudem würden während des Schweißvorganges aufgrund der stetig fallenden Vorwärmtemperatur ständig wechselnde Temperaturverhältnisse vorliegen.
Vorzugsweise wird der Abschnitt auch nach dem Schweißvorgang gewärmt. Das Nachwärmen einer Schweißstelle erfolgt unmittelbar nach Ende des Schweißvorgangs. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist dabei, dass die Abkühlzeit größer als die kritische t_8/5-Zeit ist. Im Anschluss daran wird zur Sicherheit mit Induktorunterstützung weiter abgekühlt bis auf eine vorbestimmte Temperatur kleiner 500°C. So wird sichergestellt, dass Aufhärtungen im Schweißbereich nicht auftreten. Der Schweißvorgang ist nun beendet. Ein weiteres Nachwärmen wird nicht mehr benötigt. Die Induktorunterstützung kann mit einem separaten Induktor erfolgen, der hierfür speziell ausgelegt ist, oder mit dem/den Induktor(en), der/die das einzuschweißende Rohr und die zugehörige Bohrung vorwärmt bzw. vorwärmen und darüber hinaus speziell zum Nachwärmen vorangegangener Schweißstellen ausgelegt sind.
In günstiger Weiterbildung der Erfindung wird vor dem Schweißvorgang der Abschnitt auf eine Vorwärmtemperatur vorgewärmt, die im Bereich von 310°C bis 500°C, bevorzugt im Bereich von 330°C bis 450°C und besonders bevorzugt im Bereich von 350°C bis 400°C liegt. In diesen Bereichen wurden für die Rohre und Rohrböden aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,25 Gew.-% bei fehlerfreier Schweißnaht hohe Schweißgeschwindigkeiten bei kurzen Zwischenzeiten zwischen zwei aufeinander folgenden Rohreinschweißungen erzielt.
Vorteilhafterweise wird auf dem Rohrboden im Abstand von 0,2 mm bis 2,0 mm neben dem Fügestoß, wenn noch nicht geschweißt ist, oder neben der Schweißnaht, wenn der Schweißvorgang beendet ist, die Rohrbodentemperatur berührungslos kontinuierlich mit einem Temperatursensor gemessen. Besonders bevorzugt wird dabei die Rohrbodentemperatur in Richtung des Zwischenraums benachbarter Rohre gemessen, da durch diesen Zwischenraum mehr Wärme abgeleitet wird als beispielsweise direkt in Richtung benachbarter Rohre, sodass mit dieser Vorgehensweise die erforderliche Vorwärmtemperatur im gesamten Schweißbereich immer sicher erreicht wird. Durch die berührungslose Temperaturmessung, z. B. mit Pyrometern, unmittelbar neben dem Fügestoß oder neben der Schweißnaht, kann auf den Werkstoffzustand beim Schweißen geschlossen werden und damit die Bildung von Werkstofffehlern durch das Schweißen vermieden werden.
In günstiger Weiterbildung der Erfindung werden zumindest im Bereich der vorgesehenen Schweißnaht zur Schweißnahtvorbereitung zunächst die Bohrungen mit einer Oberflächenrauhigkeit der Qualität N7 oder feiner hergestellt und die Bohrungen sowie die Rohraußenseiten von Öl, Fett oder sonstigen Verschmutzungen gereinigt, danach die Rohre in die Bohrungen eingeführt und dann die Rohre in ihren Endabschnitten im Bereich der vorgesehen Schweißnaht in die Bohrungen des Rohrbodens spaltlos aufgeweitet. Mit einer solchen Bearbeitung von Bohrung und Rohr ist der Fügestoß nun frei von festen, flüssigen oder gasförmigen Einschlüssen und optimal für die Rohreinschweißung vorbereitet, sodass das Auftreten von Schweißfehlern weitgehend vermieden wird.
Dabei werden die Rohrenden und der Rohrboden nach dem spaltfreien Aufweiten bevorzugt so bearbeitet, dass die Rohrenden bündig zur Rohrbodenoberfläche und beide metallisch blank sind. Hierzu wird der Rohrboden bevorzugt plan gefräst und geschliffen. Da Höhenunterschiede von Rohrenden und Rohrbodenoberfläche beseitigt sind, trifft der Laserstrahl auf die beiden zu verschweißenden Werkstücke mit der gleichen Energie auf. Zusätzlich noch wird die Kante der Rohrinnenwand entgratet, damit Verletzungen vermieden werden und die Kontur der Rohrinnenwand bei nachfolgenden Positionierungsprozessen sicher erkannt werden kann.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst. Zur Erfindung gehört es, dass die Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10 mit den weiteren Merkmalen der Ansprüche 11 bis 15 kombiniert werden können.
In einem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15 umfasst der Schritt c) von Anspruch 11 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Das heißt, in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 werden vor dem Vorwärmen die Schritte a) und b) nach Anspruch 11 durchgeführt und ist das Vorwärmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 Teil des Schrittes c) nach einem der Ansprüche 11 bis 15.
Aufgrund der Aufweitung der Rohre bis zur Anlage der Rohraußenseite an der Bohrungswand und des anschließenden Bearbeitens der Rohrenden und der Rohrböden bis die Rohrenden bündig zur Rohrbodenoberfläche sind, ist der Fügestoß zwischen Rohraußenseite und Bohrungswand nur noch mit komplizierten Verfahren und Vorrichtungen sicher zu ermitteln bzw. zu vermessen. Hierzu sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Vorschläge bekannt, die jedoch alle einen erheblichen Aufwand mit sich bringen, wie weiter oben an einigen Beispielen erläutert. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, statt aufwendige Untersuchungen und Messungen durchzuführen, das gesamte Toleranzfeld der Bohrung in einer vorgegebenen Soll-Schweißnahttiefe vollständig mit einer Laserschweißnaht zu überdecken. Da in der Praxis die Schweißnahtflanken sich in Richtung der Rohrbodenoberlfäche trichterförmig aufweiten, wird die Schweißnahtbreite über die gesamte Soll-Schweißnahttiefe über beide Grenzen des Toleranzfeldes hinausgehen. Mit dieser Maßnahme wird auf einfache Weise der Fügestoß sicher verschweißt. Eine aufwendige Messapparatur ist dabei nicht erforderlich, da die genaue Lage des Fügestoßes bei dem erfindungsgemäßen Verfahren irrelevant ist. Es werden lediglich der Nennwert der Bohrung und das Nenn-Toleranzfeld der Bohrung benötigt, die jedoch ohnehin bekannt sind. Mit dem Herstellen einer Laserschweißnaht, die dieses Toleranzfeld über die gesamte Breite und über den gesamten Umfang vollständig überdeckt, wird der Fügestoß in jedem Fall mitverschweißt.
Aus prozesstechnischen Gründen ist es von Vorteil, die Rohrendabschnitte in die Bohrungen auf einem Längsabschnitt spaltfrei aufzuweiten, der sich von der Rohrbodenoberfläche aus über die vorgesehene Schweißnahttiefe zuzüglich einer Länge erstreckt, die bevorzugt mindestens 20% der Schweißnahttiefe entspricht und besonders bevorzugt mindestens 2,0 mm beträgt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden die Rohre mit jeweils einer zweilagigen kreisförmigen Schweißnaht in die Bohrungen eingeschweißt, wobei die beiden Lagen jeweils als Ringnaht geschweißt werden, die konzentrisch versetzt zueinander liegen. Mit den zwei zueinander konzentrisch versetzten Lagen können übliche Toleranzfelder von Bohrungen ohne weiteres vollständig überdeckt werden. Im Gegensatz zum WIG-Schweißen, bei dem zwei Lagen übereinander geschweißt werden, um eine Höhe bzw. Tiefe aufzubauen, erfolgt bei der Erfindung mit dem mehrlagigen Laserschweißen der Aufbau einer Breite, d. h. einer breiten Naht zur Abdeckung bzw. Überdeckung des Toleranzfeldes.
Es ist auch denkbar, dass die zwei Lagen durch zwei Laserschweißstrahlen, die beispielsweise in Umfangsrichtung um 180° zueinander versetzt sind, erzeugt werden.
Alternativ sind auch andere Ausbildungen einer das gesamte Toleranzfeld der Bohrung vollständig überdeckenden Laserschweißnaht denkbar. Beispielsweise kann eine einlagige Schweißnaht in Form einer Zickzacklinie, einer Schlangenlinie, einer kreisenden Linie oder einer schlingenförmigen Linie ausgeführt werden.
In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung kann die Positionierung des Laserstrahls für das Laserschweißen die in Anspruch 13 angegebenen Teilschritte umfassen. Diesen Teilschritten liegt die Erkenntnis zugrunde, dass obwohl ein vorgegebenes Nenn-Toleranzfeld zwar relativ groß sein kann, in der Fertigung jedoch das tatsächliche Ist-Toleranzfeld meist weitaus enger ist, wobei aber die Lage des kleineren Ist-Toleranzfeldes unbekannt ist. Diese kann nun mit Hilfe der im Anspruch 13 angegebenen Maßnahmen ermittelt werden. Wenn also über die Größe eines Ist-Toleranzfeldes gesicherte Erkenntnisse vorliegen, beispielsweise durch firmeninterne Untersuchungen, und mit Hilfe der Maßnahmen aus Anspruch 13 ein gemittelter Ist-Bohrungsdurchmesser bzw. -radius ermittelt wird, reicht es aus, mit der Laserschweißnaht lediglich das gesamte Ist-Toleranzfeld der Bohrung vollständig zu überdecken. Die hergestellte Laserschweißnaht ist dann schmaler als eine Laserschweißnaht, die das gesamte Nenn-Toleranzfeld der Bohrung überdeckt.
Vorzugsweise werden dabei die Rohre mit jeweils einer einlagigen kreisförmigen Schweißnaht bei geeignet angepasster Laserleistung in die Bohrungen eingeschweißt und wird der im Schritt c4) von Anspruch 13 ermittelte Ist-Bohrungsradius als der Abstand des Laserstrahls vom Kreismittelpunkt festgelegt. Mit dieser Maßnahme kann eine Laserschweißnaht, die ein Ist-Toleranzfeld vollständig abdecken soll, ohne weiteres mit einer einlagigen kreisförmigen Schweißnaht hergestellt werden, wobei die erforderliche Nahtbreite mittels einer erhöhten Laserleistung und ggf. mit einer Fokusanpassung des Lasers unter Inkaufnahme einer größeren und schwereren Laserschweißeinrichtung erzielt wird.
Zur Herstellung einer zweilagigen kreisförmigen Schweißnaht wird vorzugsweise als Abstand des Laserstrahls vom Kreismittelpunkt bei der inneren Ringnaht ein Radius von R_1i = R₁ – ΔR und bei der äußeren Ringnaht ein Radius von R_1a = R₁ + ΔR festgelegt, wobei ΔR im Bereich von 0,05 mm bis 0,25 mm und bevorzugt im Bereich von 0,10 mm bis 0,20 mm liegt.
Vorteilhafterweise liegt die Schweißgeschwindigkeit im Bereich von 1,0 m/min bis 4,0 m/min und bevorzugt im Bereich von 3,0 m/min bis 3,5 m/min. Mit diesen Schweißgeschwindigkeiten wird die Fehlerfreiheit der hergestellten Laserschweißnaht noch weiter verbessert.
Die Schweißnahttiefe wird nach einem dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechenden Berechnungsverfahren (z. B. durch Anwendung von entsprechenden Normen oder Regelwerken wie die DIN EN ISO 15614 – Teil 8; AD2000 – Teil B5, ASME-Code oder einer Werksnorm) festgelegt.
Wenn die Laserleistung und die Schweißgeschwindigkeit so eingestellt werden, dass die Schweißtiefe mindestens so groß ist wie die Rohrwandstärke, ist sichergestellt, dass bei einem Ausreißversuch das Rohr zerstört wird und nicht die Schweißnaht.
In günstiger Ausgestaltung der Erfindung werden mindestens zwei Laserköpfe verwendet, mit denen unterschiedliche Rohre eingeschweißt werden. Die für das Einschweißen des gesamten Rohrbündels erforderliche Zeit wird auf diese Weise entsprechend der Anzahl der verwendeten Laserköpfe reduziert, da sich die Anzahl der Schweißungen pro Zeiteinheit entsprechend der Vervielfachung der Vorrichtungen erhöht. Hierdurch wird zudem die kostenintensive Laserschweißvorrichtung optimal genutzt: Während des Schweißens an einer Stelle wird zeitgleich an einer anderen Stelle die Schweißvorrichtung neu ausgerichtet und umgekehrt.
Dabei werden vorteilhafterweise die mindestens zwei Laserköpfe an demselben Lasergenerator angeschlossen, der die Laserköpfe abwechselnd über ein Weichensystem mit einem Laserstrahl versorgt. Auf diese Weise können die Investitionskosten reduziert werden. Die Anzahl der Laserköpfe pro Lasergenerator wird begrenzt durch den Anteil der Schweißzeit innerhalb eines Schweißzyklus. Wenn beispielsweise der Anteil der Schweißzeit ein Viertel einer Zykluszeit beträgt, dann können maximal vier Schweißköpfe nacheinander mit Laserlicht versorgt werden. Der Lasergenerator läuft auf diese Weise nahezu im Dauerbetrieb und wird optimal ausgenutzt. Damit sich die einzelnen Laserköpfe nicht gegenseitig behindern, werden diese zweckmäßigerweise auf verschiedene Stellen auf dem Rohrboden verteilt. Eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit kann erreicht werden, indem mehrere dieser Einheiten gleichzeitig an einem Rohrboden arbeiten.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird parallel zu dem Einschweißen eines Rohres die nachfolgende Schweißstelle – d. h. der nachfolgend zu schweißende Fügestoß – mit einem weiteren Induktor vorgewärmt. Mit dieser Maßnahme wird die Schweißpause zwischen zwei aufeinander folgenden Rohreinschweißungen weiter verkürzt.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 22 gelöst. Eine solche Vorrichtung ist zur Durchführung der oben beschriebenen Verfahren geeignet. Daher wird auf die obigen Ausführungen zu den den Vorrichtungsmerkmalen entsprechenden Verfahrensmerkmalen Bezug genommen.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Rohreinschweißung vollautomatisch auf wirtschaftliche Weise durchgeführt werden. Sowohl die Positionierung des Laser-Schweißstrahls als auch des Vorwärmen des Fügestoßes und der eigentliche Schweißvorgang können automatisch durchgeführt werden mit Hilfe entsprechender Steuer- und Regeleinrichtungen. Zur Positionierung des Laser-Schweißstrahls gehört dabei die Ermittlung des Kreismittelpunkts des einzuschweißenden Rohres, beispielsweise gemäß Schritt c3) aus Anspruch 13, und die Vorgabe eines Abstandes des Laser-Schweißstrahls zu diesem Kreismittelpunkt.
Vorzugsweise ist jeder Induktor als Kupferhohlprofil ausgebildet, welches zur Kühlung an einen Wärmeträgerkreislauf anschließbar ist. Eine Überhitzung der Induktoren ist damit ausgeschlossen. Die Art des Wärmeträgers ist dabei nicht eingeschränkt. Bevorzugt kommt jedoch Wasser zum Einsatz.
Vorteilhafterweise ist jeder Induktor in Form einer oder mehrerer Windungen ausgebildet. Der Induktor kann auf diese Weise an den jeweiligen Anwendungsfall optimal angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen Induktor und Rohrboden und/oder auf der Innenkontur jedes Induktors eine geeignete Schutzvorrichtung, besonders bevorzugt Quarzglas, angeordnet. Der Induktor ist damit weniger irgendwelchen Beeinträchtigungen aufgrund der Schweißung, beispielsweise Schweißspritzern ausgesetzt. Störungsfreiheit und Lebensdauer des Induktors werden auf diese Weise erhöht.
Vorzugsweise sind Laserkopf und Lasergenerator mit Lichtleitfasern miteinander verbunden. Auch dies gewährleistet eine störungsfreie, schnelle und vor allem flexible Übertragung des Laserstrahls vom Lasergenerator zum Laserkopf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2a in vergrößertem Maßstab das Detail IIa aus 1;
2b eine Schnittansicht längs Linie IIb-IIb in 2a;
3a–c drei Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Positionierung eines Induktors auf einem Rohrboden;
4a–j zehn Ausführungsbeispiele von Induktorquerschnitten, mit der Angabe der maßgebenden Innenkontur für den erfindungsgemäßen Abstand zur Achse des einzuschweißenden Rohres;
5a eine der 2a ähnliche Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5b eine Schnittansicht längs Linie Vb-Vb in 5a;
6a eine der 5b ähnliche Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit einem weiteren Beispiel für eine erfindungsgemäße Positionierung von Induktoren auf Rohrböden;
6b eine Teilansicht des Schnittes längs Linie VIb-VIb in 6a;
7 sechs Beispiele für die Ausführung von erfindungsgemäßen einlagigen Laserschweißnähten für das Einschweißen von Rohren in Rohrböden;
8a eine Teil-Schnittansicht durch einen Rohrboden mit einer Bohrungswand und ein daran anliegendes Rohr, mit einer herkömmlich ausgeführten Laserschweißnaht, die ideal auf die tatsächliche Ist-Lage des Fügestoßes zwischen Bohrungswand und daran anliegendem Rohr ausgerichtet ist;
8b eine der 8a ähnliche Darstellung, wobei die Nennlage des Fügestoßes (am Nenn-Bohrungsradius) mit zugehörigem Nenn-Toleranzfeld angegeben ist;
8c eine der 8a ähnliche Darstellung, wobei die herkömmliche Schweißnaht auf den Nenn-Bohrungsradius ausgerichtet ist und die Breite der Schweißnaht im Vergleich zum Nenn-Toleranzfeld gezeigt ist;
8d eine der 8a ähnliche Ansicht mit einer erfindungsgemäß ausgeführten einlagigen Laserschweißnaht;
9a–c jeweils eine der 8d ähnliche Ansicht mit einer erfindungsgemäß ausgeführten zweilagigen Laserschweißnaht, wobei der Ist-Bohrungsradius dem Nenn-Bohrungsradius entspricht oder auf der unteren oder oberen Grenze des Nenn-Toleranzfeldes liegt;
10 eine der 9a ähnliche Darstellung, wobei die Laserschweißnaht an dem Ist-Bohrungsradius ausgerichtet ist und das Toleranzfeld ein Ist-Toleranzfeld ist;
11 eine Schnittansicht längs Linie XI-XI in 7, wobei die Laserschweißnaht an dem Ist-Bohrungsradius ausgerichtet ist und das Toleranzfeld ein Ist-Toleranzfeld ist;
12 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
13 eine der 12 ähnliche Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
14 ein Diagramm mit einem vollständigen Heizzyklus eines Fügestoßes; und
15 Diagramme mit der zeitlichen Abfolge der in 14 angegebenen einzelnen Heizphasen a, b, c, d in den Sektoren A, B, C, D aus 13.
Das in 1, 2a und 2b gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren vor einem im dargestellten Beispiel vertikal ausgerichteten Rohrboden 2 angeordnet.
Die Vorrichtung 1 weist einen Laserkopf 3 mit einer Führungsoptik 4 auf. Der Laserkopf 3 ist zum Aussenden eines Laser-Schweißstrahls 5 eingerichtet und bevorzugt ein Faserlaser, welcher mit einer Lichtleitfaser 6 mit einem Lasergenerator LG verbunden ist. Durch die Entkopplung von Lasererzeugung und Laseroptik kann der Laserkopf 3 mit geringem Gewicht ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine verzögerungsarme und präzise Bewegung.
Der Laserkopf 3 ist vorzugsweise – wie im dargestellten Ausführungsbeispiel – an einer Rotationseinrichtung 7 befestigt, die dazu eingerichtet ist, den Laserkopf 3 auf einer Kreislinie 8 zu führen, die parallel zur Rohrbodenoberfläche 9 verläuft. Mit der Rotationseinrichtung 7 kann der Laserkopf 3 in Polarkoordinaten um die Achse eines in den Rohrboden 2 einzuschweißenden Rohrs 10, 10a verfahren werden. Dieser Kreisbewegung kann eine radiale Komponente überlagert werden, um z. B. die in 7 dargestellten Bewegungsbahnen des Laser-Schweißstrahls 5 zu erzeugen.
Die Rotationseinrichtung 7 ist an einem Werkzeughalter 11 befestigt, an dem weiterhin ein von der Rotationseinrichtung 7 unabhängiger Induktor 12 befestigt ist. Der Induktor 12 wird gespeist über eine Leitung 13 von einem Hochfrequenzgenerator HG, mit welchem die elektrischen Größen wie Frequenz und Leistung sowie zeitlich veränderliche Leistungskurven programmiert werden können.
Der Induktor 12 ist zum Erwärmen eines um die Achse 26 umlaufenden Abschnitts 14 des Rohrbodens 2 eingerichtet. In Bezug auf den Laserkopf 3 ist der Induktor 12 so positioniert, dass zwischen der Achse 15, die durch den Mittelpunkt der Kreislinie 8 senkrecht zur von dieser begrenzten Kreisfläche 16 verläuft, und der dieser Achse 15 zugewandten Innenkontur K des stromdurchflossenen, im Rohrboden 2 die induktive Erwärmung erzeugenden Leiters 17 des Induktors 12 der zur Kreisfläche 16 parallele minimale Abstand 18 höchstens fünf Rohrteilungen beträgt.
Der Werkzeughalter 11 ist seinerseits an Verfahreinrichtungen 19 der Vorrichtung 1 befestigt, mit denen der Werkzeughalter 11 und mit ihm der Laserkopf 3, die Rotationseinrichtung 7 und der Induktor 12 in vertikaler Richtung, in horizontaler Richtung parallel zur Rohrbodenoberfläche 9 und horizontal in zur Rohrbodenoberfläche 9 senkrechter Richtung verfahren und ausgerichtet werden kann.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise CNC-gesteuert. Sie erhält den Betriebsstrom und Steuersignale über eine Leitung 20 von einem Schaltschrank S, welcher separat aufgestellt sein kann oder, hier nicht dargestellt, direkt in die Vorrichtung 1 integriert sein kann.
Die Vorrichtung 1 kann einziehbare Transportrollen aufweisen, mit denen sie zum Rohrboden 2 verfahren und diesem gegenüber aufgestellt werden kann.
Der Rohrboden 2 weist eine Vielzahl von Bohrungen 21 auf, die den Rohrboden 2 in seiner Dickenrichtung durchlaufen, d. h. in den gezeigten Figuren horizontal verlaufen. In jede Bohrung 21 ist ein Rohr 10 eingeführt, das mit der Bohrungswand 22 dicht verschweißt werden soll. Sämtliche Rohre 10 werden gemeinsam als Rohrbündel 23 bezeichnet. Der Rohrboden 2 und alle Rohre 10 sind aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,25% gebildet. Die Rohre 10 sind über den Rohrboden 2 mit einer Rohrteilung t verteilt, d. h. sie weisen zueinander einen Achsabstand t auf. Der Rohrboden 2 und das Rohrbündel 23 sind auf einer Stütze 24 gelagert.
In 2a ist der Bereich Rotationseinrichtung 7, Laserkopf 3, Induktor 12, Rohrboden 2 mit einzuschweißenden Rohren 10 im Detail dargestellt.
Der Induktor 12 ist zwischen dem Laserkopf 3 und dem Rohrboden 2 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Induktor 12 als ringförmiges, einwindiges Hohlprofil ausgeführt. Der Strom wird über eine Induktorzuleitung 25 zugeführt, ebenso wie ein Kühlmittel, welches den Induktor 12 und die Induktorzuleitung 25 kühlt. Der induktiv wirksame Teil des Induktors 12, d. h. dessen stromdurchflossener und im Rohrboden 2 induktive Wärme erzeugender Leiter 17, ist zur Achse 26 des einzuschweißenden Rohres 10a hin durch die Innenkontur K begrenzt. Der Induktor 12 verfügt weiterhin über eine Schutzeinrichtung 27, z. B. Quarzglas, an der Innenkontur K. Die Schutzeinrichtung 27 erstreckt sich noch weiter zwischen Induktor 12 und Rohrboden 2. In diesem Beispiel ist zwischen der Schutzeinrichtung 27 und dem Rohrboden 2 ein Spalt 28 vorhanden. Der Spalt 28 ist dabei möglichst klein. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann die Schutzeinrichtung 27 sogar direkt ohne Spalt am Rohrboden 2 anliegen, allerdings nur mit einer sehr geringen Andruckkraft, um Beschädigungen an der Schutzeinrichtung 27 als auch am Rohrboden 2 zu vermeiden.
Der Induktor 12 ist so positioniert, dass zwischen seiner Innenkontur K und der Achse 26 des einzuschweißenden Rohres 10a der zur Rohrbodenoberfläche 9 parallele minimale Abstand 18 höchstens fünf Rohrteilungen t beträgt.
Gemäß einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können zur induktiven Erwärmung der Schweißstelle, d. h. des Schweißbereiches zu beiden Seiten eines Fügestoßes auch zwei oder mehr Einzelinduktoren positioniert werden. Beispielsweise können vier stabförmige gerade Induktoren in Form eines Quadrates angeordnet sein, wobei die Achse des einzuschweißenden Rohres im Mittelpunkt des Quadrates liegt und die Kantenlänge des Quadrates 10 t beträgt. Der minimale Abstand jedes Induktors zur Achse des einzuschweißenden Rohres beträgt hier 5 t.
Wenn die Länge solchermaßen ausgebildeter und angeordneter Induktoren und ihr Abstand zur Achse des einzuschweißenden Rohres so weit verkürzt und aufeinander abgestimmt werden, dass die Endpunkte der Induktoren jeweils 5 t von der Achse des einzuschweißenden Rohres entfernt sind, beträgt der maximale Abstand jedes Induktors genau 5 t.
Die Induktoren können auch ringförmig z. B. in Form eines Sechsecks ausgebildet sein, wobei die Achse des einzuschweißenden Rohres im Zentrum des Sechsecks liegt. Die Innenkontur eines ringförmigen Induktors umschließt die Achse des einzuschweißenden Rohres mit einem minimalen Abstand, der höchstens 5 t beträgt.
Die 3a–c zeigen weitere allgemeine Positionierungsmöglichkeiten eines ringförmigen Induktors 12, wobei die in den 3a–c gezeigten Ausführungsbeispiele eine einzelne Reihe nebeneinander liegender Bohrungen 21 ringförmig umschließen. In 3a ist dabei der minimale Abstand zwischen der Achse 26 des einzuschweißenden Rohres bzw. der zugehörigen Bohrung 21a und der dieser Achse 26 zugewandten Innenkontur K des Induktors 12 dargestellt, wobei der Abstand kleiner ist als eine Rohrteilung. Die 3b zeigt den maximalen Abstand zwischen der Achse 26 des einzuschweißenden Rohres und der dieser Achse 26 zugewandten Innenkontur K des Induktors 12, wobei dieser Abstand im dargestellten Ausführungsbeispiel an der Grenze des erfindungsgemäßen maximalen Abstandes von ≤ 5 Rohrteilungen liegt. in der 3c ist eine Variante gezeigt, bei der der Abstand zwischen der Achse 26 des einzuschweißenden Rohres und der dieser Achse 26 zugewandten Innenkontur K des Induktors 12 innerhalb des erfindungsgemäßen Abstandes von ≤ 5 Rohrteilungen liegt.
Die in den 3a–c dargestellten Induktoren weisen jeweils bogenförmige Abschnitte auf, die jeweils eine Bohrung bzw. das darin befindliche Rohr umgeben und mit ihrer Innenkontur bevorzugt 4–6 mm von der Bohrung entfernt sind.
Es wurde festgestellt, dass bei erfindungsgemäß positionierten Induktoren 12 eine effektive Erwärmung des Schweißbereiches zu beiden Seiten des Fügestoßes 29 erreicht wird, obwohl aufgrund der sehr großen Dicke der Rohrböden 2 und der wie Kühlrippen wirkenden Rohre 10 des Rohrbündels 23 eine sehr hohe Wärmeableitung zu erwarten wäre. Eine induktive Erwärmung ermöglicht jedoch eine schnelle Erwärmung auf relativ hohe Temperaturen, was hier in Verbindung mit der vorgeschlagenen Positionierung von Induktoren 12 ein zeitlich und örtlich äußerst intensives Vorwärmen ermöglicht, sodass die erforderliche Vorwärmtemperatur an der Schweißstelle bereits erreicht wird, ehe sich die Wärme in Dickenrichtung des Rohrbodens 2 und über die Länge der Rohre 10 in einem relevanten Maß ausbreiten kann. In Verbindung mit der Ausführung der Schweißnaht 31 durch Laserschweißen, bei dem hohe Schweißgeschwindigkeiten möglich sind, wird die Schweißstelle bereits nach kurzer Zeit wieder verlassen und dadurch ein großvolumiges Erwärmen in Dickenrichtung des Rohrbodens 2 und in Längsrichtung der Rohre 10 verhindert.
Mit auf diese Weise positionierten Induktoren 12 kann auch während des Schweißvorganges und auch nach dem Schweißvorgang gewärmt werden.
Die 4a–j zeigen verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten von Induktorquerschnitten mit der Darstellung des Abstandes 18 zwischen der Achse 26 des einzuschweißenden Rohres 10a und der dieser Achse 18 zugewandten Innenkontur K des stromdurchflossenen, im Rohrboden 2 induktive Erwärmung erzeugenden Leiters 17 des Induktors 12. Es zeigen:
4a ein rechteckförmiges Hohlprofil mit abgerundeten Ecken;
4b ein rechteckförmiges Hohlprofil mit verdickter, dem Rohrboden zugewandter Induktorwand;
4c ein Hohlprofil aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei die dem Rohrboden zugewandte Induktorwand eine größere Leitfähigkeit besitzt als die seitlichen Induktorwände und die obere Induktorwand;
4d ein dreieckförmiges Hohlprofil;
4e ein ovales Hohlprofil mit Schutzummantelung 27;
4f ein dreieckförmiges Hohlprofil mit Schutzeinrichtungen an zwei Seiten;
4g ein rundes Vollprofil;
4h einen Induktor 12 aus mehreren runden, miteinander verbundenen Kreisringprofilen;
4i einen Induktor 12 aus mehreren runden, miteinander verbundenen Vollprofilen; und
4j ein quadratisches Profil mit mehreren Kühlkanälen.
Es wird nun wieder auf 2a Bezug genommen. Der dort dargestellte Laserkopf 3 verfügt über einen halbdurchlässigen Spiegel 4, welcher im Strahlengang des Laserstrahls 5 angeordnet ist. Mit dem Spiegel 4 werden Signale von der Rohrbodenoberfläche 9 an einen Empfänger mit verschiedenen Funktionen gerichtet. In dem Empfänger kann zunächst die Rohrinnenkontur 32 ermittelt werden. Mit einer Auswerteeinheit kann aus diesen Informationen die Position der Achse 26 des einzuschweißenden Rohrs 10a ermittelt werden. Auf diese Position richtet die Vorrichtung 1 die Achse 15 der Rotationseinrichtung 7 aus. Hierauf wird im Zusammenhang mit den 10 und 11 näher eingegangen. Der Empfänger und die Auswerteinheit können im Schaltschrank S der Vorrichtung 1 angeordnet sein. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann somit vollautomatisch sich selbst auf ein einzuschweißendes Rohr 10a ausrichten, dann den Laserschweißstrahl 5 positionieren und anschließend den eigentlichen Schweißvorgang durchführen.
In einem weiteren Schritt wird der halbdurchlässige Spiegel 4 auf den Rohrboden 2 neben dem Fügestoß 29 mit einem Abstand S_T0 ausgerichtet bzw. neben der Schweißnaht 31 nach Beendigung einer Schweißung mit einem Abstand von S_TS. An dieser Stelle wird die Rohrbodentemperatur gemessen. Die Abstände liegen in einer Größenordnung von 0,2 mm bis 2,0 mm. Das Temperatursignal wird über den halbdurchlässigen Spiegel 4 zu einem Temperatursensor im Empfänger geleitet, der dieses Signal an die Regeleinrichtung des Hochfrequenzgenerators HG weiterleitet.
In 2b ist schematisch der Laserkopf 3 aus der Sicht des Rohrbodens 2 dargestellt und seine kreisförmige Bahn 8, die durch die Rotationseinrichtung 7 erzeugt wird, sowie die durch die Bahn 8 eingeschlossene Kreisfläche 16. Im Schnitt sind weiterhin die mit Kühlmittel durchflossenen Induktorzu- bzw. Induktorableitungen 25 zu sehen mit Kühlkanälen 25a und einer elektrischen Isolierung 25b.
Die 5a + b zeigen eine Positionierung, bei der Bohrungen 21 und Rohre 10 mit mehreren Induktoren 12 gewärmt werden. Hierbei werden drei miteinander verbundene Induktoren 12 (in nicht näher dargestellter Weise) parallel mit Strom und Kühlmittel versorgt. Dargestellt ist die Situation, bei der das Rohr 10a gegenüber dem Laserkopf 3 gerade geschweißt wird und die Rohre 10b unterhalb des Laserkopfes 3 bereits geschweißt wurden. Während das dem Laserkopf 3 gegenüber liegende Rohr 10a geschweißt wird, wird die vorangegangene Schweißung noch bei kleiner Induktorleistung nachgewärmt. Zeitgleich wird das nachfolgende Rohr 10c bzw. die nachfolgende Schweißstelle, hier zwei Rohrteilungen über dem aktuellen Rohr 10a, bereits vorgewärmt. Die hier nachfolgende Schweißstelle 10c hat wegen der im Vergleich zur Rohrteilung t großen Abmessungen der Induktoren 12 einen Abstand von zwei Rohrteilungen zur aktuellen Schweißstelle 10a.
5b zeigt die Bewegungsrichtung 33 der drei Induktoren 12 nach oben. In der weiteren Reihenfolge setzen die Induktoren 12 wieder eine Rohrteilung t zurück auf das Rohr 10d, welches durch die vorangegangenen Schweißungen der benachbarten Rohre 10a, 10c bereits vorgewärmt wurde. So steht die Reihenfolge der einzuschweißenden Rohre 10 z. B. in Abhängigkeit der Größenverhältnisse von Abmessungen und Anzahl der Induktoren 12. In jedem Fall bewegt sich der Laserkopf 3 so vorwärts, dass die Entfernungen vom jeweils aktuell eingeschweißten Rohr 10a zum nächsten einzuschweißenden Rohr 10c klein bleiben, um die von der aktuellen Schweißstelle weitergeleitete Wärme optimal zu nutzen.
Die 6a zeigt eine konzentrische Positionierung von mehreren kreisförmig ausgebildeten Induktoren 12. Als Induktorquerschnitte werden gemäß dem in 6b gezeigten Beispiel quadratische Hohlprofile verwendet mit Schutzeinrichtungen 27, die bei den äußeren Induktoren 12a nur zum Rohrboden 2 zeigen. Die äußeren Induktoren 12a müssen hier seitlich nicht geschützt werden, da sie nicht unmittelbar neben einem Laserstrahl 5 liegen.
Wie in den 1, 2a und 5a dargestellt, sind die in die Bohrungen 21 eingesetzten Rohre 10 im Bereich der vorgegebenen Schweißnaht 31 mindestens über deren gesamte Höhe und längs des gesamten Rohrumfangs spaltlos aufgeweitet, d. h. bis dort die Rohraußenseite 30 an der Bohrungswand 22 anliegt. Zuvor wurde die Oberfläche der Bohrungswand 22 auf eine Oberflächengüte R_h gebracht. Zusätzlich wurden die Oberflächen der Bohrungswand 22 und der Rohraußenwand 30 von Verunreinigungen befreit. Nach dem spaltfreien Aufweiten sind die Rohrenden 34 und die Rohrböden 2 so bearbeitet worden, dass die Rohrenden 34 mit der Rohrbodenoberfläche 9 bündig sind und beide metallisch blank sind.
Die Bohrungen 21 werden mit einem Nenndurchmesser D₀ bzw. Nennradius R₀ hergestellt, dem ein Nenn-Toleranzfeld R_0min, R_0max zugeordnet ist. Das bedeutet, dass ein Ist-Bohrungsdurchmesser bzw. -radius R₁ nicht kleiner sein darf als die untere Grenze R_0min des Nenn-Toleranzfeldes und nicht größer sein darf als die obere Grenze R_0max des Nenn-Toleranzfeldes.
Erfahrungsgemäß ist bei einer qualifizierten Fertigung das sich tatsächlich einstellende Ist-Toleranzfeld R_1min, R_1max jedoch deutlich enger als das Nenn-Toleranzfeld R_0min, R_0max, wobei allerdings meist unbekannt ist, wo in dem breiteren Nenn-Toleranzfeld R_0min, R_0max das engere Ist-Toleranzfeld R_1min, R_1max liegt. Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Lage des Ist-Toleranzfeldes R_1min, R_1max wird weiter unten angegeben.
Die in den oben erwähnten Figuren dargestellten Laser-Schweißnähte 31 werden so hergestellt, dass sie das Toleranzfeld R_min, R_max – je nach Ausführungsform der Erfindung das Nenn- oder das Ist-Toleranzfeld – vollständig mit einer Schweißnahttiefe abdecken, die für den Fügestoß 29 als erforderlich vorgeschrieben ist.
Die Nähte 31 können ein- oder mehrlagig ausgeführt werden. Mit einlagigen Schweißnähten 35 kann eine Überdeckung der gesamten Toleranzbreite erreicht werden, indem der Laser-Schweißstrahl 5 längs einem entsprechenden Bahnmuster geführt wird.
7 zeigt mehrere Beispiele für die erfindungsgemäße Ausführung von einlagigen Laserschweißnähten 35. Da eine Einzelnaht relativ schmal ist, wird der Laser-Schweißstrahl 5 über die gesamte Breite des Toleranzfeldes R_min, R_max, d. h. zumindest von Grenze zu Grenze, hin- und hergeführt, z. B. längs einer Zickzacklinie 35a, einer Schlangenlinie 35b, einer kreisenden Linie 35c, einer schlingenförmigen Linie 35d oder einer „Achterlinie” 35e. Dadurch wird die Schweißnahtbreite vergrößert und der Fügestoß 29 mit Sicherheit vollständig von der Schweißnaht 35 abgedeckt. Eine andere Schweißnaht nach Ausführung 35f kann dadurch erhalten werden, indem ein breiterer, d. h. im Durchmesser größerer Laser-Schweißstrahl 5 verwendet wird, als er für eine Ausführungsform nach einer der 35a–e erforderlich ist. Da die Leistung nun auf mehr Fläche verteilt wird, ist eine Laserschweißeinrichtung mit erhöhter Laserleistung notwendig, um die erforderliche Schweißnahttiefe wieder herzustellen.
8a zeigt den Idealzustand einer Laserschweißnaht 36, die gemäß dem Stand der Technik einlagig und kreisförmig ausgeführt ist. Eine solche Schweißnaht 36 ist stets symmetrisch an dem tatsächlichen Fügestoß 29 zwischen Rohraußenwand 30 und Ist-Bohrungsradius R₁ ausgerichtet.
Die halbe Schweißnahtbreite a₀/2 liegt hier zu beiden Seiten des Fügestoßes 29. Hierfür ist die genaue Kenntnis der tatsächlichen Ist-Lage des Fügestoßes 29 notwendig. Zur Ermittlung bzw. Vermessung dieser Ist-Lage sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Die Schweißnahttiefe ist dabei in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall nach einem entsprechenden Auslegungsverfahren festgelegt. Vor der Schweißung wird das Rohrende mit einer Tiefe mindestens der Länge der Schweißnahttiefe spaltfrei aufgeweitet. Zur Vermeidung von Einschlüssen wird die Bohrungswand 22 mit einer Oberflächenrauhigkeit R_h der Güte von mindestens N7 ausgeführt.
8b stellt das Nenn-Toleranzfeld R_0min, R_0max einer realen Bohrung 21 mit einem Nenn-Bohrungsradius R₀ dar. Das Nenn-Toleranzfeld ist nach oben durch einen maximalen Bohrungsradius von R_0max und nach unten durch den minimalen Bohrungsradius R_0min begrenzt.
In 8c ist die Situation einer Fehleinschweißung dargestellt, wenn die Bohrung 21 mit einem Ist-Bohrungsradius R₁ ausgeführt wird, welcher auf der unteren Grenze R_0min des Nenn-Toleranzfeldes aus 8b liegt, und die Laserschweißnaht 36 ähnlich wie in 8a einlagig und kreisförmig ausgeführt ist, jedoch ohne Beachtung der tatsächlichen Lage des Fügestoßes 29 am Nenn-Bohrungsradius R₀ ausgerichtet ist. Die Laserschweißnaht 36 liegt neben dem Fügestoß 29, so dass keine oder nur eine unvollständige Anbindung des Rohrs 10 an den Rohrboden 2 erfolgt.
8d zeigt eine erfindungsgemäß ausgeführte einlagige Schweißnaht 31, 35, die an dem Nenn-Bohrungsradius R₀ ausgerichtet ist und das gesamte Nenn-Toleranzfeld von der unteren Grenze R_0min bis zur oberen Grenze R_0max vollständig überdeckt. Die Schweißnahttiefe über den gesamten Bereich des Nenn-Toleranzfeldes entspricht dabei mindestens der Soll-Schweißnahttiefe h, die für die Naht 36 gemäß dem Stand der Technik festgelegt werden würde, d. h. einer Schweißnahttiefe wie für die in 8a dargestellte Schweißnaht, bei der die Lage des Fügestoßes 29 genau bekannt ist. Da in der Regel die Schweißnaht eine leichte Neigung der Schweißnahtflanke besitzt, ist die Schweißnahtbreite auf Höhe der Rohrbodenoberfläche 9 etwas breiter als das Toleranzfeld der Bohrung. Mit der erfindungsgemäß ausgeführten Schweißnaht 31 wird somit der Fügestoß 29 sicher mitverschweißt, ohne dass seine genaue Lage bekannt ist.
In den 9a–9c ist eine erfindungsgemäße Schweißnaht 31 als zweilagige Schweißnaht 37 ausgeführt, wobei die beiden Lagen 38, 39 nebeneinander liegen und einander überlappen. Dieser Überlappungsbereich 40, d. h. die Mitte der Schweißnaht 37, ist am Radius R₀ des Nenn-Bohrungsdurchmessers ausgerichtet. Die Schweißnaht 37 überdeckt vollständig den Nenn-Toleranzbereich mit den Grenzen R_0max und R_0min. Wenn die beiden Lagen 38, 39 der Schweißnaht 37 in kurzem zeitlichen Abstand hintereinander ausgeführt werden, erreicht die zweite Lage 39 die erste Lage 38, bevor diese wieder vollständig abgekühlt ist. Als Folge verschmelzen auch die Wurzeln der beiden Lagen 38, 39 teilweise miteinander.
9a zeigt die Situation, wenn der Ist-Bohrungsradius R₁ auf dem Nenn-Bohrungsradius R₀ liegt. Die Schweißnaht 37 ist dann gleichmäßig auf beide Seiten des Fügestoßes 29 verteilt.
9b zeigt die Situation einer erfindungsgemäßen, wie in 9a am Nenn-Bohrungsradius R₀ ausgerichteten Schweißnaht 37, wenn der Ist-Bohrungsradius R₁ jedoch auf der unteren Grenze R_0min des Nenn-Toleranzbereiches liegt. Durch die Breite der Schweißnaht 37 wird trotzdem der Fügestoß 29 mitverschweißt, d. h. es werden die Erfordernisse erfüllt, wie sie in 8a für den Stand der Technik dargestellt sind.
9c zeigt eine erfindungsgemäße Schweißnaht 37 ähnlich wie in 9b mit dem Unterschied, dass hier der Radius R₁ des Ist-Bohrungsdurchmessers auf der oberen Nenn-Toleranzgrenze R_0max liegt.
10 zeigt eine erfindungsgemäß ausgeführte Schweißnaht 31, bei deren Herstellung ein Ist-Toleranzfeld R_1min, R_1max bekannt ist und die Lage dieses Ist-Toleranzfeldes bestimmt wird, indem die Lage des Ist-Bohrungsradius R₁ statistisch ermittelt wird. Hierzu wird vor dem Berohren – d. h. ehe die Rohre 10 in die Bohrungen 21 des Rohrbodens 2 eingeführt werden – zumindest für einen die Bohrung 21a für das einzuschweißende Rohr 10a enthaltenden Teil des Rohrbodens 2 eine repräsentative Stichprobe der Ist-Bohrungsdurchmesser ermittelt. Aus dieser Stichprobe wiederum wird der mittlere Ist-Bohrungsdurchmesser für diesen Teil des Rohrbodens 2 berechnet. Dieser gemittelte Ist-Bohrungsdurchmesser wird dann zusammen mit dem Bohrmuster dieses Teils des Rohrbodens 2 in eine Datenbank einer CNC-Steuerung eingegeben. Aus dem mittleren Ist-Bohrungsdurchmesser wird durch Halbieren der mittlere Ist-Bohrungsradius R₁ berechnet.
In einem weiteren Schritt wird der Mittelpunkt des Kreisquerschnittes des aufgeweiteten einzuschweißenden Rohres 10a bzw. der Bohrung 21a ermittelt. Hierzu wird nach dem Aufweiten des Rohres 10a die Rohrinnenwand 32 in Höhe der vorgesehenen Schweißnaht 31 in Umfangsrichtung abgetastet und aus den Abtastwerten der Kreismittelpunkt des Rohres 10a und damit der Bohrung 21a berechnet.
Der Laserstrahl 5 wird nun mittels der CNC-Steuerung in einem Abstand vom Kreismittelpunkt positioniert, wobei dieser Abstand unter Verwendung des mittleren Ist-Bohrungsradius R₁ festgelegt wird. Beispielsweise kann der Laserstrahl 5 zur Ausführung einer zweilagigen Schweißnaht 37 nacheinander auf zwei zueinander konzentrische Kreisbahnen 38, 39 positioniert bzw. geführt werden. In einem anderen Beispiel kann er auch zur Ausführung einer einlagigen Schweißnaht 35 nach einer der in 7 dargestellten Möglichkeiten positioniert und geführt werden.
10 zeigt eine Vorgehensweise zur Herstellung einer solchen erfindungsgemäßen zweilagigen Schweißnaht 37. Ausgehend vom ermittelten Kreismittelpunkt und dem mittleren Ist-Bohrungsradius R₁ verfährt der Laserkopf 3 um die Strecke ΔR beispielsweise zunächst nach innen auf den Radius R_1i. Nach Ausführung der ersten kreisförmigen Schweißlage 39 verfährt der Laserkopf 3, ausgehend vom mittleren Ist-Bohrungsradius R₁, nach außen um die Strecke ΔR auf den Radius R_1a, um dort die zweite kreisförmige Schweißlage 38 auszuführen. Dabei werden immer die Bedingungen eingehalten, dass R_1i mindestens so groß ist wie die untere Ist-Toleranzgrenze R_1min und R_1a höchstens so groß ist wie die untere Ist-Toleranzgrenze R_1max.
11 zeigt eine erfindungsgemäße einlagige, als Bahnmuster – wie z. B. in 7 dargestellt – ausgeführte Schweißnaht 35, welche am Ist-Bohrungsradius R₁ ausgerichtet ist.
12 zeigt zwei voneinander unabhängige Vorrichtungen 1a, 1b, die in unterschiedlichen Sektoren A, B, C, D – im dargestellten Ausführungsbeispiel in den Quadranten A und B bzw. in den Quadranten C und D – gleichzeitig Rohreinschweißungen durchführen. Die beiden Vorrichtungen 1a, 1b verfügen jeweils über einen einzelnen Laserkopf 3 mit einem eigenen Lasergenerator LG und über einen einzelnen Induktor 12 mit einem eigenen Hochfrequenzgenerator HG. Nur schematisch ist in den Quadranten A und B je eine Werkzeugbasis 41 angedeutet, welche Werkzeughalter, Verfahreinrichtungen und andere Zusatzeinrichtungen zur Halterung und Führung von Laserköpfen 3 und Induktoren 12 enthalten.
13 zeigt eine Vorrichtung 1, bei der ein Hochfrequenzgenerator HG mehrere Induktoren 12 mit Strom versorgt und bei der ein Lasergenerator LG mehrere Laserköpfe 3 mit Laserlicht versorgt. Dabei werden je nach Randbedingungen die Induktoren 12 gleichzeitig oder nacheinander mit Strom versorgt. Der Lasergenerator LG versorgt die einzelnen Laserköpfe 3 vorzugsweise abwechselnd über ein Weichensystem mit Laserlicht. Es können auch zwei oder mehrere solcher Vorrichtungen 1 unabhängig voneinander gleichzeitig an demselben Rohrboden 2 eingesetzt werden, ähnlich wie in 12 dargestellt.
14 zeigt den Verlauf der Rohrbodentemperatur im Schweißbereich und der Induktionsleistung für einen vollständigen Heizzyklus. Der Induktor 12 wurde zuvor korrekt an seiner Arbeitsstelle positioniert. Die Phase a bezeichnet den Vorwärmvorgang. Dieser beginnt zum Zeitpunkt t₀ mit maximaler Leistung P₀. Mit etwas Verzögerung steigt darauf die Temperatur beginnend mit T₀ auf dem Rohrboden 2 an. Wird eine Temperatur T_r1 erreicht, welche kleiner ist als die Soll-Temperatur T_soll, so wird durch eine Temperaturregelung die Induktorleistung auf eine kleinere Leistung P₁ vermindert. Dies ist notwendig, damit die Temperatur nicht über die Soll-Temperatur T_soll hinausgeht, wie bei 42 angedeutet. Anschließend wird noch gewartet, bis die Rohrbodentemperatur konstant bei T_soll bleibt. Die Vorwärmtemperatur liegt im Bereich von 310°C bis 500°C und damit unterhalb einer Temperatur, die eine Gefügeumwandlung bewirkt.
Nun beginnt zum Zeitpunkt t_b die Phase b mit dem Schweißvorgang, welcher bei t_c beendet ist. Vorzugsweise wird auch während des Schweißens induktiv gewärmt.
In Phase c kühlt sich der Rohrboden 2 durch Wärmeableitung in Ebenen- bzw. Flächenrichung und in Dickenrichtung ab. Um die Abkühlgeschwindigkeit zu verkleinern, kann auch während dieser Abkühlphase induktiv nachgewärmt werden. Die Induktionsleistung wird auf Grundlage der gemessenen Rohrbodentemperatur geregelt. Kriterium für die Abkühlgeschwindigkeit ist die kritische sogenannte t_8/5-Zeit, innerhalb der sich die Temperatur von 800°C auf 500°C abkühlt. Diese Zeit darf keinesfalls unterschritten werden, sonst besteht die Gefahr von Aufhärtungen. Die Abkühlphase ist beendet zu einem Zeitpunkt t_r2, bei welchem eine Temperatur T_r2, die kleiner als 500°C ist, erreicht wird. Wird diese Temperatur unterschritten, so wird die Gefügeumwandlung durch die Abkühlgeschwindigkeit praktisch nicht mehr beeinflusst, so dass das induktive Heizen zu diesem Zeitpunkt abgebrochen werden kann.
In Phase d wird der Induktor 12 auf die nächste Schweißstelle ausgerichtet. Da diese durch die vorangegangene Schweißstelle oder durch einen weiteren Induktor 12 bereits vorgewärmt ist, startet der neue Zyklus bei einer höheren Anfangstemperatur T₀', die nach einer Vielzahl von Rohreinschweißungen in ihrer Höhe immer weniger schwankt. Ausnahmen können auftreten, wenn die Wärmeableitung lokal größer wird, z. B. am Rand des Rohrfeldes bzw. -bündels 23, da der Rohrboden 2 in seinem Randbereich, d. h. außerhalb des Rohrbündels 23 keine Bohrungen 21 aufweist. Hier ist die Wärmeableitung in Flächenrichtung deutlich stärker, so dass hier andere Starttemperaturen vorliegen und auch alle Heizzeiten länger sein können.
15 zeigt eine mögliche zeitliche Abfolge der einzelnen Heizphasen a, b, c und d am Beispiel der Sektoren A, B, C und D der 13 für zwei Heizzyklen Z1 und Z2. Hierdurch werden Stillstandzeiten weitgehend vermieden und so die kostenintensiven Anlagenteile Hochfrequenzgenerator HG und Lasergenerator LG optimal ausgenutzt.

Claims

Verfahren zum Einschweißen von Rohren eines Rohrbündels in Bohrungen von Rohrböden mittels Laserschweißen, wobei sowohl die Rohre als auch die Rohrböden aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,25% gebildet sind und die Rohre über den Rohrboden mit einer vorgegebenen Rohrteilung verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schweißvorgang der Rohrboden (2) in einem Abschnitt (14), der ein in eine Bohrung (21a) einzuschweißendes Rohr (10a) enthält, mit mindestens einem Induktor (12) auf eine vorgegebene Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, wobei der mindestens eine Induktor (12) außerhalb der Bohrung (21a) und der vorgesehenen Schweißnaht (31) so positioniert wird, dass zwischen der Achse (26) des einzuschweißenden Rohres (10a) und der dieser Achse (26) zugewandten Innenkontur (K) des stromdurchflossenen, im Rohrboden (2) induktive Erwärmung erzeugenden Leiters (17) des Induktors (12) der zum Rohrboden (2) parallele minimale Abstand (18) höchstens fünf Rohrteilungen (t) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Induktor (12) so geformt und positioniert wird, dass zwischen der Achse (26) des einzuschweißenden Rohres (10a) und der dieser Achse (26) zugewandten Innenkontur (K) des stromdurchflossenen, im Rohrboden (2) induktive Erwärmung erzeugenden Leiters (17) des Induktors (12) der zum Rohrboden (2) parallele maximale Abstand höchstens fünf Rohrteilungen (t) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (14) mit nur einem einzigen ringförmigen Induktor (12) vorgewärmt wird, der das einzuschweißende Rohr (10a) umschließt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ringförmige, nur ein Rohr (10) umschließende Induktoren (12) mit einem Innendurchmesser ausgebildet werden, der um 1–16 mm größer ist als der Bohrungsdurchmesser.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (14) auch während des Schweißvorganges gewärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (14) auch nach dem Schweißvorgang gewärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schweißvorgang der Abschnitt (14) auf eine Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, die im Bereich von 310°C bis 500°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Rohrboden (2) im Abstand von 0,2 mm bis 2,0 mm neben dem Fügestoß (29) zwischen Bohrungswand (22) und Rohraußenseite (30), wenn noch nicht geschweißt ist, oder neben der Schweißnaht (31), wenn der Schweißvorgang beendet ist, die Rohrbodentemperatur berührungslos kontinuierlich mit einem Temperatursensor gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der vorgesehenen Schweißnaht (31) zur Schweißnahtvorbereitung zunächst die Bohrungen (21) mit einer Oberflächenrauigkeit der Qualität N7 oder feiner hergestellt und die Bohrungen (21) sowie die Rohraußenseiten (30) von Öl, Fett oder sonstigen Verschmutzungen gereinigt werden, danach die Rohre (10) in die Bohrungen (21) eingeführt und dann die Rohre (10) in ihren Endabschnitten im Bereich der vorgesehenen Schweißnaht (31) in die Bohrungen (21) des Rohrbodens (2) spaltlos aufgeweitet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem spaltfreien Aufweiten die Rohrenden (34) und der Rohrboden (2) so bearbeitet werden, dass die Rohrenden (34) bündig zur Rohrbodenoberfläche (9) und beide metallisch blank sind.
Verfahren zum Einschweißen von Rohren (10) eines Rohrbündels (23) in Bohrungen (21) von Rohrböden (2) mittels Laserschweißen, wobei sowohl die Rohre (10) als auch die Rohrböden (2) aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,25% gebildet sind und wobei die Bohrungen (21) einen Durchmesser mit einem Toleranzfeld aufweisen, mit den folgenden Schritten: a) Aufweiten der in die Bohrungen (21) eingesetzten Rohre (10) zumindest im Bereich der vorgesehenen Schweißnaht (31) mindestens über deren gesamte Höhe und längs des gesamten Rohrumfangs, bis dort die Rohraußenseite (30) an der Bohrungswand (22) anliegt; b) Bearbeiten der Rohrenden (34) und der Rohrböden (2) so, dass die Rohrenden (34) bündig zur Rohrbodenoberfläche (9) sind; und c) Herstellen einer Laserschweißnaht (31), die das gesamte Toleranzfeld der Bohrung (21) vollständig überdeckt und innerhalb des Toleranzfeldes mindestens eine festgelegte Soll-Schweißnahttiefe (h) besitzt, wobei der Schritt c) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (10) mit jeweils einer zweilagigen kreisförmigen Schweißnaht (37) in die Bohrungen (21) eingeschweißt werden, wobei die beiden Lagen (38, 39) jeweils als Ringlage geschweißt werden, die konzentrisch versetzt zueinander liegen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) folgende Schritte zur Positionierung des Laserstrahls für das Laserschweißen umfasst: c1) vor dem Berohren wird zumindest für einen die Bohrung (21a) für das einzuschweißende Rohr (10a) enthaltenden Teil des Rohrbodens (2) eine repräsentative Stichprobe der Ist-Bohrungsdurchmesser und daraus ein gemittelter Ist-Bohrungsdurchmesser für diesen Teil ermittelt; c2) der gemittelte Ist-Bohrungsdurchmesser wird zusammen mit dem Bohrmuster dieses Teils des Rohrbodens (2) in eine Datenbank einer CNC-Steuerung eingegeben; c3) nach dem Aufweiten wird die Rohrinnenwand (32) in Höhe der vorgesehenen Schweißnaht (31) in Umfangsrichtung abgetastet und aus den Abtastwerten der Kreismittelpunkt (26) berechnet; c4) ein gemittelter Ist-Bohrungsradius (R₁) wird als der halbe gemittelte Ist-Bohrungsdurchmesser aus Schritt c1) berechnet; c5) der Laserstrahl (5) wird mittels der CNC-Steuerung in einem Abstand vom Kreismittelpunkt (26) aus Schritt c3) positioniert, wobei der Abstand unter Verwendung des Ist-Bohrungsradius (R₁) aus Schritt c4) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (10) mit jeweils einer einlagigen kreisförmigen Schweißnaht (35) bei geeignet angepasster Laserleistung in die Bohrungen (21) eingeschweißt werden und der im Schritt c4) von Anspruch 13 ermittelte Ist-Bohrungsradius (R₁) als der Abstand des Laserstrahls (5) vom Kreismittelpunkt (26) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstand des Laserstrahls (5) vom Kreismittelpunkt (26) bei der inneren Ringnaht (39) ein Radius von R_1i = R₁ – ΔR und bei der äußeren Ringnaht (38) ein Radius von R_1a = R₁ + ΔR festgelegt wird, wobei ΔR im Bereich von 0,05 mm bis 0,25 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißgeschwindigkeit im Bereich von 1,0 m/min bis 4,0 m/min liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Laserköpfe (3) verwendet werden, mit denen unterschiedliche Rohre (10) eingeschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Laserköpfe (3) an demselben Lasergenerator (LG) angeschlossen werden, der die Laserköpfe (3) abwechselnd über ein Weichensystem mit einem Laserstrahl (5) versorgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem Einschweißen eines Rohres (10a) die nachfolgende Schweißstelle (10c) mit einem weiteren Induktor (12) vorgewärmt wird.
Vorrichtung zum Einschweißen von Rohren (10) eines Rohrbündels (23) in Bohrungen (21) von Rohrböden (2) mittels Laserschweißen, wobei sowohl die Rohre (10) als auch die Rohrböden (2) aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,25% gebildet sind und die Rohre (10) über den Rohrboden (2) mit einer vorgegebenen Rohrteilung (t) verteilt sind, gekennzeichnet durch mindestens einen Lasergenerator (LG); mindestens einen Laserkopf (3), der an dem Lasergenerator (LG) angeschlossen ist und zum Aussenden eines Schweiß-Laserstrahls (5) eingerichtet ist; eine Laserkopf-Führungseinrichtung (4), die dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Laserkopf (3) allgemein entlang einer Kreislinie (8) zu führen; und mindestens einen Induktor (12), der zum Erwärmen eines Abschnitts (14) des Rohrbodens (2) eingerichtet ist und so in Bezug auf den mindestens einen Laserkopf (3) positioniert ist, dass zwischen der Achse (15), die durch den Mittelpunkt der Kreislinie (8) senkrecht zur von dieser begrenzten Kreisfläche (16) verläuft, und der dieser Achse (15) zugewandten Innenkontur (K) des stromdurchflossenen, im Rohrboden (2) die induktive Erwärmung erzeugenden Leiters (17) des Induktors (12) der zur Kreisfläche (16) parallele minimale Abstand (18) höchstens fünf Rohrteilungen (t) beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Induktor (12) so geformt und in Bezug auf den mindestens einen Laserkopf (3) so positioniert ist, dass zwischen der besagten Achse (15) und der besagten Innenkontur (K) der zur Kreisfläche (16) parallele maximale Abstand höchstens fünf Rohrteilungen (t) beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Induktor (12) ringförmig ausgebildet ist und die Kreislinie (8) umschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, gekennzeichnet durch mindestens einen zweiten Induktor (12), der die Kreislinie (8) nicht umschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass ringförmige, nur ein Rohr (10) umschließende Induktoren (12) mit einem Innendurchmesser ausgebildet sind, der um 1–16 mm größer ist als der Bohrungsdurchmesser.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ringförmige, nur ein Rohr (10) umschließende Induktoren (12) mit einem Innendurchmesser ausgebildet sind, der um 8–12 mm größer ist als der Bohrungsdurchmesser.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Induktor (12) als Kupferhohlprofil ausgebildet ist, welches zur Kühlung an einen Wärmeträgerkreislauf anschließbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Induktor (12) und Rohrboden (2) und/oder auf der Innenkontur (K) jedes Induktors (12) eine geeignete Schutzvorrichtung (27) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (27) aus Quarzglas gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Laserkopf (3) und Lasergenerator (LG) mit Lichtleitfasern (6) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 29, gekennzeichnet durch mindestens zwei Laserköpfe (3).
Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Laserköpfe (3) an demselben Lasergenerator (LG) angeschlossen sind, der die Laserköpfe (3) abwechselnd über ein Weichensystem mit einem Laserstrahl (5) versorgt.