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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
durchgehend geschweißten Rohren,
wobei diese Rohre mit staubförmigen
oder granulierten Pulvern gefüllt
werden können,
bevor sie geschweißt
werden. Die zum Lichtbogenschweißen bestimmten Fülldrähte stellen
ein Beispiel für
Rohre dar, die mit dem Herstellungsverfahren der Erfindung erhalten
werden können.
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Um
ein Rohr kontinuierlich, das heißt auf eine automatisierte
und industrielle Art und Weise herzustellen, geht man gewöhnlich von
einem Metallband genannten Metallstreifen aus, dessen Breite und
Dicke an das Rohr angepasst sind, das produziert werden soll. Dieses
Metallband wird mittels einer Anordnung aufeinander folgender Rollen,
die es ermöglichen,
die zu verschweißenden
Längsränder einander
anzunähern,
zunächst
U-förmig
und dann O-förmig
verformt.
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Falls
das Rohr staubförmige
oder granulierte Pulver enthalten soll, werden diese in die U-Form
mittels eines Bandes eingeführt,
welches synchron mit der Vorwärtsbewegung
des Metallbandes ausgerollt wird, wobei die Pulvermenge durch die
Regelung der Höhe
des Pulvers eingestellt wird, das von dem Band mitgeführt wird.
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Das
Verschweißen
der Kanten oder Längsränder des
Metallbandes wird am Ende der O-förmigen Verformung durchgeführt. Zu
diesem Zweck werden hauptsächlich
drei Schweißverfahren
zur Herstellung von Rohren ausgehend von Metallband angewendet,
nämlich
das Verfahren des WIG-Mehrkathoden-Schweißens (Wolfram-Inertgas-Schweißen), das
Verfahren des Hochfrequenzschweißens und das Verfahren des
Laserschweißens.
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Das
Verfahren des WIG-Mehrkathoden-Schweißens ist das am besten geeignete,
wenn ein Rohr geschweißt
werden soll, das zuvor mit Pulver gefüllt wurde, wie etwa den Pulvergemischen, welche
im Inneren der zum Lichtbogen schweißen bestimmten Fülldrähte zu finden
sind. Die Erhöhung der
Anzahl der Elektroden und die spezielle Anordnung der Polzwingen,
die im Dokument
EP-A-896 853 beschrieben
sind, ermöglichen
es, die mit diesem Verfahren erreichbare Schweißgeschwindigkeit wesentlich
zu erhöhen;
diese bleibt jedoch trotzdem gering, wenn man sie mit der Geschwindigkeit
vergleicht, die beim Hochfrequenzschweißen von Leerrohren erreicht
werden kann.
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Das
Hochfrequenzschweißen
(HF-Schweißen)
ist gut für
ferromagnetische Materialien geeignet. Jedoch werden, wenn das zu
schweißende
Rohr Pulver enthält,
die nicht vollständig
amagnetisch sind, diese unter der Wirkung des sehr starken Magnetfeldes,
das durch den hochfrequenten Schweißstrom erzeugt wird, "angesaugt" und verunreinigen dann
die Schweißnaht,
was Schweißfehler
hervorruft, oder wenigstens eine große Brüchigkeit der geschweißten Verbindung,
derart, dass diese den späteren
Umformungen wie Walzen oder Drahtziehen nicht ohne Bruch standhalten
kann.
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Es
wurde eine Reihe von Mitteln entwickelt, um diese Erscheinung zu
vermeiden oder deren Folgen zu begrenzen. In diesem Zusammenhang
können
die Dokumente
EP-A-158
691 ,
EP-A-158
693 ,
EP-A-589
470 ,
US-A-4,524,169 ,
US-A-4,632,882 und
US-A-5,192,016 genannt
werden.
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Jedoch
erfolgte für
die meisten von den Lösungen,
die durch diese Dokumente empfohlen wurden, keine industrielle Umsetzung,
oder wenn dies der Fall war, dann warf das Herstellungsverfahren, das
daraus resultierte, andere Probleme auf, insbesondere starke Einschränkungen
hinsichtlich der verwendbaren Füllpulver
und der sehr teuren Investitionen, welche nur mit einer sehr großen Massenproduktion
amortisiert werden konnten.
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Außerdem wird
das Schweißverfahren
mittels Laserstrahl immer mehr für
die Herstellung von Rohren angewendet, denn es gestattet, Schweißgeschwindigkeiten
zu erreichen, die höher
sind als das, was auf herkömmliche
Weise beim WIG-Mehrkathoden-Schweißen möglich ist, und diese sind praktisch unabhängig von
der Art des verwendeten Metallbandes, nämlich, ob es ein ferromagnetisches
Metallband ist oder nicht. Es bleibt jedoch weniger produktiv als
das HF-Schweißen,
wenn das zu schweißende Material
ferromagnetisch ist.
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Soweit
uns bekannt ist, wird das Laserschweißverfahren gegenwärtig praktisch
nicht bei der Herstellung von Rohren angewendet, die zuvor mit Pulver
gefüllt
wurden (wobei ein Beispiel aus
JP 56148494 bekannt
ist). Dies ist eine Folge der Tatsache, dass die hohen Schweißgeschwindigkeiten
mit dem Verfahren des Laserstrahlschweißens nur erreichbar sind, weil
dieses ein so genanntes "Keyhole"-Schweißen (Schlüsselloch-
oder Stichloch-Schweißen)
erlaubt, wobei die sehr hohe Leistungsdichte des Strahls in der
Umgebung des Fokussierungspunktes die Verflüchtigung des Materials auf seiner
gesamten Dicke hervorruft und die Bildung eines Loches verursacht.
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Die
Relativbewegung Strahl/Teil bewirkt, dass sich dieses Loch bewegt
und dass das geschmolzene Metall am Rand des Loches vor demselben
dieses umgibt und dann das Schmelzbad bildet, und danach, nach Verfestigung
hinter dem "Keyhole", die Schweißraupe.
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Auf
diese Weise wird ein großer
Teil der Energie des Laserstrahls in die zu schweißende Verbindung
auf deren gesamter Dicke übertragen,
ohne dass die Leitung eintritt. Dies ist der Grund, weshalb dieses
Verfahren ermöglicht,
hohe Schweißgeschwindigkeiten
zu erreichen.
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Dieser
Prozess bringt jedoch mit sich, dass ein nicht vernachlässigbarer
Teil der Energie des Strahls die gesamte Dicke des Rohres durchquert, das
heißt
in Form eines austretenden Strahls, und daher nicht zur Realisierung
der Schweißverbindung beiträgt, so dass
man gezwungen ist, eine Laserleistung zu verwenden, die höher ist
als diejenige, die genau genommen für die Realisierung der Schweißverbindung
notwendig wäre.
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Im
Falle des Schweißens
eines Leerrohres kann diese nicht genutzte Energie während des Schweißens von
der gegenüberliegenden
Seite des Rohres absorbiert werden, oder von einer "Feuerschutzwand" (Firewall), das
heißt
einem Teil, das im Allgemeinen gekühlt wird, im Inneren des Rohres
im Bereich des "Keyhole" angeordnet ist und
den hindurchgehenden Strahl abfängt.
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Diese
Art des Schweißens
ist jedoch nicht ideal, denn im ersten Falle kann sie eine Beschädigung des
Inneren des Rohres, das heißt
der Seite, welche der gerade geschweißten Seite "gegenüberliegt", an der Stelle verursachen, wo der
hindurchgehende Laserstrahl auftrifft, und im zweiten Falle, weil sie
die Anlage erheblich kompliziert, indem sie das Einsetzen eines "Feuerschutzwand"-Teils und von geeigneten
Mitteln zur Kühlung
notwendig macht.
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Außerdem ist
im Falle eines Rohres, das vor dem Schweißen mit Pulver oder Granulat
gefüllt
wird, im Allgemeinen kein Platz vorhanden, um eine Feuerschutzwand
anzubringen, so dass die hindurchgehende Energie dann die Füllpulvermischung
erreicht und das Schmelzen eines Teils dieser Mischung hervorruft.
Die Füllpulvermischungen
der zum Schweißen
bestimmten Fülldrähte bestehen
nämlich
gewöhnlich
aus Metalllegierungen (Ferromangan, Ferrosilizium, Ferrochrom, Siliziummangan,
Ferromolybdän,
Nickel usw.), aus schlackebildenden Bestandteilen (Rutil (TiO2), Fluorspat (CaF2),
Siliziumdioxid (SiO2), Magnesiumoxid (MgO),
Aluminiumoxid (Al2O3),
Kryolith (Na3AlF6),
Carbonate (CaCO3, MgCO3 usw.),
usw.), aus ionisierenden Elementen (Verbindungen, welche Kalium
und/oder Calcium und/oder Lithium enthalten), aus Desoxidationsmitteln
(Magnesium, Aluminium, Silicocalcium usw.). Daher kann das Schmelzen
eines Teils dieser Mischung durch die hindurchgehende Energie des
Laserstrahls die Zersetzung gewisser Bestandteile und die Bildung
einer Legierung der geschmolzenen und nicht zersetzten Stoffe verursachen.
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Aufgrund
der Natur der vorhandenen Bestandteile wird diese "nicht steuerbare" Legierung sehr hart
sein und den Bruch des mit ihr gefüllten und geschweißten Rohres
bei den späteren
Arbeitsgängen
des Walzens und/oder Drahtziehens hervorrufen, welche notwendig
sind, um einen Schweißfülldraht
zu erhalten, dessen Durchmesser je nach Anwendung gewöhnlich zwischen
0,8 und 2,4 mm liegt und meist ungefähr 1,2 mm beträgt.
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Es
könnten
zwei Mittel in Betracht gezogen werden, um die Bildung dieser harten
Legierung zu vermeiden, welche das spätere Walzen/Drahtziehen des
so hergestellten Rohres unmöglich
macht, nämlich:
- – entweder
die zwei Ränder
des Metallbandes nach der U-förmigen Verformung,
dem Füllen
und der O-förmigen
Verformung durch eine Laserschweißung mit teilweiser Durchdringung
zusammenfügen,
wie in 1 dargestellt,
- – oder
dem Metallband vor der U-förmigen
Verformung eine solche Form verleihen, dass nach der Füllung und
der O-förmigen
Verformung eine Konfiguration der Schweißung auf einem umgebogenen
Rand vorliegt, wobei dieser umgebogene Rand die Rolle einer Feuerschutzwand
spielt, wie in 2 schematisch dargestellt ist.
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Das
erste dieser zwei Mittel ist jedoch, obwohl es im Labor anwendbar
ist und zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen kann, nicht für eine industrielle
Produktion geeignet. Tatsächlich
bewirkt die geringste Abweichung beim Anliegen der beiden Ränder aneinander
(Spiel, Richtungsabweichung, relative Position Strahl/Stoßfläche) oder
bei der Leistung des auf das Teil auftreffenden Laserstrahls, dass sich
die Eindringtiefe nicht beherrschen lässt und dass man von einer
geschweißten
Höhe der
Stoßfläche, die
sehr gering ist und daher unzureichend ist, um den späteren Arbeitsgängen des
Walzens/Drahtziehens standzuhalten, ohne zu brechen, zu einer vollständigen Durchdringung
gelangt, und damit zu einem austretenden Strahl, der das Schmelzen
eines Teils der Füllpulver
mit den oben erwähnten
Folgen mit sich bringt.
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Außerdem ist
das zweite Mittel theoretisch verlockend, jedoch ebenfalls praktisch
nicht industriell beherrschbar, denn eine einfache Verformung kann
nicht ermöglichen,
einen spitzen Winkel im Bereich des umgebogenen Randes gegenüber dem oberen
Teil der Stoßfläche (Punkt
A in 2) zu erzielen. Aus diesem Grunde können die
zwei zu verschweißenden
Stirnseiten nicht auf der gesamten Höhe vollkommen dicht aneinander
anliegen (Form eines halben "V"), was zwei negative
Folgen hat, nämlich:
- – das
geschmolzene Metall weist nach der Verfestigung eine unzureichende
Dicke auf, was einen Oberflächenfehler
darstellt, der sich nachteilig auf das Verhalten der Verbindung
bei den späteren Arbeitsgängen des
Walzens/Drahtziehens auswirkt, und
- – die
kleinste Änderung
der Positionierung des Laserstrahls bezüglich der oberen Kante des
nicht umgebogenen Randes (Punkt B in 2) bewirkt, dass
der Laserstrahl auf eine Dicke trifft, die sich sehr schnell von "e" zu "2e" ändern kann, wobei "e" die Dicke des verwendeten Metallbandes
ist. Damit wird verständlich,
dass man selbst bei dieser Vorbereitung der Ränder nicht davor geschützt ist,
dass ein Übergang
von einer partiellen Schweißung
der Stoßfläche zu einem
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Strahl
erfolgt, welcher austritt und einen Teil des darunter befindlichen
Pulvers zum Schmelzen bringt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Probleme zu
lösen,
die bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Rohren auftreten, indem
ein verbessertes Verfahren vorgeschlagen wird, welches ermöglicht,
die zwei Längsränder eines Metallbandes
wirksam zu schweißen,
um ein geschweißtes
Rohr zu erhalten, und zwar unabhängig davon,
ob das Rohr mit Füllelementen
wie etwa Pulvern, Granulat oder deren Mischungen gefüllt ist.
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Die
Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung eines geschweißten Rohres
im kontinuierlichen Verfahren, insbesondere eines Rohres, das mindestens
ein Füllelement
wie etwa ein Pulver enthält,
ausgehend von einer Metallfolie, die durch zunehmende Annäherung der
zwei Längsränder aneinander
nacheinander U-förmig
und dann O-förmig
verformt wird, und durch Verschweißen der Ränder miteinander mittels mindestens
eines Laserstrahls, wobei die Achse des Laserstrahles und die Längsachse des
Rohres miteinander einen Winkel von weniger als 15° bilden.
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Je
nach dem vorliegenden Fall kann das Verfahren der Erfindung eines
oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
- – Die Achse
des Laserstrahls und die Achse des Rohres bilden miteinander einen
Winkel von weniger als 10°,
vorzugsweise von weniger als 5°, noch
besser einen Winkel von annähernd
null.
- – Die
Achse des Laserstrahls und die Achse des Rohres sind annähernd parallel
zueinander.
- – Der
Laserstrahl trifft auf mindestens einen der Längsränder der Metallfolie in dem
zwischen den zwei Rändern
der Folie vorhandenen Zwischenraum an der Stelle, wo diese Ränder aneinander angenähert sind,
jedoch noch nicht vollständig
aneinander stoßen,
wobei vorzugsweise der Laserstrahl auf die zwei Ränder der
Metallfolie an Stellen trifft, die einander etwa gegenüber liegen.
- – Der
Laserstrahl wird auf eine solche Weise geformt, dass ihm an der
Stelle, wo er auf den Rand oder die Ränder der Folie trifft, ein
elliptischer Querschnitt verliehen wird, derart, dass die größere Achse
dieses elliptischen Querschnitts etwa parallel zur Stoßfläche ist
und ein Länge
hat, die kleiner als die Dicke der zu schweißenden Folie ist.
- – Mittels
des Laserstrahls wird ein Schmelzen der Ränder auf annähernd ihrer
gesamten Dicke bewirkt.
- – Das
Rohr wird in eine relative Bewegung bezüglich des Laserstrahls versetzt,
wobei das Rohr vorzugsweise durch Antriebsrollen bewegt wird.
- – Das
Rohr wird durch Antriebsrollen angetrieben, die derart eingestellt
sind, dass sie eine Verschmiedung der zwei Längsränder der Metallfolie miteinander
sicherstellen, indem sie einen mechanischen Druck auf das Rohr ausüben, derart, dass
die zwei Ränder
aneinander angenähert werden.
- – Die
Antriebs- und Formrollen sind derart gestaltet, dass der Schnitt
der Ebenen, welche die Stirnseiten der zusammenzufügenden Ränder enthalten,
annähernd
entlang einer Geraden erfolgt, die durch die Stelle oder den Bereich
der Aneinanderfügung
der zwei Ränder
verläuft.
- – Das
Rohr enthält
Füllelemente;
vorzugsweise ist das Rohr ein Schweißfülldraht.
- – Das
Rohr ist ein Schweißdraht,
der einen Durchmesser zwischen 0,8 und 2,4 mm und vorzugsweise in
der Größenordnung
von 1,2 mm aufweist.
- – Die
Erfindung betrifft außerdem
eine automatische Anlage zur Rohrherstellung, welche umfasst:
- – Antriebsrollen,
die so beschaffen sind, dass sie eine Metallfolie bewegen und durch
Annäherung der
zwei Längsränder der
Folie nacheinander U-förmig
und dann O-förmig verformen,
- – Mittel
zur Verteilung eines Laserstrahls, die so beschaffen sind, dass
die Achse des Laserstrahls mit der Achse der Metallfolie einen Winkel
von weniger als 15° und
vorzugsweise einen Winkel von annähernd null bildet.
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Die
Erfindung betrifft somit die Herstellung von Rohren im kontinuierlichen
Verfahren, ausgehend von einem Metallband, das zunächst U-förmig und
dann O-förmig
verformt wird und mittels eines Laserstrahls geschweißt wird.
Je nach Zweckbestimmung kann das Rohr zum Zeitpunkt der Schweißung leer
sein oder, im Gegenteil, mit einer mehr oder weniger komplexen Mischung
von metallischen und/oder nichtmetallischen Pulvern gefüllt sein,
wie zum Beispiel den Füllpulvern
der Fülldrähte für das Lichtbogenschweißen. Ein
gemäß dem Verfahren der
Erfindung geschweißtes
Rohr ist in der Lage, nach dem Schweißen einer Umformung durch Walzen
und/oder Drahtziehen bis zu seinem Anwendungsdurchmesser ohne Bruch
standzuhalten.
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Gemäß der Erfindung
wird der Laserstrahl 1 vorzugsweise parallel zur Achse
des Rohres 2 in den Zwischenraum gelenkt, der zwischen
den Rändern des
Metallbandes vorhanden ist, bevor diese durch die Formrollen, die
es ermöglichen,
die O-Form herzustellen, vollständig
zur Anlage aneinander gebracht werden. Dem optischen System, das
es ermöglicht,
den Laserstrahl zu lenken, um ihm diese Ausrichtung zu verleihen,
wie etwa einem Satz von Spiegeln für CO2-Laser
oder einer optischen Faser für
YAG-Laser, folgt ein optisches System zur Formung des Strahls, welches
ermöglicht,
ihm einen elliptischen Querschnitt 3 zu verleihen, dessen
große Achse
parallel zur Stoßfläche ist
und dessen Länge etwas
kleiner als die zu schweißende
Dicke ist, wie in 3 dargestellt. Eine solche Geometrie
des Strahls 1 ermöglicht
es, die zusammenzufügenden
Stirnseiten praktisch auf der gesamten Dicke (e) zu erwärmen, wobei
der kleine Teil der Stoßfläche, der
nicht von dem Strahl erfasst wird, durch Wärmeleitung erwärmt wird.
Im Gegensatz zum herkömmlichen Schweißen nach
dem "Keyhole"-Verfahren ermöglicht eine
solche Anordnung, die Gesamtmenge der einfallenden Laserleistung
auf das Teil zu übertragen,
wobei die zusammenzufügenden
Stirnseiten die Rolle eines Wellenleiters spielen, indem sie den
nicht absorbierten Teil der Energie der einfallenden Photonen zur
anderen Stirnseite reflektieren, wobei er schließlich im Bereich der Stoßstelle
der zwei Stirnseiten auf das Rohr übertragen wird, wie in 3 dargestellt.
Die im Bereich dieser Stoßstelle
befindlichen Formrollen werden so eingestellt, dass sie eine leichte
Verschmiedung sicherstellen, welche die Herstellung einer Schweißnaht von
hoher Qualität
begünstigt.
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Damit
der "Wellenleiter", der von den zwei Rändern gebildet
wird, bevor diese aneinander anliegen, seine Aufgabe in vollem Umfang
erfüllt
und die Absorption praktisch der gesamten einfallenden Energie ermöglicht,
ist der Formrollensatz so gestaltet, dass der Schnitt der Ebenen,
welche die Stirnseiten der zusammenzufügenden Stirnseiten enthalten,
annähernd
entlang der Geraden erfolgt, die durch die Verbindungsstelle der
zwei Ränder
verläuft,
wie in 4 schematisch dargestellt.
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Nach
dem Schweißen
kann ein Zwischenglühen
erforderlich sein, um das Rohr zu rekristallisieren, bevor der endgültige Durchmesser
hergestellt wird, falls das Reduktionsverhältnis (Anfangsquerschnitt/endgültiger Querschnitt)
eine zu starke Kaltverformung in Anbetracht des Verformungsvermögens des
Materials bewirkt, aus dem die rohrförmige Hülle besteht, wie durch das
Dokument
EP-A-899 052 beschrieben
wird.