DE19720961C1 - Verfahren zur Wurzel-Schweißbadsicherung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wurzel-Schweißbadsi­ cherung, insbesondere beim Stumpf-Schweißen zweier Rohre, bei dem die Schweißnaht im Innern der Rohre zur Vermeidung des Durchfallens/Durchbrennens und zur Verhinderung einer unzuläs­ sig starken Wurzelüberhöhung zum Inneren des Rohres abgestützt wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens.

Miteinander fluchtende Rohre werden mit Stumpfnähten durch Schweißen verbunden, wobei diese Stumpfnähte in der Regel I- oder V-Nähte sind.

Speziell bei V-Nähten ist die erste Schweißlage die Wurzellage. Die Schweißgeschwindigkeit bei der Herstellung der Wurzellage ist gegenüber den folgenden jagen stark vermindert, um ein Durchfallen bzw. Durchbrennen des flüssigen teigigen Schweiß­ gutes zu vermeiden.

Es ergibt sich jedoch bei der Herstellung der Wurzellage zum Innern des Rohres eine Wurzelüberhöhung, die von besonderer Be­ deutung ist. Die zulässigen Toleranzen für die Überhöhung sind durch die DIN EN 25817 vorgeschrieben.

Die Überhöhung h ist bei der höchsten Bewertungsgruppe B: h ≦ 1,0 mm + 0,3 b, wobei b die Breite des Schweißnahtspaltes ist. Maximal darf die Überhöhung 3 mm betragen.

Diese Forderung wird beim vollmechanischen Schweißen in der Re­ gel gut erreicht. Erforderlich ist hierbei jedoch eine exakte Schweißnahtvorbereitung. Darüber hinaus müssen durch Versuche und Verfahrensprüfungen ermittelte Schweißparameter festgelegt werden.

Wird die Wurzelschweißung durch einen Schweißer manuell ausge­ führt, ist die Wurzelausbildung und die Güte hierbei allein von der Handfertigkeit des Schweißers abhängig. Weist die Wurzel­ form nach innen zu große Überhöhungen auf, ist eine Nachbear­ beitung wegen der Unzugänglichkeit zum Innern des Rohres nur mit großem Aufwand - wenn überhaupt - möglich.

Zur Verhinderung einer zu großen Wurzelüberhöhung werden Schweißbadsicherungen verwendet, beispielsweise in Form von Alu-Folien, die zum Teil mit Pulver beschichtet sind und die von innen im Schweißnahtbereich an die Rohrinnenwand geklebt werden. Diese Art der Schweißbadsicherung ist meist nur befrie­ digend. Zudem muß für jeden Schweißvorgang, abhängig vom Rohrinnendurchmesser, jeweils ein neuer Alu-Folien-Streifen entsprechender Länge vorbereitet und eingeklebt werden, was den zeitlichen Aufwand in der Vorbereitungsphase erhöht.

Das gleiche gilt für die zweite bekannte Art der Schweißbadsi­ cherung, die darin besteht, daß der Schweißnahtspalt auf seiner gesamten Länge von entsprechend dimensionierten, in das Rohrin­ nere eingebrachten metallischen oder keramischen Ringen abge­ deckt wird. Diese Ringe müssen formschlüssig eingepaßt werden, so daß für jeden Rohrinnendurchmesser ein spezieller Ring mit entsprechendem Außendurchmesser zur Verfügung stehen muß. Der­ artige Ringe sind zur Abstützung bei Rohren kleinen Innendurch­ messers und bei Serienfertigung in der Regel nicht geeignet, da der Ring nach dem Schweißen entfernt werden muß. Das Herauszie­ hen eines metallischen Ringes wird durch die Nahtüberhöhung selbst verhindert. Keramische Ringe können nur durch Zerbrechen entfernt werden.

Zu diesen Nachteilen kommt der Nachteil der erforderlichen La­ gerhaltung von Ringen verschiedenen Materials und verschiedener Größe, da ausgehend vom Rohr-Außendurchmesser infolge der mög­ lichen Wanddicken der Rohre bis zu 25 verschiedene Rohrinnen­ durchmesser vorliegen. Die hierbei noch zu berücksichtigenden Toleranzen der Durchmesser sowie der Wanddicken erfordern, daß jede Rohrverbindung exakt ausgemessen werden muß, um ein form­ schlüssiges Anliegen eines Ringe an der Rohrinnenwand zu errei­ chen, was bei Rohren mit größerer Ovalität zumeist scheitert.

Aus diesen Gründen werden verbleibende eingepaßte Ringe nur bei Einzel- bzw. Sonderfertigungen eingesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu führen, daß die Schweißbadsi­ cherung leicht aus dem Rohrinneren zu entfernen ist und für die hierfür erforderlichen Abstützelemente keinerlei Lagerhaltung erforderlich ist und die Vorbereitungen für die Schweißbadab­ stützung auf ein Minimum reduziert sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch, daß während des Schweißens die Abstützung lediglich im Bereich unterhalb des Schweißbades er­ folgt, wobei die Abstützung durch Reibung an der Rohrinnenwand bei der Relativbewegung zwischen Rohr und Schweißeinheit selbsttätig mitgeführt und nach Beendigung des Schweißvorgangs von der Schweißnaht wegbewegt und aus dem Rohr herausgefahren wird.

Die Erfindung wird darüber hinaus durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, die gemäß Patentanspruch 3 durch ein kreisscheibenförmiges Abstützelement gegeben ist, das am freien Ende eines axial in das Rohr einfahrbaren Auslegers lose drehbar gelagert ist und das Abstützelement einen Durch­ messer aufweist, der kleiner ist als der Rohrinnendurchmesser.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem in der Vorberei­ tungsphase des Schweißvorgangs der Nahtbereich auf seiner ge­ samten Länge individuell abgestützt werden muß, wird beim er­ findungsgemäßen Verfahren lediglich der Bereich abgestützt, in dem sich das noch flüssige Schweißbad befindet. Dadurch, daß die Abstützung dem Schweißbad selbsttätig nachgeführt wird, ist zum einem gewährleistet, daß eine Schweißnahtvorbereitung be­ züglich der Abstützung praktisch nicht erforderlich ist, und zum anderen, daß die Abstützung problemlos aus dem Rohrinneren herausgefahren werden kann, wenn der Schweißvorgang beendet ist.

Als Abstützelement wird erfindungsgemäß dabei eine metallische oder keramische Scheibe eingesetzt, deren Außendurchmesser um ein bestimmtes Maß kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres, wobei die Scheibe am Ende eines in das Rohrinnere ein­ fahrbaren Auslegers lose drehbar gelagert ist. Nach Einfahren des kreisscheibenförmigen Abstützelements in den Bereich der Schweißnaht wird die Scheibe mit ihrer Stirnfläche an die Rohrinnenwand gelegt, und zwar in Höhe des Schweißortes. Wird nun das Rohr relativ zur Schweißeinheit (Handschweißgerät oder Automat) verdreht, wird das Abstützelement infolge der Reibung zwischen dem Rohr und diesem Element in die gleiche Drehrich­ tung mitgenommen. Das Element befindet sich mit der Bewegung einer Hypzykloide stets unterhalb des Schweißbades.

Dabei ist die Scheibe auf ihrem Umfang mit einer Bandage verse­ hen, die je nach Material und Schweißart entweder aus Metall, beispielsweise Kupfer, oder aus Keramik bestehen kann.

Vorteilhafterweise ist das Abstützelement gemäß Anspruch 8 am Ende des Auslegers in radialer Richtung federunterstützt gela­ gert. Hierdurch ist es möglich, die Wirkkraft des Abstützele­ ments auf die Rohrinnenwand zu vergleichmäßigen, was insbeson­ dere bei Rohrabweichungen infolge Ovalität von großem Vorteil ist.

Von besonderem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Tatsache, daß das Abstützelement wiederverwendet werden kann, und daß Feinabstufungen infolge verschiedener Wanddicken entfallen, was zum einen durch die federnde Lagerung des Ab­ stützelements und zum anderen durch das Merkmal des Pa­ tentanspruchs 9 gewährleistet ist, daß nämlich der Ausleger an seinem dem Abstützelement abgewandten Ende in einer Vertikal­ führung angeordnet ist.

Hierdurch läßt sich nach dem Einfahren des Auslegers mit an seinem Ende befindlichem Abstützelement in das Rohrinnere, wel­ ches zentrisch mit der Achse des Rohres bis zum Schweißbadpunkt erfolgt, das Abstützelement unabhängig vom Rohrinnendurchmesser immer mit dem richtigen Andruck an die Rohrinnenwand anlegen.

Die Verstellung des Auslegers erfolgt dabei in bevorzugter Weise gemäß Patentanspruch 10 mit Hilfe eines Spindelantriebs. Diese Spindel kann handbetätigt aber auch motorbetrieben sein.

Der Schweißvorgang kann dabei bei feststehendem Rohr mit einer um das Rohr herumfahrbaren Schweißeinheit erfolgen, wobei die Bewegung der Schweißeinheit mit der Bewegung der Kreisscheibe gekoppelt ist.

In bevorzugter Weise ist jedoch die Einrichtung zum Positionie­ ren des Rohres und zur Ausführung der Relativbewegung zwischen Schweißeinheit und Rohr gemäß Anspruch 11 ein Spannfutter, in das das Rohr eingespannt wird, welches einen Drehantrieb auf­ weist, mit dessen Hilfe das Rohr unter der stationären Schweiß­ einheit verdreht wird.

Da das Abstützelement beim Schweißvorgang selbsttätig mitge­ führt wird und Toleranzen in der Rohrform selbsttätig aus­ gleicht, kann die Schweißnaht-Wurzelform mit Minimal-Toleranz nach DIN EN 25817 vorgegeben sein.

Darüber hinaus kann die Wurzellage ohne reduzierte Schweißpara­ meter geschweißt werden.

Ein Luftspalt zwecks Durchschweißung ist nicht erforderlich.

Gemäß Anspruch 12 ist vorgesehen, daß der Ausleger um seine Mittellängsachse verschwenkbar ist.

Hierdurch kann der Schweißpunkt des Schweißbades erforderli­ chenfalls durch eine Schwenkung des Auslegers um seine Achse radial in eine Uhrzeit-Schweißposition (zum Beispiel 2 Uhr) verdreht werden. Somit kann erreicht werden, die Nahtschweißung in eine "fallende" oder "steigende" Position zu bringen, was sich auf den Einbrand des Lichtbogens in das Material auswirkt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen darge­ stellt und näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Seitenansicht,

Fig. 2 in Rohraxialrichtung gesehen ein im Innern des Rohres angeordnetes Abstützelement,

Fig. 3 Schnitt entlang der Linie A-B aus Fig. 2,

Fig. 4 Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit Abstützrolle.

In der Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Wurzel-Schweißbadsiche­ rung beim Stumpf-Schweißen zweier Rohrstücke 2 und 3 darge­ stellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen.

Sie besteht aus einem in Rohrachs-Richtung auf einem nicht dar­ gestellten Schlitten verschiebbaren Gestell 4.

Oben am Gestell 4 ist ein horizontal vorkragender Ausleger 5 befestigt, und zwar in einer Vertikalführung 6. Verstellbar ist der Ausleger 5. in dieser Vertikalführung 6 mit Hilfe eines Spindelantriebs 7, der beispielsweise über ein Handrad 8 betä­ tigbar ist.

Am freien Ende des Auslegers 5 ist in einer Vertikalführung 9 ein kreisscheibenförmiges Abstützelement 10 lose drehbar gela­ gert, wobei die Lagerung durch Federelemente 11 unterstützt ist.

Die Fig. 1 gibt die Situation wieder, in der das Abstützelement 10 mit dem Ausleger 5 in die Arbeitsstellung gefahren ist. Es befindet sich auf Höhe der Verbindung der beiden Rohrstücke 2 und 3, die aneinander geheftet sind. Eingespannt ist das Rohr 2 in ein Drehfutter 12.

Das Abstützelement 10 weist einen Außendurchmesser auf, der um ein bestimmtes Maß kleiner ist als die Innendurchmesser des Rohres 2, 3.

Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist auf dem Umfang der Kreisscheibe 13 des Abstützelements 10 eine Bandage 14 befe­ stigt. Die Bandage 14 besteht aus Metall oder Keramik. Auch die Scheibe 13 kann alternativ aus Metall oder Keramik bestehen.

Die Verfahrensführung läuft folgendermaßen ab:
Die beiden zu verschweißenden Rohrstücke 2, 3 werden zunächst geheftet und dann in das Drehfutter 12 eingespannt.

Daraufhin wird das Abstützelement 10 mittels Gestell 4 seitlich in das Rohr 2, 3 hineingefahren, wobei die Scheibenachse 15 und die Achse 16 des Rohres 2, 3 zusammenfällt.

Ist der Schweißort - die V-Schweißnaht - erreicht, wird der Ausleger 5 durch Betätigung des Spindelantriebs 7 radial in Richtung Rohrinnenwand verfahren, so daß sich das Abstützelement 10 über die Kraft des Federelements 11 gegen die Rohrinnenwand drückt (Position in Fig. 1).

Mit dem Start des Drehfutters 12 und gleichzeitigem Zünden des Schweißlichtbogens einer nicht dargestellten Schweißeinheit be­ ginnt der Schweißablauf. Mit 17 ist das flüssige bis breiige Wurzel-Schweißbad in der V-förmigen Schweißnaht gekennzeichnet.

Das Rohr 2, 3 wird durch die Drehbewegung des Drehfutters 12 unter der Schweißeinheit vorbeibewegt. Die Rotationsrichtung des Rohres 2, 3 ist mit 18 bezeichnet.

Durch Reibung des Abstützelements 10 an der Rohrinnenwand wird dieses in die gleiche Richtung (s. Pfeil 19) mitgenommen und befindet sich mit seiner Auflagefläche stets unterhalb des Schweißbades 17, wobei der Berührungspunkt 20 des Abstützele­ ments 10 mit der Rohrinnenwand eine Hypozykloide beschreibt.

Ist die Wurzellage vollendet, wird durch den Spindelantrieb der Ausleger 5 zusammen mit dem Abstützelement 10 wieder im Rohr 2, 3 zentriert, woraufhin das Abstützelement aus dem Rohr 2, 3 herausgefahren wird und für den nächsten Schweißvorgang sofort wieder zur Verfügung steht.

Durch den Pfeil 21 ist angedeutet, daß der Schweißpunkt bei Be­ darf auch in eine Uhrzeit-Schweißposition (zum Beispiel 2 Uhr) gelegt werden kann, indem der Ausleger 5 um den entsprechenden Betrag um seine Mittellängsachse 15 verschwenkt wird.

In der Fig. 4 schließlich ist der Ausleger 5 mittels einer ver­ schwenkbaren Rolle 22 gegen die Rohrinnenwand abgestützt, wenn dies bei besonders langem Rohr 3 und der damit verbundenen Überlänge des sich durchbiegenden Auslegers 5 erforderlich ist. Die Verschwenkung der Rolle 22 erfolgt dabei über eine ge­ eignete Mechanik vom Gestell 4 her.

Claims (13)

1. Verfahren zur Wurzel-Schweißbadsicherung, insbesondere beim Stumpf-Schweißen zweier Rohre, bei dem die Schweiß­ naht im Innern der Rohre zur Vermeidung des Durchfal­ lens/Durchbrennens und zur Verhinderung einer unzulässig starken Wurzelüberhöhung zum Inneren des Rohres abgestützt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schweißens die Abstützung lediglich im Be­ reich unterhalb des Schweißbades erfolgt, wobei die Ab­ stützung (10) durch Reibung an der Rohrinnenwand bei der Relativbewegung zwischen Rohr (2, 3) und Schweißeinheit selbsttätig mitgeführt und nach Beendigung des Schweißvor­ gangs von der Schweißnaht wegbewegt und aus dem Rohr (2, 3) herausgefahren wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2, 3) bei stationärer Schweißeinheit eine Rotationsbewegung um seine Längsachse (16) und dabei die Abstützung (10) eine hypozykloidische Bewegung ausführt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahreris nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einer Schweißeinheit und einer Einrichtung zum Positionieren der miteinander zu ver­ schweißenden Rohrstücke, wobei mittels dieser Einrichtung eine Relativbewegung zwischen Schweißeinheit und Rohr re­ alisierbar ist, gekennzeichnet durch ein kreisscheibenförmiges Abstützelement (10), das am freien Ende eines axial in das Rohr (2, 3) einfahrbaren Auslegers (5) lose drehbar gelagert ist und das Abstütze­ lement (10) einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Rohrinnendurchmesser.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Abstützelements (10) größer ist als der Innenradius des Rohres.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kreisscheibenförmige Abstützelement (10) auf sei­ ner Umfangsfläche mit einer Bandage (14) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützelement (10, 13) bzw. die Bandage (14) aus Metall besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützelement (10, 13) bzw. die Bandage (14) aus Keramik besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstützelement (10) am Ende des Auslegers (5) in radialer Richtung federunterstützt gelagert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger (5) an seinem dem Abstützelement (10) ab­ gewandten Ende in einer Vertikalführung (6) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger (5) mittels Spindel (7) in der Vertikal­ führung (6) verstellbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Positionieren des Rohres und zur Ausführung der Relativbewegung zwischen Schweißeinheit und Rohr ein Spannfutter (12) ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger (5) um seine Mittellängsachse (15) ver­ schwenkbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausleger (5) mittels mindestens einer schwenkbar angeordneten Rolle (22) im Rohr (2, 3) abstützbar ist.