DE19844760A1 - Laserstrahlschweißkopf zur Innenrohrschweißung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen rotationsfähigen Laserstrahlschweißkopf(4), um an Rohren (1, 2) von innen eine ringförmige Schweißnaht anzubringen. Eine konstante Fokuspositionierung wird erreicht, indem ein in direkter Nähe unterhalb oder oberhalb des Strahlaustrittsfensters (6) starr angebrachter Rollkörper (11) durch federnd gelagerte Gegenrollkörper (12) mit gleichbleibender Kraft an die Rohrwand (22) in Nähe des Schweißbereichs angedrückt wird. Dabei befinden sich der Rollkörper (11) und die Gegenrollkörper (12) in verschiedenen Querschnittsebenen des Laserstrahlschweißkopfes (4).

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserstrahlschweißkopf, der da­ für vorgesehen ist, an der Innenfläche eines Rohres Schweiß­ arbeiten auszuführen. Insbesondere dient der Laserschweißkopf dazu, in einem vorhandenen Rohrsystem eine tangential verlau­ fende Schweißnaht zu legen, z. B. um Rohrstücke einzuschweißen oder Rohre an den Rohrmuffen zu verschweißen.

Ein besonderes Einsatzgebiet für die Erfindung liegt im Be­ reich der Kernreaktortechnik, z. B. Lecks in Austauscherrohren oder andere Schäden in einem Rohrleitungssystem zu beheben. Hierzu wird üblicherweise in das Austauscherrohr eine Dich­ tungsmuffe eingeschoben, deren Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Austauscherrohres. Beide werden dann gemeinsam an den Stellen, an denen sie miteinan­ der verschweißt werden sollen, von innen aufgeweitet (z. B. hydraulisch) und die Muffe liegt dicht an. An diesen Aufwei­ tungen wird dann die Muffe mit dem Rohr verschweißt.

Hierzu wird allgemein ein rotationsfähiger Laserstrahl­ schweißkopf in das zu schweißende Rohr eingeführt und bis zur gewünschten Stelle gefahren. Dann wird ein Laserstrahl von einer externen Erzeugerquelle in den Schweißkopf geleitet. Soweit es sich um eine hinreichend kurzwellige Laserstrahlung handelt, können hierzu Lichtleitfasern verwendet werden. Bei langwelligen Laserstrahlen, die z. B. durch einen CO₂-Laser erzeugt werden können, ist eine Spiegeloptik vorgesehen. Der Laserstrahl wird dann im wesentlichen parallel zu einem den Schweißkopf tragenden Gestänge parallel zur Längsachse des Rohres in den Schweißkopf geleitet und durch eine geeignete Optik so umgelenkt, daß er seitlich aus dem Laserstrahl­ schweißkopf austreten und auf einen gewünschten, in der Regel möglichst punktförmigen Brennfleck auf der Rohrinnenseite ge­ langen kann. Neben einem Austrittsfenster im Laserstrahl­ schweißkopf ist also eine Umlenkoptik für den Laserstrahl vorgesehen, z. B. ein durch Umlenkspiegel oder Umlenkprismen (je nach Strahlqualität und Intensität). Bisher muß der La­ serstrahl auch durch eine geeignete Optik fokussiert werden. Die engen räumlichen Verhältnisse in solchen Rohren lassen dabei nur kurze Brennweiten zu, also nur einen Laser-Strahl mit kurzer Taille. Damit die nötige Energiedichte sicherge­ stellt ist, darf sich also der Abstand der Fokussierungsop­ tik, z. B. eines-entsprechenden Umlenkspiegels ("Fokussierspiegel"), von der Rohrinnenwand nicht wesentlich ändern. Dabei kann es häufig wünschenswert sein, daß die Ein­ schnürung ("Taille") des Strahls nicht direkt auf der Innen­ fläche des Rohres liegt, sondern kurz darunter, z. B. auf der Grenzfläche der erwähnten Dichtungsmuffe mit einem defekten Austauscherrohr.

Um eine Schweißnaht zu erzeugen, wird der eingefahrene Schweißkopf mit dem Laserstrahl bewegt, z. B. bei einer Längs­ naht in axialer Richtung verschoben oder bei einer ringförmi­ gen Schweißnaht gedreht.

Der Durchmesser der Strahltaille wird von der verwendeten Op­ tik und der Wellenlänge des Laserlichtes bestimmt und kann aus theoretischen Gründen nicht kleiner werden als eine Wel­ lenlänge des verwendeten Laserlichtes. Die Länge der Strahl­ taille wird im wesentlichen mitbestimmt durch den Winkel des zur Taille zulaufenden Strahlenkegels. Je spitzer dieser Ke­ gelwinkel wäre, desto länger würde die Laserstrahltaille. Die räumlichen Verhältnisse lassen aber nur stumpfe Kegelwinkel und entsprechende kurze Taillen zu, da die Rohre häufig Durchmesser von weniger als 4 cm (z. B. 2 cm oder darunter) haben.

Am häufigsten wird der Laserstrahlschweißkopf im zu schwei­ ßenden Rohr zentriert, d. h. die Rotationsachse des Laser­ strahlschweißkopfes soll mit der Längsachse des zu schweißen­ den Rohres zusammenfallen.

So schlägt die EP 0 642 874 A1 für das Verschweißen von zwei Rohren die folgende Zentrierung des Laserstrahlschweißkopfes vor: Der Schweißkopf sitzt drehbar am Ende eines Gestänges, und kann durch eine im Gestänge verlaufende Welle und einen Zahnradantrieb um die Längsachse gedreht werden. An der Ober­ seite des Schweißkopfes ist wiederum drehbar die Zentriervor­ richtung angebracht. Sie besteht im wesentlichen aus drei Rollen, deren Rotationsachsen senkrecht zur Rotationsachse des Laserstrahlschweißkopfes stehen, ohne die Rotationsachse des Laserstrahlschweißkopfes zu schneiden. Die Rollen drehen sich also nur dann, wenn der Laserstrahlschweißkopf in Rich­ tung der Längsachse des Rohres verfahren wird. Sie sind fe­ dernd gelagert und gleichen somit Unterschiede der Rohrdurch­ messer aus; jedoch liegen sie, wenn die axiale Schweißposi­ tion erreicht ist, an der Rohrinnenfläche an und fixieren so­ mit die Achse des Laser-Schweißkopfes beim Drehen, ohne sich selbst mitzudrehen.

Eine Zentrierungsvorrichtung dieser Art ist nicht in der Lage, etwaige Unrundheiten des Rohres in Umfangsrichtung aus­ zugleichen. Ist das Rohr z. B. ovalförmig, so kann die um die fixierte Drehachse rotierende Fokussierungsoptik den sich bei der Rotation ändernden Abstand zur Rohrinnenwand nicht aus­ gleichen.

Daher wird in der EP 0 238 171 B1 eine andere Vorrichtung vorgeschlagen, die CO₂-Laser verwendet und die Fokussierungs­ optik in einem konstanten Abstand zum jeweiligen Brennfleck führt. Der Laserstrahlschweißkopf ist durch ein Gestänge in das Rohr eingeführt und wird mitsamt dem Gestänge, auf dem er sitzt, gedreht. Dabei wird der Laserstrahl über ein System von Spiegeln in den Schweißkopf geleitet und dort durch einen Fokussierungsspiegel um 90° abgelenkt, bis er durch ein Aus­ trittsfenster im Schweißkopf auf das Rohr trifft.

Um stets einen konstanten Abstand zwischen Fokussierungsspie­ gel und Werkstückoberfläche zu gewährleisten, ist oberhalb des Strahlaustrittsfensters im Schweißkopf ein sogenanntes "Kugelkolbenmittel" angebracht. Dieses besteht im wesentli­ chen aus einem Gewindebolzen, der in den Laserstrahlschweiß­ kopf eingeschraubt ist. In der Längsachse des Gewindebolzens befindet sich eine zur Schweißkopfaußenseite hin offene Boh­ rung mit einer Spiralfeder, auf der zur Außenseite des Schweißkopfes hin eine kleine Kugel sitzt, die gegen die Rohrwand gedrückt wird. Eine andere Feder spreizt einen He­ bel, der auch die gegenüberliegende Seite des Schweißkopfes gegen die Rohrinnenfläche drückt. Das Kräftegleichgewicht zwischen den Federn soll einen konstanten Abstand zwischen Rohrinnenwand und Fokussierungsspiegel gewährleisten und Un­ rundheiten des Rohrinnenquerschnitts ausgleichen.

Alternativ können auch statt des federbelasteten Hebels meh­ rere federbelasteten Stifte und statt des Kugelkolbenmittels eine Walze verwendet werden. Die Rotationsachse der Walze ist parallel zur Rotationsachse des Schweißkopfes und die Walze rollt auf der Rohrinnenwand ab, wenn der Schweißkopf rotiert.

Die Hebel oder Stifte der EP 0 238 171 B1 gewährleisten nur dann einen gleichmäßigen, ruckfreien Umlauf des Laserstrahl­ schweißkopfes, wenn - wie in dem bezeichneten Patent vorgese­ hen - die Rotation des Schweißkopfes über eine starre Verbin­ dung zwischen diesem und einem außerhalb des zu verschweißen­ den Rohres liegenden Antriebs bewirkt wird. Bei einem flexi­ blen Antrieb des Laserstrahlschweißkopfes erweist sich dieses System jedoch als ungeeignet. Unter einem flexiblen Antrieb wird verstanden, daß nur der Laserstrahlschweißkopf rotiert, das ihn tragende Gestänge jedoch an der Rotation nicht teil­ nimmt.

Ein flexibler Antrieb ermöglicht den Einsatz von Lichtleitfa­ sern. Die Vorteile der Lichtleitfasern zum Einleiten des La­ serstrahls in den Schweißkopf setzen aber voraus, daß das verwendete Laserlicht in einem entsprechenden Wellenlängenbe­ reich liegt, der z. B. von einem CO₂-Laser nicht erzeugt wird.

Um andererseits eine zuverlässige Schweißnaht zu erzeugen, muß eine gleichmäßige Rotation des Laserstrahlschweißkopf ge­ wahrt sein. Pickel, Kratzer oder andere Unebenheiten an der Oberfläche des Rohres übertragen bei den in EP 0 238 171 B1 verwendeten Hebeln oder Stiften Kräfte auf den Schweißkopf, die von einem starren Gestänge aufgenommen werden können, ei­ nen flexiblen Antrieb aber aus den Gleichlauf bringen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, einen La­ serstrahlschweißkopf anzugeben, der auch bei unrunden Rohren mit Pickeln, Kratzern oder anderen Unebenheiten stets eine exakte Positionierung des Strahlfokusses in bezug auf die ak­ tuelle Schweißstelle am Rohr gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird hierzu ein Laserstrahlschweißkopf vorge­ schlagen, der mit seinem unteren Ende an einem Träger gehal­ ten ist; insbesondere kann er drehbar am Träger gelagert sein. Dieser Laserstrahlschweißkopf verfügt über ein Gehäuse für eine Laserstrahloptik, die bevorzugt aus einem Umlenk­ spiegel (bevorzugt einem justierbaren Laser-Umlenkspiegel) besteht und den Laserstrahl zugleich fokussiert ("Fokussierspiegel"). Das Gehäuse des Laserstrahlschweißkop­ fes trägt ein Strahlaustrittsfenster und praktisch unmittel­ bar unterhalb oder oberhalb des Strahlaustrittsfensters einen nach außen vorstehenden Rollkörper (z. B. einer Rolle). Wird der Schweißkopf in ein Rohr eingeführt und dort gedreht, so rollt die Außenfläche des Rollkörpers beim Drehen auf der In­ nenfläche des Rohres ab. Die Rotationsachse des Rollkörpers ist dabei parallel zur Rotationsachse des Gehäuses. Der Roll­ körper ist in einer starren Position am Gehäuse gelagert, so daß der Abstand zwischen den Rotationsachsen des Gehäuses und des Rollkörpers stets konstant ist. Durch das Gehäuse wird auf diesen Rollkörper eine stets gleichförmige Kraft übertra­ gen. Diese Kraft drückt den Rollkörper an die Innenwand des zu bearbeitenden Rohres bzw. gegen einen Brennflecks auf der Rohrinnenwand und wird durch einen oder mehrere federnd ge­ lagerte Gegenrollkörper hervorgerufen. Diese Gegenrollkörper sind am Gehäuse so angebracht, daß sie gegen die dem starr gelagerten Rollkörper gegenüberliegende Rohrinnenwandhälfte drücken. Auch sie sind so gelagert, daß sie an der Rohrinnen­ seite abrollen, wenn das Gehäuse gedreht wird, ihre Rotati­ onsachsen sind also ebenfalls zur Rotationsachse des Gehäuses parallel. Die Gegenrollkörper liegen vorzugsweise in einer Querschnittsebene, sind aber jedenfalls in axialer Richtung gegenüber dem starr gelagerten Rollkörper längs der Gehäuse- Längsachse versetzt.

Wird ein derartiger Laserstrahlschweißkopf innerhalb eines Rohres durch seinen Antrieb gedreht, so rollen der Rollkörper und die Gegenrollkörper über die innere Oberfläche des Roh­ res. Dabei muß nur die Rollreibung überwunden werden, Ober­ flächenrauhigkeiten des Rohres spielen praktisch keine Rolle. Dadurch ist eine stets gleichförmige und ruckfreie Rotation des Schweißkopfes gewährleistet. Da der Rollkörper nicht fe­ dernd gelagert ist, ist sein Abstand zur Rotationsachse des Schweißkopfes stets konstant. Da er ebenso wie auch der Fo­ kussierungsspiegel und somit der Laserstrahl an der Rotation des Laserstrahlschweißkopfes teilnimmt, wird gewährleistet, daß die Lage des Laserstrahlfokusses in bezug auf den Roll­ körper und die anliegende Wand des Rohres unverändert bleibt, unabhängig von Durchmesseränderungen des (möglicherweise un­ runden) Rohres.

Die federnd gelagerten Gegenrollen können mit einem relativ großen Spiel ausgestattet werden. Des weiteren können sie mehr oder weniger nah an der Mittelachse des Laserstrahl­ schweißkopfes sitzen. Hierdurch wird eine höhere Flexibilität des Laserstrahlschweißkopfes in bezug auf die Rohrinnendurch­ messer erreicht. Bevorzugt befinden sich bei dem Laserstrahl­ schweißkopf die Gegenrollkörper in einer Querschnittsebene, die im oberen Bereich des Gehäuses liegt. Die Lagerung des Gehäusen-Unterendes am Träger wirkt wie der Drehpunkt eines Hebels, dessen anderes Ende (das freie Ende des Gehäuses) ge­ gen die Rohrwand mit dem Brennfleck gedrückt wird, der daher in einem durch den starr gelagerten Rollkörper definierten Abstand von der Laserstrahloptik gehalten wird. Die zwei Ge­ genrollkörper sind zueinander und jeweils zu dem Rollkörper in Umfangsrichtung des Gehäuses vorzugsweise etwa um 120° versetzt, alle drei Rollkörper sind dann äquidistant über den Umfang des Schweißkopfes verteilt.

Im folgenden soll eine bevorzugte Ausführungsform eines La­ serstrahlschweißkopfes dargestellt werden.

Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Laserstrahlschweißkopfes, zum Teil in Schnittdarstellung, innerhalb einer zu ver­ schweißenden Rohrmuffe;

Fig. 2 einen Querschnitt von Rohrmuffe und Laserstrahl­ schweißkopf senkrecht zur Rohrachse entlang der Schnittgeraden A-A aus Fig. 1.

In Fig. 1 wird ein Laserstrahlschweißkopf innerhalb einer Rohrmuffe 2 gezeigt, die z. B. zur Reparatur in ein leckendes Rohr 1 eines Wärmetauschers eingeschoben ist. Die Muffe 2 wurde (z. B. hydraulisch) bis zur Linie A-A aufgeweitet und ihre Außenseite liegt daher im rechten Bildteil fest an der Innenseite des Rohres 1 an. Rohr 1 und Muffe 2 werden an der Stelle B längs ihres Rohrumfangs miteinander verschweißt.

Dabei dient ein Laserstrahlschweißkopf 4 mit einem Gehäuse 5 das auf einem Träger mittels eines flexiblen Antriebs 3, der hier nur angedeutet ist, drehbar um seine Längsachse gelagert ist. Vom Träger aus wird mittels Lichtwellenleitern ein La­ serstrahl L in das Gehäuse gelenkt. Im Gehäuse 5 befindet sich ein Strahlaustrittsfenster 6. Der Laserstrahl wird an der Spiegeloberfläche eines Umlenkspiegels 7 umgelenkt und durch das Strahlaustrittsfenster 6 auf die Innenseite des Rohres 2 geleitet. Der Spiegel 7 ist als Fokussierspiegel ausgebildet, der auch die Fokussierung des Laserstrahls auf die Stelle B, den Brennfleck, bewirkt.

Der Fokussierungsspiegel ist hier so ausgelegt, daß die Hauptachse des Laserstrahls um weniger als 90° abgelenkt wird. Dadurch trifft die Mittelachse eines Laserstrahlkegels 8 schräg auf die Oberfläche des Rohres 2. Das Strahlaus­ trittsfenster 6 ist so dimensioniert, daß es den Laserstrahl­ kegel 8 noch ganz durchläßt. Die Positionierung des Umlenk­ spiegels 7 im Gehäuse wird durch eine Halterung 71 erreicht, die auch den Ablenkwinkel einzustellen gestatten. Zum Schutz des Umlenkspiegels 7 ist eine Hülse 9 am Schweißkopfumfang mit der Schraube 91 fixiert.

In Nähe des freien oberen Endes 10 des Laserstrahlschweißkop­ fes 4 sind auf dessen Gehäuse 5 Führungskeile 41 vorhanden, um den Laserstrahlschweißkopf 4 besser durch die Röhrenanordnung zu führen.

Am Gehäuse 5 ist ein Rollkörper 11 angebracht, der die Form eines Rades hat, das zur Radmitte hin dicker wird und durch eine Achse 110 gehalten ist, die in einem Rollkörperlager starr am Gehäuse 5 gelagert ist. Die Position des Rollkörpers ändert sich also nicht in bezug auf das Gehäuse. Mit ihrer vom Gehäuse abgewandten Seite liegt die Rollfläche des Roll­ körpers 11 auf der inneren Oberfläche 22 des inneren Rohres 2 auf und rollt dort ab, sobald das Gehäuse mittels des flexi­ blen Antriebs gedreht wird.

Damit gewährleistet ist, daß der Rollkörper 11 stets mit gleicher Kraft an die Innenseite 22 des Rohres 2 gepreßt wird, sind zwei Gegenrollkörper 12 vorhanden. Diese Gegen­ rollkörper 12 sind ebenfalls wie der Rollkörper 11 so ausge­ richtet, daß sie entlang der Umfangsrichtung des Rohres 2 ab­ rollen können, und weisen die gleiche radähnliche Form auf. Sie sind durch eine (nicht dargestellte) Achse in einem Lager 121 befestigt. Dieses Lager 121 ist federnd mit dem Schweiß­ kopf verbunden.

Die Gegenrollkörper 12 befinden sich in einer Querschnitts­ ebene praktisch am oberen Ende des Schweißkopfes 4. Der Roll­ körper 11 hingegen liegt unmittelbar unterhalb des Strahlaus­ trittsfensters 6. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die zwei Gegenrollkörper 12 zueinander und zum Rollkörper 11 um 120° am Umfangsquerschnitt versetzt angebracht. Dadurch be­ wirkt die dem Rollkörper 11 gegenüberliegende Rohrwandhälfte eine Kraft auf die Gegenrollkörper 12, welche diese über das Gehäuse auf den Rollkörper 11 übertragen. Da die - nicht dar­ gestellten - Federn des Gegenrollkörperlagers 121 so ausge­ legt sind, daß sich die Federkonstante innerhalb des für die Anwendung üblichen Federweges nicht ändert, wird der Rollkör­ per 11 stets mit gleicher Kraft an die Innenwand 22 des Roh­ res 2 angedrückt. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die einmal gewählte Fokuslage des Laserstrahls in bezug auf die Oberfläche 22 stets gleich bleibt.

Die Konstanz der Fokuspositionierung ist bei der beschriebe­ nen Ausführungsform von besonderer Bedeutung. Die Brennweite des Spiegels ist sehr kurz und kann lediglich etwas verlän­ gert werden, wenn die Laserstrahlhauptachse am Spiegel um we­ niger als 90° abgelenkt wird. Dies ist jedoch aus Gründen der Geometrie und der Laserstrahleinkopplung in das Werkstück nur in begrenztem Umfang möglich. Bei einer 90°-Umlenkung kann die Brennweite maximal gleich der Länge des Innenradiuses des zu verschweißenden Innenrohres sein. Dies bedeutet, daß die Brennweite bei einer Anwendung zur Reparatur von Wärmeaustau­ scherrohren üblicher Größe, in der Regel weniger als 1 cm be­ trägt. Wegen des sich hieraus ergebenden stumpfen Strahlke­ gels 8 ist die Strahltaille sehr kurz. Infolgedessen ist die hier erreichte konstante Strahlpositionierung in bezug auf das Werkstück und die ruckfreie Rotation des Laserstrahl­ schweißkopfes 4 unverzichtbar. Unrundheiten des Rohres 2 in seiner Umfangsrichtung werden über den Federweg der Gegen­ rollkörper 12 ausgeglichen.

Claims (7)

1. Laserstrahlschweißkopf (4) mit einem um seine Längsachse drehbaren, am unteren Ende an einem Träger gelagerten Gehäuse (5) mit einem freien oberen Ende (10), einer im Gehäuse (5) gehalterten Laserstrahloptik (7, 71), mit der ein Laserstrahl (L) durch ein Fenster (6) des Gehäuses (5) hindurch auf einen zu erzeugenden Brennfleck (B) auf einer Innenseite (22) eines Rohres (2) lenkbar ist, und einer Fokuspositioniereinrich­ tung, dadurch gekennzeichnet, daß die Fo­ kuspositioniereinrichtung einen am Gehäuse (5) praktisch un­ mittelbar oberhalb oder unterhalb des Fensters (6) starr ge­ lagerten und bei einer Drehung des Gehäuses (5) an der Rohr­ innenseite (22) mit dem Brennfleck (B) abrollbaren Rollkörper (11) und zwei an der dem Brennfleck (B) gegenüberliegenden Innenseite ebenfalls abrollbaren, federnd gelagerten Gegen­ rollkörpern (12), die gegenüber dem starr gelagerten Rollkör­ per axial und praktisch symmetrisch auch tangential versetzt sind und das Gehäuse (5) mit einem durch den starr gelagerten Rollkörper (11) definierten Abstand gegen den Brennfleck (B) drücken.

2. Laserstrahlschweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Roll­ körper (11, 12) Rollen sind.

3. Laserstrahlschweißkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse (5) zylindrisch ist.

4. Laserstrahlschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die La­ serstrahloptik ein Fokussierspiegel (7) ist.

5. Laserstrahlschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenrollkörper (12) und der starr gelagerte Rollkörper (11) etwa äquidistant am Umfang des Gehäuses angeordnet sind.

6. Laserstrahlschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge­ genrollkörper (12) praktisch in einer zur Rohrachse senkrech­ ten Ebene angeordnet sind.

7. Laserstrahlschweißkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge­ genrollkörper (12) praktisch am freien Ende des Gehäuses ge­ lagert sind.