DE19758001A1

DE19758001A1 - Verfahren und Gerätesystem zur schweißtechnischen Fertigung von Großrohren

Info

Publication number: DE19758001A1
Application number: DE19758001A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Titze; Dietmar Kapell; Steffen Dr Ing Keitel
Original assignee: Rohrwerke Muldenstein 06804 Muldenstein De GmbH; ROHRWERKE MULDENSTEIN GmbH
Current assignee: Europipe GmbH
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-12-29
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2017-12-30
Also published as: DE19758001C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerätesystem zur Fertigung von Großrohren, wobei das Großrohr aus einem von einem Coil abgewickelten Band oder Blechen entsteht. Weiterhin betrifft die Erfindung im Zusammenhang mit der schweißtechnischen Fertigung und im Hinblick auf hohe Qualitätsanforderungen die Anordnung der Schweißnaht und die Ausbildung der Fugen.

Das vom Coil abgewickelte Band kann so geformt werden, daß ein Schlitzrohr entsteht. Schlitz rohre werden auch aus einer Platine geformt und mittels Längsnaht verschweißt. Im vorliegenden Fall bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren vorrangig auf die Spiralrohrfertigung. Dement sprechend werden die Spiralrohre durch Abwickeln eines Coils direkt umgeformt und während des Umformvorganges geschweißt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein neues Gerätesystem, welches, bedingt durch seine konstruktive Lösung und durch die Anordnung der entsprechenden Baugruppen, eine präzise Verfahrensdurchführung ermöglicht. Aus dem Verfahren heraus liegt die Schweißnaht schraubenförmig über dem Rohrumfang in der Rohrwand. Vorteilhaft ist hierbei die Lage der Naht außerhalb der Hauptbeanspruchung, die sich aus der Rohrgeometrie bei Innendruck ergibt. Der Anordnung der Schweißnaht und der Form der Fuge kommt in qualitativer Hinsicht eine wichtige Bedeutung zu.

Beim Schweißen der Rohre, d. h. bei Schlitzrohren und bei Spiralrohren, kommen verschiedene Schweißverfahren zur Anwendung.

Bei Schlitzrohren in größerem Durchmesserbereich und Spiralrohren ist ein übliches Schweiß verfahren das Unterpulverschweißen. Hierbei wird der Nahtaufbau in mehreren Lagen sichergestellt. Hinsichtlich des Festigkeitsverhaltens sind herkömmlich geschweißte Rohre durch ähnliche Eigenschaften des Schweißgutes im Vergleich zum Grundwerkstoff gekennzeichnet. Die Dauerfestigkeitseigenschaften werden maßgeblich durch die Lage der Schweißnaht zur Rohraußenfläche bestimmt.

Im Zusammenhang mit dem Laserstrahlschweißen bei der Rohrfertigung wird auf die Patentschrift US 4.800.250 verwiesen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Schlitz rohren beschreibt. Nach entsprechender Formgebung des Rohres wird unter Anwendung eines Lasers das Rohr längsnahtgeschweißt. Die Schweißnaht ist als Stumpfnaht ausgeführt.

Bei der Fertigung von Schlitzrohren aus Edelstahl, bei typischen Blechdicken von 0,5 mm bis 2 mm, kommt das Laserstrahlschweißen ebenfalls zur Anwendung. Das ist bei Edelstahl im Bereich vorgenannter Blechdicken insofern günstig, weil sich hinsichtlich der metallurgischen Eigenschaften im Schweißnahtbereich kaum Veränderungen ergeben. Die Schweißnaht ist dabei stets senkrecht angeordnet.

Eine weitere Anwendung des Laserschweißverfahrens wird in der DE-OS 34 46 280 beschrieben, wobei austenitischer oder ferritischer Cr-Stahl für die Herstellung von korrosions- und wärme beständigen längsnahtgeschweißten rohrförmigen Bauteilen für Abgasanlagen verwendet wird. Die Schweißnahtüberhöhung soll dabei kleiner als 0,2mal Rohrwanddicke sein. Gemäß vorgenannter DE-OS 34 46 280 geht es dann weiterhin um Schritte zur Produktherstellung.

Im Zusammenhang mit dem Laserstrahlschweißen ist es auch bekannt, bei einem vorgeformten Schlitzrohr, welches von einem Metallband abgespult wurde, eine Vorwärmeinheit einzusetzen, welche auf Hochfrequenzbasis das vorgeformte Spaltrohr vor dem Schweißen unterhalb der Schweißtemperatur vorwärmt. Es wird auf die DE-OS 40 17 634 verwiesen.

Weiterhin soll noch auf die DE-OS 195 01 945 hingewiesen werden. Hierbei werden die Band kanten eines längsnahtzuschweißenden Rohres, bei welchem das Band von einem Coil abgewickelt wurde, vorgewärmt. Das Vorwärmen erfolgt mit einem Laser und das Schweißen mit einem zweiten Laser. Da bei diesem Verfahren der Abstand der Laserstrahlen auf der Schweißnahtober fläche 1 bis 5 mm betragen soll, ist es erforderlich, die Laserstrahlen nicht senkrecht zur Schweiß richtung einzubringen.

Letztendlich soll noch auf die DE-OS 36 32 952 eingegangen werden. Es handelt sich um ein Ver fahren und eine Vorrichtung zur Herstellung rohrförmiger Körper, bei dem Stahlband konti nuierlich zu einem Schlitzrohr geformt wird und das Längsschweißen mit einem Laserstrahl er folgt. Durch dicht gegenüberliegende Bandkanten erfolgt mit oder ohne Zufuhr von Zusatzmate rial eine Schmelzschweißung mit nachfolgender gesteuerter Abkühlung und Stauchung. Der Naht bereich wird abgekühlt bis auf maximal eine dem Haltepunkt Ar 3 des Eisenkohlenstoff diagrammes bei C-Stählen oder auf maximal eine der Erstarrung und Dendritenbildung ent sprechende Temperatur bei Edelstählen und/oder austenitischen Materialien. Nach der Abkühlung erfolgt eine Stauchung im Nahtbereich, wobei Stauchweg und Stauchkraft in Abhängigkeit von Stauchvolumen gesteuert werden. Unter Einhaltung dieser Temperaturgrenzen erhält man eine ausreichende Festigkeit und damit Stauchkraftübertragung der Schmelze, vermeidet aber gleich zeitig das Einfrieren von Spannungen im Nahtbereich. Man will mit diesem Verfahren u. a. als Vorteil erreichen, daß durch ein der eigentlichen Schweißung und der darauffolgenden geregelten Abkühlung nachgeschaltetes Stauchen der Schweißnaht eine definierte, vorhersehbare und steuerbare Nahtausbildung erfolgt. Wenn auch in der DE-OS 36 32 952 von einer völlig gleich förmigen Naht gesprochen wird, so stehen andererseits die Stauchwulstvolumina auf der Innenseite zu der Außenseite in einem Verhältnis von 1 : 3 bis 1 : 10. Negative geometrische Einflüs se der Schweißkontur auf das Festigkeits- und Dauerfestigkeitsverhalten sind unverkennbar.

Wie aus der Analyse der hier angesprochenen Verfahren und Vorrichtungen ersichtlich ist, erfüllen sie mehr oder weniger unter Bezugnahme auf die speziellen Aufgabenstellungen ihren Zweck. Wie sich gemäß DE-OS 36 32 952 zeigt sind beim Laserschweißen bereits erhebliche technologische Aufwendungen erforderlich, um bei Rohren mit Wanddicken bis 5 mm und einem Außendurch messer bis ca. 60 mm hohen Qualitätsanforderungen gerecht zu werden, indem der Nahtbereich in seinen Eigenschaften denen des Grundmaterials entspricht. Wie schon gesagt, ergeben sich trotzdem im vorgenannten Falle negative Einflüsse hinsichtlich des Festigkeits- und Dauer festigkeitsverhaltens.

Daher wird die Aufgabe gestellt, schraubenlinig geformte Großrohre aus legiertem und unlegier tem Stahl mit Wandstärken von <4 bis 20 mm und einer Nennweite ≧400 mm unter Anwendung des Laserstrahlschweißens herzustellen. Die Ausführung der Schweißnaht soll sicher negative geometrische Einflüsse auf das Festigkeits- und Dauerfestigkeitsverhalten vermeiden.

Im Zusammenhang mit dem neuen Verfahren soll eine neue Anordnung der Schweißnaht und eine neue Fugenform vorgeschlagen werden.

Die entsprechende gerätetechnische Ausrüstung soll Lösungen beinhalten, wie schraubenlinig geformte Rohre unter Anwendung des Laserstrahlschweißens mit obengenannten Abmessungen hergestellt werden können. Eine hohe Qualität der Großrohre bei der Fertigung mit Hilfe des Laserschweißens ist dabei die wichtigste Prämisse.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt erfüllt, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinde rischen Gedanken auf den Hauptanspruch 1 und den Nebenanspruch 21 verwiesen wird. Die weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung ergibt sich aus den Unteransprüchen 2 bis 20 und 22 bis 25.

Folgende weitere Ausführungen sind zur Darlegung der Erfindung erforderlich.

Das als Coils verwendete gewalzte Bandmaterial oder Bleche mit einer Blechdicke ≧4 mm werden in speziellen Bearbeitungsstationen der Rohrform- und -schweißanlage auf den Schweißprozeß vorbereitet.

Dazu werden die im Ausgangszustand vorhandenen gewalzten Kanten auf die erforderliche Maßgenauigkeit geschnitten und darüber hinaus wird durch spezielle Besäumung die Schweiß kantenform geschaffen.

Mit dem Einformprozeß wird bei Erreichen der Rohrkontur durch den Einsatz eines Hoch leistungslasers als Wärmequelle weitgehend blecheben geschweißt. Als Wärmequelle wird vor zugsweise ein CO₂-Laser verwendet. Erfindungsgemäß kann das Laserstrahlschweißen der Rohre mit und ohne Zusatz von Schweißdraht erfolgen. Im Fall der Verwendung des Zusatzdrahtes wird durch eine intelligente Steuerung der Drahtmengenzufuhr je nach der im Moment gefahrenen Schweißgeschwindigkeit ein solches Verhältnis hergestellt, daß eine nahezu blechebene Ausge staltung der Naht ohne wesentliche Nahtüberhöhung im Rohrkörper eintritt. Eine wenn auch geringe vorhandene Wurzelüberhöhung wird durch Aufschmelzen der lasergeschweißten Wurzel, soweit erforderlich, in einem weiteren Verfahrensschritt nahezu blecheben geglättet. Beispiels weise kann dafür an sich bekannte Gerätetechnik, z. B. ein WIG- oder Plasmagerät, verwendet werden.

Bei der durch die Erfindung nunmehr gegebenen nahezu blechebenen Ausführung der Naht werden bei der marktüblichen Kunststoffbeschichtung der geschweißten Rohre gleichmäßigere Schichtdicken möglich.

Durch die bedarfsgeregelte Zugabe von Schweißdraht wird darüber hinaus das Schweißbad volumen sicher gefüllt und die schädigenden Spannungsspitzen am Nahtübergang bei einer Dauer festigkeitsbelastung verhindert. Das erfindungsgemäße Verhältnis von eingetragener Energie, Schweißgeschwindigkeit und Abkühlgeschwindigkeit erzeugt eine feinkörnige Gefügeausbildung im Schweißgut und in der Wärmeeinflußzone.

Ausgehend davon, daß die als Vormaterial verwendeten gewalzten Stahlbänder oder Bleche als Grundwerkstoffe in verschiedenen Güten ausgeführt werden, kann durch spezielle Wärmeführung und durch Nutzung der Selbstabschreckung eine feinkörnige Gefügeausbildung unterstützt wer den.

Zur Verbesserung der Energiebilanz kann es sinnvoll sein, die Bandkanten und/oder den Schweiß zusatz vorzuwärmen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß eine oder beide Bandkanten vor dem Verschweißen mit einem dosierten Gasstrom, beispielsweise mit Druckluft oder Stickstoff pneumatisch gereinigt werden. Die Reinigung kann zweckmäßigerweise auch durch Absaugen erfolgen. Trotz einer vorange gangenen mechanischen Bandkantenreinigung für Schweißnähte mit hoher Beanspruchung sollen die Bandkanten von evtl. anhaftenden kleinsten Zunderteilchen befreit werden.

Das Problem, daß auch ohne Zusatzwerkstoff geschweißt werden kann, wurde dadurch gelöst, daß durch das Wirken zweier Systeme ein gleichmäßiges Anliegen der beiden zu verschweißenden Bandkanten erreicht wird.

Zum einen ist dies eine allgemein verbesserte Bandkantenbearbeitung bei der Bearbeitung der üblichen warmgewalzten Band- oder Blechkante auf das für die Rohrherstellung notwendige Fertigmaß. Die maßgebliche weitere Verringerung der Rauhigkeit wird jedoch durch den Einsatz geeigneter Bearbeitungssysteme und von oberflächenvergüteten zylindrischen Form-Glättrollen erreicht, die mit einer solchen Belastung angestellt werden, daß das Rauhigkeitsprofil aus der vorangegangenen mechanischen Bearbeitung der Schweißkante beispielsweise durch Scheren oder Fräsen geglättet wird und damit ein Gleiten der Schweißkanten im Schweißstoß ermöglicht wird, wodurch eine optimale Paßgenauigkeit zu einem "Null-Spalt" erreicht wird.

Eine weitere Verbesserung wird durch die Anordnung einer speziell ausgebildeten Schweißstütz rolle unterhalb der eingeformten Bandkanten im unteren Rohrscheitelpunkt erreicht. Ein Tandem-Rollenpaar besteht aus um ein bestimmtes Maß gegeneinander etwas versetzten zwei Rollen, die einzeln in ihrer Höhe so ausnivelliert werden, daß eine optimal tragende Unterstützung der zusammenlaufenden Bandkanten stattfindet. Darüber hinaus ermöglicht die versetzte Ausführung eine möglichst eng nebeneinander liegende Anordnung bzw. die Stützung im unmittelbaren Kantenbereich des Schweißpunktes, was wiederum eine hohe Maßgenauigkeit der Kanten in der Schweißfuge zur Folge hat.

Damit wird eine sehr vorteilhafte Wirkung auf den Schweißspaltbereich erreicht und ein Schweißen ohne Zusatzdraht ermöglicht.

Zum Einformprozeß sind jedoch noch einige Hinweise notwendig.

Die schmale Laserschweißnaht erforderte neue Überlegungen an die gezielte Formung im Kantenbereich. Maßgebend dafür ist die Formgebung der sogenannten Anbiegerollen, die für die Laserschweißung den Anforderungen anzupassen sind. Durch in mehreren Stufen durchgeführte Formänderung der Radien der Rollensysteme wird eine optimale geometrische Form der Rohre gewährleistet.

Die bisher übliche geometrische Form der unteren Anbiegerolle im Prozeß der Rohreinformung kann durch eine starke Krümmung im oberen Rollenbereich zu einer solchen erhöhten plastischen Verformung im unmittelbaren Kantenbereich führen, daß eine Abweichung von der geometrischen Kreisform verursacht wird. Andererseits kann auch eine ungenügende Zustellung der Rollen zuein ander zu einer nicht ausreichenden Vorbiegung der Kanten führen, was ebenfalls eine Abweichung von der Kreisform bewirkt. Die erfindungsgemäße Form dieser Formrollen für die Bandkanten wurde hinsichtlich der Radien so verändert, daß die starke Krümmung im oberen Bereich entfällt und in eine langgestreckte Linie ausläuft.

Erfindungsgemäß kann daher im Zusammenhang mit der weitgehend blechebenen Ausführung der Schweißnaht ein durchgängig zylindrischer Rohrkörper hergestellt werden.

Ganz wesentlich ist beim Verfahren zur schweißtechnischen Fertigung der Großrohre eine weitere zu lösende Aufgabe, die gleichbleibende Positionierung des Schweißpunktes gegenüber einem etwaigen Driften der Schweißkante. Die damit verbundenen Veränderungen des Schweißspaltes beeinflussen beim bislang konventionellen Unterpulverschweißen die angestrebte Güte durch das vergleichsweise um einer Zehnerpotenz größere Schmelzbad der Schweißung nicht gravierend.

Um eine den Toleranzen im Schweißspaltverlauf folgende genaue Regelung der Schweißposition beim erfindungsgemäßen Verfahren zu realisieren, wurde ein fester Bezug zwischen einem Naht/ Spalterkennungssystem und dem Schweißkopf hergestellt. An eine Koppelplatte zum Strahlfüh rungssystem, die die Verstellung in x-Achse (rohrinterne Stellachse) und y-Achse (Höhenachse) ermöglicht, erfolgt die Installation einer optischen Kamera auf den Schweißpunkt in der Art, daß je nach Rohrdurchmesser durch Einbau unterschiedlicher Objektive die erforderliche Auflösung erreicht wird. Durch die Gegenlichtquelle wird der Schweißspalt unmittelbar vor dem Schweißen beleuchtet. Das Maß der Spaltveränderung wird erfaßt und kalibriert. Damit ergibt sich ein neuartiges funktionstüchtiges optisches Naht/Spaltnachsteuerungssystem, welches in Verbindung mit einem leistungsfähigen Computersystem die Steuersignale auswertet und eine entsprechende hochpräzise Nachführung mit schneller Reaktionsfähigkeit erreicht. Tritt durch die Veränderung der Kontur eine Veränderung dem Bandkantendrift ein, wird durch die elektromotorische Korrekturachse so lange kurzzeitig nachgesteuert, bis die Auslenkung wieder den Ausgangszu stand erreicht hat.

Eine besondere Form der Naht, der Schweißfuge oder andere Erfordernisse können eine pendelnde Bewegung des Schweißkopfes erfordern. Dies kann dadurch gelöst werden, daß die beschriebene Kopplung zwischen der rohrinternen x-Stellachse und der winkelverstellbaren Ausführung des Umlenk- und Fokussierspiegels durch ein motorisch oder anders beweglich betrie benes Zwischenstück innerhalb des Strahlenganges angeordnet wird.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß bei ausreichend bemessener Laserstrahlquelle ein durch Strahlteilung in mindestens zwei Laserstrahlbündel gesplitteter Energiestrahl erzeugt wird. Dabei kann der Strahlenverlauf sowohl in zwei nebeneinander als auch zwei zeitlich nacheinander laufende sekundäre optische Strahlengänge erfolgen. Mittels dieses geteilten Strahles können besonders gut dosiert die parallel liegenden und miteinander zu verschweißenden Bandkanten verschweißt werden. Weitere Vorschläge beim Einsatz gesplitteter Energiestrahlen beinhalten:

- Es kann der Strahlenverlauf in einen zum Rohr außen verlaufenden und in einen innen laufenden sekundären optischen Strahlengang geteilt werden. Die geteilten Energiestrahlen treffen in einem Schweißpunkt/Wärmezylinder (Keyhole) innerhalb der Materialdicke aufein ander.
- Es kann der Strahlenverlauf in einen außen verlaufenden und in einen innen laufenden sekundären optischen Strahlengang geteilt werden. Die geteilten Energiestrahlen treffen in um ein bestunmies Maß versetzten zwei Schweißpunkten/Wärmezylindern (Keyhole) auf das Material.

Mit der Strahlteilung erfolgt eine günstige Kornausbildung im Nahtbereich und es werden höchste Nahteigenschaften erreicht.

Bei dem bisher beschriebenen Verfahren wird davon ausgegangen, daß das schraubenlinig geformte Großrohr sich mit dem Schweißspalt im Vergleich zum Fokussierkopf an diesem fortbewegt. Abweichend davon wird vorgeschlagen, daß bei der Rotation eines vor dem Schweißen auf Länge geschnittenen Rohres sich der Fokussierkopf in Richtung Längsachse des zu schweißenden Rohres bewegt. Das optische Naht/Spaltnahtnachsteuerungssystem, welches in Verbindung mit einem leistungsfähigen Computersystem die Steuersignale auswertet, reagiert auf einen geeigneten, beispielsweise optischen Sensor und bewegt sich ebenfalls in Rohrlängsachse.

Erfindungswesentliche Maßnahmen sind weiterhin eine veränderte Nahtlage, woraus sich eine Änderung der Beanspruchungsrichtung der Schweißnaht ergibt. Gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren wird die Nahtlage so verändert, daß die in Rohrumfangsrichtung wirkenden Spannungen nicht mehr ausschließlich senkrecht zur Naht wirken, sondern durch eine als Scher kraft wirkende Komponente gekennzeichnet sind. Damit wird die Schweißnaht nicht mehr senk recht zur Rohrachse angeordnet, sondern weicht wesentlich von der senkrechten Rohrachse ab.

Die Herstellung der Fugenformen erfolgt nach Abwickeln des Stahlbandes vom Coil oder bei Verwendung von Blechen zweckmäßigerweise durch Fräsen oder Scheren. Bei der Bearbeitung der Kanten zur Schweißvorbereitung kann eine gerade, schräge bzw. wie auch immer geartete Profilierung der Kanten in Frage kommen. Diese Fugenformen sind im Wurzelbereich parallel ausgeführt, und in Richtung Rohrinnenseite vergrößert sich die Breite der Fugen. Mit diesen neuen Fugenformen und unter Verwendung von Schweißzusatz wird die weitgehendst blechebene Ausführung der Schweißnaht unterstützt. Die Energieeinkopplung der Hochleistungsenergiequelle erfolgt vorzugsweise einseitig auf der Innenseite des Großrohres, die Wurzelseite liegt am Außendurchmesser. Durch die so gewählte Nahtlage greifen die maximalen Spannungen an der Rohraußenseite in dem Bereich der Schweißnaht an, der durch ein Maximum an elastischer Verformbarkeit gekennzeichnet ist. Aus fertigungstechnischer Sicht ist es denkbar, die Energieein kopplung auf der Außenseite vorzunehmen. Diese Möglichkeit soll hier ausdrücklich mit benannt und beansprucht werden.

Das erfindungsgemäße Gerätesystem zur Fertigung von schraubenlinig geformten Großrohren kann wie folgt charakterisiert werden, wobei auf einige Details, wie auf die Schweißstützrollen (Tandem-Rollenpaar) und die Anbiegerolle im Zusammenhang mit der Verfahrensbeschreibung schon eingegangen wurde.

Durch eine maschinentechnisch notwendige räumliche Trennung zwischen Laserstrahlquelle und Schweißpunkt ist der aus dem Laser tretende sogenannte Rohstrahl auf geeignete Art bis in die unmittelbare Umgebung der Schweißstelle zu führen. Eine solche Führungseinrichtung besteht beispielsweise aus Rohrsystemen. Somit wird der Strahl vor Umwelteinflüssen (Fremdkörper, Staub, Dämpfe) geschützt und ein unkontrollierter Strahlaustritt vermieden.

Das spezielle Merkmal des Gerätesystems besteht darin, daß unterschiedlichste Rohrdurchmesser in Abhängigkeit von einer Auswahl verschiedener Breiten und Einlaufwinkel der Stahlbänder oder Bleche eingeformt werden können und damit das Einlaufgestell mit einem dementsprechend großen Schwenkbereich gegenüber der Achse des eingeformten Rohres versehen sein muß. Zur Vermeidung von Kollisionen zwischen den Systemen "Einformung" und "Laserstrahlführung" werden in den drei kartesischen Koordinaten verstellbare Maschinensysteme vorgeschlagen.

Die tragende statische Funktion übernehmen zwei ausreichend dimensionierte Portalsäulen. Die erforderlichen Verstellungen werden beispielsweise durch einen motorisch angetriebenen Support der Querachse z, der Höhenachse y und rohrinternen Achse x übernommen. Zum Ausgleich der Längenänderungen der Achsen wird die Strahlführung als Kombination zwischen dem starren Rohr einerseits und längenbeweglichen Verbindungsgliedern ausgeführt. Bezugsachse für die Definition der Freiheitsgrade und im weiteren der konstruktiven Gestaltung des Strahlführungs systems ist die Längsachse des eingeformten bzw. geschweißten Rohres. Diese Achse liegt oberhalb des Maschinenfixpunktes, der gleichzeitig Drehpunkt für die Schwenkbewegung des Vormaterialeinlaufes ist und über dem sich der Schweißpunkt der Innenschweißung befindet.

Die Lage der Längsachse ändert sich bei den zu fertigenden unterschiedlichen Rohrdurchmessern nur in ihrem Höherniveau gegenüber dem Fixpunkt. Vorteilhaft ist dabei, daß das beschriebene kinematische System zur exakten Einstellung des fokussierten Laserstrahles in die optimale Schweißposition und der Höhenausgleich für die verschiedenen zu schweißenden Wanddicken über die Höhenachse y erfolgt.

Zur Vermeidung kritischer Einflüsse aus prozeßinternen oder bauwerksbedingten Schwingungen auf den Laserschweißprozeß erfolgt eine schwingungsisolierte Aufstellung sowohl des Tragwerkes und als auch weiterer Systemkomponenten der Strahlenführung.

Eine wesentliche Aufgabe, die Kombination mehrerer Funktionsinhalte mit der präzisen Beweg lichkeit für die Regelung hinsichtlich eines veränderlichen Schweißpunktes, wurde mit der rohr internen Stellachse x gelöst. Die Verwendung eines verfügbaren Achskörpers mit interner Kugel buchsenführung für die Relativbewegung des Strahlausganges und die Fokussierköpfe mit festste hender Brennweite waren für die erfindungsgemäße Aufgabe zu kombinieren und dabei alle Anfor derungen des Laserprozesses zu gewährleisten. Die bevorzugte Ausführung sieht vor, daß ein Strahlführungsrohr innerhalb einer versteiften Stütz- und Schutztraverse parallel zur Rohrachse geführt wird. Unterhalb der Versteifungselemente erfolgt die Ankopplung des Achskörpers an das Strahlführungsrohr, wobei der Achskörper von der tragenden Konstruktion mitgehalten wird. Am Ende des axial verstellbaren Strahlaustrittsrohres aus dem Achskörper wird ein 90°-Spiegel angeordnet, der den Strahl quer zur Rohrachse ablenkt. Hier sitzt nach einem Zwischenrohr ein zweiter Umlenkspiegel der den Strahl zur Schweißstelle lenkt. Ein angeflanschter Fokussierkopf fokussiert dabei den Strahl in Richtung Schweißstelle. Durch die getrennte und gegeneinander winkelversteilbare Ausführung von Umlenk- und Fokussierspiegel wird ein zusätzlicher Freiheits grad für die Einrichtung des Schweißpunktes möglich. Diese Ausführung wurde insbesondere gewählt, um einerseits die beanspruchten und beliebig angegebenen Fugenformen schweißen zu können als auch eine Verschiebung des Schweißpunktes gegenüber der Schwenkachse/Maschinen fixpunkt des Rohreinformsystems jederzeit zu ermöglichen.

Vorteile dieser gewählten Ausführung sind, daß Störeinflüsse durch die Prozeßwärme sicher vermieden werden und die vorgegebenen räumlichen Bedingungen eines Schweißprozesses im Rohrinneren in beliebiger Position eingehalten werden können.

Zusammenfassend läßt sich bis hierher feststellen, daß die erfindungsgemaße Fertigung von Großrohren als Spiralrohre unter Verwendung des Laserschweißens erfolgt, wobei

- die Nahtform weitgehendst blecheben ausgebildet wird
- eine feinkörnige Gefügeausbildung erfolgt und die Festigkeitseigenschaften der Naht denen des Grundwerkstoffes mindestens entsprechen
- die Spiralrohre durchgängig zylindrische Rohrkörper darstellen.

Nachfolgend soll anhand von zwei Ausführungsbeispielen die Erfindung erläutert werden.

Das erste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf das Verfahren und das Gerätesystem zur Großrohrfertigung, das zweite Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Anordnung und Ausbil dung der Fugen.

Hinsichtlich der verwendeten Bezugszeichen wird auf eine gesonderte Bezugszeichenaufstellung verwiesen.

Die Figuren stellen dar:

Fig. 1 das Gerätesystem - Prinzipdarstellung des Einformens

Fig. 2 aus einem Band eingeformtes Spiralrohr, Blickrichtung auf den Fokussierkopf nebst weiteren Bauteilen entgegen der rohrinternen Stellachse x

Fig. 3 Anbiegerolle

Fig. 4 Prinzipdarstellung der Einkopplung des Laserstrahls

Fig. 5 Fugenformen.

1. Ausführungsbeispiel

Von einem Coil wird kontinuierlich Stahlband 4 abgewickelt, welches zur Spiralrohrherstellung unter Anwendung des Laserstrahlschweißens dient. Die Blechdicke ist <5 mm und der Außen durchmesser kann nach der Herstellung <400 mm bis beispielsweise 1400 mm betragen oder auch größer sein, soweit das erfindungsgemäße Gerätesystem entsprechend ausgeführt ist. Es kann auch Dünnband verwendet werden, welches durch sogenanntes endabmessungsnahes Direktgießen mit Online anschließender Walzung ein neuartiges Ausgangsmaterial die Rohrherstellung darstellt. Das Stahlband 4 wird schraubenlinig geformt und es werden die Bandkanten durch Fräsen bearbeitet.

Die tragende statische Funktion des Gerätesystems zur Herstellung der Großrohre übernehmen zwei Portalsäulen 1. Die erforderlichen Verstellungen entsprechend dem Koordinatensystem in x-, y- und z-Richtung werden durch einen motorisch angetriebenen Support 2 realisiert, der Bewegungen entsprechend der rohrinternen Stellachse x, der Höhenachse y und der Querachse z ermöglicht. Die notwendigen Bewegungen bei der Einformung und bei der Laserstrahlführung können damit ausgeführt werden. Beim Einformen von unterschiedlichen Bändern 4 mit verschie dener Breite ist ein Ausgleich einer Längenänderung für den axial verlaufenden Laserstrahl 6 erforderlich. Dazu dienen längselastische Verbindungsglieder, ausgeführt als längenveränderliche Bälge (nicht dargestellt), im Zusammenwirken mit einem starren Strahlführungsrohr (nicht dargestellt).

Wie schon einmal festgestellt, ist die Längsachse 7 des eingeformten bzw. geschweißten Rohres 3 die Bezugsachse für die Definition der Freiheitsgrade. Die Längsachse 7 liegt oberhalb des Maschinenfixpunktes 8, der gleichzeitig der Drehpunkt für die Schwenkbewegung des einzu formenden Bandes 4 ist.

Bei unterschiedlichen Rohrdurchmessern ändert sich die Lage der Rohrlängsachse 7 im Höhenniveau gegenüber dem Maschinenfixpunkt 8. Somit erfolgt nach Umlenkung des axial verlaufenden Laserstrahls 6 nur eine Höhenverstellung auf der y-Achse gegenüber dem Maschi nenfixpunkt 8, um den Laserstrahl 6 am Schweißpunkt 9 in die optimale Schweißposition zu bringen.

Zur Gewährleistung der Gerätefunktion bei veränderlichem Schweißpunkt 9 wird ein Strahl führungsrohr innerhalb einer versteiften Stütz- und Schutztraverse 13 parallel zur Rohrachse 7 geführt. Das Strahlführungsrohr besteht aus einem axial verstellbaren Teil 5 und einem längen unveränderlichen Teil und stellt mit seiner Längsachse die rohrinterne x-Achse dar. Das axial verstellbare Strahlführungsrohr 5 kann mit Hilfe einer motorisch angetriebenen Spindel 12 ver schoben werden.

In Richtung des Laserstrahls befindet sich am Ende des axial verstellbaren Strahlführungsrohres 5 ein 90°-Spiegel 11, der den Strahl quer zur Rohrachse lenkt. Über ein Zwischenrohr 15, angeordnet zwischen dem axial verschiebbaren Strahlführungsrohr 5 und dem Fokussierkopf 17 mit Fokussierspiegel, wird der Strahl zum Schweißpunkt 9 gelenkt. Der Strahlaustritt ist mit dem Positionszeichen 18, eine Düse für Prozeßgas mit dem Positionszeichen 19 und das Zusatzmaterial mit dem Positionszeichen 10 versehen.

Die Höhenverstellung des Fokussierkopfes 17 erfolgt durch die mechanische Verbindung mit einer Koppelplatte 14. Zusammen mit der rohrinternen Stellachse x und somit durch das axial verstellbare Strahlführungsrohr 5 mit interner Kugelbuchsenführung ist eine präzise Beweglichkeit bei der Veränderung des Schweißpunktes 9 gegeben.

Die für die optimale Einformung im Kantenbereich entwickelte Anbiegerolle 20 besitzt eine besondere Krümmung, d. h. die starke Krümmung im oberen Bereich entfällt und läuft in eine langgestreckte Linie aus, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist.

2. Ausführungsbeispiel

Die Bandkanten des Bandes 4 werden durch Fräsen oder Scheren so vorbereitet, daß eine spezielle Anordnung der Schweißnaht und Ausbildung der Fugen erfolgen kann.

Es erfolgt das schraubenförmige Wickeln der Großrohre, wobei auf der Innenseite des Groß rohres 3 der Laserstrahl 6 eingekoppelt wird. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weicht die Einkopp lungsrichtung des Laserstrahls 6 von der senkrechten Rohrachse ab. Die Einkopplung des Laserstrahls 6 mit einem Winkel α von ca. 5 bis 30° in Abweichung von der senkrechten Rohr achse entspricht dem Winkel der Anordnung der Schweißnaht. Gemäß Ausführungsbeispiel erfolgt der Energieeintrag von innen. Mit der Hochleistungsenergiequelle, einem CO₂-Laser, geschieht das Aufschmelzen der Bandkanten, und es erfolgt die Zugabe eines Schweißzusatzes. Nachdem der Schweißprozeß beendet ist, bildet sich entsprechend der eingetragenen Energie, der Schweiß geschwindigkeit und der Abkühlgeschwindigkeit feinkörniges Gefüge.

Die Ausbildung der Fugen 21 ergibt sich aus Fig. 5, wobei vorzugsweise die Fugen so ausgebildet sind, daß die Breite der Fugen im Wurzelbereich gleich ist und sich die Fugenbreite zu der Seite, wo der Laserstrahl 6 eingekoppelt wird, erweitert, siehe Bezugszeichen 21, Variante a, b. Die Zugabe von ausreichendem Schweißgut muß erfolgen.

Die weitgehend blechebene Nahtform wird durch das Laserschweißen an sich und durch die Ausbildung der Fugen möglich.

Bezugszeichenliste

1

Portalsäulen

2

Support

3

schraubenlinig geformtes Rohr

4

zu formendes Band, in eingeformtes Rohr übergehend

5

Strahlführungsrohr - axial verstellbar

6

Laserstrahl

7

Längsachse des eingeformten bzw. geschweißten Rohres

8

Maschinenfixpunkt, entspricht Drehpunkt für die Schwenkbewegung des einzuformenden Bandes

4

9

Schweißpunkt beim Innenschweißen, Schweißstelle

10

Zusatzmaterial

11

90°-Spiegel

12

Spindel - motorisch verstellbar

13

Stütz- und Schutztraverse

14

Koppelplatte

15

Zwischenrohr

16

zweiter Umlenkspiegel

17

Fokussierkopf

18

Strahlaustritt

19

Düse für Prozeßgas

20

Anbiegerolle

21

a Fugenausbildung - Variante a

21

b Fugenausbildung - Variante b

21

c Fugenausbildung - Variante c
x rohrinterne Stellachse
y Höhenachse
z Querachse
α Einkopplungsrichtung des Laserstrahls

Claims

1. Verfahren zur schweißtechnischen Fertigung von Großrohren, wobei das Großrohr aus einem von einem Coil abgewickelten Band oder Blechen besteht mit einer schraubenlinig zur Rohrachse angeordneten Schweißnaht, dadurch gekennzeichnet, daß
zur schweißtechnischen Fertigung der Einsatz eines Hochleistungslasers als Wärmequelle erfolgt,
bei dem Band (4) oder Blech im Kantenbereich durch Formgebung mit Hilfe von Anbiegerollen (20) die Voraussetzung für eine nahezu ideale Kreisform der zu sehweißenden Rohre (3) geschaffen wird und weiterhin durch das anschließende weitgehend blechebene Laserstrahlschweißen ein zylindrischer Rohrkörper entsteht,
die Einkopplung des Laserstrahls (4) auf der Rohrinnenseite erfolgt,
durch eine Gegenlichtquelle der entstehende Schweißspalt unmittelbar vor dem Schweißen beleuchtet wird,
eine auf der x- und y-Achse der Strahlführung beweglich angeordnete Kamera auf den Schweißpunkt (9) derart ausgerichtet ist, daß das Maß der Spaltveränderung erfaßt und kalibriert wird,
ein Naht-Spaltnachsteuerungssystem in Verbindung mit einem Computer die Informationen auswertet und als Steuersignale bereitstellt,
gegebenenfalls ausgehend von den Steuerungssignalen eine Korrektur des Schweißpunktes (9) durch Lageveränderung des Fokussierkopfes (17) derart erfolgt, daß Bewegungen des Fokussierkopfes (17) dem Schweißkantenverlauf beim etwaigen Driften der Schweißkanten entsprechen,
gegebenenfalls ausgehend von den Steuersignaien eine Veränderung der Schweißmaterial zufuhr erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochleistungsenergiequelle vorzugsweise ein CO₂-Laser eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nahtform weitgehend blecheben ausgebildet wird und in Abhängigkeit von der Güte des Grundmaterials für die Großrohre durch ein Verhältnis von eingetragener Energie, Schweißgeschwindigkeit und Abkühlgeschwindigkeit feinkörniges Gefüge im Schweißgut und in der Wärmeeinflußzone gebildet wird und die Einkopplung des Laserstrahls (6) in einem Winkel (α) in Abweichung von der senkrechten Rohrachse y entsprechend dem Winkel der Anordnung der Schweißnaht erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die weitgehend blechebene Ausführung der Naht und eine feinkörnige Gefügeausbildung das Schweißen mit und ohne Schweißzusatz ausgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung des Laser strahls (6) in Abhängigkeit voll der Fugenausbildung auf der Rohraußenseite erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag bei einer freien Wurzelformung einseitig erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vorhandenen Wurzelüberhöhung unter Verwendung von sich bekannten Geräten ein Aufschmelzen der lasergeschweißten Wurzel derart erfolgt, daß die Wurzelüberhöhung nahezu blecheben geglättet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Prozeßgas zur metallischen und geometrischen Beeinflussung der Wurzel eingesetzt wird, indem die Zugabe über die Düse (19) erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Bearbeiten der Bandkanten mit an sich bekannten Bearbeitungsverfahren eine Verringerung der Rauhigkeit erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 wild 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem "Null-Spalt" ein Gleiten der Schweißkanten im Schweißstoß vor dem Schweißen erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verschweißen eine oder beide Bandkanten gereinigt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Schweißgeschwindigkeiten < 1,5 m/min und/oder Blechdicken < 8 mm die feinkörnige Gefügeausbildung durch die Wärmeführung des Schweißprozesses mit Maßnahmen der Vor- und Nacherwärmung unterstützt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schweißpunkt (9) die Bandkanten vorgewärmt werden.

14. Verfallen nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß im oder vor dem Schweißpunkt (9) der Schweißzusatz (10) vorgewärmt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1 und 12, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schweißpunkt (9) die Bandkanten und gleichzeitig der Schweißzusatz (10) vorgewärmt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Strahlteilung der Energie strahl in mindestens zwei Laserstrahlbündel gesplittet wird, diese geteilten Strahlbündel nebeneinander und entsprechend dosiert auf die parallel liegenden zu verschweißenden Bandkanten treffen.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Strahlteilung der Energie strahl in mindestens zwei Laserstrahlbündel gesplittet wird, die geteilten Strahlbündel hintereinander als sekundäre optische Strahlengänge und entsprechend dosiert auf die parallel liegenden zu verschweißenden Bandkanten treffen.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Strahlteilung der Energie strahl in mindestens zwei Laserbündel gesplittet wird, die geteilten Strahlbündel als zum Rohr außen verlaufende und zum Rohr innen verlaufende sekundäre optische Strahlengänge in einem Schweißpunkt innerhalb der zu verschweißenden Fuge aufeinandertreffen.

19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Strahlteilung der Energiestrahl in mindestens zwei Laserbündel gesplittet wird, die geteilten Strahlbündel als zum Rohr außen verlaufende und zum Rohr innen verlaufende optische Strahlengänge an zwei unterschiedlichen Schweißpunkten innerhalb der zu verschweißenden Fugen aufein andertreffen.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schraubenlinig geformte Großrohr vor dem Schweißen auf Länge geschnitten wird, während der Rotation das Großrohr lasergeschweißt wird und sich dabei der Fokussierkopf (17) und ein optisches Naht/Spaltnahtnachsteuerungssystem in Rohrlängsachse bewegt.

21. Anordnung der Schweißnahtausbildung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht in einem Winkel (α) von der senkrechten Rohrachse erheblich abweicht.

22. Ausbildung der Fugen nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Fugen im Wurzelbereich parallel ausgeführt sind und die Fugen (21a, 21b) sich in die Richtung verbreitern, aus welcher der Laserstrahl (6) eingekoppelt wird.

23. Gerätesystem nach Anspruch 1, wobei wer Verwendung von Schutzrohren die Führung eines Laserstrahls erfolgt und zur Bewegung verstellbarer Maschinenkomplexe die drei kartesischen Koordinaten x-Achse als rohrinterne Längsachse, y-Achse als Höhenachse und z-Achse als Querachse Verwendung finden, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Support (2) im Koordinatensystem so angeordnet ist, daß eine Bewegung koordina tengemäß erfolgen kann,
die Längsachse (7) des eingeformten/geschweißten Rohres oberhalb des Maschinenfix punktes (8) liegt,
ein parallel zur Rohrachse (7) angeordnetes Strahlführungsrohr aus einem axial verstell baren Teil (5) und einem längenunveränderlichen Teil besteht,
am Ende des axial verstellbaren Strahlführungsrohrs (5) in Richtung Laserstrahl ein 90°- Spiegel (11) derart befestigt ist, daß der Strahl (6) quer zur Rohrachse über ein Zwischenrohr (15) abgelenkt wird und ein zweiter Umlenkspiegel (16) und Fokussierkopf (17) so angeordnet sind, daß sie den Strahl (6) fokussiert zum Schweißpunkt (9) lenken,
der 90°-Spiegel (11) und der zweite Umlenkspiegel (16) gegeneinander variabel verstellbar angeordnet sind,
eine optische Kamera an einer Koppelplatte (14) mit Verstellmöglichkeiten in x- und y-Achse derart plaziert ist, daß bei unterschiedlichen Rohrdurchmessern durch Verwendung unterschiedlicher Objektive (bzw. Objektive mit regelbaren Brennweiten) die erforder liche Auflösung vor dem Schweißpunkt (9) erreicht wird,
in Bewegungsrichtung des Schweißspaltes vor dem Schweißpunkt (9) am äußeren Umfang des zu schweißenden Rohres eine Gegenlichtquelle derart angeordnet ist, daß sie unmittel baren Lichtkontakt zu der Kamera hat.

24. Gerätesystem nach Anspruch 1 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß sich unterhalb der eingeformten Bankanten im unteren Rohrscheitelpunkt zwei Schweißstützrollen im Sinne eines Tandemrollenpaares befinden, deren Achsen im rechten Winkel zum jeweiligen Einlaufwinkel des einzuformenden Rohres einstellbar sind.

25. Gerätesystem nach Anspruch 1 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß die im Prozeß der Rohrformung verwendeten Anbiegerollen (20) derart ausgeführt sind, daß die Anbiegerollen (20) im Sinne von Formrollen im oberen Bereich in Richtung Bandkante von einer Krümmung in eine langgestreckte Linie auslaufen.