DE1440380B2 - Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Lichtbogenschweißen von RohrstumpfstöBen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Lichtbogenschweißen von RohrstumpfstöBenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Lichtbogenschweißen von Rohrstumpfstößen sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es ist bereits bekannt, beim Lichtbogenschweißen von Rohrstumpfstößen vor der Verschweißung eine
Spannvorrichtung anzuordnen (US-PS 2 598 076). Hierbei müssen jedoch zunächst die Endflächen der Stumpfstöße
genau bearbeitet werden, so daß diese in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse liegen. Darüber hinaus
ist eine präzise Ausrichtung der Rohrstumpfstöße aufeinander äußerst schwierig, so daß eine ungleichmäßige
Nutbreite und somit unzureichende Qualität der Schweißverbindung die Folge ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung im besonderen zum Verschweißen
von Rohrstumpfstößen zu schaffen, das es ermöglicht, verhältnismäßig grob abgelängte Rohre mit
einem minimalen Zeitaufwand miteinander zu verschweißen und dabei gleichzeitig eine Schweißnaht
höchster Qualität zu gewährleisten, wie sie beispielsweise bei auf dem Meeresboden verlegten Pipelines erforderlich
ist.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß zunächst die Rohre in ihrer endgültigen Lage miteinander verspannt werden, worauf in einem Arbeitsgang
eine gleichförmige Nut zwischen den Rohrenden erzeugt und die Nut durch eine einzige Schweißraupe
im wesentlichen ausgefüllt wird. Hierdurch ergibt sich nicht nur eine beachtliche Zeitersparnis bei der
Herstellung der Rohrverbindung, sondern dadurch, daß im Anschluß an die Verspannung die Schweißfuge, gewöhnlich
unter Zuhilfenahme einer Trennschleifscheibe, erzeugt wird, wird unabhängig von dem vorherigen
Zustand der Endflächen eine Fuge gleichbleibender Breite erzeugt, so daß eine Schweißverbindung hoher
Festigkeit und gleichbleibender Qualität gewährleistet
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
ίο besitzt einen relativ zum Werkstück bewegbaren
Schweißkopf sowie ein eine Elektrodenzuführungsvorrichtung tragendes Gestell, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß an dem Rahmen außer dem Schweißkopf und der Elektrodenzuführungsanordnung noch eine Fugenschneidanordnung,
eine Führung für den Schweißkopf sowie eine Anordnung zur Einhaltung der Schweißnutweite vorgesehen ist. Dabei besteht vorzugsweise
die Fugenschneidvorrichtung aus einer Schleifscheibe, die schwenkbar an dem Rahmen befestigt
ist. Für die Führung des Schweißkopfes können in die Schweißnut einschwenkbare Fühler vorgesehen
sein. Für die Einhaltung der Schweißnutweite ist nach einer bevorzugten Ausführungsform ein Abstandsrad
vorgesehen, das vorzugsweise antreibbar ist und eine
geriffelte Reibfläche aufweist. *
Obwohl sich das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
im besonderen für die Verschweißung von Rohrstumpfstößen eignet, lassen sich auch hierdurch ebene Werkstücke
miteinander verbinden.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand verschiedener
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt bzw.
zeigen im einzelnen
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
F i g. 2 eine Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung quer zur Rohrleitung,
F i g. 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß F ig. 2,
F i g. 4 eine Stirnansicht einer anderen Ausführungsform quer zur Rohrleitung,
F i g. 5 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß F i g. 4, teilweise im Schnitt längs der Schnittlinie 8-8 in
F i g. 4,
F i g. 6 und 7 Einzelheiten bei der Führung der Schweißelektrode,
F i g. 8 eine Ausführungsform zur erfindungsgemäßen Verschweißung ebener Werkstücke,
F i g. 9 und 10 schematische Darstellungen zum Ablauf einer bevorzugten Schweißtechnik nach der Erfindung
und
F i g. 11 einen Schnitt durch eine für das erfindungsgemäße
Verfahren typische Schweißnaht.
Gemäß F i g. 1 ist die Rohrleitung P von einer Vorrichtung umgeben, zu welcher ein Schweißkopf H, ein
Generator E für den elektrischen Lichtbogen und ein beweglicher Rahmen F, der eine Vorrichtung C zur Erzeugung
eines Schweißspaltes trägt, gehören. Die Schweißelektrode W wird mittels Rollen D von einem
Motor MR aus zugeführt.
Das Verfahren ist auf Werkstückdicken von 3,17 bis 12,7 mm anwendbar, läßt sich jedoch am besten bei einer Wanddicke zwischen 6,34 und 9,52 mm durchführen. Die Rohrverbindung ist vorzugsweise eine !-Stoßverbindung mit einem verhältnismäßig tiefen und
Das Verfahren ist auf Werkstückdicken von 3,17 bis 12,7 mm anwendbar, läßt sich jedoch am besten bei einer Wanddicke zwischen 6,34 und 9,52 mm durchführen. Die Rohrverbindung ist vorzugsweise eine !-Stoßverbindung mit einem verhältnismäßig tiefen und
schmalen Spalt. Die Breite des Spaltes liegt zwischen etwa 0,5 und 2,5 mm, vorzugsweise zwischen 1 und
1,77 mm; das Verhältnis Tiefe zur Breite ist immer größer als 2. Daher liegt das zweckmäßige Verhältnis Tiefe
zu Breite für Material mit einer Dicke von 7,11 mm zwischen etwa 4 und 7, vorzugsweise zwischen 4,5 und
6,5. Eine Spaltbreite von etwa 1,52 mm ist für dieses Material sehr befriedigend. Sie sollte für beste Ergebnisse
gleichmäßig in engen Grenzen gehalten werden, d. h. innerhalb plus oder minus 0,07 mm und Vorzugsweise
zwischen (±) 0,035 mm. Die letzteren Toleranzgrenzen sind sehr oft genau anwendbar.
Der Kontaktrohrabstand von der Werkstückoberfläche kann zwischen 2,5 und 38 mm liegen, wird aber
üblicherweise zwischen 7,6 und 12,7 mm gehalten. Für übliches Stahlrohr von etwa 6,34 mm Dicke beträgt der
Abstand vorzugsweise 12,06 mm ± 0,25 mm.
Die Spannung kann zwischen 20 und 35 Volt liegen. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen etwa 25 und
30 Volt, vorteilhaft mit einer engen Regelung, d. h. innerhalb etwa ± 1 Volt.
Bei der Durchführung der Schweißung wird bevorzugt, die Rohrabschnitte in aneinanderstoßende Lage
einzustellen und dann den Spalt auf die genaue gewünschte Breite zu schneiden. Eine Schneidscheibe C
wird für diesen Zweck an dem wandernden Gestell angeordnet, und zwar von der Dicke der gewünschten
Spaltbreite. Es können andere Schneidvorrichtungen eingesetzt werden. Sie ist mit einem eigenen Motor M
ausgestattet und kann mehr oder weniger radial in die und aus der Schneidstellung bewegt werden, wie durch
die gestrichelten Linien in F i g. 1 angezeigt ist.
Wenn die Rohrabschnitte in geeigneter Weise in aneinanderstoßender
Lage festgeklammert sind, wird das bewegliche Gestell Firn Uhrzeigersinn in Querrichtung
bewegt, und die den Spalt bildende Vorrichtung C schneidet einen Spalt von der genau gewünschten Breite.
Der Schweißkopf H folgt der Schneidvorrichtung nach.
Der Draht W wird durch Antriebsrollen D zugeführt, die mit einer Geschwindigkeit angetrieben sind, die von
dem Motor MR auf die Drahtzuführungsgeschwindigkeit WR geregelt wird. Für eine Schweißkopfgeschwindigkeit
von 88,8 bis 139,6 cm je Minute soll bei einem 7,11-mm-Rohr mit einem Spalt von 1,52 mm Breite und
unter Verwendung eines 1,01-mm-Drahtes die Drahtzuführungsgeschwindigkeit
zwischen 10,15 und 17,7 m je Minute liegen.
Wenn die Schweißung unverzüglich hinter der Schneidscheibe C durchgeführt wird, bewirkt die
Schrumpfung des Metalls beim Abkühlen ein Aneinanderziehen der Rohrabschnitte, was zur Verminderung
der Spaltbreite führen kann. Ein den Spalt auseinanderhaltendes Rad GS ist mit einem Randteil der richtigen
Dicke versehen, um den Spalt in der vorbestimmten Breite offenzuhalten und somit die Schneidvorrichtung
C zu schützen.
In den F i g. 2 und 3 ist eine besondere Ausführungsform der Vorrichtung gezeigt, die ein Hauptgestell 12
besitzt, das konzentrisch auf dem Rohr It durch mehrere
Fluchtungsschienen 13 gelagert ist. Diese sind als gegeneinander verschiebbare Keilpaare bekannter
Type ausgeführt. Eine Relativbewegung zwischen den Teilen bei gleichzeitiger Betätigung aller Keilpaare um
das gleiche Maß zentriert wirksam die Vorrichtung um das Rohr und verspannt es an seiner Stelle. Die Betätigung
ist nicht gezeigt, da sie üblich ist.
Das Gestell 12 ist mit einem nach oben gerichteten Arm 12a versehen, der eine Hebelachse 12i>
zwecks Eingriff durch einen geeigneten Kran besitzt.
Das Gestell 12 ist an der Rohrleitung in einer festen Stellung verriegelt. Es ist auch mit geeigneten ringförmigen
Lagern und Getriebemitteln versehen, um einen drehbaren, ringförmigen Rahmen 14 abzustützen und
anzutreiben. Der Rahmen 14 ist mit einem umkehrbaren Motor 15 versehen, der an einer Konsole 16 angeordnet
ist.
Durch Zahnräder treibt der Motor 15 eine Schnekkenwelle 17, die eine Schnecke trägt. Diese steht mit
einem Zahnkranz in Eingriff, der an dem stationären Gestell 12 befestigt ist. Eine Betätigung des Motors 15
treibt den Rahmen 14 und die gesamte auf ihm angeordnete Vorrichtung einschließlich des Motors 15
selbst um das Gestell 12 nach Wunsch in jeder Richtung. Lager stützen den Rahmen 14 an dem Gestell 12
frei verdrehbar ab.
Auf einer an dem Rahmen 14 befestigten Konsole 20 ist ein Drahtantriebsmotor 21 angeordnet, dessen
Drehzahl im Hinblick auf den Motor 15 regelbar ist. Dieser Motor ist mit einer elektrisch gesteuerten
Kupplung 22 üblicher Type ausgerüstet, durch die, wenn die Kupplung 22 in Eingriff steht, die Drahtzuführung
23 betätigt werden kann. Eine Magnetspule 24 betätigt die Kupplung 22. Eine Schweißdraht-Vorratsspule
oder -Rolle 25 ist auf dem Rahmen 14 gelagert und hat eine Auslaßführung 26 (F i g. 3), durch die der
Schweißdraht der Drahtzuführung 23 zugeleitet wird. Ein weiteres Führungsrohr 27 leitet den Draht zu
einem Lichtbogen-Schweißkopf 28.
Mittels beliebig auswählbarer Fühler-Führungen 32, die in den verhältnismäßig schmalen Spalt oder die Nut
zwischen den Rohrenden fallen, wird der Schweißkopf gleichbleibend so geführt, daß der Draht W, der aus
dem Kontaktrohr 29 herauskommt, in die Mitte des Spaltes einläuft, wenn die Schweißung stattfindet. Eine
Feder 33 gibt der Führung 32 eine Vorspannung in den Spalt, wenn sie in der Führungsstellung entriegelt ist.
Zu anderen Zeiten werden die Führungen 32 in ausgerückter Stellung verriegelt, z. B., wenn der Rahmen
längs der Rohrleitung zu der nächsten zu verschweißenden Verbindung verschoben wird.
Zusätzlich zu dem Schweißkopf und den Drahtzuführungsmitteln ist auf dem drehbaren Rahmen 14 eine
Spalt-Schneideinheit 40 gelagert. Letztere ist radial zu dem Rohr 11 hin und von diesem fort schwenkbar angeordnet.
Wenn sie nicht eingesetzt wird, wird sie in einer äußeren Stellung, wie in F i g. 1, gehalten. Die
Schneideinheit besitzt ein Schneidrad 41, wie z. B. eine dünne Schleifscheibe. Es wird durch einen Motor 42
angetrieben.
Es wird bevorzugt, eine Hälfte des Umfanges zu schneiden und unverzüglich danach zu schweißen, und
dann die Vorrichtung umzukehren, die andere Hälfte des Umfanges zu schneiden und zu schweißen, um die
Arbeit fertigzustellen.
In F i g. 4 ist eine andere Ausführungsform dargestellt. Ein Stahlrohr 11 ist gegen ein anderes Stück 201
(F i g. 5) gesetzt. Die Teile sind mit einer sich innen ausdehnenden Dornklemmen-Spannvorrichtung 113 ausgerüstet,
die die beiden aneinanderstoßenden Rohrenden in richtiger Ausrichtung zur Schweißung hält.
Die Vorrichtung besitzt einen Auflagerschlitten 115, der als Hauptträger durch die Abstützung auf dem
Rohr dient. Der Auflagerschlitten 115 ist mit einem Paar sich gegenüberliegender Klemmarme 117 und 119
versehen, die bei 121 bzw. 123 verschwenkbar gelagert
sind. Bei 125 sind Mittel zur Betätigung der Klemmarme zwecks Festlegung des Auflagerschlittens 115 an
dem Rohr 201 gezeigt. Die Einheit wird so fest auf dem Rohr abgestützt, daß sie sich gegenüber dem Rohr
nicht drehen oder verschieben kann. Diese Teile müssen sorgfältig ausgeführt und zusammengebaut sein, so
daß die Schweißvorrichtung richtig unter rechtem Winkel zu der Rohrachse aufgesetzt ist.
Eine Vertikalspindel 127 ragt von dem Auflagerschlitten 115 nach oben und trägt fest, jedoch in vertikaier
Richtung einstellbar, einen gekrümmten Rahmenteil 131. Dieser Teil 131 hat kreisförmige Gestalt, mit
Ausnahme eines ausgeschnittenen Abschnittes genügender Weite, um von dem Rohr freizukommen. Er bildet
eine Führungsspur für ein Ringlager 133 von einer gleichen offenen Kreisausführung, die auf Lagern 135
abgestützt ist, wie in F i g. 5 gezeigt. Der Teil 131 ist, obgleich er die Form eines offenen Ringes hat, mit
einem Zahnrad oder einem Zahnkranz 136 versehen, in das ein Paar Ritzel 137, 137a eingreifen, die wiederum
durch steuerbare Motore angetrieben werden, wie bei 138, 138a gezeigt ist. Die Motore sind an dem drehbaren
Teil 133 an mehr oder weniger einander diametral gegenüberliegenden Stellen angeordnet, so daß der
Ring 133 an irgendeiner Stellung konzentrisch um das Rohr 111 quer bewegt werden kann, um die verschiedenen
Arbeitswerkzeuge um das Rohr an irgendeine gewünschte Stelle zu führen. Der Teil 133 kann als Werkzeuge
tragender Drehkopf angesehen werden und trägt eine mit hoher Geschwindigkeit angetriebene
Schleifscheibe 141·, die mit einem Schutzschild 143 versehen ist. Diese ist mit einem Antriebsmotor 145 ausgerüstet.
Die gesamte Baugruppe ist mittels eines Schwenkarmes 147 verschwenkbar an einem Lagerzapfen
149 an dem Drehkopf 133 gelagert. Sie kann nach Wunsch in eine Schneidstellung, die in gestrichelten
Linien gezeigt ist, nach innen oder in die in vollen Linien ausgezogene unwirksame Stellung nach außen
verschwenkt werden. Der Drehkopf trägt mehr oder weniger diametral gegenüber der Schneidscheibe einen
Schweißkopf 151, der bei 153 verschwenkbar an einer verschiebbaren Plate 155 angeordnet ist.
Der Drehkopf 133 trägt auch eine Schweißdrahtrolle 161, die an einem fest angeordneten Arm 163 gelagert
ist. Draht 209 von der Rolle 161 wird über eine rohrförmige Führung 167 dem Drahtzuführungsmechanismus
171 zugeführt, der aus einem Paar mittels eines Motors
172 mit in engen Grenzen steuerbarer Drehzahl angetriebener Rollen besteht. Der Draht geht hinter den
Rollen durch ein weiteres Führungsrohr 175 zu dem Schweißkopf 151, wo er zu der Stelle geführt wird, an
der er bei der Schweißung verbraucht wird.
Die gesamte Baugruppe ist mit einem Hebering oder Haken 181 versehen, der an dem stationären Rahmen
131 befestigt ist, so daß die Vorrichtung auf die Rohrleitung gehoben oder von dieser abgehoben werden
kann.
Nun wird auf F i g. 5 Bezug genommen. Der neue Abschnitt des Rohres 11 ist in einer Stellung gezeigt, in
welcher er an dem früheren Rohrabschnitt 201 anliegt. Diese beiden Abschnitte sind durch die sich ausdehnende
Dornklammer 113, die vorher beschrieben worden ist, innen und in richtiger Ausrichtung miteinander verspannt.
Der erforderliche Spalt oder die Nut wird zwischen den Rohrenden durch die mit hoher Geschwindigkeit
arbeitende Schleifscheibe 141 geschnitten.
Der Schweißkopf 151 ist mit dem Gasrohr 205 und dem inneren Kontaktrohr 207 gezeigt. Ein Rohr 212
bringt eine Gaseinspeisung in den Kopf. Das elektrische Kabel 213 führt Energie zu dem Schweißbogen.
Der Schweißkopf ist vorzugsweise mit Wasser gekühlt und daher mit einem Einlaß 214 und einem Auslaß 215
für Kühlwasser versehen, das um das Kontaktrohr und die Gasdüse läuft und deren Temperatur niedrig hält.
Der Auslaß 215 umschließt das elektrische Kabel 213. Der Wassermantel um den Schweißkopf oder das Rohr
151 ist auch in F i g. 8 bei 217 gezeigt.
Die durch die vorliegende Erfindung erzeugten Schweißungen sind in den F i g. 6 und 7 dargestellt. In
F i g. 6 ist der Raum zwischen den Rohrenden glatt durchschnitten, und die Schweißung muß einen von der
Sohle bis zur Oberseite gleichförmigen Spalt füllen. Wenn der Spalt gefüllt wird, verschmelzen der geschmolzene
Schweißdraht und das Metall, das durch die Wärme des Lichtbogens von den Rohrenden abgeschmolzen
wird, fortschreitend mit dem Rohr, wie bei Wi gezeigt. Die Hitze des Bogens hat die größte Stärke
im Bereich des Drahtendes, etwa in der Mitte der Rohrwand. Benachbartes Rohrwandmetall wird hier
geschmolzen und fließt nach innen und außen, um die Wurzelränder des Rohres zu schmelzen. Dies ergibt
den charakteristischen Schweißquerschnitt dieses Verfahrens, der ein beachtlicher Fortschritt auf dem Gebiet
des Schweißens ist.
Nunmehr wird auf F i g. 7 Bezug genommen. Der Fluß des Metalles ist in einer dem Uhrzeigersinne entgegengerichteten
Schweiß-Querbewegung gezeigt. Der Draht W wird innerhalb seiner Gasabschirmung geschmolzen
und bildet zusammen mit dem von dem Rohr geschmolzenen Metall die Schmelze Pi, die bestrebt
ist, in einer sichelförmigen Gestalt durchzusakken, wie bei S3 gezeigt ist. Das Metall neben der
Schweißstelle entzieht jedoch der Schmelze sehr schnell Wärme, wenn sich der Lichtbogen weiterbewegt,
was zu einer Schrumpfung führt. Der mittlere Teil der Rohrwand führt mehr Hitze als die Teile an
den Innen- und Außenflächen ab, aber die gesamte geschmolzene Masse schrumpft, wenn sie abkühlt und
sich verfestigt. Diese Schrumpfung und zuzüglich die Oberflächenspannung des durchhängenden flüssigen
Metallhalbmondes S3 sind bestrebt, die innere Fläche zu glätten, wie bei 54 gezeigt ist. Somit wird an der
Innenseite des Rohres eine im wesentlichen fluchtende Oberfläche geschaffen. Der durchgehende Lauf des
Schweißkopfes ergibt zusammen mit der synchronisierten Drahtzuführung zur Erhaltung eines durchgehenden
Lichtbogens und der kleinen Spaltbreite ein ungewöhnlich gut verschmolzenes Schweißgefüge über die
Rohrwand. Die Eckenverschmelzung an der Wurzel oder der Innenfläche der Schweißung ist ein besonders
wichtiges Merkmal, wie in F i g. 11 dargestellt.
Die durch die Kontraktion der Schweißung entstehende Schwierigkeit ist auch in F i g. 8 dargestellt, die
nun im einzelnen beschrieben wird. Die Anordnung nach F i g. 8 ist in der Anwendung an flachen Platten
gezeigt, aber auch an Rohren oder anderen gekrümmten Flächen anwendbar. Hier sind drei einheitliche Teile
der Vorrichtung, nämlich die Schneideinrichtung 141a, das Abstandsrad 330 und der Schweißkopf 205A,
auf einem geeigneten Traggestell angeordnet, so daß sich diese drei Teile gegenüber dem Werkstück längs
einer Verbindung zwischen benachbarten Kanten der Platten, die mit 331 bezeichnet sind, gleichzeitig bewegen.
Wenn sich die Werkzeuge nach rechts bewegen, oder umgekehrt, das Werkstück sich nach links bewegt,
Claims (6)
1. Verfahren zum automatischen Lichtbogenschweißen von Rohrstumpfstößen, dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst die Rohre in ihrer endgültigen Lage miteinander verspannt werden, worauf in einem Arbeitsgange eine gleichförmige
Nut zwischen den Rohrenden erzeugt und die Nut durch eine einzige Schweißraupe im wesentlichen
ausgefüllt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des ,Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem relativ zum Werkstück
bewegbaren, einen Schweißkopf sowie eine Elektrodenzuführungsvorrichtung tragenden Rahmen,
dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rahmen (14) außer dem Schweißkopf (28) und der Elektrodenzuführungsanordnung
(21, 25, 26,27) noch eine Fugenschneidanordnung (40) sowie eine Anordnung (330)
zur Einhaltung der Schweißnutweite vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fugenschneidvorrichtung (40) aus einer Schleifscheibe (41, 141) besteht, die schwenkbar
am Rahmen (14,131) befestigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung für den Schweißkopf (28)
aus in die Schweißnut einschwenkbaren Fühlern (32) besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung der Schweißnutweite
ein Abstandsrad {330) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsrad (330) antreibbar ist
und eine geriffelte Traktionsfläche (335) aufweist.
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