DE102014213705A1

DE102014213705A1 - Method and device for producing and after-treatment or only for post-treatment of welded joints on rotationally symmetrical components

Info

Publication number: DE102014213705A1
Application number: DE102014213705.5A
Authority: DE
Inventors: Majid Farajian
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen und/oder Nachbehandeln von Schweißverbindungen an rotationssymmetrischen Bauteilen, die axial fluchtend zueinander angeordnet werden. Sind die Bauteile noch nicht miteinander verschweißt, wird eine Schweißnaht an der Kontaktfläche zwischen den Bauteilen gelegt, indem ein Schweißkopf um die Kontaktfläche herum bewegt wird. Danach wird die Schweißverbindung festgewalzt, indem eine Festwalzvorrichtung (6) um die Schweißverbindung herum bewegt wird. Die Vorrichtung weist einen ringförmigen, ersten Träger (1) und einen die Festwalzvorrichtung (6) und ggfs. Auch eine Schweißverbindungserzeugungsvorrichtung abstützenden Schlitten (3) auf, der auf einer Kreisbahn relativ zu dem ersten Träger (1) bewegbar ist. Ein zweiter Träger (2) stützt den ersten Träger (1) ab, und der erste Träger (1) ist an dem zweiten Träger (2) entlang auf einer geradlinigen Bahn bewegbar, die achsparallel zu dem ersten Träger (1) ist. Ferner ist eine Spannvorrichtung (5) mit Spannbacken (4) vorgesehen, die mit den rotationssymmetrischen Bauteilen in Eingriff bringbar sind, um sie gegen Translation und/oder Rotation lösbar zu halten.The invention relates to methods and apparatus for producing and / or after-treatment of welded joints on rotationally symmetrical components, which are arranged axially aligned with each other. If the components are not yet welded together, a weld is placed on the contact surface between the components by moving a welding head around the contact surface. Thereafter, the welded joint is rolled by moving a deep rolling device (6) around the weld joint. The apparatus comprises an annular, first carrier (1) and a carriage (3) supporting the deep-rolling device (6) and possibly also a welding connection generating device, which is movable in a circular path relative to the first carrier (1). A second carrier (2) supports the first carrier (1) and the first carrier (1) is movable along the second carrier (2) along a rectilinear path which is axially parallel to the first carrier (1). Furthermore, a clamping device (5) with clamping jaws (4) is provided, which can be brought into engagement with the rotationally symmetrical components in order to keep them detachable against translation and / or rotation.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Erzeugen und Nachbehandeln oder nur zum Nachbehandeln von Schweißverbindungen an rotationssymmetrischen Bauteilen. Die Erfindung betrifft auch Vorrichtungen für die Durchführung dieser Verfahren.The invention relates to methods for producing and post-treating or only for post-treatment of welded joints on rotationally symmetrical components. The invention also relates to devices for carrying out these methods.

Große, rotationssymmetrische und geschweißte Bauteile wie Rohrverbindungen im Brückenbau oder in der Offshore-Industrie sind im Feld Schwingbeanspruchungen ausgesetzt, die zu einem schnellen Versagen der Schweißnähte führen können. Es ist bekannt, dass bei Schweißverbindungen innerhalb solcher Komponenten die Problematik darin besteht, dass bei schweißbaren Konstruktionswerkstoffen, wie z. B. Stahl, Aluminium, Magnesium und Titan, die Schwingfestigkeit nach dem Schweißen im Vergleich zum Grundwerkstoff mitunter erheblich abfällt, wenn die geschweißte Konstruktion ohne weitere Bearbeitung eingesetzt wird. Der Grund hierfür besteht in der Kerbwirkung, die mit der Herstellung der Schweißnaht intrinsisch verbunden ist. Werden innere Fehlstellen durch erhöhte Schweißnahtqualität vermieden, bleiben der Nahtübergang und die Nahtwurzel als bruchauslösende Fehlstellen übrig. Durch die Kerbwirkung entstehen an diesen Stellen bei der Beanspruchung Spannungskonzentrationen, die dafür verantwortlich sind, dass die ertragbare Nennspannung der Verbindung deutlich unterhalb der des ungestörten Grundwerkstoffs liegt. Die Kerbwirkung ist in hochfesten Stählen besonders kritisch, denn in hochfesten Stählen wirken sich Kerben mit zunehmender Zugfestigkeit stärker schwingfestigkeitsmindernd aus. Die Folge ist, dass ein Dauerfestigkeitsgewinn durch die alleinige Verwendung von höherfesten oder hochfesten Stählen nicht ohne Weiteres erreichbar ist. Large, rotationally symmetric and welded components such as pipe joints in bridge construction or in the offshore industry are exposed to vibrational stresses in the field, which can lead to rapid failure of the welds. It is known that in welded joints within such components, the problem is that in weldable construction materials such. As steel, aluminum, magnesium and titanium, the fatigue strength after welding compared to the base material sometimes drops significantly when the welded construction is used without further processing. The reason for this is the notch effect intrinsically associated with the production of the weld. If internal imperfections are avoided by increased weld seam quality, the seam transition and the seam root remain as breakage-inducing defects. Due to the notch effect, stress concentrations arise at these points during stress, which are responsible for ensuring that the tolerable nominal stress of the connection is significantly lower than that of the undisturbed base material. The notch effect is particularly critical in high-strength steels, because in high-strength steels, notches with increasing tensile strength have a greater impact on reducing vibration. The consequence is that a fatigue strength gain by the use of higher strength or high strength steels alone is not readily achievable.

Zur Aufhebung der Kerbwirkung sind in der schweißtechnischen Praxis in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von mechanischen und thermischen Schweißnahtnachbehandlungsverfahren entwickelt worden. Bei diesen Verfahren wird entweder das Schweißnahtprofil zur Reduzierung der Kerbspannungen verbessert, oder das Schweißspannungsfeld wird vorteilhaft modifiziert. Bisher lassen sich diese Verfahren jedoch nicht auf die genannten, großen Bauteile anwenden, da letztere nach der Installation nicht mehr bewegt oder gedreht werden können.To eliminate the notch effect, a variety of mechanical and thermal weld seam aftertreatment methods have been developed in welding practice in recent decades. In these methods, either the weld profile for reducing the notch stresses is improved, or the welding voltage field is advantageously modified. So far, however, these methods can not be applied to the aforementioned, large components, since the latter can not be moved or rotated after installation.

Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Nachbearbeitung von Oberflächen, die im Sinne einer Verbesserung der Schwingfestigkeit für kleinere, bewegliche Strukturen eingesetzt werden können. Hierbei werden entweder die nachteiligen Zugeigenspannungen eliminiert oder vorteilhafte Druckeigenspannungen in die kritischen Teile durch mechanische und thermische Mittel eingeführt. Hämmern und Kugelstrahlen sind mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren, die bereits mit Erfolg auch als Schweißnahtnachbehandlungsverfahren eingesetzt worden sind. Various methods are known for the post-processing of surfaces, which can be used in the sense of improving the fatigue strength for smaller, movable structures. In this case, either the disadvantageous tensile residual stresses are eliminated or advantageous compressive residual stresses are introduced into the critical parts by mechanical and thermal means. Hammering and shot peening are mechanical surface treatment methods that have been used successfully as a weld seam aftertreatment process.

Das Hämmern zur Verbesserung der Eigenschaften von Schweißverbindungen ist eine Methode mit langer Tradition, die ursprünglich als Werkzeug zur Verminderung der Schweißeigenspannungen und der Verzugserscheinungen gedacht war. Die Effektivität dieses Verfahrens zur Steigerung der Schwingfestigkeit von Schweißnähten ist seit den Veröffentlichungen von Gurney, 1979 bekannt und inzwischen durch zahlreiche experimentelle Untersuchungen bestätigt worden. Das Hämmern mit neu entwickelten Werkzeugen, die unter dem Namen HFMI-Technologie (High Frequency Mechanical Impact) bekannt sind, hat den Weg in die Designempfehlungen gefunden. Zur Behandlung von Rundschweißverbindungen ist es – geometrisch bedingt – schwierig, die Reproduzierbarkeit des Hämmerns zu gewährleisten. Hammering to improve the properties of welds is a long tradition method originally intended as a tool to reduce residual weld stresses and warping. The effectiveness of this method of increasing the fatigue strength of welds has been known since the publications of Gurney, 1979 and has since been confirmed by numerous experimental studies. Hammering with newly developed tools known as High Frequency Mechanical Impact (HFMI) technology has found its way into design recommendations. For the treatment of circular welds it is - due to geometric reasons - difficult to ensure the reproducibility of the hammering.

Das Kugelstrahlen ist in den bisherigen Designempfehlungen noch nicht aufgeführt, wird aber wegen erwiesener Effektivität in Bezug auf die Schwingfestigkeitssteigerung von Schweißnähten durch zahlreiche Untersuchungen, die auch in einer Literaturstudie zusammengefasst sind, in den neuen Empfehlungen des International Institute of Welding in einem Kapitel behandelt. Der Einsatz von Kugelstrahlen ist aus technisch-konstruktiven Gründen portabel nicht möglich.Shot blasting is not yet part of previous design recommendations, but is discussed in a new chapter in the new recommendations of the International Institute of Welding for its proven effectiveness in increasing the fatigue strength of welds through numerous studies, which are also summarized in a literature review. The use of shot peening is not possible for technical-constructive reasons portable.

Ein weiteres, bekanntes spanloses Verfahren zur Oberflächenbehandlung ist das Festwalzen. Die Kinematik des Festwalzens ist analog zur Dreh- bzw. Fräsbearbeitung. Je nach Anwendungsfall kann dieses Verfahren im Vorschub, im Einstich oder ähnlich einer 3D-Fräsoperation durchgeführt werden. Das Festwalzen kann zur Bearbeitung von Freiformflächen eingesetzt werden, wobei hydrostatisch gelagerte und allseitig freibewegliche Kugelwerkzeuge zum Einsatz kommen. Das Festwalzen kann auch bei rotationssymmetrischen Bauteilen angewendet werden. Another known non-cutting process for surface treatment is the deep rolling. The kinematics of deep rolling is analogous to turning or milling. Depending on the application, this procedure can be carried out in advance, in the recess or similar to a 3D milling operation. The deep rolling can be used to machine free-form surfaces, whereby hydrostatically mounted and universally freely movable ball tools are used. The deep rolling can also be applied to rotationally symmetrical components.

Neben den hydrostatischen Werkzeugen existieren auch konventionelle mechanisch gelagerte Festwalzwerkzeuge, die mit dem gleichen Prinzip die Oberfläche von axisymmetrischen Bauteilen bearbeiten und die Oberflächen verfestigen. Beim Festwalzen von rotationssymmetrischen Bauteilen werden Festwalzwerkzeuge stationär an einer Maschine (z. B. Drehmaschine) festgemacht. Das Bauteil dreht sich um die Symmetrieachse herum, während eine konstante Anpresskraft zwischen dem Werkzeug und dem Bauteil aufrecht erhalten wird. Die Übertragung auf große Bauteile aufgrund der mit deren Rotation verbundenen technischen bzw. konstruktiven Schwierigkeiten ist bisher nicht erfolgt. In addition to the hydrostatic tools, there are also conventional mechanically supported deep-rolling tools that work with the same principle on the surface of axisymmetric components and solidify the surfaces. In the deep rolling of rotationally symmetrical components, deep rolling tools are fixed stationarily on a machine (eg lathe). The component rotates about the axis of symmetry while maintaining a constant contact force between the tool and the component. The transfer to large components due to the with their Rotation associated technical or constructive difficulties has not been done.

Obwohl das Festwalzen ein wirtschaftliches, industriell etabliertes, stoßfreies und automatisierbares Verfahren mit einer bei vielen Anwendungen hohen Effektivität in Bezug auf Schwingfestigkeitssteigerung ist, ist es zur Nachbehandlung von Schweißverbindungen noch nie eingesetzt worden. Although deep-rolling is an economical, industrially established, impact-free and automatable process with high efficiency in terms of increasing the fatigue strength in many applications, it has never been used for the post-treatment of welded joints.

Aus der DE 10 2007 065 658 A1 ist ein Verfahren zur Nachbearbeitung einer geschweißten Kurbelwelle mittels Festwalzen bekannt, wobei während des Werkzeugeingriffs die Kurbel rotiert. From the DE 10 2007 065 658 A1 is a method for reworking a welded crankshaft by means of deep rolling known, wherein during the tool engagement, the crank rotates.

Ferner ist das Orbitalschweißen zur Herstellung von Rohrverbindungen bekannt. Beim Orbitalschweißen werden die zu verbindenden Rohrstücke in Kontakt zueinander gebracht und mit Hilfe eines um die Kontaktfläche rotierenden Schweißkopfs miteinander verbunden. Furthermore, orbital welding is known for the production of pipe joints. In orbital welding, the pipe pieces to be joined are brought into contact with each other and connected to each other by means of a welding head rotating around the contact surface.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Verfahren zum Erzeugen und Nachbehandeln oder nur zum Nachbehandeln von Schweißverbindungen an solchen rotationssymmetrischen Bauteilen anzugeben, die aufgrund ihrer Größe und/oder ihres Gewichts oder aus anderen Gründen, die konstruktiver Natur sein können, nicht leicht oder gar nicht bewegt werden können, um ihre Schweißverbindungen einer Nachbehandlung zwecks Steigerung der Schwingfestigkeit zu unterziehen, wobei die Verfahren auch wirtschaftlich durchführbar sein sollen. Es sollen auch Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren angegeben werden, die einfach im Aufbau und portabel sind. Against this background, the object of the invention is to provide methods for producing and after-treatment or only for post-treatment of welded joints on such rotationally symmetrical components, which are not easy or because of their size and / or weight or other reasons that may be constructive nature can not be moved to subject their welds to aftertreatment for the purpose of increasing the fatigue strength, and the processes should also be economically viable. It will also be given devices for carrying out these methods, which are simple in construction and portable.

Einerseits besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zum Erzeugen und Nachbehandeln von Schweißverbindungen an rotationssymmetrischen Bauteilen, mit den Schritten:

a) axial fluchtendes Anordnen von zwei durch eine Schweißnaht an einer Kontaktfläche miteinander zu verbindenden rotationssymmetrischen Bauteilen, derart, dass die Bauteile an der Kontaktfläche aneinander stoßen und relativ zu einer beweglichen Schweißverbindungserzeugungsvorrichtung ortsfest sind,
b) Legen einer Schweißnaht an der Kontaktfläche durch Bewegen der Schweißverbindungserzeugungsvorrichtung um die Kontaktfläche herum, derart, dass die beiden Bauteile durch die Schweißnaht zu einer Einheit miteinander verbunden werden und
c) Festwalzen der Schweißverbindung durch Bewegen einer relativ zu der Einheit beweglichen Festwalzvorrichtung um die Schweißverbindung herum, wobei die Festwalzvorrichtung gegen die Schweißnaht gedrückt und die Einheit gegen Translation und/oder Rotation festgehalten wird.

On the one hand, the solution to the problem in a method for producing and post-treating welded joints on rotationally symmetrical components, with the steps:

a) axially aligned arrangement of two rotationally symmetrical components which are to be connected to one another by a weld at a contact surface such that the components abut one another at the contact surface and are stationary relative to a movable welding connection generation device,
b) laying a weld on the contact surface by moving the weld connection generating device around the contact surface, such that the two components are joined together by the weld to a unit and
c) deep rolling the welded joint by moving a relatively deepened roll forming device relative to the unit around the weld joint, pressing the deep rolling device against the weld seam and holding the unit against translation and / or rotation.

Andererseits besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zum Nachbehandeln von Schweißverbindungen an rotationssymmetrischen Bauteilen, mit den Schritten:

a) Anordnen von zwei durch eine Schweißnaht zu einer Einheit miteinander verbundenen, rotationssymmetrischen, axial fluchtenden Bauteilen, derart, dass die Einheit relativ zu einer beweglichen Festwalzvorrichtung ortsfest ist, und
b) Festwalzen der Schweißverbindung durch Bewegen der Festwalzvorrichtung um die Schweißnaht herum, wobei die Festwalzvorrichtung gegen die Schweißnaht gedrückt und die Einheit gegen Translation und/oder Rotation festgehalten wird.

On the other hand, the solution of the object in a method for post-treatment of welded joints on rotationally symmetrical components, with the steps:

a) arranging two by a weld joint to one another connected to one another, rotationally symmetrical, axially aligned components, such that the unit is stationary relative to a movable deep rolling device, and
b) deep rolling the welded joint by moving the deep rolling device around the weld seam, wherein the deep rolling device is pressed against the weld and the unit is held against translation and / or rotation.

Zur Durchführung des erstgenannten Verfahrens wird eine Vorrichtung angegeben, die erfindungsgemäß mit folgenden Merkmalen ausgebildet ist: einem ringförmigen, ersten Träger, der eine erste und eine zweite Führungsfläche aufweist, einem eine Schweißverbindungserzeugungsvorrichtung und eine Festwalzvorrichtung abstützenden Schlitten, der auf einer Kreisbahn relativ zu dem ersten Träger an dessen ersten Führungsfläche entlang bewegbar ist, einer ersten Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Schlittens auf der Kreisbahn, einem länglichen, zweiten Träger, der den ersten Träger abstützt und einen mit der zweiten Führungsfläche im Gleitkontakt stehenden Linearführungsfläche aufweist, an der entlang der erste Träger auf einer geradlinigen Bahn, die achsparallel zu dem ersten Träger ist, bewegbar ist, einer zweiten Antriebsvorrichtung zum Bewegen des ersten Trägers relativ zu dem zweiten Träger auf der geradlinigen Bahn, und einer an dem zweiten Träger angeordneten Spannvorrichtung, die Spannbacken aufweist, die mit den rotationssymmetrischen Bauteilen in Eingriff bringbar sind, derart, dass sie axial fluchtend zueinander und koaxial zu der ersten Führungsfläche während der Schweiß- und Festwalzschritte gegen Translation und/oder Rotation lösbar festgehalten werden. To carry out the first-mentioned method, a device is provided which according to the invention is formed with the following features: an annular first carrier having a first and a second guide surface, a carriage supporting a welding connection generating device and a deep rolling device, which is in a circular path relative to the first Carrier is movable along the first guide surface, a first drive device for moving the carriage on the circular path, an elongate, second carrier, which supports the first carrier and having a sliding surface with the second guide surface linear guide surface, along along the first carrier a rectilinear path that is axially parallel to the first carrier, a second drive device for moving the first carrier relative to the second carrier on the rectilinear path, and a tensioning device disposed on the second carrier, the clamping jaws, which are engageable with the rotationally symmetrical components in such a way that they are held axially aligned with each other and coaxial with the first guide surface during the welding and deep rolling steps against translation and / or rotation releasably ,

Zur Durchführung des zuletzt genannten Verfahrens wird eine Vorrichtung angegeben, die erfindungsgemäß mit den folgenden Merkmalen versehen ist: einem ringförmigen, ersten Träger, der eine erste und eine zweite Führungsfläche aufweist, einem eine Festwalzvorrichtung abstützenden Schlitten, der auf einer Kreisbahn relativ zu dem ersten Träger an dessen ersten Führungsfläche entlang bewegbar ist, einer ersten Antriebsvorrichtung zum Bewegen des Schlittens auf der Kreisbahn, einem länglichen, zweiten Träger, der den ersten Träger abstützt und eine mit der zweiten Führungsfläche im Gleitkontakt stehenden Linearführungsfläche aufweist, an der entlang der erste Träger auf einer geradlinigen Bahn, die achsparallel zu dem ersten Träger ist, bewegbar ist, einer zweiten Antriebsvorrichtung zum Bewegen des ersten Trägers relativ zu dem zweiten Träger auf der geradlinigen Bahn, einer an dem zweiten Träger angeordneten Spannvorrichtung, die Spannbacken aufweist, die mit der Einheit aus durch eine Schweißnaht miteinander verbundenen rotationssymmetrischen Bauteilen in Eingriff bringbar sind, derart, dass die Einheit koaxial zu der ersten Führungsfläche während des Festwalzschrittes gegen Translation und/oder Rotation lösbar festgehalten wird. For carrying out the latter method, a device is provided, which according to the invention is provided with the following features: an annular, first carrier having a first and a second guide surface, a sledging device supporting a carriage, which is on a circular path relative to the first carrier a first drive device for moving the carriage on the circular path, an elongated, second carrier, which supports the first carrier and having a sliding surface with the second guide surface linear guide surface, along which the first carrier on a a second drive device for moving the first carrier relative to the second carrier on the rectilinear path, a clamping device arranged on the second carrier, the clamping jaws having, which is movable parallel to the first carrier Unit of rotationally symmetrical components interconnected by a weld can be brought into engagement, such that the unit is releasably retained against translation and / or rotation coaxially with the first guide surface during the deep-rolling step.

Vorteilhafte Weiterbildungen der vorgenannten Verfahren und Vorrichtungen sind Gegenstand der Unteransprüche 3, 4, 5 und 6 bzw. 9 bis 18.Advantageous developments of the aforementioned methods and devices are the subject of the dependent claims 3, 4, 5 and 6 or 9 to 18.

Die erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen die Steigerung der Schwingfestigkeit von großen rotationssymmetrischen Bauteilen, die lasttragende Schweißverbindungen aufweisen, wodurch sich ihre Lebensdauer erhöht und der Aufwand für deren Service und Instandhaltung erniedrigt. Besonders bei Offshore-Windanlagen, die naturgemäß extremen Belastungen ausgesetzt sind, ist die Steigerung der Schwingfestigkeit durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft. Die erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen aber auch eine Erweiterung des Einsatzbereichs rotationssymmetrischer Bauteile aufgrund ihrer erhöhten mechanischen Belastbarkeit, die auch unter anspruchsvolleren Feldbedingungen gilt. Des Weiteren führt der Einsatz der erfindungsgemäßen Verfahren ggfs. zu einer Einsparung von Materialkosten, denn lasttragende Konstruktionen aus rotationssymmetrischen Bauteilen können durch die Erfindung schlanker ausgeführt und in Folge dessen im Leichtbau realisiert werden. Ferner lassen sich durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Verfahren Aussehen und Haptik der Schweißnahtoberflächen im Vergleich zu unbehandelten Schweißnähten verbessern. The inventive method allow the increase in the fatigue strength of large rotationally symmetrical components having load-bearing welded joints, which increases their life and reduces the cost of their service and maintenance. Especially in offshore wind farms, which are naturally exposed to extreme loads, the increase in the fatigue strength by the use of the inventive method is advantageous. However, the methods according to the invention also make it possible to expand the field of application of rotationally symmetrical components due to their increased mechanical strength, which also applies under more demanding field conditions. Furthermore, the use of the method according to the invention, if necessary, leads to a saving of material costs, because load-bearing constructions of rotationally symmetrical components can be made more slender by the invention and consequently realized in lightweight construction. Furthermore, the use of the methods according to the invention makes it possible to improve the appearance and feel of the weld seam surfaces in comparison to untreated weld seams.

Besonders die erfindungsgemäße Verbindung von Schweißverfahren und Festwalzverfahren zu einem Hybridprozess, der unter Einsatz einer einzigen erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar ist, bietet über die genannten Vorteile hinaus weitere Kostenvorteile, da zwei separate Arbeitsschritte in einem Arbeitsgang mit einer einzigen Vorrichtung ausgeführt werden können. Schließlich ermöglicht die Erfindung den Einsatz hochfester Stähle beim Bau von Konstruktionen aus rotationssymmetrischen Bauteilen, die lasttragende Schweißverbindungen aufweisen, denn die Erfindung reduziert die Kerbwirkung an den Schweißnähten im Vergleich zu unbehandelten Schweißnähten an rotationssymmetrischen Bauteilen aus hochfesten Stählen. In particular, the inventive combination of welding process and deep rolling process to a hybrid process that can be carried out using a single device according to the invention, in addition to the advantages mentioned offers further cost advantages, since two separate steps can be performed in a single operation with a single device. Finally, the invention allows the use of high-strength steels in the construction of structures of rotationally symmetrical components having load-bearing welded joints, because the invention reduces the notch effect at the welds compared to untreated welds on rotationally symmetrical components made of high-strength steels.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhaft, denn sie ermöglicht ihre Ausführung als portables Gerät. Infolge dieser Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sie z. B. zum oder und nach dem Reparaturschweißen der durch Ermüdung oder Korrosion beschädigten Rohren lokal eingesetzt werden und dabei randschichtnahe Werkstoffzustände, wie Eigenspannungen, Verfestigung und Rauheit modifizieren. The device according to the invention is advantageous because it allows its execution as a portable device. As a result of this property of the device according to the invention, it may, for. B. to or after the repair welding of damaged by fatigue or corrosion pipes are used locally and thereby modify near-surface material conditions such as residual stresses, solidification and roughness.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigtAn embodiment of the invention is illustrated in the drawings and will be described in more detail below. In the drawings shows

1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Nachbehandeln von Schweißverbindungen an rotationssymmetrischen Bauteilen, die jedoch aus Gründen der Klarheit in der zeichnerischen Darstellung der Vorrichtung weggelassen worden sind, 1 a perspective view of an apparatus for carrying out the method according to the invention for the post-treatment of welded joints on rotationally symmetrical components, which have been omitted for reasons of clarity in the drawing of the device,

2 eine Ansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung von oben, 2 a view of in 1 shown device from above,

3 eine Ansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung von einer Seite, 3 a view of in 1 illustrated device from one side,

4 eine Endansicht der in 1 dargestellten Vorrichtung, 4 an end view of in 1 illustrated device,

5 eine perspektivische Darstellung des ersten Trägers als Einzelteil der in 1 dargestellten Vorrichtung, und 5 a perspective view of the first carrier as a single part of in 1 illustrated device, and

6 eine perspektivische Darstellung des Schlittens als weiteres Einzelteil der in 1 dargestellten Vorrichtung. 6 a perspective view of the carriage as another item of in 1 illustrated device.

Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, weist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Nachbehandeln von Schweißverbindungen an rotationssymmetrischen Bauteilen einen ersten, ringförmigen Träger 1 und einen zweiten, länglichen Träger 2, einen Schlitten 3 sowie eine vier Spannbacken 4 aufweisende Spannvorrichtung 5 auf. Der Schlitten 3 trägt eine Festwalzvorrichtung 6, die aus einem kugelförmigen Walzenelement 7 und einer an dem Schlitten 3 befestigten Halterung 8 besteht, in der das Walzenelement 7 drehbar gelagert ist. Der Schlitten 3 ist schalenförmig ausgebildet und hat einen inneren, abgeflachten Oberflächenabschnitt 9, von dem aus die Festwalzvorrichtung 6 radial nach innen ragt. Die Halterung 8 ist in einem Sackloch 10, das sich in dem abgeflachten Oberflächenabschnitt 9 befindet, befestigt. In 6 ist der Schlitten 3 ohne die Festwalzvorrichtung 6 dargestellt. As can be seen from the drawings, an apparatus for carrying out the method according to the invention for the after-treatment of welded joints on rotationally symmetrical components comprises a first annular support 1 and a second, elongate carrier 2 , a sled 3 as well as a four jaws 4 having tensioning device 5 on. The sled 3 carries a deep rolling device 6 made up of a spherical roller element 7 and one on the sledge 3 attached bracket 8th in which the roller element 7 is rotatably mounted. The sled 3 is cup-shaped and has an inner, flattened surface portion 9 , from which the deep rolling device 6 protrudes radially inward. The holder 8th is in a blind hole 10 that is in the flattened surface section 9 located, fastened. In 6 is the sled 3 without the deep rolling device 6 shown.

Der erste Träger 1 hat auf seiner radialen Innenseite einen im Querschnitt U-förmigen Führungskanal 10, der einen geschlossen Kreis bildet. In dem Führungskanal 10 ist der Schlitten 3 gleitbar angeordnet, derart, dass er um einen Drehwinkel von 360° relativ zu dem ersten Träger 1 bewegbar ist, wobei der Schlitten 3 auf seiner Kreisbahn von einer ersten Führungsfläche 11 des ersten Trägers 1 geführt ist, die von der Oberfläche des U-förmigen Führungskanals 10 bereit gestellt ist. Mittels einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung wird der Schlitten 3 auf seiner Kreisbahn bewegt, wobei die Antriebsvorrichtung ein Elektromotor oder ein Hydraulikmotor sein kann. The first carrier 1 has on its radial inside a cross-sectionally U-shaped guide channel 10 making a closed circle. In the guide channel 10 is the sled 3 slidably disposed so as to be at a rotation angle of 360 ° relative to the first carrier 1 is movable, with the carriage 3 on its circular path from a first guide surface 11 of the first carrier 1 is guided by the surface of the U-shaped guide channel 10 is provided. By means of a drive device, not shown, the carriage 3 moved on its circular path, wherein the drive device may be an electric motor or a hydraulic motor.

Der erste Träger 1 weist neben einer zentralen, großen Öffnung 12, eine seitliche, im Querschnitt rechteckige kleine Öffnung 13 auf, durch die hindurch sich der zweite Träger 2 erstreckt. Der erste Träger 1 hat eine zweite Führungsfläche 14, die die kleine Öffnung umgibt. Der zweite Träger 2 weist eine mit der zweiten Führungsfläche in Gleitkontakt stehenden Linearführungsfläche 15 auf, an der entlang der erste Träger 1 auf einer geradlinigen Bahn, die achsparallel zu dem ersten Träger 1 ist, bewegbar ist. Die Linearführungsfläche 15 befindet sich an Ober- und Unterseite und den Seitenkanten des zweiten Trägers 2. The first carrier 1 points next to a central, large opening 12 , a lateral, rectangular in cross-section small opening 13 through which the second carrier passes 2 extends. The first carrier 1 has a second guide surface 14 that surrounds the small opening. The second carrier 2 has a linear guide surface in sliding contact with the second guide surface 15 on, along the first carrier 1 on a straight line, paraxial to the first carrier 1 is, is movable. The linear guide surface 15 located on the top and bottom and the side edges of the second carrier 2 ,

Eine zweite Antriebsvorrichtung 16 dient zum Bewegen des ersten Trägers 1 relativ zu dem zweiten Träger 2 auf der geradlinigen Bahn über eine vorbestimmte Strecke, die geringfügig größer als die Breite der festzuwalzenden Schweißnaht ist. Die zweite Antriebsvorrichtung 16 weist zwei axial fluchtende Hydraulikzylinder 17 auf, von denen sich jeder mit einem Ende an einem gemeinsamen, am ersten Träger 1 befestigten Lagerbock 18 abstützt und mit seinem jeweils anderen Ende an einem Lagerbock 19 abstützt, wobei die Lagerböcke 19 am zweiten Träger 2 befestigt sind. A second drive device 16 serves to move the first carrier 1 relative to the second carrier 2 on the straight line over a predetermined distance, which is slightly larger than the width of the weld to be tightened. The second drive device 16 has two axially aligned hydraulic cylinders 17 each of which ends with one end at a common, at the first carrier 1 attached bearing block 18 supported and with its other end to a bearing block 19 supported, with the bearing blocks 19 on the second carrier 2 are attached.

Die Spannbacken 4 der Spanvorrichtung 5 sind paarweise an den Enden des zweiten Trägers 2 angeordnet. Jede Spannbacke 4 ist an dem zweiten Träger 2 schwenkbar angelenkt und mittels eines jeweiligen Hydraulikzylinders 20 verschwenkbar, der mit einem Ende an einem Ende der jeweiligen Spannbacke 4 angreift und sich mit dem anderen Ende an einem Lagerbock 21 abstützt, der am zweiten Träger 2 befestigt ist. Der erste Träger 1 ist räumlich zwischen den beiden Spannbackenpaaren der Spannvorrichtung 5 angeordnet. Zwischen den beiden Spannbacken 4 eines jedes Spannbackenpaares befindet sich das jeweilige Backenmaul 22. The jaws 4 the chip device 5 are in pairs at the ends of the second carrier 2 arranged. Each jaw 4 is on the second carrier 2 pivotally hinged and by means of a respective hydraulic cylinder 20 pivoted, with one end at one end of each jaw 4 attacks and with the other end on a bearing block 21 which is supported on the second carrier 2 is attached. The first carrier 1 is spatially between the two clamping jaw pairs of the clamping device 5 arranged. Between the two jaws 4 each jaw pair is the respective jaw mouth 22 ,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch die Hinzufügung eines Schweißkopfes, der nicht dargestellt ist, modifiziert werden, sodass eine derart modifizierte Vorrichtung sich zur Durchführung eines Verfahrens zum Erzeugen und Nachbehandeln von Schweißverbindungen an rotationssymmetrischen Bauteilen eignet. The device according to the invention can be modified by the addition of a welding head, which is not shown, so that a device modified in this way is suitable for carrying out a method for producing and post-treating welded joints on rotationally symmetrical components.

Sowohl bei der unmodifizierten als auch bei der modifizierten Vorrichtung erstrecken sich die axial fluchtend ausgerichteten rotationssymmetrischen Bauteile durch die zentrale, große Öffnung 12 des ersten Trägers 1, wobei die Spannbacken 4 eines jeden Spannbackenpaares die so angeordneten Bauteile von außen umgreifen, sodass sie mittig in dem jeweiligen Spannbackenmaul 22 liegen. Die axiale Positionierung der Bauteile ist derart, dass die Festwalzvorrichtung 6 an der zu behandelnden Schweißnaht anliegt. Both in the unmodified and in the modified device, the axially aligned rotationally symmetric components extend through the central, large opening 12 of the first carrier 1 , with the jaws 4 of each pair of clamping jaws embrace the components arranged in this way from the outside, so that they are centered in the respective jaw mouth 22 lie. The axial positioning of the components is such that the deep rolling device 6 rests against the weld to be treated.

Wenn die Vorrichtung mit einem Schweißkopf zusätzlich zu der Festwalzvorrichtung ausgerüstet ist, wird zum Erzeugen und Nachbehandeln der Schweißverbindung an den Bauteilen wie folgt vorgegangen:
Zunächst werden die beiden durch eine Schweißnaht an einer Kontaktfläche miteinander zu verbindenden rotationssymmetrischen Bauteile axial fluchtend in der Vorrichtung derart angeordnet, dass die Bauteile an der Kontaktfläche aneinander stoßen und relativ zu dem Schweißkopf und der Festwalzvorrichtung ortsfest sind, indem die Spannbacken 4 der Spannvorrichtung 5 mit den Bauteilen verspannt werden. If the device is equipped with a welding head in addition to the deep rolling device, the following procedure is used to create and post-weld the welded joint to the components:
First, the two rotationally symmetrical components to be connected to one another at a contact surface are axially aligned in the device such that the components abut one another at the contact surface and are stationary relative to the welding head and the deep rolling device by the clamping jaws 4 the tensioning device 5 be braced with the components.

Dann wird die Schweißnaht an der Kontaktfläche gelegt, indem der Schlitten 3 mit dem auf ihm angeordneten Schweißkopf um die Kontaktfläche herumbewegt wird, derart, dass die beiden Bauteile durch die Schweißnaht zu einer Einheit miteinander verbunden werden. Then the weld is placed on the contact surface by the carriage 3 is moved around the contact surface with the welding head arranged on it, such that the two components are connected to one another by the weld seam to a unit.

Danach wird die Schweißverbindung festgewalzt, indem der Schlitten 3 mit der auf ihr angeordneten Festwalzvorrichutng 6 um die Schweißverbindung herumbewegt wird, wobei das Walzenelement 7 fest gegen die Schweißnaht gedrückt wird, während die zu einer Einheit miteinander verbundenen Bauteile weiterhin durch die Spannvorrichtung gegen Translation und Rotation festgehalten werden. Während der Orbitalbewegung der Festwalzvorrichtung um die Schweißverbindung herum wird gleichzeitig der erste Träger 1 in Axialrichtung bewegt, sodass die Schweißverbindung in ihrer gesamten axialen Breite schraubenlinienförmig festgewalzt wird. Auch während des Festwalzens wird die Einheit aus den vormals separaten Bauteilen mittels der Spannvorrichtung 5 gegen Translation und Rotation festgehalten. Thereafter, the welded joint is solidified by the carriage 3 with the Festwalzvorrichutng arranged on it 6 is moved around the weld, wherein the roller element 7 is firmly pressed against the weld, while the unit connected to each other components are still held by the jig against translation and rotation. During the orbital movement of the deep rolling device around the welded joint, at the same time, the first carrier becomes 1 moved in the axial direction, so that the welded joint is helically rolled in its entire axial width. Even during deep rolling, the unit is made of the formerly separate components by means of the clamping device 5 held against translation and rotation.

Wenn die Vorrichtung nur die Festwalzvorrichtung 6, nicht aber auch einen Schweißkopf aufweist und die beiden Bauteile bereits durch eine Schweißnaht miteinander verbunden sind wird zum Nachbehandeln der Schweißverbindung wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird die Einheit aus miteinander verbundenen rotationssymmetrischen Bauteilen mittels der Spannvorrichtung relativ zu der Festwalzvorrichtung 6 ortsfest gemacht. If the device only the deep rolling device 6 , but not also has a welding head and the two components are already connected to each other by a weld, the procedure for the post-treatment of the welded joint as follows:
First, the unit of interconnected rotationally symmetric components by means of the clamping device relative to the deep rolling device 6 made stationary.

Danach wird die Schweißverbindung festgewalzt, indem der Schlitten 3 mit der darauf angeordneten Festwalzvorrichtung um die Schweißnaht herumbewegt wird, wobei die Festwalzvorrichtung 6 gegen die Schweißnaht gedrückt und die Einheit mittels der Spannvorrichtung gegen Translation und Rotation festgehalten wird. Gleichzeitig wird der erste Träger 1 axial geradlinig bewegt, so dass die gesamte axiale Breite der Schweißverbindung schraubenlinienförmig festgewalzt wird. Thereafter, the welded joint is solidified by the carriage 3 with the deep-rolling device arranged thereon around the weld seam is moved around, wherein the deep rolling device 6 pressed against the weld and the unit is held by means of the clamping device against translation and rotation. At the same time becomes the first carrier 1 moved axially straight, so that the entire axial width of the welded joint is screwed helically.

Das Festwalzen der Schweißverbindung kann bei beiden Verfahrensvarianten erfolgen, nachdem die Schweißnaht abgekühlt ist.The deep rolling of the weld can be done in both variants of the method after the weld has cooled.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Soweit die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ Und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.Of course, the invention is not limited to the embodiments shown in the figures. The above description is therefore not to be considered as limiting but as illustrative. The following claims are to be understood as meaning that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features. Insofar as the claims and the above description define "first" and "second" features, this term serves to distinguish two similar features without prioritizing them.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007065658 A1 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Gurney, 1979 [0005]

Claims

A method for producing and post-treating welded joints on rotationally symmetrical components, comprising the steps of: a) aligning axially two rotationally symmetrical components to be joined to one another at a contact surface in such a way that the components abut against each other at the contact surface and realtiv to a movable welding connection generating device stationary; b) placing a weld on the contact surface by moving the weld connection generating device around the contact surface such that the two components are joined together by the weld, and c) compacting the weld joint by moving relative to the unit Deep rolling device ( 6 ) around the welded joint, wherein the deep rolling device ( 6 ) is pressed against the weld and the unit is held against translation and / or rotation.

Process for the aftertreatment of welded joints on rotationally symmetrical components, comprising the steps of: a) arranging two rotationally symmetric, axially aligned components joined together by a weld to form a unit, such that the unit is movable relative to a movable deep rolling device ( 6 ) is stationary, and b) deep rolling the welded joint by moving the deep rolling device ( 6 ) around the weld, the deep rolling device ( 6 ) is pressed against the weld and the unit is held against translation and / or rotation.

A method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the welded joint is solidly rolled after the weld has cooled.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the deep rolling device ( 6 ) is axially displaced during the deep rolling of the welded joint.

Method according to claim 4, characterized in that the deep rolling device ( 6 ) is pressed in point or line contact with the weld and the weld is rolled down on one or more linear or band-shaped paths.

A method according to claim 5, characterized in that the welded joint is rolled on a helical path formed by a combination of axial feed of the deep rolling device ( 6 ) and a circular movement of the deep rolling device ( 6 ) is generated around the weld joint.

Device for carrying out the method according to one of claims 1 and 3 to 6, having an annular, first carrier ( 1 ) having a first and a second guide surface ( 11 . 14 ), a welding connection generating device and a deep rolling device ( 6 ) supporting carriages ( 3 ) traveling on a circular path relative to the first carrier ( 1 ) at the first guide surface ( 11 ), a first drive device for moving the carriage ( 3 ) on the circular path, an elongate, second carrier ( 2 ), the first carrier ( 1 ) and one with the second guide surface ( 14 ) in sliding contact linear guide surface ( 15 ), along which the first carrier ( 1 ) on a rectilinear path, which is axially parallel to the first support ( 1 ), is movable, a second drive device ( 16 ) for moving the first carrier ( 1 ) relative to the second carrier ( 2 ) on the rectilinear path, and one on the second support ( 2 ) arranged tensioning device ( 5 ), the jaws ( 4 ) which are engageable with the rotationally symmetrical components in such a way that they are axially aligned with each other and coaxial with the first guide surface ( 11 ) are releasably retained against translation and / or rotation during the welding and deep rolling steps.

Device for carrying out the method according to one of Claims 2 and 3 to 6, having an annular, first carrier ( 1 ) having a first and a second guide surface ( 11 . 14 ), a a deep rolling device ( 6 ) supporting carriages ( 3 ) traveling on a circular path relative to the first carrier ( 1 ) at the first guide surface ( 11 ), a first drive device for moving the carriage ( 3 ) on the circular path, an elongate, second carrier ( 2 ), the first carrier ( 1 ) and a linear guide surface in sliding contact with the second guide surface (FIG. 15 ), along which the first carrier ( 1 ) on a rectilinear path, which is axially parallel to the first support ( 1 ), is movable, a second drive device ( 16 ) for moving the first carrier ( 1 ) relative to the second carrier ( 2 ) on the rectilinear path and one on the second support ( 2 ) arranged tensioning device ( 5 ), the jaws ( 4 ) engageable with the unit of rotationally symmetric components interconnected by a weld such that the unit is coaxial with the first guide surface (12). 11 ) is releasably retained against translation and / or rotation during the deep rolling step.

Apparatus according to claim 7 or claim 8, characterized in that the second Drive device ( 16 ) is a hydraulic drive device.

Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the deep rolling device ( 6 ) a roller element ( 7 ) which is rotatable in a holder ( 8th ) mounted on the carriage ( 3 ) is attached.

Device according to one of claims 7, 9 and 10, characterized in that the welding connection generating device comprises a welding head which is at a rotational angular distance from the deep rolling device ( 6 ) on the sledge ( 3 ) is fixed.

Device according to one of claims 7 to 11, characterized in that the carriage ( 3 ) is cup-shaped and the first guide surface ( 11 ) at least a part of the surface of a closed circle forming, in cross-section U-shaped guide channel ( 10 ) in which the carriage ( 3 ) is slidably arranged such that it is rotated by a rotation angle of 360 ° relative to the first carrier ( 1 ) is movable.

Device according to one of claims 7 to 12, characterized in that the tensioning device ( 5 ) two pairs of clamping jaws ( 4 ), each pair of jaws ( 4 ) at one end of the second carrier ( 2 ) and the first carrier ( 1 ) is arranged spatially between the two jaw pairs.

Apparatus according to claim 13, characterized in that each pair of clamping jaws by means of hydraulic cylinders ( 20 ) are expandable and closable, which are for transmitting reaction forces with the second carrier ( 2 ) are connected.

Device according to claim 13 or 14, characterized in that the first carrier ( 1 ) by means of hydraulic cylinders ( 17 ) is linearly displaceable, which is for transmitting reaction forces with the second carrier ( 2 ) are connected.

Device according to one of claims 7 to 15, characterized in that the carriage ( 3 ) is hydraulically or electrically driven.

Device according to one of claims 7 to 16, characterized in that the first carrier ( 1 ) a passage opening ( 13 ), through which the second carrier ( 2 ).