DE19635843A1 - Laser-Rohrschweißanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rohrherstellungslinie zur Fertigung von Rund- bzw. Profilrohren mittels Laserschweißung.

Rohrherstellungsanlagen mit WIG-Plasma- oder Hochfrequenzschweißvorrichtungen sind bekannt. Ebenfalls bekannt ist der Einsatz von Laser-Schweißeinrichtungen mit kleiner bis mittlerer Leistung.

Die Rohrherstellungsanlagen umfassen üblicherweise - wie in der Seitenansicht der Fig. 1 dargestellt - einen Bandablaufhaspel (1), eine Bandendenverbindungsstation (2), das Formteil (3) sowie den mechanischen Schweißtisch (4) mit den beiden Schweißgerüsten (5) und (6) und dem Laser. Danach schließen sich die nicht dargestellten Anlagenteile Kalibrieren und mitlaufende Rohrtrenneinrichtung an.

Die Erfindung befaßt sich mit dem Einsatz der Laserschweißung vorzugsweise bei der Herstellung von Edelstahl- und Titanrohren. Wie oben erwähnt werden bisher die WIG-Plasma-, die Hochfrequenz- und die Laserschweißung mit kleinen Leistungsquellen eingesetzt.

Hierbei ist das WIG-Plasma- und das Laserschweißen ein Schmelzverfahren und das Hochfrequenz-Schweißen ein Press-Schweißen mit knetbar erwärmten Bandkanten. Dieses Verfahren zeichnet sich durch das Erreichen hoher Schweißgeschwindigkeiten aus, hat aber durch die nur teigig erwärmten Bandkanten keinen hohen Qualitätsanspruch bei der Fertigung von Edelstahl- oder Titanrohren.

Das Laserstrahlschweißen ist qualitätsmäßig das beste Verfahren und zwar hauptsächlich wegen des Erreichens einer sehr schmalen Wärmeeinflußzone und den metallurgischen Vorzügen der damit verbundenen sehr geringen Kornvergrößerung und der kaum wahrnehmbaren Entmischung der Legierungsbestandteile.

Der wirtschaftliche Nachteil der Laserschweißung gegenüber dem WIG-Plasma-Verfahren liegt im vergleichsweise hohen Investmentanteil des Lasers zu den preiswerten Schweißquellen der WIG-Plasma-Ausrüstung.

Der Nachteil der Laser-Schweißung gegenüber dem Hochfrequenz-Schweißen ist begründet in dem hohen Geschwindigkeitsvorteil seitens des H.-F.-Schweißens im Vergleich mit der Laserschweißung. Während beim H.-F.-Schweißen Generatoren mit hohen Leistungsbereichen eingesetzt werden können, scheitert dieses bei der Laserschweißung aus fertigungsspezifischen Gründen.

Beim Auftreffen eines Laserstrahls mit hoher Energiedichte auf die Schweißkanten entsteht keine gleichmäßige Schweißnaht. Es bilden sich - entsprechend der benutzten Leistung und der Vorschubgeschwindigkeit des Rohres - im Schweißplasma pulsierende Einflüsse, die eine gleichmäßige Durchschweißung der kompletten Wandstärke dadurch verhindern, daß die Kapillarwirkung periodisch aussetzt und zu Materialrückstau im äußeren Nahtbereich führt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Laserschweißung dahingehend zu verbessern, daß die bessere Schweißqualität im Vergleich zu den anderen Schweißverfahren auch bei der Erreichung von Schweißgeschwindigkeiten über 50 m/Min. gesichert ist.

Diese Aufgabe wird gemäß den Patentansprüchen 1-9 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Rohrschweißanlage,

Fig. 2 eine Bandkante (11) des Schlitzrohres während des Laserschweißens bei niedriger Leistung und Geschwindigkeit,

Fig. 3 zeigt eine Bandkante (12) mit einer möglichen Schweißnahtausbildung wie sie beim Einsatz von nur einem Strahl (13) bei hoher Leistungsdichte und hoher Geschwindigkeit auftreten kann.
Durch Turbulenzen wird die Bildung einer homogenen Schweißnahtqualität gestört. Es bilden sich unterschiedliche Strahleindringungen (14), die die Bandkanten nicht voll erfassen und periodisch zu Fehlschweißen und äußeren Nahtbuckeln (15) führen,

Fig. 4 die Anordnung der kombinierten Laserstrahlaustrittsköpfe (16) und (17) sowie die Kontrollkamera (20) und den Kontrollsensor (21),

Fig. 5 eine Anordnung von zwei H.-F.-Stromkontakten (23) und (24) vor dem Schweiß­ rollenpaar (19) und die Plazierung einer Laserstrahlführung (17) kurz vor der Mittelinie des Schweißrollenpaares (18) wobei in dieser Kombination durch die H.-F.-Vorerwärmung die Leistung des Laserstrahls (17) auf turbulenzfreie Werte gesenkt werden kann, bei gleichzeitiger Erreichung einer hochwertigen Schmelzschweißung mit charakteristischer, sehr enger Schmelzzone und trotzdem hoher Vorschubgeschwindigkeit.

Der Einbau eines technisch bekannten Impeders (25) im Bereich der Schweißrollen­ paare (19) und (18) gibt dabei die Gewähr, daß die eingebrachte H.-F.-Leistung nicht den gesamten Umfang des Schlitzrohres (22) erwärmt, sondern sich nur auf die Bandkanten konzentriert.

Wie in Fig. 4 dargestellt, sind die beiden Laserstrahlführungen (16) und (17) hintereinander angeordnet. Über die Drehpunkte (a) und (b) können die Einstrahlungswinkel (α) und (β) variiert werden, so daß je nach Wandstärke Materialgüte und Schweißgeschwindigkeit die für eine optimale Nahtqualität notwendige beste Einstellung gefunden werden kann.

Der Hauptschweißvorgang wird vorzugsweise kurz vor der Mitte des Schweißrollenpaares (18) ausgeführt.

Entsprechend den Meß- und Kontrollergebnissen der Kamera (20) und der Eddy-Test-Sonde (21) schweißt die Lasereinrichtung (16) kontinuierlich oder pulsend im Bereich zwischen den beiden Schweißrollen (19) und (18).

Die Vorschubrichtung Vs des Schlitzrohres (22) erfolgt in Pfeilrichtung.

In Fig. 2 ist die Ausbildung einer normalen Lasernaht mit einem Strahl und niedriger Geschwindigkeit dargestellt. Der Strahl (8) schafft sich eine durchgehende Kapillare (9), in der das flüssige Material gleichmäßig mit den eilaufenden Bandkanten (11) verschmilzt und danach eine homogene Schweißnaht (10) bildet.

Claims (9)

1. Rohrschweißanlage zur Herstellung eines geschweißten Rundrohres aus einem flachen Vormaterialband mit einem Ablaufhaspel (1), einer Bandendenverbindungsstation (2), dem Formteil (3) und dem mechanischen Schweißtisch (4) mit den beiden Schweiß­ gerüsten (5) und (6), wobei das Materialband in Produktionsrichtung zunächst die Formstation (3) und danach die beiden Schweißgerüste (5) und (6) durchläuft, in denen die Bandkanten (11) des inzwischen zum Schlitzrohr (22) geformten Materialbandes mittels Laserschweißung verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung nicht von einer sondern von zwei Laserschweißeinrichtungen (16) und (17) durchgeführt wird.

2. Rohrschweißalage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Einrichtungen unterschiedliche Schweißleistungen in den Schweißbereich einbringen und die eine Anlage wahlweise mit durchgehendem Strahl oder periodisch nur einstrahlt, wenn sich von der Hauptschweißung Fehlschweißen bemerkbar machen.

3. Rohrschweißalage nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlaustrittsköpfe (16) und (17) unter jeweils bis zu 45° gegen und mit der Produktionsrichtung geschwenkt werden können.

4. Rohrschweißalage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laserstrahlaustrittsköpfe (16) und (17) motorisch gesteuert werden können.

5. Rohrschweißanlage nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht mit einer hochauflösbaren Kamera (20) im Bereich des Schweißpunktes ständig überwacht wird.

6. Rohrschweißalage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schweißparameter, Winkelstellung und Frequenzzahl des Laserstrahles (16) über einen Impulsgeber so programmiert werden, bis das Bild der Kamera (20) eine geometrisch einwandfreie Schweißnaht darstellt.

7. Rohrschweißanlage nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß kurz nach dem Schweißpunkt der Sensor (21) einer technisch bekannten Eddy-Current- Testeinrichtung angebracht ist, der ständig die Qualität der Schweißnaht überwacht.

8. Rohrschweißanlage nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißparameter, die Winkelstellung der Laserstrahlaustrittsköpfe (16) und (17) so lange variiert werden, bis die Ergebnisse der Kontrollkamera (20) und des Eddy-Current-Sensors (21) eine einwandfreie Schweißqualität signalisieren.

9. Rohrschweißalage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Turbulenzen bei der Hochleistungslaserschweißung eine H.-F.-Kontakt- Schweißeinrichtung (23) und (24) mit kleiner Leistung vor dem Schweißrollenpaar (19) eingesetzt wird, mit deren Hilfe die Bandkanten (11) so weit vorgewärmt werden, daß der Laserstrahl (17) nur die Temperaturdifferenz zum Schmelzen einer sehr schmalen Nahtzone einbringen muß.