DE3910098C2

DE3910098C2 - Verfahren zum Schweißen von Rohren mittels eines Lasers und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE3910098C2
Application number: DE3910098A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Kroehnert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-03-29
Filing date: 1989-03-29
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: DE3910098A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen eines Roh res mittels eines Lasers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Sie betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Es ist bekannt, Rohre mittels Lasern zu schweißen. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, daß ein Innenschweißen der Rohre nur bei solchen möglich ist, die einen großen Innendurchmes ser aufweisen. Nach der DE 34 05 972 A1 ist ferner eine La ser-Bearbeitung von Metallen durch einen Lichtwellenleiter bekannt, bei der Laserenergie in einen einzelnen zur Führung des Lichtes benutzten Lichtwellenleiter gekoppelt wird, um an ein metallenes Werkstück ausreichend Impulsenergie zur Ma terialbearbeitung abzugeben. Hierzu wird vorgeschlagen, z. B. einen durch einen festen Neodym-YAG-Laser abgegebenen Laser strahl mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich und sichtbaren Bereich des Spektrums auf ein Endstück des Kerns des Lichtwellenleiters zu fokussieren, der vorzugsweise aus Quarz besteht. Der austretende Laserstrahl soll dann mit ei ner zum Schweißen ausreichenden Leistungsdichte auf das Werk stück fokussiert werden.

Eine Vorrichtung zum Schweißen im Inneren eines Rohres ist aus der EP 0 300 458 A1 bekannt. Diese Vorrichtung umfaßt eine Vorrichtung zur Überwachung des Schweißvorganges und auch eine Gaszuführung.

Aus der US 4,694,137 ist ebenfalls eine Laserschweißvorrich tung bekannt, die im Inneren eines Rohres einsetzbar ist. Auch hier ist eine Gaszuführung vorgesehen.

Die US 4,673,795 zeigt ein besonderes Strahlaustrittselement zum Laserschweißen mit einer Überwachungsvorrichtung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bekannte Ver fahren zur Laser-Bearbeitung von metallenden Werkstücken durch einen Lichtwellenleiter so fortzubilden, daß ein Innen schweißen von Rohren auch relativ kleinen Innendurchmessers möglich ist. Die zur Durchführung dieses Verfahrens dienende Vorrichtung soll es ermöglichen, zur Beseitigung von Schäden an Rohren im Rohrinneren erforderliche Schweißungen durch führen zu können, wenn das Rohr von außen nicht zugänglich ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

In den Zeichnungen ist eine Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt, anhand derer die Erfindung nachstehend näher erläutert wird. Es zeigt:

Fig. 1 die Vorrichtung zum Laserschweißen in einer schema tischen Seitenansicht,

Fig. 2 den Sondenkopf der Vorrichtung nach Fig. 1 in einer vergrößerten Darstellung,

Fig. 3 ein Beispiel für eine mit der Vorrichtung nach Fig. 1 ausgeführte Schweißnaht in einem Rohr in einer sche matischen Seitenansicht im Schnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum Schweißen eines Rohres 25 besteht aus einer stabförmigen Sonde 2, die an einem Sondenhalter 15 befestigt ist. Mittels dieser Vor richtung kann z. B. ein Rohreinsatz 26 in dem Rohr 25 ver schweißt werden. Die Sonde 2 weist eine erste Linsenanordnung 3 auf, die lichteingangsseitig über einen Lichtwellenleiter 4 mit einem Nd-YAG-Laser verbunden ist. Lichtausgangsseitig ist der ersten Linsenanordnung 3 ein am Sondenkopf 5 angeordneter Umlenkspiegel 6 zugeordnet. Ferner ist eine zweite Linsen anordnung 7 vorgesehen, die zur Beobachtung des Schweiß vorgangs im Bereich des Sondenkopfes 5 dient. Diese zweite Linsenanordnung 7 ist mit der ersten Linsenanordnung 3 ver bunden und weist einen faseroptischen Leiter 23 auf, der mit einer optischen Beobachtungseinrichtung verbunden ist. Um den Umlenkspiegel 6 um die Sondenlängsachse 8 um 360° drehen zu können, ist ein elektrisch betriebener Antriebsmotor 14 vor gesehen. Es ist möglich, den Sondenhalter 15 so auszubilden, daß dieser mittels eines fernbedienbaren Manipulators ver bunden werden kann. Hierdurch können sämtliche Tätigkeiten und Vorgänge der Vorrichtung 1 mit Hilfe des Manipulators ferngesteuert und mittels einer Kamera überwacht durchgeführt werden.

Um den Umlenkspiegel 6 drehen zu können, ist es möglich, entweder die Sonde 2 um die Sondenlängsachse 8 zu drehen oder aber den Sondenkopf 5 am Sondengehäuse 9 drehbar zu lagern. In Fig. 2 ist der sondenkopfseitige Abschnitt der Sonde 2 vergrößert dargestellt und zeigt eine Ausführung, bei der der Sondenkopf 5 am Sondengehäuse 9 drehbar gelagert ist. Das nur schematisch angedeutete Lager 13 kann als Kugel- oder Gleit lager ausgebildet sein. Am Sondenkopf 5 ist innenseitig ein Zahnkranz 10 ausgebildet, der mit einem Zahnrad 11 einer durch das Sondengehäuse 9 geführten Antriebswelle 12 in Wirk eingriff ist. Die Antriebswelle 12 ist mit dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Antriebsmotor 14 verbunden. Es ist auch möglich, das Zahnrad 11 auf einem Mikromotor anzuordnen, der am Sondenkopf 5 vorgesehen wird. Diese Ausführung eignet sich besonders dann, wenn die Sonde 2 über einen längeren Abschnitt oder aber in gebogene Rohre eingeführt werden soll.

Am Außenmantel des Sondengehäuses 9 sind Abstandshalter 16 vor gesehen. Diese sind als gegen Druckfedern 17 abgestützte Kugeln 18 ausgebildet. Die Druckfedern 17 sind in Sacklöchern 19 angeordnet, in die die Kugeln 18 ebenfalls teilweise ein dringen können. Es ist möglich, die Abstandshalter 16 als Vorschubeinrichtung auszubilden, mittels derer die Sonde 2 in Rohren verfahrbar ist. In diesem Fall können die Kugeln 18 mit einem motorischen Antrieb in Verbindung stehen.

Im Bereich des Umlenkspiegels 6 ist in den Sondenkopf 5 hinein ragend an der Sonde 2 ein Gasaustrittsstutzen 21 angeordnet, der mit einem Rohr oder Schlauch 20 verbunden ist. Über den Gasaustrittsstutzen 21 kann in den Bereich des Umlenkspiegels 6 sowie der Schweißnaht Schutzgas zugeführt werden. Durch die Schutzgaszuführung wird ein vorzeitiges Verschmutzen des Umlenkspiegels 6 verhindert und die Schweißnahtqualität er höht.

Die Vorrichtung 1 ist besonders vorteilhaft zum Reparieren von Rohren, die von außen nicht zugänglich sind, wie es z. B. bei Wärmetauschern der Fall sein kann. Hierzu können in die Rohre 25 Rohreinsätze 26 eingeführt werden, die dann mittels der Vorrichtung 1 mit dem jeweiligen Rohr 25 verschweißt werden. In Fig. 3 ist eine derartige Ausführung mit einer Schweißnaht 27 schematisch dargestellt. Von weiterem Vorteil ist es, daß die Energieversorgung und die Bedienungsein richtung vom Reparaturplatz entfernt positioniert werden kann. Dies ist bei gesundheitsgefährlicher Umgebung wie auch bei schlechter Zugänglichkeit vorteilhaft. Insbesondere in strahlungsgefährdeten Bereichen ist der Einsatz der Vor richtung 1 mittels Manipulatoren von Handhabungsgeräten durchführbar, so daß auf die Anwesenheit von Personen im Bereich der Reparaturstelle weitgehend verzichtet werden kann. Aus diesem Grunde eignet sich die Vorrichtung 1 ins besondere auch zur Durchführung von Reparaturen von Dampf erzeugern in Kernkraftwerken.

Claims

1. Verfahren zum Schweißen eines Rohres mittels eines Lasers, wobei eine stabförmige Sonde mit einem Linsensystem und am Sondenkopf ausgebildetem Umlenkspiegel so weit in das zu schweißende Rohr eingeführt wird, bis sich der Umlenkspiegel im Bereich der vorgesehenen Schweißstelle befindet, wobei dann dem Linsensystem über einen Lichtwellenleiter Laserener gie zugeführt, fokussiert und durch den Umlenkspiegel senk recht auf die Innenwandung des zu schweißenden Rohres gelenkt wird, wobei der Umlenkspiegel kontinuierlich um die Sonden längsachse um 360° gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (2) durch eine am Außenmantel des Sondengehäuses (9) ange ordnete motorisch angetriebene Vorschubeinrichtung in dem zu schweißenden Rohr (25) verfahren wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Linsensystem Laserenergie eines Nd-YAG-Lasers zuge führt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Sondenkopf im Bereich des Umlenkspiegels ein Schutzgas austritt und der Schweißnaht zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über einen weiteren Lichtwellenleiter die Schweißnaht beobachtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Sonde mittels eines Manipulators in das zu schweißende Rohr eingeführt und in der Schweiß position des Sondenkopfes um 360° gedreht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zu schweißenden Rohr ein Rohreinsatz mit dem eigentlichen Rohr verschweißt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohreinsatz mit dem Rohr mittels einer Überlappungs naht verschweißt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohreinsatz mit dem Rohr mittels einer Kehlnaht verschweißt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer stabförmigen Sonde (2) mit einer ersten Linsenanordnung (3), die lichteingangsseitig über ei nen Lichtwellenleiter (4) mit einem Laser verbunden ist und lichtausgangsseitig einem am Sondenkopf (5) angeordneten Um lenkspiegel (6) zugeordnet ist, und mit einer Antriebsein richtung, mittels derer der Umlenkspiegel (6) um die Sonden längsachse (8) um 360° drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenmantel des Sondengehäuses (9) eine motorisch angetrie bene Vorschubeinrichtung ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (5) am Sondengehäuse (9) drehbar gelagert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Sondenkopf (5) ein Zahnkranz (10) ausgebildet ist, der mit einem Zahnrad (11) einer durch das Sondengehäuse (9) geführten Antriebswelle (12) in Wirkeingriff ist, die mittels eines Antriebsmotors (14) drehbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Sondenkopf (5) ein Zahnkranz (10) ausgebildet ist, der mit einem Zahnrad (11) in Wirkeingriff ist, das mit der Antriebswelle eines am Sondenkopf (5) angeordneten Mikromotors verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (2) in einem Sondenhalter (15) drehbar gelagert und mittels eines Antriebsmotors (14) in Rotation um die Sondenlängsachse (8) versetzbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich net, daß der Antriebsmotor (14) bzw. Mikromotor als Elek tromotor oder hydraulischer oder pneumatischer Stellmotor ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeich net, daß am Außenmantel (16) des Sondengehäuses (9) Ab standshalter (16) ausgebildet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (16) als gegen Druckfedern (17) abge stützte Kugeln (18) ausgebildet sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (16) als Vorschubeinrichtung ausgebildet sind, die an der Rohrinnenwand durch Federdruck anliegende moto risch angetriebene Kugeln oder Rollen aufweisen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Sondengehäuse (9) ein Rohr oder Schlauch (20) für Schutz gas bis zu einem Gasaustrittsstutzen (21) geführt ist, dessen Austrittsöffnung (22) dem Umlenkspiegel (6) zugeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine zweite Lin senanordnung (7) zur Beobachtung des dem Umlenkspiegel (6) zugeordneten Lichtaustrittsabschnittes.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsenanordnung (7) mit einem aus der Sonde (2) her ausgeführten faseroptischen Leiter (23) verbunden ist und mit der ersten Linsenanordnung (3) in optischer Wirkverbindung steht.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Sondengehäuse (9) an dem dem Sondenkopf (5) abgewandten End abschnitt (24) mit einem Sondenhalter (15) verbunden ist, der mit einem fernbedienbaren Manipulator verbindbar ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Nd-YAG-Laser ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Leiter (23) mit einer Videokamera verbunden ist.