DE2127663A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden zweier Elemente durch Reibung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden zweier Elemente durch Reibung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden oder Verschweißen rohrförmiger Bauelemente großer Länge durch Reibung entweder miteinander oder mit verschiedenen Verbindungsteilen, wobei die rohrförmigen Bauelemente und die Verbindungsteile entweder aus Metall oder einem[thermoplastischen Kunststoff bestehen«
Die Erfindung ist besonders geeignet zur Herstellung von Rohrleitungen oder Rohrsträngen mit großem Durchmesser, beispielsweise Ölleitungen, Gasleitungen sowie industrielle oder kommunale Rohrleitungen„
Bisher werden derartige Rohrleitungen aus rohrförmigen Bauelementen hergestellt, die am Einsatzort durch Schweißen miteinander verbunden werden«, Um eine möglichst geringe Anzahl an Schweißstellen zu haben, sind die rohrförmigen Bauelemente im allgemeinen von beträchtlicher Länge, und zwar im Größenbereich von einigen zehn Metern oder mehr. Die Schweißnähte werden normalerweise mit einem
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Schweißbrenner oder im Lichtbogenschweißverfahren hergestellt, Das Ausführen dieser Verfahren bringt jedoch schwer zu überwindende Probleme mit sich, da diese "Verfahren in den meisten Fällen am Einsatzort von Hand ausgeführt werden müssen, da sie den Zusatz eines vom Rohrmaterial unterschiedlichen Materials erfordern und da jede Schweißnaht einer besonderen Prüfung unterworfen werden mußo
Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, ist bereits vorgeschlagen worden, rohrförmige Bauelemente dadurch zu verschweißen, daß das an dem bereits bestehenden Rohrstrang, der festgehalten wird, anzuschweißende Element gedreht wird» Diese Drehung erfolgt unter einem gewissen Druck, welcher eine Reibung zwischen den zu verschweißenden Teilen erzeugt» Diese Reibung wird so lange fortgesetzt, bis die durch den Temperaturanstieg der zu verbindenden Teile verursachte Erweichung des Materials ausreicht, um die Teile miteinander zu verschweißen,. Dann wird die Umdrehung des rohrförmigen Bauelements angehalten, während der Druck auf die aneinander anzuschweißenden Teile so lange beibehalten wird, bis die Schweißverbindung sich verfestigt hato
Zwar bietet das zuletzt erwähnte Verfahren eine interessante Lösung zum Herstellen von Rohrleitungen beträchtlicher Länge, aber es hat doch erhebliche Hachteile,, Zum Beispiel muß das anzuschweißende rohrförmige Element gedreht werden, was in Anbetracht der Länge derartiger Bauelemente sperrige Maschinen am Einsatzort erfordert, die möglicherweise auf den leicht unebenen Bodenflächen schwer zu benutzen sind, denn bei diesem Verfahren Können keine Rohre miteinander verbunden werden, wenn nicht ihre Achsen absolut miteinander fluchten» Darüber hinaus erfordert das Drehen des rohrförmigen Bauelements einen erheblichen Energieaufwand O
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, unter Beibehaltung der Vorteile des Verschweißens durch Reibung die oben erwähnten Nachteile zu vermeiden,,
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung im wesentlichen ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauelemente aus Metall oder einem thermoplastischen Kunststoff durch-Reibung vor, welches folgende Schritte umfaßt: Die Bauelemente werden im wesentlichen unbeweglich gegenüber einander gehalten, die miteinander zu verbindenden Oberflächen sind einander zugewandt, zwischen diese Oberflächen wird ein Zwischenstück gebracht, so daß die zu verbindenden Oberflächen jeweils in Berührung mit dem Zwischenstück stehen, das Zwischenstück wird gedreht, während die miteinander zu verbindenden Bauelemente zusammengebracht werden, bis die miteinander in Berührung stehenden Oberflächen sich durch Reibung erweichen, die Lage des Zwischenstücks wird kontinuierlich längs einer zu den zu verschweißenden Oberflächen senkrechten Achse eingestellt, und dann wird die Umdrehung des Zwischenstücks angehalten, während der auf die zu verbindenden Teile ausgeübte Druck beibehalten wird, bis die Schweißverbindung erhärtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Verbinden rohrförmiger Bauelemente von beträchtlicher Länge aus Metall, beispielsweise Eisen, Kupfer, Aluminium, einer Legierung aus derartigen Metallen oder aus Kunststoffen wie Polyäthylen oder Polyvinylchlorid« Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich zum Verschweißen von unterschiedlichen Stoffen, vorausgesetzt daß sie für thermische Schweißverfahren geeignet sind und zueinander passen. Von besonderem Interesse ist jedoch das erfindungsgemäße Verfahren wenn die zu verschweißenden Bauelemente und das
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Zwischenstück aus dem gleichen Stoff bestehen, weil dann das Verbinden alle: Vorteile des autogenen Schweißens hat. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Bauelemente mittels eines Zwischenstücks verbunden, welches lediglich aus einem kurzen Rohrstück besteht, das den gleichen Durchmesser hat wie die rohrförmigen Bauelemente und dessen Wandstärke der Stärke der zu verbindenden Bauelemente entspricht oder größer isto Das Zwischenstück kann aber auch ein kreisförmiger Kragen sein oder zwei Kragen umfassen, die vorher mittels Bolzen zusammengesetzt und durch eine Fuge getrennt sind. In dem zuletzt genannten Fall ist die gebildete Anordnung aus einandernehmbar„
Das Zwischenstück wird um eine Achse gedreht, die beim Verbinden von miteinander fluchtenden Bohren mit der Achse der Bohre identisch ist. Die Drehbewegung kann entweder kontinuierlich oder alternierend erfolgen« Sie kann ganz einfach mit einer mechanischen Einrichtung bewirkt werden, beispielsweise mittels eines Antriebskranzes, der mit dem Zwischenstück verriegelt ist, wobei der Antriebskranz selbst mechanisch über Zahnräder, eine Kette, Antriebsriemen oder dergleichen bewegt wird. Die miteinander zu verbindenden Bauelemente werden zusammengebracht, indem eins der beiden Elemente festgehalten wird, während auf das andere eine Axialkraft beispielsweise mittels eines Druckkolbens aufgebracht wird. Diese Axialkraft wird auf das Zwischenstück übertragen. Wenn ein langer Rohrstrang verbunden wird, so wird derjenige TeU7 der bereits fertig verbunden ist, festgehalten und die Axialkraft auf das anzuschweißende rohrförmige Bauelement aufgebracht. Die Lage des Zwischenstücks längs einer zu den zu verschweißenden Flächen senkrechten Achse muß veränderbar sein, um an beiden Enden des Zwischenstücks die beaten Sehweißbedingungen zu erzielen. Das wird mittels einer differentialen Axialkraft erzielt, die beispielsweise durch eine Anordnung zusätzlicher in zwei Richtungen wirksamer Druckkolben bezw. Ax^beitszylinder
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aufgebracht v/erden kann, welche das Zwischenstück zu dem festgehaltenen rohrförmigen Element oder von demselben weg bewegen.
Es ist wichtig, daß die miteinander zu verbindenden Bauelemente progressiv einander angenähert werden, um ein Einreißen des Materials an den zu verschweißenden Oberflächen zu verhindern und um den Energieverbrauch für das Verfahren zu verringern,, Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht daher das Drehen des Zwischenstücks ohne Aufbringen jeglicher Axialkraft vor, wobei dann, wenn das Zwischenstück seine normale Drehgeschwindigkeit erreicht hat, das Zusammenbringen der Bauelemente beginnt, wobei die Erzeugung von ]?unken vermieden wirde
Wenn der erwünschte Weichheitsgrad erreicht ist, was durch das Erscheinen eines kleinen Kragens um die zu verbindenden Oberflächen herum angezeigt wird, wird die Umdrehung des Zwischenstücks angehalten, jedoch die Axialkraft gegen die zu verbindenden Teile beibehalten, bis die Schweißstelle sich verhärtet hat«,
Der gesamte Vorgang einschließlich des Einstellens der Lage des Zwischenstücks wird vorzugsweise mittels einer Steuervorrichtung ausgeführt, die Informationen über die Temperatur und das Fließen der Schweißstellen erhält und beispielsweise auf die Arbeitszylinder wirkte
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Verschweißen von Rohrleitungen in einer graden Linie, es kann jedoch auch zum Verbinden rohrförmiger Bauelemente verwendet werden, die in gewissem Winkel zueinander liegen. Wenn beispielsweise zwei Rohrstücke miteinander verbunden werden, die die Form von Rotationszylindern aufweisen und im Winkel zueinander liegen, sind die zu verbindenden Ober-
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flächen, die parallel zueinander liegen müssen, elliptisch geformt» Das Zwisehenstück, "bei dem es sich um ein Rohrstück oder um einen kreisförmigen Kragen handeln kann, hat einen Innendurchmesser, der höchstens dem der Rotationszylinder entspricht, während der Außendurchmesser des Zwischenstücks mindestens dem der Hauptachse der Ellipse entspricht„ In diesem Pail ist es möglich, das Zwischenstück zwischen den zu verbindenden Oberflächen zu drehen, wobei an allen Punkten zwischen den miteinander zu verbindenden Oberflächen eine Berührung beibehalten wird.
Es können auch andere Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet werden; so ist es zum Beispiel möglich zwei Rohrelemente mit unterschiedlichen Durchmessern mittels eines Zwischenstücks zu verbinden, welches so gestaltet ist und eine solche Wandstärke aufweist, daß es an den gesamten miteinander zu verbindenden Oberflächen anliegt«
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zum Befestigen eines Rohres an einem festen Flansch, einem Ventil oder einer T-förmigen Leitung0
Gegenüber den bekannten Verfahren bietet die Erfindung zahlreiche Vorteile« Sie ermöglicht es, Schweißnähte von hoher Qualität rasch und ohne Hilfe von Spezialarbeitern herzustellen« Da das erfindungsgemäße Verfahren repetierend ist, sind die verschiedenen längs des gleichen Rohrstücks hergestellten Schweißstellen identisch, und aus diesem Grund braucht nicht jede Schweißnaht systematisch geprüft zu werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht gleichfalls das Verbinden rohrförmiger Elemente, die in einer Linie ausgerichtet oder unter einem Winkel zueinander liegen, selbst wenn die Bodenfläche unregelmäßig ist„ Es kann zum Verschweißen von Rohren untereinander oder zum Anschweißen von Rohren an andere Bauelemente, beispielsweise Kragen oder
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Ventile verwendet werden. Schließlich ist die Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens klein und hat einen mäßigen Energieverbrauch, da nur das kurze Zwischenstück mit geringem Beharrungsvermögen in Umdrehung versetzt wird·
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von schematischen Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, bei dem lange Stahlrohrelemente am Boden miteinander verbunden werden»
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die gesamte Vorrichtung zum Verbinden rohrförmiger Bauelemente mit einem Antriebswagen und einem Stützwagen;
Figo 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch den Ant rieb swag en·
Wie aus Mg. 1 hervorgeht, umfaßt die Gesamtvorrichtung zum Verbinden rohrförmiger Bauelemente einen Antriebswagen 1, der den Teil 2 des Rohrstranges trägt, der bereits verbunden ist, sowie das Rohrstück 3, welches angeschweißt werden soll und ein rohrförmiges Teil, welches als Zwischenstück 4 dient. Das Rohrstück 3 wird auch vom Stützwagen 5 abgestützt, der mit dem Antriebswagen 3 über eine Reaktionsstange € verbunden ist„ Der Wagen 5, der eine hier nicht gezeigte Steuerung umfaßt, dient lediglich dazu, das Rohrstück 3 ausgerichtet zu halten.
Der im einzelnen in Fig. 2 gezeigte Antriebswagen umfaßt eine Anordnung 7 aus Rädern und einer Raupenkette, die ein Verschieben des Wagens ermöglichen, sowie eine auf einem Drehzapfen 8 angebrachte mechanische Vorrichtung« Diese mechanische Vorrichtung weist eine Anordnung zum Einklemmen oder Festhalten der Rohre 2 und 3 auf, was schematisch durch
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die Klauen 9 und 10 angedeutet ist. Der auf die zu verschweißenden Flächen aufzubringende Druck wird von einem Druckkolben 11 geliefert, der an die Klauen 9 und 10 angeschlossen ist. Ein Drehzapfen 12 ermöglicht eine Relativbewegung der Klauen 9 und 10 zueinander.
Am Zwischenstück 4 ist mittels Klauen 13 ein Antriebsring 14 befestigt, der zwei Riemenscheiben 15 und 16 aufweist, welche an Riemen 17 bezw. 18 abrollen, die an einem mit den. Klauen 9 und 10 starr verbundenen Rahmen 19 befestigt * sind. Auf diese Weise wird das Zwischenstück 4 mit der Achse der Rohre 2 und 3 ausgerichtet gehalten. Das Zwischenstück wird über den Antriebsring 14 mittels eines hier nicht gezeigten Motors und einer Antriebsanordnung gedreht.
Eine differentiale Axialkraft kann auf das Zwischenstück 4 mittels eines Arbeitszylinders 20 aufgebracht werden, der einerseits mit der Klaue 9 und andererseits mit dem Antriebsring H verbunden ist«
Das Verbinden der rohrförmigen Bauelemente mittels der oben beschriebenen Vorrichtung erfolgt in folgender Y/eise:
Das Ende des Rohrstranges 2, der bereits verbunden ist, wird ebenso wie das Zwischenstück 4 am Antriebswagen 1 befestigt. Ein Ende des Rohrstücks 3 wird gleichfalls mit dem Antriebswagen in Eingriff gebracht, während das andere Ende desselben vom Wagen 5 abgestützt wird. Wenn die Rohre und 3 durch die Klauen 9 und 10 blockiert gehalten werden, wird das Zwischenstück 4 in Umdrehung versetzt und dann den zu verbindenden Teilen mittels einer Kraft angenähert, die der Druckkolben 11 liefert, bis die miteinander zu verbindenden Oberflächen sich durch Reibung erweichen. Während seiner Umdrehung wird die Lage des Zwischenstücks 4 kontinuierlich
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mit Hilfe des Arbeitszylinders 20 eingestellt, um gleiche Schweißbedingungen an "beiden Enden des Zwischenstücks 4 zu erzielen. Die Umdrehung des Zwischenstücks 4 wird dann angehalten, während der Druck mittels des Druckkorbens 11 beibehalten wird, bis sich die Schweißstelle verfestigt hat.
Die oben genannten Arbeitsschritte werden mittels einer Steuervorrichtung gesteuert, welche Informationen von zwei Meßgeräten, die zum Messen des lließens von Metallen verwendet werden und hier die Geschwindigkeit des IMießens des Metalls in den Schweißbereichen messen, sowie von zwei optischen Pyrometern erhalten, welche die Temperaturen in den Schweißbereichen messen» Die Meßinstrumente sind mit der Steuervorrichtung über eine Verdrahtung mit Wheatstone-Brücke verbunden, die der Steuervorrichtung die physikalischen Daten, paarweise verglichen, übermittelt.
Anhand dieser Daten bestimmt die Steuervorrichtung ständig die dem Zwischenstück 4 zu gebende Lage gegenüber den Rohren 2 und 5· Wenn nötig, werden die Arbeitszylinder 20 und 11 betätigt ebenso wie der den Antriebsring 14 antreibende Motorο
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1· Verfahren zum Verbinden zweier Elemente aus Metall oder einem thermoplastischen Kunststoff durch Reibung, dadurch' gekennzeichnet- , daß die Elemente (2, 3) im wesentlichen unbeweglich zueinander gehalten werden, daß die miteinander zu verbindenden Oberflächen einander in parallelen Ebenen zugewandt sind, daß ein Zwischenstück (4) zwischen den Oberflächen derartig angeordnet wird, daß die zu verbindenden Oberflächen jeweils mit dem Zwischenstück in Berührung stehen, daß das Zv/ischenstück gedreht wird, während die miteinander zu verbindenden Elemente zusammengebracht werden, bis die miteinander in Berührung stehenden Oberflächen sich durch Reibung erweichen und die Lage des Zwischenstücks längs einer zu den zu verbindenden Oberflächen senkrechten Achse gesteuert wird, und daß die Umdrehung des Zwischenstücks angehalten wird, während ein Druck auf die zu verbindenden Teile beibehalten wird, bis die Verbindungsstelle erhärtet is"t„
    2β Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die miteinander zu verbindenden Elemente (2, 3) rohrförmig sind, und daß das Zwischenstück (4) ein Rohr oder einen kurzen Kragen umfaßt»
    3 „ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Zwischenstück in kontinuierliche oder alternierende Umdrehung um die Achse der Verbindung versetzt wird0
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    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück längs einer zu den zu verbindenden Oberflächen senkrechten Achse mittels eines in beiden Richtungen wirkenden Arbeitszylinders (20) verstellbar ist·
    5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagee des Zwischenstücks mittels einer Steuervorrichtung gesteuert wird, die Informationen Über die Temperatur und da· Fließen der Stoffe an den Verbindungsstellen erhält.
    6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß es zum Verbinden von Elementen aus Metallen wie Eisen, Kupfer, Aluminium, Legierungen dieser Metalle oder aus thermoplastischen Kunststoffen wie Polyäthylen oder Polyvinylchlorid verwendet wird.
    7. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Stützwagen (5) für eines der zu verbindenden Elemente (3) und einen Antriebswagen (1) mit Klauen (9, 1o) zum Festhalten der miteinander zu verbindenden Elemente (2, 3), einer Antriebsanordnung mit einem Antriebsring (14) zum Drehen eines mit den beiden Elementen zu verbindenden Zwischenstücks (4) sowie durch eine Steuervorrichtung für das Zwischenstück (4).
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