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Zentriervorrichtung zum Lichtbogen-Schweißen von Rohrstößen Gegenstand
des Hauptpatents ist eine Zentriervorrichtung zum Schweißen von Rohrstößen, und
zwar weist diese zwei Spannsysteme auf, die die beiden einander zugewandten Rohrenden
von innen erfassen und um einen etwa auf ihrer Achse liegenden Punkt in Bezug zueinander
schwenkbar sind. Dadurch wird die Erzielung einer sehr hohen Genauigkeit ermöglicht,
wie sie beispielsweise für das Schweißen mit dem elektrischen Lichtbogen benötigt
wird. So ist die Zentriervorrichtung nach dem Hauptpatent vorzugsweise für das elektrische
Lichtbogen-Schweißen entwickelt worden. Die Genauigkeit ist selbst unter ungünstigen
Arbeitsbedingungen (beispielsweise beim Schweißen von Rohren großen Durchmessers
in engen Rohrkanälen) so groß, daß sogar mit in die Schweißnaht eingelegten oder
auf die Naht aufgelegten ummantelten Elektroden automatisch geschweißt werden kann.
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Das Hauptpatent behandelt als Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung,
bei der die einspannenden und zentrierenden Kräfte auf hydraulischem Wege erzeugt
und mit Hilfe von Pleueln auf die Spannsegmente übertragen werden. Demgegenüber
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine verbesserte Ausführungsform, und
zwar besteht das wesentliche Merkmal dieser fortentwickelten Zentriervorrichtung
darin, daß zur Erzeugung der spannenden und zentrierenden Kräfte zwei miteinander
gekuppelte Gewindespindeln mit gegenläufigen Gewinden dienen, von denen je eine
einem der beiden Spannsysteme zugeordnet und in seiner Achse angeordnet ist.
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Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens ist in der Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das zugleich weitere wichtige und fortschrittliche
Merkmale erkennen läßt.
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Fig. 1 zeigt diese Zentriervorrichtung in fest eingespannter Stellung;
Fig. 2 stellt die gleiche Vorrichtung in demjenigen Augenblick dar, in dem begonnen
wird, dieAbstandshalter aus der zum Teil geschweißten Nahtfuge herauszuziehen; Fig.
3 stellt die gleiche Vorrichtung in einem noch etwas späteren Zeitpunkt dar, nämlich
nach vollständig erfolgtem Herausziehen der Abstandslehren und Lösen beider Spannsysteme;
Fig. 4 schließlich zeigt in etwas größerem Maßstab eine geringfügige Abwandlung
einzelner Elemente.
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In allen vier Darstellungen möge das rechte Rohrende 41 dasjenige
des bereits fest verlegten Rohrstranges darstellen, während links das Ende
42 des als Verlängerung anzuschweißenden Rohrstückes gezeichnet ist. Weiterhin
sei das rechte Spannsystem in seiner Gesamtheit als Spannsystem I und das linke
als Spannsystem 1I bezeichnet.
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Zum Einspannen des rechten Rohrendes dienen Spannsegmente
43, die das Rohrende von innen erfassen. In gleicher Weise ist das Spannsystem
11 mit Spannsegmenten 44 ausgestattet. Die Antriebskraft für die Spannsegmente
wird mittels einer Gewindewelle erzeugt. Diese besteht aus den beiden Gewindespindeln
45 und 46, die mittels eines Kugelgelenks 47 miteinander gekuppelt
sind und vom linken Ende her mittels einer Lanze 48 gedreht werden. Bei dieser
Lanze handelt es sich um eine Antriebswelle, die um einen ausreichenden Betrag länger
ist als das anzuschweißende Rohrstück, so daß das linke Ende dieser Welle zugänglich
ist und mittels einer Kurbel von Hand oder auch mittels eines Motors gedreht werden
kann. Vorzugsweise wird diese Lanze als Gelenkwelle ausgebildet, damit sie auch
durch Rohrkrümmungen hindurchgeführt werden kann. Es genügt für diese biegsame Welle
eine schwächere Bemessung, wenn sie mit höherer Drehzahl betrieben wird. So kann
man sie vom linken Ende her durch einen Motor höherer Drehzahl antreiben und über
ein Untersetzungsgetriebe, das am Gehäuse des Spannsystems II angeordnet ist, an
die Gewindespindel 45 ankuppeln. Es ist aber auch möglich, auch den Elektromotor
am Gehäuse des genannten Spannsystems Il anzubringen, so daß durch das anzuschweißende
linke Rohrstück 42 nur die Stromzuführungen hindurchzuführen wären, sowie
gegebenenfalls zusätzlich ein Zugseil od. dgl., mit
dessen Hilfe
die nach beendetem Schweißvorgang gelöste Zentnervorrichtung in Richtung nach links
zum offenen Rohrende vorgezogen werden kann.
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Das Kugelgelenk 47 muß so kräftig bemessen sein, daß es sowohl
die ganz erheblichen Drehmomente übertragen kann als auch die ebenfalls großen axialen
Kräfte. Statt eines solchen Kugelgelenks können natürlich auch beliebige andere
Kupplungssysteme benutzt werden, die geeignet sind, zwei unter einem Winkel zusammenlaufende
drehbare Wellen miteinander zu kuppeln und die für das Ausrichten erforderliche
Schwenkbewegung zuzulassen.
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Auf den Gewindespindeln 45 und 46 sitzen Gewindemuttern
49 und 50, die bei Drehung der Welle in entgegengesetzten Richtungen
wandern. Beim Einspannen sind sie in Richtung aufeinander zugewandert, so daß in
der in Fig. 1 dargestellten Einspannstellung beide Muttern 49 und
50 je ihre innerste Stellung einnehmen.
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Die Spannsegmente 43 und 44 sind an den Enden einarmigerHebe151
und 52 befestigt, derenSchwenkachsen an den Trägern 53 und
54 der beiden Spannsysteme angeordnet sind. Es ist aus Fig.1 ersichtlich,
daß die zuvor ausgeführte Drehung der Welle 48-45-
47-46 im Sinne des
gezeichneten Umlaufpfeiles die beiden Gewindemuttern 49 und 50 einander
bis zu der gezeichneten Endstellung genähert hat, wobei die Hebel 51 und
52 mittels der Pleue155 und 56 aufwärts geschwenkt und die Spannsegmente 43 und
44 von innen gegen die Rohrwandungen gepreßt wurden, wie es Fig.l zeigt.
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Die Abstandslehren 60 sind an demjenigen Spannsystem gehaltert,
das dem bereits verlegten Rohrstrang zugeordnet ist, also an dem rechten Spannsystem
I. Es sind diese Lehren 60 je am Ende eines zweiarmigen Hebels 61 gehaltert,
der sich unter dem Zug einer Feder 62 auf dem Spannsegment 43 abstützt,
während das andere Ende des zweiarmigen Hebels über eine Pleuelstange
63 ebenfalls mit der Gewindemutter 50 gekuppelt ist. Es ist ersichtlich,
daß zuvor durch die Bewegung der Gewindemutter nach links die Abstandslehren
60 radial nach außen bewegt wurden.
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Schließlich sind in gleicher Weise wie nach dem Hauptpatent Distanzbolzen
64 und Distanzfedern 65
vorgesehen, die die beiden Spannsysteme zunächst
etwa parallel zueinander halten.
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Das Einspannen und Zentrieren geht in der Weise vor sich, daß zuerst
das rechte Spannsystem 1 in das Ende des fest verlegten Rohrstranges 41 hineingesteckt
wird. Das anzuschweißende Rohr liegt zunächst noch in Abstand davor. Sein Spannsystem
1I liegt daher vorerst frei. Die Gelenkwelle48 aber führt durch das Anschlußrohr
42 hindurch und kann an ihrem äußeren (linken) Ende also gedreht werden,
beispielsweise mittels einer Handkurbel. Durch diese Drehung werden beide Gewindemuttern
49 und 50
in Richtung aufeinander zubewegt. Hierbei wird während des
Vorspannens (bevor also das Spannsystem I im Rohrende 41 unverrückbar festgespannt
ist) die ganze Zentriervorrichtung mittels der gleichzeitig radial nach außen wandernden
Abstandslehren 60 an der Kante des Rohrendes 41 grob ausgerichtet,
und zwar so, daß die Zentriervorrichtung etwa in axialer Richtung liegt.
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Die Vorrichtung ist so bemessen, daß die Spannsegmente 44 den
Segmenten 43 nacheilen, daß also ihr Umfangskreis einen um 5 bis 10 mm kleineren
Durchmesser aufweist, somit also noch nicht die Endspannweite erreicht hat, wenn
das rechte Spannsystem I bereits einwandfrei festgespannt ist.
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Nunmehr wird das linke Rohrende 42 herangeschoben, bis es anstößt.
Dieses Anstoßen erfolgt bei derjenigen Abstandslehre 60, die sich an der
engsten Stelle des Nahtspaltes befindet, denn es wird als Normalfall angenommen,
daß die beiden Rohre noch nicht genau axial ausgerichtet sind, daß vielmehr ihre
Achsen noch einen kleinen Winkel (von vielleicht einigen Bodenminuten) miteinander
einschließen. Es wird alsdann die Drehung der Gewindespindel weiter fortgesetzt.
Da nun das rechte Spannsystem bereits fest eingeklemmt ist, die Gewindemutter
50 also nicht mehr weiterhin in Richtung zum Nahtspalt wandern kann, sondern
gewissermaßen blockiert ist, ist Vorsorge getroffen, daß die Gewindespindel sich
doch weiterdrehen kann. Zu diesem Zweck ist die rechte Spindel 46 axial verschiebbar
gelagert. Bei in Ruhe verharrender Gewindemutter 50 schraubt sich also die Spindel
46 bei Fortsetzung der Drehung in Richtung nach rechts heraus, entgegen der
Kraft einer Feder 66. Da die linke Gewindespindel 45 mit der rechten
Gewindespinde146 durch das Kugelgelenk 47
kraftschlüssig sowohl in bezug auf
die zu übertragenden Drehmomente als auch auf die Axialkräfte verbunden ist, bewegt
sich auch die linke Gewindespindel 45 beim Weiterdrehen in gleichem Maße axial nach
rechts wie die Gewindespindel 46, und zwar so lange, bis auch die Gewindemutter
49 ihre Endstellung erreicht und die Spannsegmente 44 festgeklemmt
hat.
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Bis zu diesem Augenblick der Festlegung des linken Spannsystems 1I
haben die beiden Spannsysteme (als maßgebend seien die Ebenen der Spannsegmente
43 und 44 betrachtet) parallel zueinander gestanden, und zwar unter
der Wirkung der Distanzstifte 64 und der Distanzfedern 65. Jetzt,
nachdem beide Spannsysteme unverrückbar fest eingeklemmt sind, beginnt der Vorgang
des Ausrichtens der beiden Rohre an den Nahtkanten, die einen kleinen Winkel miteinander
einschließen mögen. Es werden nämlich die Gewindespindeln weitergedreht. Da die
Pleuelstangen 55 und 56 jetzt nicht mehr in radialer Richtung weiter ausweichen
können, so bewirken die auf die Gewindemuttern 49 und 50 ausgeübten
Kräfte ein Zusammenziehen der beiden gesamten Spannsysteme 1 und 1I in Richtung
zueinander. Es war angenommen worden, daß bei der an der engsten Nahtstelle befindlichen
Abstandslehre eine Berührung erfolgt ist (war dieses nicht von vornherein der Fall,
so erfolgt es eben jetzt). Die starke axiale Kraft, die jetzt die beiden Rohrenden
zusammenzieht, bewirkt daher, daß die Nahtfuge sich jetzt an den breiten Stellen
verengt, bis auch dort die Abstandslehren eingeklemmt sind und dadurch die axiale
Annäherungsbewegung beenden. Hiermit ist zugleich die Ausrichtung der beiden Rohrenden
bewirkt, nämlich durch entsprechende Schwenkung des anzuschweißenden Rohrstückes.
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Nimmt man als Beispiel das Anschweißen eines Rohrstückes von vielleicht
12 m Länge an, bei einem Durchmesser von vielleicht 500 bis 1000 mm, so ist verständlich,
daß die Zentriervorrichtung dieses lange Rohr nicht vom Einspannende aus anheben
kann. Das freie Ende wird vielmehr durch einen Kran unterstützt, so daß die Zentriervorrichtung
nur eine geringfügige restlicheAnpassung innerhalb des Elastizitätsbereichs
der
Kranseile vorzunehmen braucht. Innerhalb der waagerechten Ebene jedoch genügen die
Kräfte, die mit einer solchen Zentriervorrichtung erzielt werden können, durchaus
zur Herbeiführung einet Schwenkung, wie sie für eine axiale Ausrichtung erforderlich
ist. Auf diese Weise ist also der in Fig. 1 dargestellte Zustand der Einspannung
erzielt worden.
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In dieser fest eingespannten, zentrierten und ausgerichteten Stellung
der beiden Rohrenden, die in Fig. 1 gezeichnet ist, wird die Wurzelraupe geschweißt,
wodurch die Rohre fixiert sind, so daß die Zentriervorrichtung dann entbehrlich
ist. Die weiteren Lagen können dann in ungespanntem Zustand geschweißt werden. Es
müssen jetzt also die Abstandslehren 60, die auch als »Spieße« bezeichnet werden,
aus dem Spalt wieder herausgezogen werden, was wegen der starken Schrumpfspannung
ganz erhebliche Kräfte erfordert. Dieser Vorgang ist in Fig. 2 veranschaulicht,
und zwar wird zu diesem Zweck die Welle 48 in entgegengesetztem Sinne gedreht,
wie es der Drehpfeil anzeigt. Die Gewindemutter 50 kann sich zunächst noch
nicht nach rechts bewegen, weil die Pleuelstange 63 durch den fest eingeklemmten
Spieß 60 blockiert ist. Die Drehung der Gewindespindel 46 bewirkt daher zunächst
nur eine axiale Verschiebung dieser Spindel nach links in die gezeichnete Stellung,
bis das Drucklager 73 am Gehäuse 53 anliegt. Im linken Spannsystem I1 aber
bewirkt die Drehung der Gewindespindel 45 ein Wandern der Gewindemutter
49 nach links und damit ein Abziehen der Spannsegmente 44, so daß
das linke Spannsystem 1I frei ist.
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Bei weiterem Drehen kann die Gewindespindel 46
nicht weiter
axial nach links wandern, da sie ja, wie das rechte Drucklager 73 zeigt, ihre Endstellung
erreicht hat. Nunmehr bewirkt die weitere Drehung der Spindel 46 ein Wandern
der Gewindemutter 50 nach rechts, die über die Pleuelstange 63 und den zweiarmigen
Hebel 61 den Spieß 60 aus der Nahtfuge herauszieht. Hierbei stützt
sich der Hebel 61 gegen das Segment 43 ab und drückt dieses in Richtung radial
nach außen gegen die Innenwandung des Rohrendes. Da die Pleuelstangen 55 und 63
beide auf der Mutter 50 gelagert sind, ist die Pleuelstange 55 an den die Segmente
43 tragenden einarmigen Hebeln 51 mittels eines Zapfens in einem Schlitz
70 des Hebels gelagert. Dieser Schlitz bewirkt, daß zuerst die Spieße
60 gezogen werden und daß erst danach, also bei entlastetem Spießhebel
61, auch der Segmenthebel 51 durch die Zugfeder 71 nachgezogen
wird. Der Schlitz 70 ist in den Darstellungen schräg gezeichnet. Er kann
aber auch etwa senkrecht oder waagerecht angeordnet sein. Erwähnt sei schließlich
noch ein Führungsblech 72, das dazu dient, das Aufstecken des losen Rohres
42 zu erleichtern.
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Im Hinblick auf die Größe der Kräfte, die für das Herausziehen der
Spieße aus der zum Teil geschweißten Naht benötigt werden, muß für den zweiarmigen
Hebel 61 ein entsprechendes Verhältnis gewählt werden, und zwar kommt ein
Verhältnis der Hebelarme von etwa 1 : 3 bis 1 : 5 - oder auch noch mehr - in Frage.
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Wenn auf diese Weise der Spieß 60 herausgezogen ist, bei Weiterbewegung
der Gewindemutter 50 also nicht mehr über den Stützpunkt seines zweiarmigen
Hebels 61 auf das Spannsegment 43 drückt, dann bewirkt ein Weiterwandern
der Gewindemutter 50 nach rechts, daß sich schließlich die Spießhebel
61 und die Segmente 43 gemeinsam ganz ablösen und dadurch die Spannvorrichtung
freigeben.
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Diese Endstellung der vollständigen Loslösung ist in Fig. 3 dargestellt.
In dieser Stellung kann die Zentriervorrichtung mittels der Welle 48 durch
das angeschweißte Rohrstück 42 hindurch nach links gezogen werden, um dort
alsdann in der gleichen Weise eingespannt zu werden, wie es eben beschrieben wurde.
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Fig. 4 zeigt eine geringfügige Abwandlung einiger Elemente. Leitend
hierfür sind Überlegungen zur Frage der Ausrichtung der beiden Spannsysteme 1 und
II aufeinander vor Beginn des Ausrichtens der Rohre. An Hand von Fig.1 war schon
dargelegt worden, daß mit Hilfe der Distanzbolzen 64 und Distanzfedern 65
die beiden Spannsysteme zunächst bis zur festen Einspannung parallel zueinander
gehalten werden. Parallel sind also die durch die Spannsegmente 43 einerseits
und 44 andererseits gebildeten beiden Ebenen. Nun kann es natürlich vorkommen,
daß das Spannsystem I in das Rohrende 41 nicht ganz genau in achssenkrechter
Ebene eingesetzt wird, so daß in entsprechender Weise auch die Ebene des Spannsystems
1I etwas schräg steht. Bei kleineren Beträgen der Schrägstellung macht dieses nichts
aus. Man kann übrigens eine ausreichend genaue Einspannung des Spannsystems I senkrecht
zur Achse des Rohres 41
dadurch erreichen, daß man dieses Spannsystem I mit
einem nach rechts hervorragenden Fühlarm mit Führungsrolle ausstattet (von vielleicht
0,5 oder 1,0 m Länge), der sich mit seinem Ende innerhalb des Rohres mit gewissem
Spiel abstützt, so daß zumindest zu große Schrägstellungen vermieden werden. Die
Ausführungsform gemäß Fig. 3 erreicht dieses gleiche Ziel auf anderem Wege. Während
gemäß Fig. 1 bis 3 die Ausrichtung des linken Systems 1I in bezug auf das rechte
System I vorgenommen wurde, erfolgt sie hier mittelbar gegenüber der Randkantenebene
des rechten Rohres 41. Es ist zu diesem Zweck die Abstandslehre
60 schwenkbar gelagert, und zwar in solchem Maße, daß bei Einführung des
rechten Spannsystems I auch in etwas schräger Lage alle Abstandslehren
60 sich an die Randkante des Rohres 41
anlegen. Der Distanzbolzen
80, der durch eine Feder 81 nach rechts gedrückt wird, bewirkt somit,
daß die Spannebene des linken Systems 1I parallel der durch die Abstandslehren
60 bestimmten Ebene und damit parallel der Randkantenebene liegt, unbeeinflußt
durch eine etwaige Schrägstellung der Spannebene 43 des rechten Systems
I.
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Die gleiche Fig. 4 ist benutzt, um zugleich auch eine andere Abwandlungsmöglichkeit
zu veranschaulichen, und zwar ist gezeigt, daß das Herausziehen der Spieße
60 in Gruppen oder einzeln auch auf hydraulischem Wege erfolgen kann. An
Stelle der Pleuelstange 63 gemäß Fig. 1 bis 3, die durch die Gewindemutter
50 betätigt wird, ist hier ein hydraulischer Zylinder 82 nebst Kolben
83 vorgesehen, der an den zweiarmigen Hebel 61 angreift. Die (hier
nicht gezeichnete) Gewindemutter 50 dient in diesem Falle nur zum Antrieb
der Spannsegmente 43.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel - auch in der geringfügig
abgewandelten Form gemäß Fig. 4 - ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach dem
Hauptpatent noch als wesentlich hervorzuheben, daß die Spannsegmente 43 und
44 nicht innerhalb von Gleitführungen laufen, sondern mit Hilfe von Gestängen
geführt werden.