DE3116133C2 - Vakuum-Schweißkammer zum Stumpfschweißen mittels Elektronenstrahlen von zwei Rohren oder ähnlichen rotationssymmetrischen Gegenständen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schweißkammer, in der man ein Vakuum erzeugt, um durch Elektronenstrahlschweißung durch die Mitte der Kammer hindurchgeführte längliche Bauteile miteinander zu verschweißen. Sie zeichnet sich unter anderem aus durch zurückziehbare Dichtverschlüsse (12, 26, 27), um den umschlossenen Raum vorübergehend zu unterteilen in eine mittlere Schleusenkammer (41) zum Durchgang der zu verschweißenden Bauteile und in einen peripheren Hilfsraum (42), der ständig unter Vakuum steht. Diese Schweißkammer ist besonders zum Verschweißen von Rohrabschnitten geeignet, wenn die Rohrleitungen im Meer verlegt werden.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vakuum-Schweißkammer zum Stumpfschweißen mittels Elektronenstrahlen von zwei Rohren oder ähnlichen rotationssymmetrischen Gegenständen entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der DE-OS 27 04 687 bekannten Elektronenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, die eine Vakuum-Schweißkammer aufweist, wird ein flaches Werkstück zwischen einer oberen und einer unteren Spannplatte festgehalten, die sich mit je zwei aufblasbaren konzentrischen Dichtungen an die Ober- und Unterseite des Werkstückes anlegen, um so in den SpannplaUen enthaltene und sich mindestens über den Bearbeitungsbereich erstreckende obere und untere Schweißteilkammern zum Werkstück hin und nach außen abzudichten. An die obere und die untere Schweißteilkammer sind einzelne Evakuierungsleitungen angeschlossen, und die obere Schweißteilkammer steht über einen oberen Längsschlitz mit einer Elektronenkanone in Verbindung, die einschließlich ihres Einstellsystems auf einem auf der oberen Spannplatte in Richtung des Schlitzverlaufes verfahrbaren Schlitten montiert ist. Da sich die Mündung der Elektronenkanone in einer nach unten zum Schlitz hin offenen Vakuumkammer des Schlittens befindet, muß der Schlitten mit besonders wirksamen Dichtungen ausgestattet sein, die auch während der beim Schweißbetrieb stattfindenden Vorschubbewegung des Schlittens die vollständige Abdichtung der Vakuumkammer aufrechtzuerhalten in der Lage sind. Da die in den Spannplatten enthaltenen Schweißteilkammern und der obere Längsschlitz eine größere Länge als der Schlitten besitzen, sorgt eine mit der Schlittenbewegung nachgeführte keilriemenartige Dichxung für den abgedichteten Verschluß der nicht von der Vakuumkammer im Schlitten überdeckten Schlitzlängen.

Aus der FR-PS 20 71 211 ist eine Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung für zylindrische oder kegelige Werkstücke bekannt, bei der eine in dem das Werkstück umgebenden Gehäuse angeordnete Elektronenkanone bei Stillstandszeiten, nach dem Einführen eines neuen Werkstückes oder nach Neuanordnung des aufklappbaren Gehäuses an zwei zu verschweißende zylindrische Bauteile von der Vakuumkammer innerhalb des abgedichteten Gehäuses mit Hilfe einer Federklappe abgedichtet gehalten werden kann. Da die Elektronenkanone im allgemeinen erst bei einem Vakuum unterhalb von 10^-4 Torr zündet und zu diesem Zweck unmittelbar an eine entsprechende Evakuierungsleitung angeschlossen ist, kann der Schweißbetrieb etwas schneller begonnen werden, nachdem die geschlossene Federklappe das zur Zündung erforderliche hohe Vakuum aufrecht erhält. Voraussetzung für diese verbesserte Wirkung ist allerdings, daß zu Beginn der Schweißarbeiten in der Arbeitskammer ebenfalls schon ein hinreichender Unterdruck herrscht, damit nach öffnen der Federklappe nicht das notwendig hohe Vakuum in der Elektronenkanone zusammenbricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuum-Schweißkammer der eingangs bezeichneten Art so weiterzubilden und dahingehend zu verbessern, daß die zwischen den Schweißbetriebszeiten liegenden Stillstandszeiten dadurch erheblich verringert werden, daß das abwechselnd unter Atmosphärendruck und Vakuum zu setzende Volumen verkleinert und gleichzeitig ein großes Entgasungsvolumen ausgenutzt werden kann.

Die zur Lösung dieser Aufgabe gemäß der Erfindung vorgeschlagene Maßnahmen sind im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben.

Mit dieser Bauform läßt sich die zentrale Schleusenkammer auf ein verhältnismäßig kleines Volumen begrenzen, das nach dem Wechsel und nach dem Neueinführen von Werkstücken wesentlich schneller auf das für die Elektronenstrahl-Schweißbearbeitung erforderliche Vakuum gebracht werden kann, als wenn bei jeder

Neubeschickung der Schweißkammer auch noch das den Elektronenkanonen zugeordnete umfangreiche Einstellsystem einschließlich der Wandungen des Hüllraumes belüftet würden. Indem die vom Hüllraum abgeteilte Schleusenkammer auf den zum Einfüh.-en und Abdichten der Werkstücke gerade noch ausreichenden Raum beschränkt werden kann, vei bleiben in der Schleusenkammer nur einfache, nichtverwickelte Bereiche mit kleiner Oberfläche, an denen sich während der Belüftungsphase nur wenige Gase ansetzen und die tomit eine schnelle Evakuierung ermöglichen. Andererseits ergibt sich aufgrund des im Vergleich zur Schleusenkammer großen peripheren Hilfsraums mit dem darin während des Werkslückwechsels aufrechterhaltenen Vakuum eine vorteilhafte große Entgasungskapazität, um die in die Schleusenkammer neu eingeführten Werkstücke nach dem Öffnen der die Unterteilung bewirkenden Dichtungen schneller zu entgasen. Sobald die Verbindung zwischen Schleusenkammer und Hilfsraum hergestellt ist, haben die aus Verunreinigungen auf den Werkstücken stammenden Gasmoleküle die Möglichkeit, sich im größeren Volumen des Hilfsraums zu verteilen, so daß insgesamt eine schnellere Evakuierung möglich ist.

Diesem Gesichtspunkt kommt beispielsweise beim Verlegen von Erdgas- oder Erdölförderieitungen auf dem Meeresboden wichtige Bedeutung zu, wo die einzelnen Rohrleitungsabschnitte auf einem Verlegeschiff verschweißt werden und die Zug um Zug fertiggestellte Rohrleitung auf den Meeresgrund abgesenkt wird. Bei diesen Arbeiten läßt sich nicht vermeiden, daß die Enden der zu verschweißenden Rohre während Transport und Handhabung und beim Einführen in die Schweißkammer mehr oder weniger verschmutzen oder naß werden. Darüber hinaus spielt bei diesen Arbeiten der Zeitfaktor eine große Rolle, weil die Unterhaltungs- und Betriebskosten eines Verlegeschiffes und auch seiner Mannschaft extrem teuer sind.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Aufgabenlösung gemäß Kennzeichen des Patentanspruches 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert, die einen schematischen Axialschnitt durch eine Vakuum-Schweißkammer zeigt, welche zum Verschweißen der einander gegenüberliegenden Stirnflächen von zwei Rohren dient.

Gemäß Zeichnung sind zwei miteinander zu verbindende Rohrabschnitte 1,2 bezüglich einer gemeinsamen Längsachse ausgerichtet. Das obere Ende des Rohrabschnittes 1 ist dem unteren Ende des mittels Elektronenstrahlschweißung anzuschließenden Rohrabschnittes 2 gegenüber angeordnet. Der Schweißvorgang findet innerhalb eines Hüllraums 3 statt, der durch ein Gehäuse 4 und eine erste Gruppe aufblasbarer Dichtungen 5 und 6 begrenzt ist. Die an den Längsenden des Gehäuses 4 angeordneten Dichtungen 5 und 6 legen sich in aufgeblasenem Zustand an die Rohrabschnitte 1 und 2 an. Mittels eines nicht gezeigten, in die Rohrabschnitte eingeführten Dichtdorns, der an den Innenflächen der Rohrabschnitte beiderseits der Stoßstelle 7 anliegt, wird die Schweißzone nach innen abgedichtet.

Nicht gezeigte Elektronenkanonen sind auf einem Einstell- und Antriebssystem angeordnet, zu dem insbesondere ein Kanonentragkranz 9, eine Neigungseinstellplatte 10 und ein mit nicht gezeigten Klemmzangen versehener Tragkranz 11 gehört, der am Rohrabschnitt 1 festgeklemmt wird, um daran das Einstellsystem abzustützen.

Die zum Einstellsystem gehörenden Bauteile und Baugruppen sind in Längsrichtung der Schweißkammer gemäß Zeichnung im allgemeinen übereinander angeordnet. Dvjr Kanonentragkranz 9 und der Tragkranz 11 sind voneinander getrennt, so daß der Kanonentragkranz 9 bezüglich des Tragkranzes 11 geneigt und gedreht werden kann. Diese Baugruppen bilden zusammen eine sich von einem Längsende des Gehäuses zum anderen Längsende erstreckende Abdichtwand, zu der eine aufblasbare Dichtung 12 gehört, die aus zwei ringförmigen Einzeldichtungen 13 und 14 besteht.

Der zwischen den beiden Einzeldichtungen 13 und 14 entstehende Zwischenraum 15 kann evakuiert werden. Die Dichtung 12 besitzt einen Federungsweg, der die Abdichtung aufrechtzuerhalten ermöglicht, wenn nur ein peripherer Hilfsraum 42 unter Vakuum steht und die Tragkränze 9 und 11 beispielsweise nach Abtasi.ung der Lage des Rohrleitungsabschnittes 1, an denen der Rohrleitungsabschnitt 2 anzuschließen ist, zwecks genauer Justierung der Elektronenkanone oder -kanonen relativ zueinander bewegt werden.

Die Einzeldichtungen 13 und 14 über ihre Dichtkraft parallel zur Längsachse der Rohrabschnitte 1 und 2 aus. Sie liegen auf dem Tragkranz 11 auf und stützen sich mit gerippten Oberflächen 16 und 17 gegen den Kanonentragkranz 9 ab. Im Zwischenraum 15 wird mit Hilfe einer Saugleitung 18 ein Vakuum erzeugt, die einen biegsamen und dehnbaren Abschnitt 19 aufweist und mittels einer Durchführung 20 aus dem des Gehäuses 4 herausgeführt ist. Die Einzeldichtungen 13 und 14 werden über Rohrleitungen 21 und 22 aufgeblasen, die an ihren Enden als zu einer Rohrleitung 23 vereinigt dargestellt sind. Die Rohrleitung 23 besitzt einen biegsamen und dehnbaren Abschnitt 24, der mittels einer Durchführung 25 aus dem Gehäuse 4 herausgeführt ist. Die Rohrleitungen 21 und 22 können auch getrennt nach außen geführt sein. Die Einzeldichtungen, die im Betrieb vom Unterdruck umgeben sind, können auch auf einen geringeren Druck aufgeblasen oder einfach mit Atmosphärendruck in Verbindung gebracht werden.

Im Bereich der Längsenden des Gehäuses sorgen zusammenlegbare Dichtungen 26 und 27 für eine Abdichtung zwischen Gehäuse 4 und Tragkranz 11 bzw. Kanonentragkranz V». Da sich beide Dichtungen gleichen, ist nur die Dichtung 27 beschrieben. Sie besteht aus zwei aufblasbaren, ringförmigen Einzeldichtungen 28, 29, die an vom Gehäuse 4 ausgehenden zylindrischen Stegrippen 30 und 31 und an vom Kanonentragkranz 9 ausgehenden zylindrischen Stegrippen 32 und 33 anliegen, die gemeinsam nach Art einer Labyrinthdichtung wirksam sind. Die Einzeldichtungen 28, 29 üben ihre Dichtkraft quer in Radialrichtung aus, und ihre Anlageflächen an den Stegrippen 32 und 33 sind mit Rillen oder Riffelungen versehen.

Der Ringraum 34 zwischen den Einzeldichtungen 28 und 29 ist über eine Rohrleitung 35 unter Vakuum gehalten, die das Gehäuse 4 mittels einer Durchlührung 36 verläßt. Die Einzeldichtungen 28 und 29 werden über Rohrleitungen 37 und 38 aufgeblasen, die zu einer einen Anschluß 40 enthaltenden Leitung 39 vereinigt sind, die aber auch getrennt sein könnten, um die beiden Einzeldichtungen mit unterschiedlichen Drücken zu beaufschlagen.

Die radiale Dichtkraft der Einzeldichtungen 28, 29 wurde gegenüber der Dichtkraft in Längsrichtung bevorzugt, um seitliche Auslenkungen des Einstellsystems in Höhe der Dichtungen beim genauen Justieren der

Elektronenkanonen zu verringern. Wichtig ist, daß die Dichtungen 26 und 27 im wesentlichen gleiche Lagen und Abmessungen aufweisen, um mechanische Überlastungen zu der Zeit zu vermeiden, in der nur der periphere Hilfsraum 42 unter Vakuum steht.

Die Gesamtheit der Dichtungen 12, 26 und 27 unterteilt den Hüllraum 3 in zwei Abschnitte, und zwar in eine mittlere Schleusenkammer 41 und einen peripheren Hilfsraum 42, die voneinander getrennt oder miteinander in Verbindung gebracht werden können, je nach dem. ob die Dichtungen sich in aufgeblasenem oder zusammengelegtem Zustand befinden.

Ein mit einem biegsamen und dehnbaren Abschnitt 44 versehenes Rohr 43 verbindet die Schleusenkammer 41 mit einem Lufteinlaßventil 45, das insbesondere die Möglichkeit bietet, trockene Luft in die Schleusenkammer 41 einzublasen.

Im peripheren Hilfsraum 42 mündet wenigstens eine Evakuierungsleitung 46, und in der zentralen Schleusenkammer 41 mündet wenigstens eine Evakuierungsleitung 47, die einen biegsamen und dehnbaren Abschnitt 48 aufweist, der sich durch einen Durchlaß im Tragkranz 11 erstreckt und mindestens über eine öffnung 49 in der Schleusenkammer 41 mündet.

Die Evakuierungsleitung 46 ist an eine nicht gezeigte Pumpanlage angeschlossen, die ein erhöhtes Vakuum, beispielsweise in der Größenordnung von ΙΟ-³Torr erzeugt. Die Evakuierungsleitung 47 ist an eine unabhängige Pumpanlage angeschlossen, die in der Lage ist, verhältnismäßig schnell ein schwächeres Vakuum beispielsweise in der Größenordnung von 10-' Torr zu erzeugen.

Wenn der Hüllraum 3 unter Vakuum zu setzen ist, kann man zunächst die Schleusenkammer über das Rohr 43 mit trockener Luft beaufschlagen, worauf nach Aufblasen der Dichtngen 5 und 6 die Trocknungsluft abgesaugt und in der Schleusenkammer 41 ein erstes Vakuum über die Pumpleitung 47 erzeugt wird. Anschließend werden die Dichtungen 12, 26 und 27 zusammengelegt, und das zum Schweißen erforderliche Vakuum von der an die Evakuierungsleitung 46 angeschlossenen Pumpanlage erzeugt, die von einem Zwischenvakuum ausgeht, dessen Wert zwischen dem bestehenden ersten Vakuum und dem zur Schweißung notwendigen Vakuum liegt, das durch Verdünnung bzw. Verteilung der in der Schleusenkammer 41 zurückgebliebenen Luft auf den gesamten Hüllraum 3 erhalten wird und ausgezeichnete Schweißbedingungen liefert.

Die mittlere Schleusenkammer 41 bietet neben der günstigen Verringerung des periodisch unter Atmosphärendruck gelangenden Volumens den Vorteil, daß die metallische Oberfläche verringert wird, die bei jeder Belüftung einer erneuten Gasanlagerung ausgesetzt worden ist.

55 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vakuum-Schweißkammer zum Stumpfschweißen mittels Elektronenstrahlen von zwei Rotoren s oder ähnlichen rotationssymmetrischen Gegenständen, deren Längsachse mittig durch die Kammer verläuft, bestehend aus einem Gehäuse, das an seinen Längsenden jeweils mit an die Rohre anlegbaren, zusammenlegbaren Dichtungen versehen ist und einen Hüllraum begrenzt, an den wenigstens eine Evakuierungsleitung angeschlossen ist und der eine oder mehrere Elektronenkanone^) enthält, sowie mit einem zugeordneten Einstellsystem zur Halterung, Positionierung und Verstellung der Elektronenkanone(n), dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllraum unterteilt ist in eine zentrale Schleusenkammer (41), die bei durch Zusammenlegen zurückgezogenen Dichtungen (5, 6) das Hindurchführen der Rohre (1, 2) ermöglicht, und in einen die Schleusenkammer umgebenden peripheren Hilfsraum (42), der die Elektronenkanone(n) und das zugeordnete Einstellsystem enthält, wobei eine die zentrale Schleusenkammer (41) vom peripheren Hilfsraum trennende Wand als Kanonentragkranz (9) ausgebildet ist, und daß eine weitere Gruppe von zusammenlegbaren Dichtungen (26, 27) in Längsrichtung verteilt zwischen dem Gehäuse (4) und dem Einstellsystem angeordnet ist, um die Schleusenkammer (41) und den peripheren Hilfsraum (42) entweder für den Schweißbetrieb miteinander zu verbinden oder sie zwischen den Schweißbetriebszeiten gegeneinander abzudichten, wobei wenigstens eine Evakuierungsleitung (47) in der zentralen Schleusenkammer (41) und wenigstens eine weitere unabhängige Evakuierungsleitung (46) in dem auch in den zwischen den Schweißbetriebszeiten liegenden Stillstandszeiten unter Vakuum gehaltenen peripheren Hilfsraum (42) mündet.

2. Schweißkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenlegbaren Dichtungen (12, 26, 27) aus aufblasbaren Dichtungen bestehen.

3. Schweißkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede zusammenlegbare Dichtung (12,26, 27) zwei zueinander parallel angeordnete Einzeldichtungen (13, 14; 28, 29) aufweist und mit einer Einrichtung zum Evakuieren eines zwischen den beiden Einzeldichtungen befindlichen Zwischenraums (15) versehen sind.

4. Schweißkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Gehäuse (4) und dem Einstellsystem wirksamen zusammenlegbaren Dichtungen (26, 27) an ringförmigen, zur Labyrinthbildung beitragenden Stegrippen (30, 31, 32, 33) anliegen und eine bezüglich der Längsachse der zu verschweißenden Gegenstände (1,2) quer gerichtete Dichtkraft ausüben.