DE19635843C2 - Rohrschweißanlage zur Herstellung eines geschweißten Rundrohres aus einem flachen Materialband - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rohrschweißanlage zur Her­ stellung eines geschweißten Rundrohres, und zwar insbesondere zur Herstellung eines geschweißten Edelstahl- oder Titanrohres.

Es ist bekannt, aus einem flachen Materialband Rundrohre mit Hilfe einer Rohrschweißanlage herzustellen, die eine WIG- Plasma-Schweißeinrichtung oder eine Hochfrequenzschweißeinrich­ tung oder eine Laserschweißeinrichtung mit kleiner bis mittle­ rer Leistung aufweist.

Das WIG-Plasma-Schweißen und das Laserschweißen sind ein Schmelzverfahren, und das Hochfrequenzschweißen ist ein Press­ schweißen mit knetbar erwärmten Bandkanten.

Das Hochfrequenzschweißen zeichnet sich durch hohe Schweißge­ schwindigkeiten aus. Wegen der beim Hochfrequenzschweißen nur teigig erwärmten Bandkanten können jedoch bei der Fertigung von Edelstahl- oder Titanrohren keine hohen Qualitätsanforderungen erfüllt werden.

Das Laserstrahlschweißen ist unter Qualitätsgesichtspunkten das am besten geeignete Verfahren, und zwar hauptsächlich wegen der sehr schmalen Wärmeeinflußzone und der damit verbundenen me­ tallurgischen Vorzüge, nämlich der geringen Kornvergrößerung und der kaum wahrnehmbaren Entmischung der Legierungsbestand­ teile.

Ein Nachteil des Laserschweißens gegenüber dem Hochfrequenz­ schweißen besteht jedoch darin, daß die erreichbare Schweißge­ schwindigkeit beim Laserschweißen üblicherweise geringer ist als beim Hochfrequenzschweißen. Während beim Hochfrequenz­ schweißen Generatoren mit hoher Leistung eingesetzt werden kön­ nen, scheitert dies beim Laserschweißen aus fertigungsspezifi­ schen Gründen.

Beim Auftreffen eines Laserstrahls mit hoher Energiedichte auf die Bandkanten besteht die Gefahr, daß keine gleichmäßige Schweißnaht entsteht. Es bilden sich, je nach der Schweißlei­ stung und der Vorschubgeschwindigkeit des Schlitzrohres, im Schweißplasma pulsierende Einflüsse, die eine gleichmäßige Durchschweißung der gesamten Wandstärke dadurch verhindern, daß die Kappillarwirkung periodisch aussetzt und zu einem Material­ rückstau im äußeren Nahtbereich führt.

Eine Rohrschweißanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 ist bekannt (DE 195 01 945 A1).

Bei dieser bekannten Rohrschweißanlage wird der eigentliche Schweißvorgang als Hauptschweißung mittels einer der beiden La­ serschweißeinrichtungen ausgeführt, während die andere der bei­ den Laserschweißeinrichtungen lediglich der Vorwärmung der Bandkanten dient.

Die Vorwärmung ermöglicht eine gewisse Erhöhung der Schweißge­ schwindigkeit.

Durch die Veröffentlichung GB 2 175 737 A ist eine Laser­ schweißeinrichtung bekannt, mit deren Hilfe gleichzeitig zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen auf den Schweiß­ punkt gerichtet werden, wobei der Laserstrahl mit der größeren Wellenlänge eine größere Schweißleistung als der Laserstrahl mit der kürzeren Wellenlänge hat. Hierdurch soll eine höhere Stabilität des Schweißvorgangs erreicht werden.

Durch die Veröffentlichung DE 36 00 452 C2 ist eine Rohr­ schweißanlage zur Herstellung eines geschweißten Rundrohres aus einem flachen Materialband bekannt, bei der die Schweißung gleichzeitig durch Hochfrequenzschweißen und Laserschweißen durchgeführt wird. Dabei wird der mittels einer Laser­ schweißeinrichtung aufgestrahlter Laserstrahl gegen die keil­ förmig aneinander gelegten Bandkanten des Schlitzrohres von der offenen Seite des Keiles her gerichtet. Auf diese Weise wird auch der Mittelteil der Bandkanten, an dem die Erwärmung durch den Hochfrequenzstrom verzögert ist, mittels des Laserstrahls erschmolzen. Eine als Videokamera ausgebildete hochauflösende Kontrollkamera ist auf den Bereich in Produktionsrichtung vor dem Schweißpunkt gerichtet, damit die Form des Keiles optisch erfaßt werden kann und Abweichungen der Istform und Istlage des Keiles von seiner Sollform und Solllage bei der Steuerung der Rohrschweißanlage berücksichtigt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Rohrschweißanlage dahingehend zu verbessern, daß die hohe Schweißqualität des Laserschweißen auch bei hohen Schweißge­ schwindigkeiten von beispielsweise über 50 m/min und entspre­ chend erhöhter Schweißleistung erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Rohrschweißanlage gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprü­ chen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Rohr­ schweißanlage, bei der die Erfindung anwendbar ist;

Fig. 2 ausschnittsweise eine Bandkante eines Schlitzroh­ res während des Laserschweißens bei niedriger Leistung und niedriger Schweißgeschwindigkeit mittels einer her­ kömmlichen Rohrschweißanlage, die lediglich eine Laser­ schweißeinrichtung aufweist;

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung für den Fall, daß die Schweißleistung und die Schweißgeschwin­ digkeit im Vergleich zu dem Fall gemäß Fig. 2 auf hohe Werte erhöht worden sind;

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht wesentlicher Ele­ mente eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Rohrschweißanlage; und

Fig. 5 in Fig. 4 ähnlicher Darstellung eine zweite Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Rohrschweißanlage, wobei jedoch deren zweite Laserschweißeinrichtung nicht dargestellt ist.

Die in Seitenansicht in Fig. 1 dargestellte Rohrschweißanlage umfaßt einen Ablaufhaspel 1 für ein flaches Materialband, eine Bandendenverbindungsstation 2, eine Formstation 3 sowie einen mechanischen Schweißtisch 4, zu dem zwei Schweißgerüste 5 und 6 sowie lediglich eine Laserschweißeinrichtung 17 gehören. Danach schließen sich nicht dargestellte Anlagenteile zum Kalibrieren sowie eine mitlaufende Rohrtrenneinrichtung an.

In Fig. 2 ist schematisch die Ausbildung einer Schweißnaht dar­ gestellt, wie sie mittels der Rohrschweißanlage gemäß Fig. 1 erzeugt wird, wenn der Laserstrahl 8 der Laserschweißeinrich­ tung 17 die übliche niedrige Schweißleistung hat und die Schweißgeschwindigkeit in üblicher Weise gering ist. Der Laser­ strahl 8 schafft sich eine durchgehende Kappillare 9, in der flüssiges Material gleichmäßig mit den einlaufenden Bandkanten 11 verschmilzt und danach eine homogene Schweißnaht 10 bildet.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausbildung einer Schweißnaht, wie sie beim Einsatz von nur einem Laserstrahl 8 bei hoher Schweiß­ leistung bzw. hoher Leistungsdichte und hoher Schweißgeschwin­ digkeit auftreten kann. Durch Turbulenzen wird die Bildung ei­ ner homogenen Schweißnaht gestört. Es bilden sich unterschied­ liche Strahleindringungen 14, die die Bandkanten 11 nicht voll erfassen und periodisch zu Schweißfehlern und äußeren Nahtbuc­ keln 15 führen.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rohrschweißanlage, bei der zusätzlich zu der ersten Laser­ schweißeinrichtung 17, die eine Hauptschweißung ausführt, eine zweite Laserschweißeinrichtung 16 vorgesehen ist, wobei von den beiden Laserschweißeinrichtungen in Fig. 4 lediglich deren La­ serstrahlaustrittsköpfe dargestellt sind. Jeder der beiden La­ serstrahlaustrittsköpfe kann um einen Drehpunkt a bzw. b ge­ schwenkt werden, um die Einstrahlungswinkel α und β so variie­ ren zu können, daß je nach Wandstärke, Materialgüte und Schweißgeschwindigkeit die für eine optimale Qualität der Schweißnaht notwendige beste Einstellung gefunden werden kann.

Die Vorschubrichtung Vs des Schlitzrohres 22 ist durch einen Pfeil in Fig. 4 kenntlich gemacht. Die Hauptschweißung erfolgt vorzugsweise kurz vor der Mitte eines Schweißrollenpaares 18, das einem anderen Schweißrollenpaares 19 in Vorschubrichtung folgt.

In dargestellter Weise sind eine hochauflösende Kontrollkamera 20 sowie ein Wirbelstromkontrollsensor 21 vorgesehen, die stän­ dig die Qualität der Schweißnaht überwachen.

Entsprechend den Meß- und Kontrollergebnissen der Kontrollkame­ ra 20 und des Wirbelstromkontrollsensors 21 schweißt die zweite Laserschweißeinrichtung 16 kontinuierlich oder pulsend im Be­ reich zwischen den beiden Schweißrollenpaaren 18 und 19. Die Schweißparameter, die Winkelstellung und die Frequenzzahl des Laserstrahls der zweiten Laserschweißeinrichtung werden über einen Impulsgeber so programmiert, bis das von der Kontrollka­ mera 20 gelieferte Bild eine geometrisch einwandfreie Schweiß­ naht zeigt. Auch die Schweißparameter und die Winkelstellung des Laserstrahlaustrittskopfes der ersten Laserschweißeinrich­ tung 17 können solange variiert werden, bis das von der Kon­ trollkamera 20 gelieferte Bild sowie das Ausgangssignal des Wirbelstromkontrollsensors 21 eine einwandfreie Schweißqualität signalisieren.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Rohrschweißanlage gemäß Fig. 5 sind vor dem Schweißrollenpaar 19 zwei Stromkontakte 23 und 24 einer Hochfrequenz-Kontakt-Schweißeinrichtung mit kleiner Lei­ stung angeordnet. Der Laserstrahlaustrittskopf der ersten La­ serschweißeinrichtung 17 ist wiederum auf einen Schweißpunkt kurz vor der Mitte des Schweißrollenpaares 18 gerichtet. Mit Hilfe der Stromkontakte 23 und 24 werden die Bandkanten des Schlitzrohres 22 soweit vorgewärmt, daß der Laserstrahl der La­ serschweißeinrichtung 17 nur die Temperaturdifferenz bis zum Schmelzen einer sehr schmalen Nahtzone erzeugen muß. Bei dieser Kombination kann durch die Hochfrequenz-Vorwärmung die Schweiß­ leistung der Laserschweißeinrichtung 17 soweit verringert wer­ den, daß der Entstehung von Turbulenzen vorgebeugt ist, wobei eine hochwertige Schmelzschweißung mit charakteristischer, sehr enger Schmelzzone und dennoch eine hohe Vorschub- bzw. Schmelz­ geschwindigkeit erreicht werden.

Ein im Bereich der Schweißrollenpaare 18 und 19 eingebauter Im­ peder 25 gibt dabei die Gewähr, daß die eingebrachte Hochfre­ quenz-Leistung nicht den gesamten Umfang des Schlitzrohres 22 erwärmt, sondern sich nur auf die Bandkanten konzentriert.

Claims (6)

1. Rohrschweißanlage zur Herstellung eines geschweißten Rundrohres aus einem flachen Materialband, mit einem Ablaufhaspel, einer Formstation und einer Schweißstation, die zwei Schweißgerüste sowie zwei Laserschweißeinrichtungen aufweist, wobei das Materialband in Produktionsrichtung zunächst die Formstation, in der das Materialband zu einem Schlitzrohr geformt wird, und danach die beiden Schweißgerüste durchläuft, in denen die Bandkanten des Schlitzrohres mittels Laserschweißung verbunden werden, und wobei eine der beiden Laserschweißeinrichtungen eine Hauptschweißung ausführt, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Laserschweißeinrichtungen (16, 17) unterschiedliche Schweißleistungen in den Schweißbereich einbringen,
daß zur Überwachung der Schweißnaht eine hochauflösende Kontrollkamera (20) vorgesehen ist, die auf den Bereich des Schweißpunktes gerichtet ist, und
daß die andere der beiden Laserschweißeinrichtungen (16) wahlweise mit durchgehendem Strahl oder periodisch eine Zusatzschweißung nur dann ausführt, wenn mit Hilfe der Kontrollkamera (20) Schweißfehler bei der Hauptschweißung erkannt worden sind.

2. Rohrschweißanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Laserschweißeinrichtungen (16, 17) einen Laserstrahlaustrittskopf aufweist, der bezüglich der Senkrechten jeweils bis zu 45° gegen die und mit der Produktionsrichtung schwenkbar ist.

3. Rohrschweißanlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine motorische Steuerung für jeden der beiden Laserstrahlaustrittsköpfe.

4. Rohrschweißanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Impulsgeber zur Steuerung der Schweißparameter, der Winkelstellung und der Frequenzzahl des Schweißstrahls der anderen der beiden Laserschweißeinrichtungen (16).

5. Rohrschweißanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Wirbelstromkontrollsensor (21), der in Produktionsrichtung kurz hinter dem Schweißpunkt angeordnet ist.

6. Rohrschweißanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Hochfrequenz- Kontaktschweißeinrichtung (23, 24) mit kleiner Leistung, die zur Vorwärmung der Bandkanten (11) in Produktionsrichtung vor Schweißrollenpaaren (18, 19) der beiden Schweißgerüste (5, 6) angeordnet ist.