DE19950437C2 - Schweißverbindung sowie Verfahren zum Schweißen von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweißverbindung sowie ein Verfahren zum Schweißen von stumpf aneinander gefügten Werkstückenden, hergestellt mittels eines Laserschweißgerätes.

Beim Schweißen mit kohärentem Licht wird das Laserprinzip angewendet. Dabei werden Ionen eines Kristallgitters oder Atome bzw. Moleküle eines Gases durch Absorption elektromagnetischer Strahlung in ein erhöhtes Energieniveau überführt. Beim stimulierten Rückfall in den Grundzustand kommt es anschließend beim Laser zur Aussendung eines energiereichen kohärenten Lichtes. Durch die Bündelung des kohärenten Lichtes erhält man einen Lichtstrahl hoher Leistungsdichte. Zur Anwendung kommen neben Rubinlaser vor allen Dingen CO₂-Laser sowie YAG-Laser. Jedoch sind auch weitere Lasertypen einsetzbar. Der Laserstrahl kann mittels Spiegel übertragen werden, sofern eine Anfälligkeit gegen Schwingungen und/oder Vibrationen nicht gegeben ist. Vorzugsweise werden jedoch Laser eingesetzt, mit denen der Laserstrahl mittels Glasfaserkabel übertragen werden kann (z. B. YAG-Laser). Neben dem Punktschweißen von mikroelektronischen Anschlüssen, Kontakten, Gehäusen und Thermoelementen findet das Stumpf- und Kehlnahtschweißen mittels Lasergeräten vielfältige Anwendung. Bei der Verbindung von zwei Werkstücken, wie z. B. Blechen, werden diese in aller Regel stumpf aneinander gefügt und dann mittels eines fokussierten Laserstrahles miteinander verschmolzen. Da die Energie des Laserstrahls fokussiert in den Werkstoff eingebracht wird, wirkt die Energiedichte lokal, was zu zwei wesentlichen Vorteilen führt. Zum einen ist ein Verschweißen ohne Zusatzwerkstoffe möglich und zum anderen entsteht eine lediglich minimal örtlich begrenzte Wärmeeinflusszone. Ein weiterer Vorteil des Laserschweißens liegt darin, dass gegenüber den übrigen Schweißverfahren die Schweißgeschwindigkeit mit bis zu 3 m/Min. sehr hoch ist. Die Anwendung des Laserschweißens ist jedoch beschränkt auf Wanddicken, die durch die Verfügbarkeit sowie Leistungsfähigkeit von Laserschweißgeräten vorgegeben sind. Bei der Verbindung von Werkstücken oder Bauteilen wie z. B. von Blechen, die aufgrund der Wanddicke nicht in einem Arbeitsgang laserverschweißt werden können, wird bisher auf konventionelle Schweißverfahren, z. B. mit einer V-Naht oder einem Zusatzwerkstoff, zurückgegriffen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Schweißgeschwindigkeit wesentlich herabgesetzt wird, da der Spalt, beispielsweise einer V-Naht, anschließend mit einer oder mehreren Lagen verfüllt werden muss, bis die Werkstücke über die gesamte Werkstückdicke miteinander verschweißt sind. Insbesondere das Schweißen dieser Füll- und Decklagen ist durch das Pendeln des Schweißgerätes sehr zeitaufwendig und führt nicht selten zu Fehlerproblemen durch beispielsweise Risse infolge zu schnellen Abkühlens.

Die US 4,883,937 offenbart ein Schweißverfahren von dünnen Blechen mittels eines Laserschweißgerätes, deren Dicke ≦ 0,4 mm beträgt.

Aufgabe in der US 4,883,937 ist es vor allem, eine Schweißnahtmittels eines Lasers herzustellen, die keine Defekte oder Löcher in beziehungsweise an der Schweißnaht aufweist und gleichmäßig ausgebildet ist. Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, die Enden der Blenden stumpf aneinanderstoßen zu lassen, einen Einschnitt oder eine Kerbe an mindestens einem Blechende vorzusehen, so dass einerseits ein Teil der Bleche an ihren Enden stumpf zusammenstoßen und zum anderen Teil einen Spalt zwischen den Blechen aufweisen. Anschließend werden die Enden mittels Laserschweißgerät so zusammengeschweißt, dass keine Überstände oder Unterschneidungen auftreten.

In "Weber, J., Laser Offers Key Economies in Heavy Section Welding in: Welding Jorunal, 1983, Seite 23-26" werden Werkstückformen offenbart, die für das Laserschweißen geeignet sind. U. a. sind aus dieser Druckschrift Werkstückenden bekannt, die beidseitig Abschrägungen aufweisen. Als Beispiele für erfolgreiche Laserschweißverbindungen werden auf Seite 25, rechte Spalte unten, Werkstückdicken von 4,8 bis 25 mm angegeben.

Nachteil dieses Standes der Technik ist jedoch, dass der Einsatz der Laserschweißtechnik auf Werkstücke oder Bleche mit relativ geringer Dicke beschränkt und für dickwandige Bauteile oder Werkstücke nicht nutzbar ist, da die Endringtiefe des Laserstrahles begrenzt ist.

Die DD 131 147 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Stumpfschweißverbindungen an großen Bauteilen, die entweder große Fertigungstoleranzen aufweisen oder aufgrund ihrer Größe nicht oder nur mit erheblichem Aufwand derart aufeinander ausgerichtet werden können, um eine einwandfreie Schweißnaht herstellen zu können. Um dieses Problem zu lösen, wird ein Zwischenstück zwischen die zu verschweißenden Werkstücke gebracht und anschließend mit den jeweiligen Enden der großen Bauteile verschweißt. Überstücke des Zwischenstückes werden abgetrennt. Bei dickwandigen Werkstücken kann dieses in der DD 131 147 offenbarte Verfahren nicht eingesetzt werden, da es immer voraussetzt, dass das Zwischenstück, welches mindestens die Dicke der zu verbindenden Bauteile aufweist, mit einer Schweißnaht mit dem jeweiligen Bauteil verbunden wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Vorteile des Laserschweißens auch für dickwandige Bauteile oder Werkstücke insbesondere aus Stahl beim Stumpfschweißen zu nutzen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 9 und 13 gelöst. Die Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.

Die erfindungsgemäße, mittels eines Laserschweißgerätes hergestellte Schweißverbindung von Werkstücken ist dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückenden mindestens eines Werkstückes an mindestens einer Kante teilweise abgeschrägt ausgebildet sind, so dass die aneinanderstoßenden Werkstücke an mindestens einer Seite eine Kerbe ausbilden und dass in dieser Kerbe ein an diese Kerbe angepasstes weiteres Zusatzwerkstück angeordnet ist, wobei dieses Zusatzwerkstück mit den gegenüberliegenden Seiten der aneinanderstoßenden Werkstückenden jeweils mittels einer Schweißnaht verbunden ist und die teilweise aneinanderstoßenden Bereiche der Werkstückenden mit einer weiteren Schweißnaht verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Schweißverbindung hat den Vorteil, dass ohne mehrlagige Füll- und Decklagen als Zusatzwerkstoff der Schweißspalt bei größeren Wanddicken geschlossen ist. Darüber hinaus eine derartige Schweißverbindung beispielsweise gegenüber konventionellen Schmelzschweißverfahren um ein mehrfaches schneller herstellbar und weist gegenüber anderen schnellen Schweißverfahren, wie z. B. Metallaktivgasschweißen (MAG) eine höhere Qualität auf, da Fehlstellen oder Poren etc. vermieden werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die durch zwei Werkstückenden gebildete Kerbe in etwa V-förmig ausgebildet ist.

Desweiteren kann bevorzugt das Zusatzwerkstück an den der Kerbe zugewandten Seiten geometrisch angepasst ausgebildet ist. Dies insbesondere dann, wenn beispielsweise eine wellenförmige Schweißnaht erzeugt werden soll.

Die gesamte Fläche zwischen den Werkstückenden und dem Zusatzwerkstück ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung durch Schweißnähte verbunden. Dadurch wird verhindert, das die Schweißverbindung keine Poren aufweist, die zur Schwächung der Verbindung führen.

Besonders vorteilhaft ist Schweißverbindung für Werkstücke aus Rohren, insbesondere Bohrstangen, Futterrohren und Förderrohren, da z. B. bei dem Einsatz in der Erdöl- und Erdgasindustrie zuverlässig gasdichte Verbindungen von Rohren über die gesamte Betriebsdauer benötigt werden, die durch die erfindungsgemäße Verbindung gewährleistet wird.

Das eine bevorzugte Schweißverbindung zwischen zwei Rohren an ihren jeweiligen Enden über die gesamte Querschnittsfläche der Rohrenden ausgebildet ist, hat den Vorteil, dass eine Schwächung der zusammengefügten Bauteile bzw. Rohre vermieden wird.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schweißverbindung zwischen Werkstücken oder Rohren ausgebildet ist, die eine Wanddicke zwischen 6 und 24 mm, vorzugsweise zwischen 8 und 14 mm aufweisen. Damit können beispielsweise alle in der Erdöl- und Erdgasindustrie üblicherweise verwendeten Rohre mit einer erfindungsgemäßen Schweißverbindung hergestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch geschaffen, dass zwei teilweise aneinanderstoßende Werkstückenden mindestens an jeweils zwei sich gegenüberliegenden Kanten abgeschrägt sind, sodaß sie zwei Kerben bilden, und dass mindestens zwei Zusatzwerkstücke in diesen Kerben angeordnet sind, wobei die Werkstückenden und die Zusatzwerkstücke in Form einer Doppel-Y-Schweißnaht verbunden sind. Mit derartigen Schweißverbindungen können auch dickere Wandstärken der Werkstücke verbunden werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Werkstücke in einem ersten Verfahrensschritt an den Enden jeweils derart ausgebildet werden, dass sich ein aneinanderstoßender Bereich ergibt, sowie mindestens eine Kante der Werkstückenden abgeschrägt wird, so dass ein weiterer, in etwa V-förmiger Bereich ausgebildet wird, der an den aneinanderstoßenden Bereich anschließt, und dass in einem zweiten Verfahrensschritt anschließend an dem aneinanderstoßenden Bereich die Werkstückenden mittels eines Laserschweißgerätes miteinander verschweißt werden und dann in einem dritten Verfahrensschritt in den V-förmigen Bereich mindestens ein Zusatzwerkstück eingelegt und/oder verspannt und/oder geheftet wird und in einem letzten Verfahrensschritt die aneinanderstoßenden Flächen des Zusatzwerkstückes und die abgeschrägten Werkstückenden mittels eines Laserschweißgerätes miteinander verschweißt werden.

Mit diesem Verfahren kann gegenüber konventionellen Schweißverfahren eine schnelle und zuverlässige sowie haltbare und einfache Verbindung geschaffen werden.

Bei einer vorteilhaften Verfahrensvariante sind die Werkstückenden im Verfahrensschritt a) an zwei sich gegenüberliegenden Kanten mindestens eines Werkstückendes abgeschrägt oder angefast, sodaß zwei sich gegenüberliegende in etwa V-förmige Bereiche ausgebildet werden, in die im Verfahrensschritt c) mindestens zwei Zusatzwerkstücke eingelegt und/oder verspannt oder geheftet werden und im Verfahrensschritt d) die aneinanderstoßenden Flächen der jeweiligen Zusatzwerkstücke und der Werkstückenden mittels eines oder mehrerer Laserschweißgeräte miteinander verschweißt werden, sodaß eine Schweißverbindung in Form einer Doppel-Y-Naht geschaffen wird. Damit kann die Verbindung dickerer Werkstücke geschaffen werden, auch wenn die Leistung des Laserschweißgerätes an sich nur geringere Wandstärken zuläßt. Desweiteren kann im Wesentlichen gleichzeitig von beiden Seiten der zusammenzuschweißenden Werkstücke die Verbindung geschaffen werden.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt e) die Stoßflächen der Zusatzwerkstücke miteinander verschweißt werden. Dies hat vor allem den Vorteil, das keine Spalten und damit Schwächezonen oder Korrosionspunkte geschaffen werden. Dies gilt insbesondere bei in Bohrungen abgeteufte Rohren, an die aufgrund der hohen Zug- und Verformungskräfte hohe Anforderungen gestellt werden.

Die Erfindung umfaßt auch Werkstücke insbesondere Rohre oder Rohrtouren, die eine Schweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ausschnittsweise einen Längsschnitt durch eine Schweißverbindung zweier miteinander verschweißten Rohre und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Schweißnaht 3 (A A' in Fig. 1).

Die Werkstücke 1, 2, in diesem Beispiel zwei Rohre, werden in Fig. 1 im Bereich ihrer Werkstückenden 9, 10 stumpf aneinander gefügt. Dargestellt ist nur ein Rohrwandungsausschnitt. In den Seitenbereichen der Werkstücke 1, 2 sind die Kanten abgeschrägt bzw. angefast, so dass sich die Flächen 7 bei dem Werkstück 1 bzw. 8 bei dem Werkstück 2 ausbilden, die zusammen eine Art Kerbe bilden. Nun wird die Verbindung zwischen den stumpf aneinandergefügten Werkstückenden 9, 10 mittels einer ersten Schweißnaht 3 miteinander verbunden. Dabei wird eine Schweißnaht 3 hergestellt, deren Tiefe in diesem Ausführungsbeispiel 8 mm nicht überschreitet. Die erste Schweißnaht 3 wird in diesem Ausführungsbeispiel aus Richtung der Kerbe bzw. des später eingefügten Zusatzwerkstückes 6 gesetzt. Denkbar ist jedoch auch das Setzen der Schweißnaht auf der anderen Seite der Werkstücke 1, 2, die keine, durch die Schrägen 7, 8 gebildete Kerbe aufweist. Anschließend wird in die von den Flächen 7, 8 der Werkstücke 1, 2 gebildeten Kerbe ein Zusatzwerkstück 6 eingelegt, ggf. verspannt oder geheftet und anschließend mit dem Laser in einer zweiten Schweißnaht 4 sowie einer dritten Schweißnaht 5 mit den Werkstücken 1, 2 verbunden. Das Zusatzwerkstück besteht hier aus zwei Halbschalen 12, 13, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind.

Wie in diesem Beispiel dargestellt, ist beim Setzen der zweiten Schweißnaht 4 bzw. dritten Schweißnaht 5 auch eine Verbindung mit der ersten Schweißnaht 3 erfolgt.

Das Zusatzwerkstück kann aus dem gleichen Material wie z. B. Stahl gefertigt sein wie die Werkstücke 1, 2. Es können jedoch auch andere Werkstoffzusammensetzungen gewählt werden.

Beim Verschweißen von Rohren können mehrere Varianten von Zusatzwerkstücken eingesetzt werden. So können beispielsweise zwei halbschalenförmige Zusatzwerkstücke um die außen rundum laufende Kerbe zwischen zwei Rohrabschnitten eingelegt, ggf. verspannt oder geheftet oder ein an einer Seite offener Ring verwendet werden, der in die rundum laufende Kerbe der Rohrabschnitte eingedrückt wird.

Zum Setzen der Schweißnähte können auch mehrere Schweißgeräte eingesetzt werden.

Mit dieser Y-förmigen Schweißverbindung ohne zusätzliche Schweißwerkstoffe werden Werkstücke oder Bauteile, wie z. B. Rohre, schnell und zuverlässig verbunden.

Selbstverständlich ist es auch möglich, bei Werkstücken, die von zwei Seiten zugänglich sind, auch eine doppelte Y-Naht-förmige Verbindung herzustellen. Hiermit können somit Wanddicken beispielsweise von mehr als 32 mm vollflächig miteinander verbunden werden, ohne dass Löcher, wie beispielsweise durch den Einsatz von Plasmastrahlenschweißgeräten, zurückbleiben. Möglich ist auch die Herstellung einer Verbindung in Form einer Doppel-HY-Naht, sofern die zu verschweißenden Bauteile oder Werkstücke von beiden Seiten zugänglich sind.

Fig. 2 zeigt einen Teilquerschnitt einer Rohrverbindung entlang der Schnittfläche A A' in der Fig. 1. Dabei stellen 12 und 13 zwei Abschnitte zweier Zusatzwerkstücke 6 dar, die, geometrisch vorgeformt, in die Kerbe, die von den Werkstücken 1, 2 gebildet wird, eingesetzt werden und an den Stoßkanten 14, 15 mittels einer weiteren Schweißnaht 16 verbunden werden. Nicht dargestellt ist eine weitere Schweißnaht, die die anderen Stoßkanten der beiden Halbschalen 12, 13 an anderer Stelle verbindet, sodaß ein geschlossener Ring entsteht. An dem Punkt 11 wird eine Verbindung zwischen der Schweißnaht 16 und der Schweißnaht 3 geschaffen, sodaß kein Hohlraum in der gesamten Verbindung zwischen den Werkstücken 1, 2 verbleibt.

Selbstverständlich ist es möglich, die Schweißnähte bei Bedarf mechanisch zu bearbeiten, um einen glatten Werkstoffübergang zu erhalten. Dies wird mit üblichen Werkzeugen bewerkstelligt.

Alternativ könnte eine glatte Innenfläche 17 dadurch erreicht werden, dass sogenannte Schweissbadsicherungen verwendet werden.

Als Bauteile können Halbzeuge aller Art aus Stahl verwendet werden.

Claims (13)

1. Schweißverbindung von dickwandigen Werkstücken, hergestellt mittels eines Laserschweißgerätes, wobei die Werkstückenden mindestens eines Werkstückes an mindestens einer Kante teilweise abgeschrägt ausgebildet sind sodaß die aneinanderstoßenden Werkstücke an mindestens einer Seite eine Kerbe ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass
in dieser Kerbe ein an diese Kerbe angepaßtes weiteres Zusatzwerkstück angeordnet ist, wobei dieses Zusatzwerkstück mit den gegenüberliegenden Seiten der aneinanderstoßenden Werkstückenden jeweils mittels einer Schweißnaht verbunden ist
und die teilweise aneinanderstoßenden Bereiche der Werkstückenden mit einer weiteren Schweißnaht verbunden sind.

2. Schweißverbindung von Werkstücken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch zwei Werkstückenden gebildete Kerbe in etwa V-förmig ausgebildet ist.

3. Schweißverbindung von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzwerkstück an den der Kerbe zugewandten Seiten geometrisch angepasst ausgebildet ist.

4. Schweißverbindung von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Fläche zwischen den Werkstückenden und dem Zusatzwerkstück durch Schweißnähte verbunden ist.

5. Schweißverbindung von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke aus Rohren, insbesondere Bohrstangen, Futterrohren und Förderrohren bestehen.

6. Schweißverbindung von Werkstücken nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung zwischen zwei Rohren an ihren jeweiligen Enden über die gesamte Querschnittsfläche der Rohrenden ausgebildet ist.

7. Schweißverbindung von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke eine Dicke zwischen 6 und 24 mm, vorzugsweise zwischen 8 und 14 mm aufweisen.

8. Schweißverbindung von Werkstücken nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei teilweise aneinanderstoßende Werkstückenden mindestens an jeweils zwei sich gegenüberliegenden Kanten abgeschrägt sind, sodaß sie zwei Kerben bilden, und dass mindestens zwei Zusatzwerkstücke in diesen Kerben angeordnet sind, wobei die Werkstückenden und die Zusatzwerkstücke in Form einer Doppel-Y-Schweißnaht verbunden sind.

9. Verfahren zum Verschweißen von Werkstücken, bei dem

• a) die zu verbindenden Werkstücke an den Enden jeweils derart ausgebildet werden, dass sich ein aneinanderstoßender Bereich ergibt,
  sowie mindestens eine Kante der Werkstückenden abgeschrägt wird, so dass ein weiterer, in etwa V-förmiger Bereich ausgebildet wird, der an den aneinanderstoßenden Bereich anschließt,

dadurch gekennzeichnet dass,

• a) anschließend an dem aneinanderstoßenden Bereich die Werkstückenden mittels eines Laserschweißgerätes miteinander verschweißt werden, und dann
• b) in den V-förmigen Bereich mindestens ein Zusatzwerkstück eingelegt und/oder verspannt oder geheftet wird, und
• c) die aneinanderstoßenden Flächen des oder der Zusatzwerkstücke und der Werkstückenden mittels eines Laserschweißgerätes miteinander verschweißt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahrensschritt d) auch die durch den Verfahrensschritt b) geschaffene Schweißnaht mit dem oder den Zusatzwerkstücken verschweißt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückenden im Verfahrensschritt a) an zwei sich gegenüberliegenden Kanten mindestens eines Werkstückendes abgeschrägt sind, sodaß zwei sich gegenüberliegende in etwa V- förmige Bereiche ausgebildet werden, in die im Verfahrensschritt c) mindestens zwei Zusatzwerkstücke eingelegt und/oder verspannt oder geheftet werden und im Verfahrensschritt d) die aneinanderstoßenden Flächen der jeweiligen Zusatzwerkstücke und der Werkstückendenmittels eines oder mehrerer Laserschweißgeräte miteinander verschweißt werden, sodaß eine Schweißverbindung in Form einer Doppel-Y-Naht geschaffen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt e) die Stoßflächen der Zusatzwerkstücke miteinander verschweißt werden.

13. Werkstücke, die eine Schweißverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweisen.