DE2515925B2

DE2515925B2 - Vorrichtung zum anschweissen von rohrstuecken an eine pipeline

Info

Publication number: DE2515925B2
Application number: DE19752515925
Authority: DE
Inventors: Ottavio Dr.-Ing. San Donato Milanese; Grossi Galeazzo Spino D'Adda; Bove (Italien); Kirkley, David William, Dr.-Ing, Kingston Upon Thames Surby (Großbritannien)
Original assignee: Ausscheidung In 25 59 532 Saipem SPA Mailand Italien Boc Ltd London
Current assignee: Saipem SpA
Priority date: 1974-04-11
Filing date: 1975-04-11
Publication date: 1977-07-07
Also published as: DE2559532C3; DK146013C; DE2559532A1; SE7504144L; NL163976C; NO145821C; NO790190L; IE43297B1; DK146013B; AR210467A1; NO751277L; EG12034A; FI68184C; YU260380A; LU72262A1; YU37487B; JPS5236944B2; US4001543A; NO142860C; SE401631B

Description

Bei bekannten Vorrichtungen zum Anschweißen von Rohrstücken an eine Pipeline sind Lichtbogen- oder Gasschmelzschweißen vorgesehen, bei denen ein Schweißzusatzifiaterial benötigt wird. Folglich weisen diese Vorrichtungen entweder bezüglich des Betriebs oder der Wirtschaftlichkeit Nachteile auf. Beim Lichtbogen- oder Gasschmelzschweißen breitet sich die Isotherme des Schmelzpunktes über das gesamte Kohlenstoffmaterial der Rohrstücke in allen Richtungen aus, so daß sich ein Wärmeverlust, eine Verformung des Rohrstücks und eine Änderung der MikroStruktur ergeben.

Die Strukturänderungen ergeben sich aufgrund eines Schweißzusatzmaterials, welches stets anderen Wärmekennwerten als jenen der zu verschweißenden Werkstücke unterliegt. Beim Schweißen mit einem Schweißzusatzmaterial sind meist mehrere Schweißlagen oder xs Schweißnähte erforderlich, so daß zum vollständigen Verschweißen beträchtlich viel Zeit benötigt wird. Insbesondere bei einer Pipeline, die mit einem Schiff auf dem Meeresgrund verlegt werden soll, werden die einzelnen Rohrstücke zu einer Pipeline an Bord dieses Schiffes hintereinander zusammengeschweißt, so daß, wenn mehrere Schweißlagen erforderlich sind, die einzelnen Schweißlagen auf mehrere Schweißstationen verteilt werden müssen, an denen je eine Schweißlage oder eine Schweißnaht aufgebracht wird Aus diesem Grund können nur kurze Rohrstücke Verwendung finden, da das Schiffsdeck, auf dem die Verschweißung vorgenommen wird, nur eine bestimmte Länge aufweist.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zum Anschweißen von Rohrstücken an eine Pipeline zu schaffen, mit der die Rohrstücke in kurzer Zeit in einem Schweißvorgang und mit geringsten Wärmeverlusten an die Pipeline angeschweißt werden können, und zwar so, daß eine Schweißnaht von großer Gleichmäßigkeit entsteht, die keiner Nacharbeit bedarf.

Diese Aufgabe wird unter Verwendung von Laserstrahlen durch die in den Ansprüchen 1, 4 und 12 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. «i>

Beim Laserstrahlschweißen wird kein Schweißzusatzmaterial benötigt, und die aneinanderliegenden oder aneinanderstoßenden Rohrenden können in einem einzigen Schweißgang oder mit einer einzigen Schweißnaht verschweißt werden, so daß nur eine Schwcißsta- <>> tion zum Verbinden von Rohrstücken benötigt wird. Zusätzlich wird der Schweißvorgang wirtschaftlicher, Hn Λ\ρ zum Verschweißen erforderliche Wärme nicht mehr dekonzentriert wird, sondern konzentriert auf eine relativ kleine Fläche auftrifft, die in der Nähe der zu verschweißenden Rohrenden liegt, so daß kaum eine Verformung der Rohre auftritt.

Einen Laserstrahl zum Verschweißen von Rohren zu verwenden, ist an sich bekannt (Metal Progress. November 1970, Seite 61/62). Bei dem bekannten Verfahren muß das Rohr gedreht werden. Das ist beim Anschweißen eines Rohrstückes an eine Hpcüne nicht möglich.

Einen Läserstrahl zu verwenden, der von einer stillstehenden Lichtquelle ausgestrahlt und über einen beweglichen Spiegel umgelenkt und auf ein stillstehendes Werkstück gelenkt wird, um eine kreisförmige Naht zu schweißen, ist an sich durch die DT-OS 19 00 335 bekannt. Das Werkstück besteht hier aus einer ebenen Platte, die geringen axialen Abstand von der Lichtquelle ha!.

Einen Laserstrahl in das Innere eines Rohres zu richten und durch einen Reflektor radial abzulenken, is! duch eine Veröffentlichung in der Zeitschrift »Welding journal« vom Februar 1971, Seiten 104/105, bekannt. Der Reflektor ist hier fest. Der Laserstrahl erzeugt keine Schweißnaht, sondern dient zum Anschweißen eines Thermoelements an die Rohrinnenwand.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, mittels eines Laserstrahls ein Rohrstück an eine Pipeline anzuschweißen. Die Vorrichtung ist vorzugsweise für Pipeline-Verlegungsschiffe bestimmt. Hierbei wird nicht nur die Zeit beträchtlich reduziert, die zum Verlegen einer Pipeline auf dem Meeresgrund benötigt wird, sondern es braucht auch ein kürzeres Deck im Vergleich zu bekannten Pipeline-Verlegungsschiffen vorgesehen zu sein, da nur eine Schweißstation erforderlich ist. 1st jedoch die Schweißvorrichtung gemäß der Erfindung auf einem bekannten Pipeline-Verlegungsschiff vorgesehen, können größere Rohrstücke als bisher zusammengeschweißt werden.

Das Rohrstück kann sowohl von innen als auch von außen, vom Rohrstück aus gesehen, verschweißt werden. Beim Verschweißen von innen ist der Lichtstrahl in einer geraden Linie entlang der Achse des Rohrstückes ausgerichtet, während beim Verschweißen von außen ein abgewinkelter Lichtstrahlgang vorgesehen ist, so daß der Lichtstrahl über das Rohrstück führt und auf die aneinanderstoßenden Enden von außen auftrifft, wie nachstehend bei der Beschreibung von gemäß der Erfindung gestalteten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen noch erläutert wird.

Fig. I ist eine schematische Ansicht eines Pipeline-Verlegungsschiffes, an dem eine Schweißvorrichtung angeordnet ist;

Fig.2 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Schweißvorrichtung;

F i g. 3 ist eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform;

F i g. 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in F i g. 3;

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform;

F i g. 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie Vl-Vl in Fi g. 5;

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform;

F i g. 8 zeigt eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Schweißeinrichtung;

Fig.9 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 10 ist eine Schnittansicht entlang der Linie XIV-XIV in Fig.9.

Wenn die Vorrichtung zum Schweißen einer Pipeline bestimmt ist, die auf dem Meeresboden verlegt werden soll, wird der Schweißvorgang auf einem Hochseeschiff, wie z. B. einem Rohrverlegungsschiff 2 ausgeführt. Die Pipeline verläßt das Schiff über eine Führungsvorrichtung 6', die sicherstellt, daß die Pipeline nicht durch Biegen um einen zu kleinen Krümmungsradius beschädigt wird.

Die Schweißvorrichtung ist vorzugsweise im Innern des Schiffes auf einer Plattform 12 angebracht, die auf Schienen 14 steht, so daß die Plattform in Längsrichtung des Schiffes bewegbar ist.

Auf der Plattform 12 sind ein Laser 16, ein stirnseitiger Auflager 18, eine Einrichtung 20 an der Schweißstation, eine Einspannvorrichtung 22 und eine Röntgenprüfeinrichtung 24 angeordnet. Meist in der Nähe der Schweißvorrichtung, jedoch nicht zwingenderweise auf der Plattform 12, ist eine Einrichtung 26 zum Überziehen der geschweißten Pipeline mit Bitumen und/oder Schutzmaterialien vorgesehen.

Der Laser 16 weist eine zum Schmelzschweißen einer entsprechenden Materialdicke, wie z. B. eines Kohlenstoffstahlmaterials ausreichende Ausgangsleistung auf. Ein hierfür bevorzugt geeigneter CCh-Laser gibt kohärentes Licht im Infrarotbereich des Spektrums ab.

Das stirnseitige Auflager 18 nimmt das freie Ende des Rohrstücks 28 auf, das mit seinem anderen Ende gerade mit dem schon fertiggestellten Pipelinestück 8 zu verschweißen ist.

Die Einrichtung 20 an der Schweißstation sorgt für die koaxiale Ausrichtung von schon fertiggestelltem Pipelinestück mit dem Rohrstück 28.

Die Einspanneinrichtung 22 ist mit der Plattform 12 bewegbar und kann an der Außenfläche der zusammengeschweißten Pipeline festgelegt werden, so daß die Plattform 12 den Bewegungen der Pipeline entlang ihrer Achse relativ zum Schiff folgt. Die Querbewegungen des Schiffes und der Pipeline beeinflussen den exakten Betrieb der Schweißvorrichtung nicht.

Die in Fig.2 gezeigte Vorrichtung ist zum innen- oder Außenverschweißen von aneinanderstoßenden Enden des Rohrstücks 28 und der Pipeline 8 bestimmt. Das stirnseitige Auflager 18 weist einen Ständer 30 auf, welcher auf Schienen 32 auf der Plattform 12 steht. Die Schienen verlaufen ungefähr parallel zu der Achse der Pipeline 8. Die Lage des Ständers 30 relativ zur Plattform 12 und somit relativ zur Pipeline wird mit einem doppeltwirkenden Hydraulikkolben 34 eingestellt.

Der Ständer 30 trägt einen Dreharm 38 und eine feststehende Zentriereinrichtung 40. Am äußeren Ende trägt der Dreharm 38 einen Spiegel 42, und an seinem inneren Ende, wo die Achse der Pipeline 8 geschnitten wird, einen Spiegel 44. Die Lage des Spiegels 44 ist mit Hilfe eines Hydraulikkolbens 46 derart einstellbar, daß in einer Grenzstellung kein Teil des Spiegels 44 im Strahlengang 48 des Lasers 16 liegt, während in der anderen Grenzstellung (wie in der Figur dargestellt) der r>o gesamte Laserstrahl 48 auf dem Spiegel auftrifft. Der Dreharm 38 wird von einem im Ständer 30 angeordneten Motor angetrieben, so daß die Spiegel 42 und 44 um 360° drehbar sind, während ihre relative Ausrichtung gleichbleibt. Die Ausrichtung erfolgt so, daß der vom '·< Spiegel 42 reflektierte Strahl ungefähr parallel zu dem auf dem Spiegel 44 auftreffenden Strahl 48 ist.

Die am Ständer 30 vorgesehene Zentriereinrichtung

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4"

45 40 weist ein hohl ausgebildetes Glied mit einer äußeren kegelstumpfförmigen Oberfläche auf, deren kleinster Durchmesser geringer als der Innendurchmesser des Rohrstücks 28 und dessen größter Durchmesser größer als der Innendurchmesser des Rohrstücks 28 bemessen ist. Somit kann die Zentriereinrichtung 40 in die entsprechenden Enden der Rohrstücke 28 eingeführt werden. Wenn der Hydraulikkolben 34 in entsprechender Richtung beaufschlagt wird, bewirkt die Zenlriereinrichtung, daß das äußere Ende des Rohrstücks 28 angehoben wird, bis die Achse des Rohrstücks koaxial zu der Achse der Pipeline 8 verläuft. Gleichzeitig wird eine entsprechende Kraft entlang der Achse des Rohrstücks erzeugt, um das andere Ende des Rohr-Stücks genau an das Ende der Pipeline 8 anstoßen zu lassen.

Vom Dreharm 38 aus erstreckt sich ein Rohr 50, das innen durch das hohle, kegelstumpfförmige Glied 40 verläuft und koaxial zu dem Rohrstück 28 liegt. Das Rohr 50 weist am äußeren Ende einen Spiegel 52 auf, der so angeordnet ist, daß der von ihm reflektierte Laserstrahl 48 auf die Verbindungsstelle 54 zwischen den aneinanderstoßenden Rohrenden auftrifft.

Die Einrichtung 20 an der Schweißstation ist ähnlich wie das stirnseitige Auflager 18 aufgebaut und enthält einen Ständer 56 mit einem Dreharm 58, an dem ein Spiegel 60 angebracht ist. Der Spiegel 60 ist so angeordnet, daß der von dem Spiegel 42 n.tlektierte Strahl auftrifft. Nach der Reflexion trifft der Strahl von dem Spiegel 60 auf ein Linsensystem 62 auf, das den Laserstrahl so bricht, daß dieser an der Verbindungsstelle 54 oder in deren Nähe fokussiert ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich im Innern des das Linsensystem 62 aufnehmenden Gehäuses ein Inertgas, wie z. B. Argon, das als ein auf die Schweißzone gerichteter Gasstrom aus der Einrichtung 62 austritt, so daß die Schweißstelle gegen atmosphärischen Einfluß abgeschirmt ist, bis die Schweißstelle sich so weit angekühlt hat, daß sie durch den Atmosphäreneinfluß unbeeinflußt bleibt. Ein ähnliches Linsensystem mit Schutzgas enthält die Einrichtung 62, die im Innern der Pipeline und des Rohrstücks angeordnet ist, welche mit dem Rohr 50 fest verbunden ist. Diese Einzelheit wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung nicht dargestellt, In diesem Fall wird die Einrichtung 62 mit Schutzgas über das Rohr 50 und das stirnseitige Auflager 18 versorgt.

Der Dreharm 58 wird mit einem Motor im Ständer 56 genau synchroni mit dem Dreharm 38 angetrieben. Somit ist sichergestellt, daß der vom Spiegel 42 reflektierte Laserstrahl stets auf den Spiegel 60 auftrifft und von dort auf die zu verschweißende Verbindungsstelle 54 gerichtet ist.

Um mit der in Fig.2 gezeigten Vorrichtung eine Innenschweißung vorzunehmen, ist der Ständer 30 und mit ihm das Rohr 50 relativ zu der Zentriereinrichtung 40 bewegbar. Diese Bewegung erfolgt so lange, bis der Laserstrahl exakt an der Verbindungsstelle 54 von innen fokussiert ist. Für eine Außeriverschweißung ist der Dreharm 58 entlang der Drehachse verstellbar, so daß eine entsprechende Einstellung des Spiegels 60 relativ zu der äußeren Verbindungsstelle 54 möglich ist.

In der in Fig.2 sowie bei den anderen gezeigten Vorrichtungen ist der von der Laserquelle 16 ausgestrahlte Bearbeitungsstrahl umfokussiert. Der Strahl wirdan der zu verschweißenden Verbindungsstelle 54 mit Hilfe von Linsen in der Einrichtung 62 fokussiert.

Die in den F i g. 3 und 4 gezeigte Schweißvorrichtung

ist ähnlich der in F i g. 2 gezeigten ausgelegt, jedoch ist diese nur für Außenschweißung bestimmt.

Gleiche oder ähnliche Einzelteile sind bei den entsprechenden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Im Bereich der Verbindungsstelle 54 ist das Rohrstück 28 koaxial zu dem eingespannten Ende der Pipeline 8 mit Hilfe einer Innenmuffe 64 ausgerichtet, die als pneumatisches Kissen ausgebildet ist. Die Axialkräfte zum Andrücken der anstoßenden Enden an der Verbindungsstelle 54 werden mit Hilfe des stirnseitigen Auflagers 66 aufgebracht. An diesem ist ein Ende des rohrförmigen Arms 69 angebracht, dessen anderes Ende auf einer Stütze 71 aufliegt, die im Aufbau und in der Funktion der Einrichtung 20 ähnlich ist. Der rohrtormige Arm 69 trägt die Spiegel 44,42 und 60 mit denen der Bearbeitungsstrahl aus der ursprünglichen Bahn heraus auf mit in der Achse des Rohrstucks 28 liegende Bahn reflektiert wird, wobei die Spiegel so angeordnet sind, daß der Strahl ungefähr radial und von außen auf die Verbindungsstelle 54 auftrifft. Der Laserstrahl 48 gelangt in den Innenraum des rohrförmigen Arms 69 über eine Hohlachse 77, die an der Einrichtung 66 vorgesehen ist. Die Achse 77 trägt ein Zahnrad 78, welches an dem Arm 69 befestigt ist und mit einem Zahnrad 80 kämmt, das über eine Welle 82 mit einem zweiten Zahnrad 84 verbunden ist, das mit einem großen Zahnrad 86 kämmt, das am anderen Ende des Arms 69 fest angebracht und drehbar auf der Stütze: 71 gelagert ist. Diese Anordnung ist so getroffen, dab sichergestellt ist, daß der Arm 69 als Einheit um das Rohrstück 28 drehbar ist, ohne daß eine Biegung oder Verlormung aufgrund eines einseitigen Antriebs auftritt. Der Spiegel 60 ist an einem Wagen 88 angebracht, der pa«HeI zur Achse der Pipeline 28 im Innenraum des Arms 69 bewegbar ist. Somit kann eine axiale Einstellung des Punktes erfolgen, an dem der von dem Spiegel 60 reflektierende Strahl auf die Verbindungsstelle 54 über eine Öffnung in der Wand des Arms 69

DaS Rohrstück 28 wird mit Hubzylindern 27 in seine Bearbeitungslage gehoben, die anschließend gelost werden, da das Rohrstück in dieser Lage mit Hilfe einer kegelstumpfförmigen Zentriereinrichtung 40 und der entsprechenden Innenmuffe 64 gehalten wird.

Die in F ig.4 gezeigte Schnittansicht zeigt, daß der rohrförmige Arm 69 das Rohrstück 28 vollständig überstreichen kann, so daß eine Außenverschwe.ßung in einer oder mehreren kreisförmigen Bahnen erfolgen

Die in den Fig- 5 und 6 dargestellte Schweißvornchtung ist ausschließlich für Innenschweißungen ausgelegt.

Das zu verschweißende Rohrstück 28 ist auf einem Gestell 90 oder mit Hydraulikzylindern gelagert, ferner ist es an dem entsprechenden Ende der Pipeline 8 mit Hilfe einer Außeneinspannung 92 fesgelegt.

Auf diese Art und Weise sind die zu verschweißenden Rohrenden koaxial zueinander ausgerichtet, und gleich· zeitig ist eine Grenzfläche vorhanden, durch die die vom Bearbeitungsstrahl abgewandte Fläche der Schweiß, naht bis zu deren Verfestigung unterstützt ist Diese Unterstützung ist deshalb erforderlich, weil de radiale Tiefe der Schweißung ungefähr gleich der Dicke dei-zu verschweißenden Rohre ist. so daß sichergestellt ist. daß die aneinanderstoßenden Enden völlig verschmolzen sind. Um sicherzustellen, daß keine unvencjmobenen Bereiche auftreten, kann die Tiefe der Schweißstelle igrößer ds die Dicke des Rohres vorgegeben werden.

wenn zusätzliche Materialien in radialer Ausdehung der Schweißstelle vorgesehen sind. Falls solche jedoch nicht vorgesehen sind, wird die Einspannung 92 erwärmt und wirkt als Abdämmung.

An der bewegbaren Laserquelle 16 ist ein drehbares Rohr 50 angeordnet, das an einem Ende einen Spiegel 52 trägt, der in einem solchen Winkel angeordnet ist, daß der Bearbeitungsstrahl auf die Verbindungsstelle zwischen den aneinanderstoßenden Rohrenden radial ίο auftrifft. An dem Rohr 50 sind mehrere der Drehbewegungen des Rohres 50 dienende Lager 94 vorgesehen, die gegen die Innenfläche des Rohrstücks 28 anliegen. Dadurch ist sichergestellt, daß der Laserstrahl 48 entlang der Achse des Rohrstücks 28 verläuft. J5 Die Laserquelle ist axial zu der Pipeline bewegbar, so daß das Rohr 50 in das Rohrstück 28 eingeführt werden kann, nachdem das Rohrstück 28 positioniert ist. Aus diesem Grunde ist der Laser 16 auf Schienen (nicht gezeigt) angebracht, die auf der Plattform 12 liegen. Die Position der Quelle 16 ist entsprechend exakt einstellbar, so daß sichergestellt ist, daß der Laserstrahl nach der Reflexion am Spiegel 52 direkt auf die Verbindungsstelle auftrifft.

Ähnlich wie bei den in den anderen Figuren dargestellten Schweißvorrichtungen kann das Rohr 50

vollständig um 360° gedreht werden, so daß die

Schweißnähte in einer oder mehreren kreisförmigen Bahnen angebracht werden können.

Die in den Fig.9 und 10 gezeigte Schweißvomchtung ist ähnlich wie die der Fi g. 5 und 6 aufgebaut. Bei dieser Vorrichtung jedoch ist das Rohr 50 starr an der bewegbaren Lagerquelle 16 befestigt, und der Spiegel 52 ist am freien Ende des Rohrs an einem Wagen 124 angebracht, der parallel zu der Achse des Rohrstücks 28 entlang einer Schwalbenschwanzführung 126 (siehe F i g. 10) bewegbar ist. Der Wagen 124 ist in Form eines Ringes i28 dargestellt, der mit Hilfe eines Elektromotors um die Achse des Rohrstücks drehbar ist. Die Axialverschiebung des Wagens 124 ermöglicht eine axiale Einstellung des Punktes, an dem der am Spiegel 52 reflektierte Laserstrahl auf die Verbindungsstelle 54 auftrifft, während die Drehbewegung um 360° des Rings 128 und folglich des Spiegels 52 zur Ausführung des Schweißvorgangs dient.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 können nacheinander eine Innen- und eine Außenschweißung ausgeführt werden. Die Innen- und Außenschweißung können auch gleichzeitig ausgeführt werden, wenn zwei Laserstrahlquellen vorgesehen sind, eine für den Lichtstrahl, der von dem im Innern der Pipeline an dei Stelle der durchzuführenden Schweißung angeordneter Reflektor 52 in radialer Richtung umgelenkt wird, unc eine zweite, die ebenfalls relativ zum Pipelineende fes ist und von der der Verarbeitungsstrahl ausgeht, dei SS nacheinander von dem gemeinsam mit dem Reflektor 5i in Umdrehung versetzten Reflektoren 44,42 und 60 se umgelenkt wird, daß der Strahl außerhalb des an de Pipeline anzuschweißenden Rohrstücks 28 verlauf) (Diese Ausführungsform ist in den beigefügten Zeich nunsen nicht dargestellt.) Die Reflektoren 44 und 4! erübrigen sich, wenn die zweite Laserstrahlquelle se wie es in F i g. 7 dargestellt ist, als bewegbarer Laser 91 an dem drehbaren Arm 58 des Ständers 20 an de Schweißstation befestigt ist. Die Versorgung de <\s bewegbaren oder drehbaren Lasers 96 mit Elektrizitä Kühlwasser und Gas erfolgt über den Ständer 20.

Wie eingangs ausgeführt, ist die Zentriereinrichtuni 40 relativ zu dem Rohr 50 axial bewegbar, das an der

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Ständer 30 fest verankert ist. Dadurch ist sichergestellt, daß das freie Ende des Rohrstücks 28 an der Zentriereinrichtung 40 festgelegt ist, während das Rohr 50 und mit ihm der Spegel 52 in Längsrichtung relativ zu der zu verschweißenden Verbindungsstelle 54 einstellbar ist.

Bei der Drehbewegung des Arms 58 nimmt der Strahl des Lasers 96 eine Außenschweißung vor, während der des Lasers 16 aufgrund der Drehbewegung des Spiegels 52 eine Innenschweißung ausführt. Die beiden Schweißungen können gleichzeitig oder hintereinander ausgeführt werden. Wenn die Schweißungen gleichzeitig ausgeführt werden, können die äußeren und inneren Schweißstellen um einen bestimmten Winkel versetzt zueinander aufgrund von entsprechenden Einstellungen der relativen Winkelpositionen des Arms 58 und des Rohres 50 angebracht werden. Die relative Winkelverschiebung kann konstant oder veränderlich sein. Insbesondere, wenn der bewegbare Laser % eine wesentlich geringere Energie als der Laser 16 abgibt, ist es erforderlich, daß der Arm 58 um die zu verschweißende Verbindungsstelle mit einer geringeren Geschwindigkeit als der Drehgeschwindigkeit des Rohrs 50 umläuft. Die aufgebrachten Schweißstellen beider Laserstrahlen sollen entweder aneinandergrenzen oder einander überlappen, so daß sichgestellt ist, daß keine nicht verschmolzenen Bereiche an den ursprünglich aneinanderstoßenden Endflächen der Rohre auttreten. Die Drehgeschwindigkeiten des Arms 58 und des Rohres 50 sind von der Energieabgabe der entsprechenden Laser und folglich der entsprechenden Eindringtiefe des Laserstrahls an der Schweißstelle abhängig.

Die in Fig.8 gezeigte Schweißvorrichtung weist einen feststehenden Laser 16 zum Ausführen einer Außenschweißung auf. Im Gegensatz zu den anderen beschriebenen Schweißvorrichtungen verläuft hier der Laserstrahl des Lasers 16 ungefähr in der Ebene, in der die Verbindungsstelle 54 liegt. Der Strahl 48 des Lasers 16 tritt in ein Gehäuse 118 ein, das die Rohrquerschnitle (8 oder 28), die miteinander verschweißt werden sollen, umgibt. Das Gehäuse 118 enthält vier Gleitbahnen 120, von denen jede an einer Seite des Strahlenganges des Laserstrahls 48 angeordnet ist. jede Gleitbahn trägt einen bewegbaren Spiegel 122. Jeder der Spiegel 122 kann mit Hilfe einer in den Figuren nicht gezeigten Einrichtung entlang der Gleitbahn mit einer entsprechenden Geschwindigkeit fortbewegt werden, während er sich hierbei dreht. Den Winkel, den der Spiegel in jeder Stellung entlang der Gleitbahn einnimmt, hängt von der Richtung des auftreffenden Laserstrahls 48 ab, so daß der Laserstrahl nach der Reflexion an den entsprechenden Spiegel ungefähr radial auf das Werkstück 28 auftrifft.

Da jeder Spiegel 122 ein bestimmtes Volumen einnimmt, ist es nicht möglich, daß die Spiegel einen Weg zurücklegen, der sich vollständig über 360° erstreckt. Somit ist es erforderlich, daß jeder Spiegel 122 am Ende der Bewegung entlang der entsprechenden Gleitbahn 122 um ein bestimmtes Maß geschwenkt wird. Die Schwenkbewegung der Spiegel wird so eingestellt, daß die verschiedenen Querschnitte der entsprechenden Schweißstrahlen, die sich durch eine Reflexion an den Spiegeln ergeben, aufeinanderfolgend kontinuierlich verlaufen.

Am Ende der Bewegung des Spiegels entlang seiner Oleitbahn 120 wird der Spiegel um einen Winkel geschwenkt, so daß der reflektierte Strahl auf den benachbarten Spiegel der nächsten Oleitbahn auftrifft.

Aus diesem Grunde bleibt der erste Spiegel bei diese Anordnung während des restlichen Schweißvorgange fest Jeder der vier Spiegel 122 ist sowohl ii Längsrichtung als auch in Winkelrichtung entsprechenc bewegbar, bis ein Punkt eingenommen wird, an dem dei vierte Spiegel den Laserstrahl auf den Punkt reflektiert an dem der erste Spiegel zu schweißen begonnen hat.

Obwohl während der vorliegenden Beschreibuni immer auf eine Vorrichtung zur Herstellung vor ■ ο vollständigen Schweißverbindungen mit Hilfe vor Laserstrahlen Bezug genommen wurde, können die beschriebenen Vorrichtungen auch lediglich zusätzlich zu einem bekannten Schweißverfahren eingesetzt werden Beispielsweise können die aneinanderstoßen-■5 den Enden der Rohrabschnitte zunächst miteinander heftgeschweißt werden, bevor sie mit einem Laserstrahl endgültig verschweißt werden. Zusätzlich oder auch ausschließlich können die Rohrabschnitte nur von innen mit Hilfe eines Laserstrahls verschweißt werden, wahrend die Außenverschweißung mit einem en.sprechend bekannten Schweißverfahren durchgeführt wird.

wirο u^re"„^Fa" ^komml vorzugsweise MIG- oder WIG-Schwe.ßen in Betracht, oder das Schweißen kann

im nicht geschützten (offenen) Lichtbogen

werden.

K_nJ ^den _r^^eschriebenen Schweißvorrichtungen sind Kohlenstor dioxidlaser eingesetzt, da dieser der gängigste Laser fur die erforderliche kontinuierliche Encrgie-

,o kZ ^■^ISt^,^{fciner der Nachteile der} bei einem Kohlend.oxidlaser erzeugten Strahlung lieg, darin, daß diese im Infrarotbereich des optischen Spektrums liegt und aus diesem Grunde nicht sichtbar ist. Die Fokussierung bei dem Schweißvorgang ist deshalb « i^er,^ein?^lcllcn· ^Es ist daher vorteilhaft, den Laser um 7 ^der Spleißvorrichtung durch einen

Hilf ,laser zu ergänzen, der kohärente Strahlen liefert, ij _n ^Slch!^baren Bezieh des optischen Spektrums dem ς?'μ ^IC,^{hlStrahl des} Hilfclwers verläuft entlang VoTh h o^{S Koh|}endioxidlasers. so daß die

Vorrichtung zu Beginn unter Verwendung des Hilfslasersinr.Hinblick auf die Schweißzone justiert werden kann^Daraufhin wird der Hilfslaser abgeschaltet, und

SOL R °^{ffdl0Xidlaser wird zur} Ausführung des 5>chweiBvorganges in Betrieb gesetzt. Wie in Fig. I gezeigt, wird bekanntlich die Anschweiles folgenden Rohrstücks an eine Pipeline in derer, "•»'er Lage durchguführt. Da die Pipeline beim aul dem Meeresgrund ebenfalls ungefähr so Qohu,nin ^verläuft' muß die Pipeline nach dem SchS ^TFV ^{Cincr S}-^f°rmigcn Kurve von dem Schiff auf _dcn Meeresboden abgesenkt werden. Aus Grunde muH die Pipeline in zwei entgegenge- *^lcJungen gebogen werden, so daß an der SS ent«nni.h™ü η ^insbesondere an den Schweißstellen, ^en Rechende Beanspruchungen auftreten. PiauTnrm ο ?ⁿ?^pr^^uchun8^en herabzusetzen, kann die zur Hn ^m ; 7^{ie in Figl}' Steigt, unter einem Winkel zur Horizontalen verlaufen

MDd!!,^d?!i ^bf ^chriebe"^en Vorrichtungen können Rohr-

PipelineJn ?.^Γ "^ ^{unter WaSlSC}* ^zu verlegenden Pipeline schnei und exakt zusammengeschweißt wer·

die zwischen den ständig wechselnden «,ι _T ^u!!?^en verfügbare Zeit entsprechend auswird. Mit den neuen Schweißvorrichlungen ίο ι j_mr.«.—hwelBnaht von 0,8 m Länge in werden, was einen beträchtlich als jenen bei den bekannten darstellt. Wenn die Schweißung

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ausgeführt worden ist, kann sich das Schiff relativ zu der Pipeline bewegen, um das andere Ende der zuletzt verschweißten Rohrstücke in Ausrichtung mit der Schweißstation zu bringen, wenn an dieses ein weiteres Rohrstück angeschweißt wird. Hierfür wird weniger als 1 Minute benötigt. Auf diese Art und Weise können mindestens 20 Rohrstücke pro Std. an die Pipeline angesetzt werden. Bei Rohrstücken von 12 m Länge können 240 m Pipeline pro Std. erstellt werden.

Da nur eine Schweißstation auf dem Schiff vorgesehen ist, ergibt sich, daß mit einem Verlegungsschiff bestimmter Länge Rohrstücke von beträchtlich größerer Länge als 12 m zu einer Pipeline zusammengefügt werden können. Da die Länge des Schweißvorgangs nicht von der axialen Länge des Rohrstücks abhängig ist, sondern nur von dem Umfang, kann bei längeren Rohrstücken eine größere Länge einer Pipeline pro Zeiteinheit erstellt werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aneinanderschweißen der Rohrstücke einer Pipeline mittels Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserstrahlquelle (16) vorgeLJhen ist, von der ein Bearbeitungsstrahl (48) in Richtung der Pipelineachse ausgestrahlt wird, daß im Inneren der Pipeline an der Stelle der durchzuführenden Schweißung ein '° Reflektor (52) angeordnet ist, der den Laserstrahl (48) in radialer Richtung auf die Enden der zu verschweißenden Rohrstücke (8, 28) umlenkt, daß ferner ein mit dem einen Ende mit dem Auflager (18) für das freie Ende des anzuschweißenden Rohrstük- '5 kes (28) verbundenes, am anderen Enae den Reflektor (52) tragendes, den Laserstrahl (48) umgebendes Rohr (50) vorgesehen ist und daß in Verbindung mit dem Rohr (50) Vorkehrungen getroffen sind, die eine Rotation des Reflektors (52) um 360" entpsrechend der vom Laserstrahl (48) an der Rohrverbindungsstelle (54) zurückzulegenden Kreisbahn bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Rotation des Reflektors (52) bewirkenden Vorkehrungen darin bestehen, daß das Rohr (50) mit seinem einen Ende an dem Auflager (18) um seine Achse drehbar gelagert ist, während der Reflektor (52) mit dem anderen Ende des Rohres (50) starr verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Rotation des Reflektors (52) bewirkenden Vorkehrungen darin bestehen, daß das Rohr (50) mit seinem einen Ende an dem Auflager (18) starr befestigt ist und der Reflektor (52) am anderen Ende des Rohres (50) auf einem Wagen (124) angeordnet ist, der im Inneren des Rohres (50) parallel zu dessen Achse entlang einer Schwalbenschwanzführung (126) bewegbar ist und daß der Wagen (124) mit einem mittels eines Elektromotors um die Achse des Rohres (50) drehbaren Ring (128) verbunden ist.

4. Vorrichtung zum Aneinanderschweißen der Rohrstücke einer Pipeline mittels Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserstrahlquelle (16) vorgesehen ist, von der ein Bearbeitungsstrahl (48) in Richtung der Pipelineachse ausgeht, daß erste, zweite und dritte, den Laserstrahlen nacheinander umlenkende Reflektoren (44,42,60) derart angeordnet sind, daß der Laserstrahl außerhalb des an die Pipeline anzuschweißenden Rohrstückes (28) verläuft, daß der dritte Reflektor (60) in der Ebene der zu verschweißenden Rohrenden liegt und den Laserstrahl (48) in radialer Richtung auf die Schweißstelle (54) richtet und daß alle Reflektoren (44,42,60) derart um die Achse des Rohrstückes (28) drehbar sind, daß der Laserstrahl (48) wenigstens einmal die an der Rohrverbindungsstelle (54) zurückzulegende Kreisbahn durchwandert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (44,42,60) von einem einzigen Dreharm (69) getragen werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Reflektor (44) wahlweise im Strahlengang zwischen f>5 der Laserstrahlquelle (16) und dem ersten Reflektor (52) derart angeordnet werden kann, daß der Laserstrahl (48) auf einen dritten Reflektor (42) fällt, der ihn zu einem vierten Reflektor (60) reflektiert, der in der Ebene der zu verschweißenden Rohenden liegt, wobei der Gesamtstrahlengang außerhalb des Rohrstückes (28) verläuft und die als zweiter, dritter und vierter bezeichneten Reflektoren (44, 42, 60) derart um die Achse des Rohrstückes (28) drehbar sind, daß der Laserstrahl (48) wenigstens einma! die an der Rohrverbindungsstelle (54) zurücklegende Kreisbahn durchwandert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und dritte Reflektor (44,42) an einem Dreharm (38) angebracht sind, der drehbar und relativ zum Pipelineende längs bewegbar gelagert ist, daß der vierte Reflektor (60) an einem weiteren Dreharm (58) drehbar, jedoch ortsfest gelagert ist, wobei beide Dreharme (38, 58) mechanisch nicht miteinander verbunden sind, jedoch von zwei Elektromotoren angetrieben werden, die elektrisch miteinander gekoppelt sind, so daß sich die Dreharme (38, 58) in derselben Richtung und mit derselben Geschwindigkeit drehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektor (44) mit Hilfe einer am Dreharm (38) angebrachten Hydraulikzylinderanordnung (46) im Strahlengang verschiebbar angebracht ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Laserstrahlquellen vorgesehen sind, eine für den Laserstrahl, der von dem im Inneren der Pipeline an der Stelle der durchzuführenden Schweißung angeordneten ersten Reflektor in radialer Richtung umgelenkt wird, und eine zweite, die ebenfalls relativ zum Pipelineende fest ist und von der der Bearbeitungsstrahl ausgeht, der nacheinander von den gemeinsam mit dem ersten Reflektor in Umdrehung versetzten Reflektoren so umgelenkt wird, daß der Strahl außerhalb des an die Pipeline anzuschweißenden Rohrstückes verläuft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Laserstrahlquelle (96) außerhalb des an die Pipeline anzuschweißenden Rohrstückes an einem an einem Auflager (20) drehbar gelagerten Arm (58) angeordnet ist, zusammen mit einem Reflektor (60) der in der Ebene der zu verschweißenden Rohrenden liegt und den Laserstrahl in radialer Richtung auf die Schweißstelle (54) richtet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (50) in Richtung der Achse der Pipeline verschiebbar ist.

12. Vorrichtung zum Aneinanderschweißen der Rohrstücke einer Pipeline mittels Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Laserstrahlquelle (16) ausgehende Bearbeitungsstrahl (48) in der Ebene verläuft, in der die Verbindungsstelle der zu verschweißenden Rohrenden liegt, daß der Laserstrahl (48) in ein diese Verbindungsstelle umgebendes Gehäuse (118) eingeführt wird, das an den vier der herzustellenden Schweißnaht gegenüberliegenden Wänden je eine in der Ebene der Verbindungsstelle liegende Gleitbahn (120) aufweist, an denen längsbewegbar und schwenkbar je ein Reflektor (122) angeordnet ist, die den Laserstrahl (48) nacheinander in etwa radialer Richtung auf alle Punkte der Verbindungsstelle richten, indem jeder Reflektor (122), nachdem er unter fortlaufender

Schwenkung an seiner Gleitbahn (120) entlanggelaufeo ist, derart verstellt wird, daß er den Laserstrahl (48) auf den Reflektor der folgenden Gleitbahn weiterleitet.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einer bewegbaren Plattform (12) angeordnet ist, die etwa parallel zur Pipelineachse auf Schienen (14) bewegbar ist, die auf einem Pipelineverlegungsschiff (2) verlegt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laserstrahlquellen unterschiedlich große Leistungen abgeben, so daß die Schweißtiefe der einen Laserstrahlquelle wesentlich höher als die der anderen ist.