WO2005056230A1 - Orbitalschweissvorrichtung für den rohrleitungsbau - Google Patents

Orbitalschweissvorrichtung für den rohrleitungsbau Download PDF

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WO2005056230A1
WO2005056230A1 PCT/EP2004/014089 EP2004014089W WO2005056230A1 WO 2005056230 A1 WO2005056230 A1 WO 2005056230A1 EP 2004014089 W EP2004014089 W EP 2004014089W WO 2005056230 A1 WO2005056230 A1 WO 2005056230A1
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orbital
welding
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laser beam
laser
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PCT/EP2004/014089
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Eginhard Werner Vietz
Frank Vollertsen
Harald Kohn
Claus Thomy
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Vietz Gmbh
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Publication date
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    • B23K37/02—Carriages for supporting the welding or cutting element
    • B23K37/0294—Transport carriages or vehicles

Definitions

  • the invention relates to an orbital welding device for joining pipes by means of a circumferential weld, in particular for orbital welding of pipelines in mobile use.
  • orbital welding devices Devices for welding pipes along the pipe circumference have long been known and are referred to as orbital welding devices.
  • the mobile orbital welding processes have essentially replaced the previously used socket connection and screw connection technology. While most
  • Pipeline construction along the product to be completed and are exposed to all influences of the changing environment and the different weather conditions.
  • a fixed electricity, water and / or gas supply as is a matter of course in stationary industrial welding systems, must be completely dispensed with, so that mobile generators, mobile heat exchangers and transportable fluid and Gas tanks must be used, which are transported along at least one transport vehicle along the pipeline, for example.
  • Pipe welding work must be carried out regularly next to the pipe trench to be produced or in the pipe trench even with the pipe axis lying in a forced position. Which are characterized by different weather conditions, unfavorable ergonomic requirements and the need to adapt to different circumstances
  • Construction site conditions have a major influence on the quality of the welding result.
  • Various welding techniques and welding processes have developed from these conditions, which can be subdivided primarily into manual, partially or fully mechanized processes or a combination thereof.
  • the criteria for the selected welding process are criteria such as material, dimensions, purpose and economy.
  • MAG stands for the metal active gas welding known from the prior art, in which an arc between a melting and essentially continuously supplied wire electrode and the workpiece within a protective gas jacket made of, for example, C0 2 or mixed gas of C0 2 , inert gas, for example argon, and possibly also 0 2 burns.
  • a protective gas jacket made of, for example, C0 2 or mixed gas of C0 2 , inert gas, for example argon, and possibly also 0 2 burns.
  • the pipes are centered and fixed without pretreatment with an air gap of 1.5 mm to 3 mm by means of a pneumatic inner centering.
  • First the root is welded manually from top to bottom with a cellulosic or basic electrode or with a MAG welding machine with metal powder wire of 1.0 mm.
  • a tensioning strap is locked around the pipe near the joint, on which all intermediate layers and the top layers are welded from bottom to top with a cored wire using two MAG orbital welding heads, each with a MAG torch.
  • a protective gas made of C0 2 and argon is used for the welding process.
  • the first welder starts in the 6 o'clock position and welds all fill and cover layers up to the 12 o'clock position with pendulum dwell times on the left and right.
  • the second welder also starts at position 6 with a time delay O'clock and welds to the 1 o'clock position in order to achieve an overlap of the weld seam.
  • This variant can be used for the installation of district heating pipes in tunnel construction, water pipes in tunnel construction, but also for gas storage of larger dimensions, e.g. diameter 2,500 mm, but especially for wall thicknesses between 15 mm and 30 mm.
  • the melting rate is 3.1 kg per hour. Compared to vertical-down welding with cellulose electrodes at 1.7 kg per hour, this variant is twice as fast.
  • the second established variant which is much faster than the first variant, requires higher investment costs.
  • the shape of the joint corresponds to a tulip with a web of approx. 2 mm with a small opening angle, whereby little filler material is required due to the small seam volume.
  • the task of the copper jaws is to support the liquid weld metal in order to achieve a 100% root, in which both inner pipe edges are welded together and a root sag of maximum 1 mm is guaranteed. After the pipe ends have been machined, the pipe is centered using the pneumatic inner centering with copper jaws.
  • a tensioning strap is mounted on one of the pipe ends, on which two MAG orbital welding heads are guided, which weld the root from 12 p.m. to 6 a.m.
  • the tube ends are centered without an air gap, so that starting at 12 o'clock
  • the first MAG orbital welding head melts the bridge with a high current output and the liquid weld metal is supported by the copper jaws.
  • the second MAG orbital welding head also starts at 12 o'clock when the first MAG orbital welding head has reached the 2 o'clock position.
  • a hydraulic generator drive which is located on the transport vehicle and which moves along the pipeline and which reacts in the millisecond range in order to maintain the stability of the arc.
  • the two MAG orbital welding heads weld the seam from top to bottom according to the same criteria. After completion of the second layer, the MAG orbital welding heads are removed from the tensioning band and transported to the next welding joint.
  • a subsequent pair of MAG orbital welding heads also welds several filling layers from top to bottom. Depending on the wall thickness of the pipe, up to 5 such welding stations can be used offset along the pipeline, with a total of 10 MAG orbital welding heads sometimes being used and required at the same time. It is welded with solid wire and, depending on the welding position, a different gas composition is used. It is recommended to install an automatic gas mixing system on the mobile transport vehicles or gas off To use bottles in which the mixture is delivered ready. The melting capacity of this variant is usually up to 5.1 kg per hour with solid wire, which represents a significant increase in the welding speed and the daily output. The weld seam quality is good to very good. A maximum repair rate of 3 to 5% is given.
  • Welding torches weld - starting from position 12 o'clock to 6 o'clock - the root overlapping from one half of the tube and four MAG welding torches from top to bottom the other half of the tube. It takes about 3 minutes to weld the root on a 1,200 mm tube. To this high
  • the fill and cover layers are welded with solid wire from top to bottom.
  • the regulation takes place manually, semi-automatically or, in the case of programmable power sources, automatically.
  • the melting capacity in this process is usually 5.9 kg per hour, making this process the fastest but also the most cost-intensive in comparison to the previous ones
  • a fourth variant provides for equipping one MAG orbital welding head with two MAG torches slightly offset around the tube circumference and two or four wires.
  • Welding speed increases by about 100% when welding with two MAG torches, or about 400% when welding with two MAG torches and four wires.
  • This technology is particularly suitable for pipes whose Diameter is greater than 1,000 mm and the wall thickness is at least 20 mm.
  • the weld seam preparation must be adjusted accordingly.
  • a total of eight welding current sources, which are arranged, for example, on the transport vehicle, are required in order to be able to operate two MAG orbital welding heads, each with four wires, which are guided on a tensioning band as described above.
  • the power sources communicate with each other and pulse synchronously. This is possible, for example, with a special multi-inverter.
  • the welding process takes place under a suitable welding tent.
  • the welding tent is designed so that no drafts can enter the tent during the welding process.
  • the doors of the welding tent are secured in such a way that no outside access is possible during the welding work.
  • the welding tents are air-conditioned.
  • the quality of the weld seam largely depends on the design of the welding tent.
  • All four variants of MAG orbital welding described above are technically mature, but require that all framework conditions are met in order to produce first-class welds.
  • MAG orbital welding has reached its limits due to high repair rates, downtimes due to weather conditions and impairments of the weld seam quality by the operating personnel.
  • the operating personnel of the MAG orbital welding heads must be highly qualified not only in the welding technology sector, but also in the electronic sector. Welding parameters that influence the welding process in the different welding positions fully automatically have the disadvantage that changes from outside - especially spatter that can occur uncontrollably during welding, or influences from the atmosphere - require that the welder intervenes immediately in the automated process and manipulated the welding process to minimize errors.
  • the welding of the root with MAG inner orbital welding heads is very fast, but also very expensive.
  • the root position is often afflicted with a large number of welding defects. At the beginning of a root, it is possible that pores will form when attached, which will form when welded over with a subsequent burner down to the upper seam layer. These pores have to be mechanically removed after welding.
  • Orbital welding heads require, in order to achieve a high laying speed of the pipeline, several, sometimes more than five welding stations are generally used, by means of which one weld seam or several weld seams are generated in each case. Since work is therefore being carried out simultaneously on several pipe connections, several fully equipped welding stations must be provided, each of which not only has several MAG orbital welding heads, but also a shield, in particular in the form of a welding tent, the respective welding power source, the protective gas bottles, the generator, and possibly the one Welding wire and others
  • a welding process that has proven itself in stationary use is laser beam welding.
  • High-power C0 2 gas lasers, ND: YAG solid-state lasers, disk lasers and diode lasers are currently used as laser beam sources in laser beam welding.
  • a high-power laser is a laser beam source with a beam power of at least 1 kW.
  • C0 2 lasers emit laser light with a wavelength of 10.6 ⁇ m and have beam powers of a few hundred watts to over 40 kW in material processing with an efficiency of around 10%.
  • the beam guidance has C0 2 lasers of this type take place via relatively complex mirror optics, since beam guidance via a flexible optical waveguide is not possible owing to the wavelength of the emitted laser light.
  • the laser light emitted by an Nd: YAG laser has a wavelength of 1.064 ⁇ m, whereby industrially available, lamp-pumped systems for material processing have a beam power of approximately 10 W to over 6 kW in continuous wave mode.
  • diode arrays for excitation instead of arc lamps, it is possible to increase the efficiency from 3% for a lamp-pumped system to up to approx. 10% with considerably higher investment costs.
  • a beam generated by an Nd: YAG laser can be used in contrast to the C0 2 laser beam.
  • Optical fibers in particular a glass fiber cable, are guided, which enables a considerably more flexible installation of the beam source and handling of the Nd: YAG laser beam.
  • the disk laser A more recent development in the field of solid-state lasers is the disk laser.
  • the light from this laser like that from the Nd: YAG laser, can be guided over fibers.
  • This laser is particularly advantageous because of its high efficiency in the 20% range.
  • its beam power is currently limited to up to 4 kW.
  • the wavelength of diode lasers is between 0.78 and 0.94 ⁇ m, with beam efficiencies of up to 4 kW currently being fiber-coupled or 6 kW direct radiation industrially available with an efficiency of 35 to 50%.
  • these four laser beam sources used in laser beam welding have so far not been successfully used for mobile orbital welding of tubes, in particular pipelines.
  • C0 2 lasers Since the beam emitted by a C0 2 laser can only be deflected by means of a mirror and the beam guidance is therefore extremely difficult, C0 2 lasers have so far been used in practice only in stationary areas or in the off-shore area on ships, whereby either the tubes to be joined are rotated relative to the unmoving laser beam when the laser beam source is at a standstill or the entire laser beam source is pivoted about the upright unmoving tube by means of a stable device.
  • Such devices are shown, for example, in US Pat. No. 4,591,294, in which one
  • Orbital welding device with two C0 2 lasers is described, which are arranged on a rotatable platform and can be pivoted in each case by 180 ° around a vertical pipeline section to be lowered into the sea by a ship, so that a circumferential weld seam can be produced.
  • the pipeline cannot be turned when the laser beam is stationary. Swiveling the entire C0 2 laser around a horizontal pipe is not possible due to the high weight and size of a high-performance C0 2 laser using mobile devices with the required precision under field conditions.
  • a mirror system by means of which a laser beam guided parallel to the tube axis outside the tube via five mirrors in a multi-leg and multi-adjustable steel guide pipe system are arranged, can be guided around a circumferential joint of two pipe ends, is known from the Russian laid-open specification RU 2 229 367 C2.
  • No. 4,533,814 shows a similar system, in which a laser beam pointing perpendicular to the tube axis can be guided around a tube of relatively small diameter via a steel guide tube system which comprises three joints and several mirrors.
  • a C0 2 laser is hardly susceptible to vibrations.
  • An Nd: YAG laser would be suitable due to the suitability of the emitted laser steel for beam guidance via a flexible optical waveguide for guiding the beam around a tube of large diameter, but this laser source, like the C0 2 laser, has proven unsuitable for mobile use field use. Because of the poor efficiency of an Nd: YAG laser compared to other industrial lasers, the power supply and the space requirement of the laser and its additional components, in particular the cooler, represent a problem that has not yet been solved for use in mobile orbital welding of pipelines
  • Vibration sensitivity of an Nd: YAG laser is also relatively high.
  • the Nd: YAG laser has not been able to achieve completely satisfactory welding results even in stationary use, since the maximum achievable welding speed when welding large pipes, especially for a pipeline, is too low is or cannot be welded in one layer.
  • the beam power of the disk laser is currently limited to a maximum of 4 kW, which, given the steel properties of a disk laser, is not sufficient for orbital welding of thick-walled tubes.
  • the disk laser is currently not suitable as a mobile beam source that is inevitably exposed to vibrations under field conditions due to its structure, which is difficult to adjust and its extremely high sensitivity to vibrations.
  • the diode laser In contrast to high-performance C0 2 lasers, ND: YAG lasers and disk lasers, which only have very large dimensions in terms of energy and space, as well as design and weight Restrictions can be operated at all as mobile systems, the diode laser represents a relatively mobile, compact and light laser beam source with good efficiency. However, due to its principle-related lower beam intensity and the
  • Beam power generally does not require deep welding under normal conditions, so that welding thick-walled pipes would only be possible using multi-layer technology.
  • the device comprises at least one annular guide rail fastened to the outside of a pipe of the pipeline, a welding carriage which is guided on the same and which can be moved around the pipe, and one which is mounted on the welding carriage
  • Laser beam source for generating a laser beam, which can be directed, if necessary, via deflection means onto the joint formed by the pipe ends to be butted against one another, and a feed unit, likewise mounted on the welding carriage, for orbitally moving the welding carriage around the pipe, so that the laser beam runs along the joint the mutually abutting pipe ends for joining the same is guided by means of an outer circumferential weld seam.
  • the laser beam source is arranged directly on the welding vehicle and has to be moved around the entire tube, there are considerable restrictions when selecting a suitable beam source.
  • a solid-state or gas laser which is suitable in terms of size and weight has a beam power which is far too low in order to achieve a welding speed which is at least that of
  • Arc welding corresponds to achieve.
  • a diode laser might be suitable in terms of its size for direct mounting on the transport trolley, but it enables due to its principle small Beam intensity no deep welding of thick-walled pipes without the use of multi-layer technology.
  • a combined laser inner circumferential welding and inner centering device is described in US Pat. No. 5,796,068 and US Pat. No. 5,796,069.
  • the device is designed as a vehicle that can be moved within the tube along the tube axis by means of a drive and thus can be positioned in the region of the joint formed by the tube ends to be joined, butting against one another.
  • an integrated inner centering unit which has two pneumatic clamping devices, each of which acts radially on the inner surface of a tube, the two tubes can be exactly aligned in a known manner.
  • At least one laser beam emitted by a laser beam source mounted on the pipe vehicle is guided via light guide means along the joint for joining the two pipe ends by means of an inner circumferential weld seam. Furthermore, a method is described in which first a welding layer from the inside with an arc and in
  • WO 92/03249 discloses a device for laser welding a tube along its inner circumference with a probe that can be inserted into the tube. Means are arranged within the probe by means of which a portion of a protective gas stream which propagates in its interior branches off before reaching an outlet opening for a focused and deflected, in particular from a spaced-apart Nd: YAG laser supplied by means of an optical waveguide, and with a laser beam directed towards the outlet opening Flow component led to the outer surface of the probe becomes. Precipitation of weld metal in the area of the outlet opening and inside the probe is thereby reduced.
  • US Pat. No. 5,601,735 presents a laser welding device for producing an elongated, tubular and gas-tight grounding cylinder housing, in particular to be filled with the insulating gas SF 6 , from a large number of short cylinder segments for an electrical component, for example a circuit breaker or load break switch, which are connected to one another via an outer peripheral weld seam ,
  • the laser welding device comprises an annular frame which is arranged around the circumferential joint by means of two tensioning straps which firmly enclose the two cylinder segments to be connected, each close to the cylinder ends.
  • both clamping straps connected to each other via the ring frame can be adjusted using a large number of longitudinal adjustment screws and both clamping straps can be aligned axially relative to the cylinder segments using several radial clamping screws distributed along the circumference, it is possible to align the two cylinder segments with each other.
  • Inside the ring frame is a ring rail, along which a laser welding tool is guided, which can be moved around the circumferential joint via an electric motor mounted on the ring frame and engaging in a toothed ring arranged on the laser welding tool.
  • the laser welding tool comprises focusing optics for focusing a laser beam on the circumferential joint, detectors for detecting the position of the circumferential joint and two drives for fine alignment of the focusing optics on the circumferential joint in the radial and axial directions.
  • the laser beam is generated by means of a laser beam source placed near the ring frame and directed to the focusing optics via a glass fiber cable.
  • the glass fiber cable is inside the ring frame via a spiral rail around the two pipes convoluted that when the laser welding tool is moved around the entire pipe circumference, overextension or other damage to the glass fiber cable should be prevented.
  • a C0 2 laser is specified as a possible laser beam source.
  • 5,601,735 is designed for the joining of relatively short cylindrical segments of small diameter, small wall thickness and relatively light weight, which takes place in stationary use, as is the case with generic grounding housings for circuit breakers or switch disconnectors. Since the manufacture of such products is always stationary, the question of a mobile operation of the disclosed device does not arise, which is why corresponding measures are not described.
  • the use of such a welding process for welding long pipes of large diameter up to over 1500 mm and wall thicknesses up to about 25 mm, for example pipelines, with a high welding speed is not possible by means of the welding device described, which is only designed for low laser powers.
  • the guidance of the laser beam of a CO 2 laser source by means of a glass fiber cable, as described in US Pat. No. 5,601,735, is not possible when using a high-performance CO 2 laser source with a beam power of more than 1 kW.
  • the invention is therefore based on the object of a device for orbital welding of pipes by means of a circumferential weld seam which has only one or as few layers as possible, in particular for orbital welding from
  • the orbital welding device according to the invention is suitable for mobile use for connecting a first pipe end and a second pipe end along a circumferential joint by means of at least one weld seam, in particular for producing a pipeline to be laid horizontally on land, but also for stationary use or offshore use at sea suitable for non-horizontal pipe alignment.
  • a fusion-weldable material in particular a metallic material, preferably a steel material, e.g.
  • X70, X80, X90, X100 or high-alloy, stainless steel and have a diameter of 50 mm to over 4,000 mm and a wall thickness of 2.5 mm to over 25 mm, can be connected within a short time with just one orbital orbit. Even if the device can be used for smaller pipes, they have to be connected
  • Pipe segments in the preferred applications have a diameter of more than 500 mm, in particular more than 800 mm, especially more than 1,000 mm, a wall thickness of more than 5 mm, especially more than 10 mm, and a length which is considerably greater than the diameter of the pipe. Because of its suitability for mobile and self-sufficient use, the device according to the invention can also be used to manufacture pipelines to be laid horizontally on land in an environment in which only poor or none Infrastructure in the form of a fixed electricity, water or gas supply is available.
  • the orbital welding device comprises a guide ring which can be aligned with the pipe end of a first pipe, hereinafter referred to as the first pipe end, and the circumferential joint.
  • the circumferential joint is defined as the gap or zero gap between the end faces of the first pipe end and the pipe end of a second pipe of the same cross-section, hereinafter referred to as the second pipe end, or as the pipe joint, the first pipe and the second pipe being aligned with one another such that the circumferential joint has an essentially constant gap distance of at most 1 mm, preferably less than 0.3 mm, particularly preferably technical zero gap, and the two tubes are centered without any significant offset from one another.
  • the two tubes preferably have a circular, but alternatively an ellipsoidal or other cross-section and are in particular straight, curved or angled.
  • Devices for centering pipes from the inside and / or outside and for setting a defined gap distance of the peripheral joint are known from the prior art in various embodiments.
  • the tube ends are processed in particular with the aid of a known Fasing device in such a way that the peripheral joint has the shape of an I-seam, a Y-seam, a V-seam or a tulip seam. Alternatively, the edges are laser cut.
  • the guide ring is preferably aligned parallel to the peripheral joint at a constant distance from the outer surface or inner surface of the first pipe end. Alignment takes place, for example, over a large number along the
  • the guide ring serves to guide an orbital carriage arranged on the same, which is guided orbitally displaceable either along the entire outer or inner circumference of the first tube end or at least along a partial section of the circumference.
  • the orbital carriage can be driven by a motor
  • Feed device can be moved along the guide ring.
  • a laser welding head for guiding and shaping a laser beam is arranged on the orbital carriage.
  • the laser welding head can be aligned to the circumferential joint in such a way that the material of the two pipe ends inside is focused by means of a laser beam focused by the laser welding head on the circumferential joint or on a point located in the immediate vicinity of the circumferential joint, optionally with the addition of inert or active process gases or mixtures thereof the thermal influence zone of the laser steel, referred to below as the laser welding zone, can be melted and a weld seam along the circumferential joint can be produced by moving the orbital carriage along the guide ring, optionally with the addition of an additional material in the form of a wire.
  • means for bath support or formation are provided, in particular copper jaws on the opposite side or a supply device for supplying the formation gas on the root side.
  • the laser beam is generated according to the invention via at least one mobile high-power fiber laser beam source, which is arranged at a distance from the laser welding head - in particular on a vibration-damping transport vehicle that is movable along the tube axis outside the tube.
  • the laser beam generated by the fiber laser is guided from the high-performance fiber laser beam source to the laser welding head via an optical waveguide, preferably a flexible glass fiber cable. It is possible to get one To use optical fibers with a length of 30 m to over 200 m, so that the transport vehicle with the high-performance fiber laser beam source can be positioned far away from the laser welding head.
  • a high-power fiber laser beam source in the context of the invention is a solid-state laser beam source with a beam power of more than 1 kW, in particular more than 3 kW, preferably more than 5 kW, particularly preferably more than 7 kW, depending on the field of application, the laser-active medium of which is formed by a fiber .
  • the fiber consisting in particular of yttrium aluminum garnet, is usually doped with ytterbium or other rare earths.
  • the ends and / or the outer surface of the glass fiber are optically pumped for example by means of diodes.
  • the wavelength of a typical high-performance fiber laser beam source is around 1.07 ⁇ m, with an efficiency of more than 20%, beam powers from theoretical to over 100 kW are available.
  • the efficiency of a high-performance fiber laser beam source is thus significantly higher than that of an Nd: YAG laser or a C0 2 laser.
  • the maximum achievable beam power is currently much higher than that of the Nd: YAG laser or the diode laser.
  • the beam intensity exceeds that of the diode laser, so that deep welding is possible.
  • Disc laser is a high power fiber laser beam source relatively insensitive to vibrations.
  • a laser beam generated by a high-performance fiber laser beam source can be guided over a distance of up to 200 meters using a flexible fiber optic cable.
  • the high-performance fiber laser beam source enables both the generation of continuous laser radiation in so-called cw mode and the generation of pulsed laser radiation with pulse frequencies up to over 20 kHz and any pulse shape.
  • the high beam power available and the excellent beam quality which is compared to the
  • Diode laser enables deep welding, the suitability for fiber optic beam guidance, the low vibration sensitivity and the small size of a high-performance fiber laser beam source compared to the Nd: YAG laser and C0 2 laser enables mobile and autonomous use on a transport vehicle.
  • a beam parameter product of 12 mm * mrad and a beam diameter in the focus range of approx. 0.3 mm tubes which have a wall thickness of 12 mm or 16 mm, are made of X70 steel and have a V-shaped peripheral joint prepared by laser beam cutting with a very small opening angle of only about 1 °, with a welding speed of 2.2 or 1.2 meters per minute join, the weld seam produced in this way having the required quality having only a single weld layer.
  • An essential advantage of the invention is that by means of only one orbital revolution and preferably a single welding process, the joining of two pipe ends is possible within a short time.
  • Orbital welding devices e.g. to combine an MSG orbital welding device already known from the prior art.
  • an MSG arc welding head which can in particular be motor-oriented relative to the orbital carriage, is arranged directly or indirectly on the orbital carriage.
  • An MSG arc welding head is generally understood to mean a metal shielding gas welding head in which an arc burns between a wire electrode, which is fed continuously via a wire feed, and the workpiece and is enveloped by a shielding gas jacket.
  • the MSG arc welding head is either on the orbital carriage mounted directly or indirectly, for example on the laser welding head, and in particular adjustable in several directions relative to the orbital carriage. It is possible to arrange the MSG arc welding head in such a way that either the laser steel and the MSG arc work together in the laser welding zone, or the laser steel and the MSG arc work in separate process zones.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an orbital welding device with an orbital carriage, a laser welding head for connecting a first pipe end and a second pipe end and a transport vehicle in an oblique overview view;
  • FIG. 3 shows the orbital carriage with the laser welding head, a wire nozzle and a process gas nozzle in a detailed view A-A parallel to the tube axis;
  • FIG. 4 shows a second embodiment of an orbital welding device with an orbital carriage, a laser welding head, an MSG arc welding head and a transport vehicle in an oblique overview view; and
  • Fig. 5 shows the orbital carriage with the laser welding head and the MSG arc welding head in a detailed view parallel to the tube axis.
  • FIG. 1 shows the entire orbital welding device in an overview-like oblique view of a pipeline construction site.
  • a first pipe end 1 and a second pipe end 2 of a pipeline 5 to be laid horizontally on land are by means of a known, not shown inner centering device, at least one pipe crane (not shown) and Pipe supports 45 aligned and centered in such a way that a circumferential joint 3 with a defined gap distance of less than 0.3 mm and without edge offset is present between the first pipe end 1 and the second pipe end 2.
  • a guide ring 6 in the form of a tensioning band with a guide rail is arranged on the first pipe end 1 parallel to the circumferential joint 3 and at a constant distance from the outer surface 14 of the first pipe end 1.
  • a weld seam 4, here an outer weld seam 4, along the circumferential joint 3 can be produced by directing a laser beam 10 focused by the laser welding head 12 into a laser welding zone 13 and orbitally moving the orbital carriage 7.
  • the height of the tube support 45 is selected such that it is possible to differentiate the orbital carriage 7 by 360 ° around the first tube end.
  • the laser beam 10 is generated by a high power fiber laser beam source 9, which of the Orbital carriage 7 is spaced apart on a transport vehicle 35 is housed vibration damped.
  • the laser steel 10 that is produced is guided from the high-power fiber laser beam source 9 to the laser welding head 12 via a flexible optical waveguide 11 (see FIG. 2), which is guided in a hose package 50, which is guided to the orbital carriage 7 by a crane 46 of the transport vehicle 35.
  • the hose package 50 is tracked by the crane 46, as symbolized by the arrow 52, that the orbital carriage 7 can be moved freely.
  • the crane 46 can also be used to assemble the guide ring 6 and the
  • Orbital car used to hold a shielding device (not shown), which shields the weld from the environment and vice versa, on the one hand to protect the operator from dangerous reflections of the laser steel, on the other hand to drafts, moisture and
  • a generator 36 at least for generating the power required to operate the high-power fiber laser beam source 9 and a cooling system 37 for at least cooling the high-power
  • Fiber laser beam source 9 arranged. Further reference numerals of FIG. 1 will be discussed in the description of the other figures below. Furthermore, reference is made to reference numerals of previous figures in the description of the following figures.
  • FIG. 2 shows the orbital carriage 7 from FIG. 1 slidably mounted on the guide ring 6 in a simplified detailed view transverse to the tube axis.
  • a feed device 8 is arranged, which engages in the guide ring 6 such that the orbital carriage 7 orbital at a defined feed speed around the first pipe end and the circumferential joint 3, which is formed by a V-shaped joint with a very small opening angle electromotive can be moved.
  • an orbital position detection sensor 18 is mounted on the orbital carriage 7, which is designed, for example, as an electronic angle encoder.
  • the laser welding head 12 is mounted on the orbital carriage 7 by means of adjusting means 16, by means of which the laser beam 10 can be aligned relative to the circumferential joint 3 by adjusting the entire laser welding head 12 relative to the orbital carriage 7.
  • Adjustment of the laser welding head 12 perpendicular to the tube so that, for example, the focus position can be adjusted, as well as an adjustment parallel to the tube axis for exact alignment of the laser beam 10 on the circumferential joint 3.
  • the adjustment means 16 it is alternatively possible to design the adjustment means 16 in such a way that the Laser welding head 12 is adjustable in further degrees of freedom or the laser beam 10 can be adjusted additionally or exclusively by optical means, for example via a focusing or deflection unit of the laser welding head.
  • the optical waveguide 11 guided in the hose package 50 to the orbital carriage 7 directs the laser beam 10 emitted by the high-performance fiber laser beam source 9 to the laser welding head 12, which focuses the laser beam 10 on the circumferential joint 3 or on a point near the circumferential joint 3, so that the material of the first Tube end 1 and the second tube end 2 melt within a thermal zone of influence of the laser beam 10, the laser welding zone 13 and a weld seam 4 is formed.
  • the hose package 50 contains a cooling-heating circuit line 47 with flow and return flow, which contains all parts of the laser welding head 12 to be cooled or heated or other parts arranged on the orbital carriage 7 with cooling or heating liquid of the cooling system 37 located on the transport vehicle.
  • a communication line 49 in the hose package 50 in the form of a cable in particular supplies current to the feed unit 8 and enables all sensors and actuators arranged directly or indirectly on the orbital carriage 7 to be communicated with a control computer 44 which is located on the transport vehicle 35 and controls the entire welding process and monitored.
  • Transport vehicle 35 supplied compressed air via a compressed air line 48 in the hose package 50 to the laser welding head 12, so that in particular a protective disc arranged in front of the focusing optics of the laser welding head 12 can be acted upon with a constant compressed air flow.
  • FIG. 3 shows the laser welding head 12 in a detailed view A-A according to FIG. 2 parallel to the tube axis.
  • a process gas nozzle 20 for supplying process gas to the area of the laser welding head 12
  • Suitable process gases are, in particular, inert and active gases, such as, for example, preferably argon, helium, N 2 , C0 2 or 0 2 in a suitable mixing ratio. Also indirectly on the orbital carriage 7, on the other side of the laser welding head 12, is one
  • Wire nozzle 23 mounted for feeding a wire 24 into the laser welding zone 13. By feeding the wire 24 and thus introducing an additional material, it is possible to increase the gap bridging of the circumferential joint 3 increase.
  • the wire 24 is fed from a wire feed unit 26 accommodated on the transport vehicle 35 via a wire feed line 25, which reaches the orbital carriage 7 via the hose package 50.
  • Wire heating unit 27 arranged, which heats the wire 24 inductively, for example.
  • an unheated cold wire can preferably be supplied as an alternative.
  • the wire 24 is fed in slowly.
  • a piercing or lateral wire feed can also be implemented.
  • the process gas can be supplied coaxially to the laser beam or via the wire nozzle 23.
  • the process gas nozzle 20 and the wire nozzle 23 are alternatively mounted directly on the orbital carriage 7 and can be aligned relative to this in at least one degree of freedom.
  • FIG. 4 A second embodiment of an orbital welding device is shown in FIG. 4 in an oblique overview view of the entire device and FIG. 5 in a detailed view parallel to the tube axis on the orbital carriage.
  • FIGS. 4 and 5 are described together, only the differences from the first embodiment being discussed, which is why reference is made to the reference numerals already explained above. Instead of feeding one by one
  • Wire feed unit 26 via a wire feed line 25 via a wire nozzle 23 and a wire 24 supplied from a process gas store 22 via a process gas line 21 to a process gas nozzle 20 is a metal shielding gas known from the prior art.
  • the MSG arc welding head 28 is arranged indirectly on the orbital carriage 7 by being mounted on the laser welding head 12.
  • the MSG arc welding head 28 is relative to the Laser welding head 12 and thus can be aligned in several degrees of freedom relative to the orbital carriage 7, as symbolized by the arrows 54.
  • a freely programmable MSG power source 32 To supply the MSG arc welding head 28, a freely programmable MSG power source 32, a MSG
  • Process gas storage 33 and an MSG wire feed unit 34 are arranged, which via an MSG power line 29, an MSG process gas line 30 and an MSG wire feed line 31 with the MSG arc welding head 28 for MSG arcing or for the MSG process gas supply or for the MSG Wire feed in
  • the lines 28, 29, 30 are led to the orbital carriage 7 via the hose package 50.
  • a ground line 55 connects the first pipe end 1 and the second pipe end 2 to the MSG power source 32.
  • the MSG arc welding head 28 is aligned such that the
  • Laser steel 10 and the MSG arc in the laser welding zone 13 act together.
  • Arc prefers to run ahead.
  • the combination of laser welding and MSG arc welding can further increase the welding speed, improve process stability, add a filler material via the MSG wire feed and achieve a lower temperature gradient so that the tendency to harden is reduced. Furthermore, a higher gap bridging ability is achieved.
  • Arc welding is particularly advantageous when the aim is to significantly increase the welding speed or when larger quantities of filler material are used metallurgical reasons, for reasons of gap filling or also as a result of certain standard regulations.
  • control and monitoring of the entire welding process takes place via the control computer 44, which via the
  • Communication line 49 with sensors and actuators of the orbital carriage 7, the components arranged there and with the units located on the transport vehicle 35 is in communication connection.
  • control, regulating, monitoring and logging means are integrated in the control computer 44, which are described in the following. These means are designed, for example, either as a wired circuit or as a correspondingly programmed control / regulation device.
  • the control computer 44 has a first one
  • Process parameter control 19 which is configured in this way and is transmitted via the control computer 44 to the orbital position detection sensor 18, the high-power fiber laser beam source 9, the MSG
  • Power source 32 and the feed device 8 is connected so that laser radiation parameters, MSG arc parameters and the feed speed of the orbital carriage 7 can be automatically adjusted as a function of the orbital position ⁇ of the orbital carriage 7. It is therefore possible, for example, to weld with vertical or vertical seams with different welding parameters.
  • Fig. 5 shows a mounted on the laser welding head 12, the one already formed or intended by the
  • the seam tracking sensor 15 is For example, designed as a light-optical sensor that detects the position of the circumferential joint 3 via triangulation.
  • a signal of the seam sequence sensor 15 linked to the position is fed to the control computer 44, which is connected to the adjusting means 16.
  • the control computer 44 has a position control 17, which is designed and connected via the control computer 44 to the seam tracking sensor 15 and the adjustment means 16 such that the alignment of the laser beam 10 and in particular the MSG arc welding head 28 is dependent on the detected position of the peripheral joint 3 is automatically adjustable.
  • the laser beam 10 is automatically aligned with the circumferential joint 3, so that misalignment of the laser beam 10 and the MSG arc is avoided even in the case of a guide ring 6 which is not exactly parallel to the circumferential joint 3 or an odd circumferential joint 3.
  • a process sensor 40 is arranged on the laser welding head 12 in such a way that electromagnetic radiation, in particular thermal radiation, is optical
  • a second process parameter control 41 which is integrated in the control computer 44, is designed and connected via the control computer 44 to the process sensor 40, the high-performance fiber laser beam source 9, the MSG current source 32, the feed device 8 and the adjusting means 16 that laser radiation parameters, MSG Arc parameters, the feed rate of the orbital carriage 7 and the alignment of the laser beam 10 can be automatically adjusted as a function of the radiation detected.
  • Seam quality sensor 38 which is designed, for example, as a light-optical sensor, can be used to produce optical recordings of the weld seam 4 produced.
  • Logging means 39 are provided on the control computer 44, which are connected via the control computer 44 to the seam quality sensor 38 for storing and optically reproducing the recordings of the weld seam 4 generated, so that after the welding process has been carried out, the recorded welding process can be replayed. This is particularly advantageous for determining any faults in the weld 4, since the flaw location can be found quickly if the orbital position ⁇ is also recorded and recorded.
  • image processing means 42 are also integrated in the control computer 44, which are designed and connected to the logging means 39 via the control computer 44 such that the recordings of the weld seam 4 generated can be electronically evaluated and an evaluation signal which is linked to the quality of the weld seam 4 is spendable.
  • the output or recording of an error message is possible. If necessary, the welding process is stopped after the error message has been issued and a warning signal is issued to enable the error to be remedied quickly and to keep downtimes to a minimum.
  • a third process parameter control 43 likewise integrated in the control computer 44, is designed in this way and via the control computer 44 with the image processing means 42
  • High-power fiber laser beam source 9 the MSG power source 32, the feed device 8 and the adjustment means 16 is connected that laser radiation parameters, MSG arc parameters, the feed rate of the Orbital carriage 7 and the orientation of the laser beam 10 are automatically adjustable depending on the evaluation signal. Inadequate quality of the weld seam 4 or weld seam defects can be counteracted automatically by adapting process parameters by means of this control.
  • the use of further sensors and controls to increase process reliability is possible.
  • the arrangement variants described above represent only one possible, non-limiting embodiment.
  • the sensors described can be arranged directly or directly on other elements of the orbital carriage 7 instead of on the laser welding head 12.
  • a control computer 44 it is possible to use a number of independent control or regulating units, which are located, for example, directly on the orbital carriage 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Orbitalschweissvorrichtung für den mobilen Einsatz zum Verbinden eines ersten Rohrendes (1) und eines zweiten Rohrendes (2) entlang einer Umfangsfuge (3) mittels mindestens einer Schweissnaht (4), insbesondere zur Herstellung einer auf Land zu verlegenden Pipeline (5). Die erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst einen zu dem ersten Rohrende (1) und der Umfangsfuge (3) ausrichtbaren Führungsring (6) und einen entlang dem Führungsring (6) über eine Vorschubeinrichtung (8) motorisch verschiebbar geführten Orbitalwagen (7). Auf dem Orbitalwagen (7) ist ein Laserschweisskopf (12) zum Richten eines Laserstrahls (10) in eine Laserschweisszone (13) derart auf die Umfangsfuge (3) ausrichtbar angeordnet, dass durch Verschieben des Orbitalwagens (7) die Schweissnaht (4) entlang der Umfangsfuge (3) herstellbar ist. Der Laserstrahl (10) wird von einer von dem Orbitalwagen (7) beabstandeten, insbesondere auf einem mobilen Transportfahrzeug (35) befindlichen Hochleistungs-­Faserlaserstrahlquelle (9) erzeugt und einen im einem Schlauchpaket (50) geführten Lichtwellenleiter (11) zum Orbitalwagen (7) geleitet und dort dem Schweisskopf (12) zugeführt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mittels nur eines einzigen Schweissvorgangs innerhalb kurzer Zeit das Fügen zweier Rohrenden im Feldeinsatz im autarken Betrieb möglich ist.

Description

Orbitalschweissvorrichtung für den Rohrleitungsbau
Die Erfindung betrifft eine Orbitalschweissvorrichtung zum Fügen von Rohrleitungen mittels einer Umfangsschweissnaht , insbesondere zum Orbitalschweissen von Pipelines im mobilen Einsatz .
Vorrichtungen zum Schweissen von Rohren entlang des Rohrumfangs sind seit längerem bekannt und werden als Orbitalschweissvorrichtungen bezeichnet. Im Durchmesserbereich von 50 mm bis über 1.500 mm und im Wanddickenbereich von 2,5 mm bis über 25 mm haben die mobilen Orbitalschweissverfahren die zuvor angewande Muffenverbindungs- und Schraubenverbindungstechnik im Wesentlichen abgelöst. Während die meisten
Industrieschweissanlagen stationär in von Umgebungseinflüssen abgeschirmten Industriehallen betrieben werden oder zumindest die Schweissarbeiten an einem stationären Produkt durchgeführt werden, bewegen sich die Produktionsmittel bei Linienbaustellen des Rohrleitungsbaus, beispielsweise des
Pipelinebaus, entlang des fertig zu stellenden Produkts und sind dabei allen Einflüssen der wechselnden Umgebung und der unterschiedlichen Witterung ausgesetzt. Oft steht nur eine sehr eingeschränkte Infrastruktur zur Verfügung, weshalb auf eine feste Strom-, Wasser- und/oder Gasversorgung, wie sie bei stationären Industrieschweissanlagen selbstverständlich sind, vollkommen verzichtet werden muss, so dass auf mobile Generatoren, mobile Wärmetauscher und transportable Fluid- und Gastanks zurückgegriffen werden muss, die beispielsweise auf mindestens einem Transportfahrzeug längs zur Rohrleitung mittransportiert werden. Rohrschweissarbeiten sind regelmässig neben dem herzustellenden Rohrgraben oder im Rohrgraben selbst bei liegender Rohrachse in Zwangslage durchzuführen. Die sich durch unterschiedlichste Witterungsverhältnisse, ungünstige ergonomische Voraussetzungen und dem Erfordernis der Anpassung an unterschiedliche Gegebenheiten ergebenden
Baustellenbedingungen sind von grossem Einfluss auf die Güte des Schweissergebnisses . Aus diesen Gegebenheiten haben sich verschiedene Schweisstechniken und Schweissverfahren entwickelt, die sich vornehmlich in manuelle, teil- oder vollmechanisierte Verfahren oder deren Kombination unterteilen lassen. Massgebend für das gewählte Schweissverfahren sind Kriterien wie Werkstoff, Abmessung, Verwendungszweck und Wirtschaftlichkeit.
Rein manuelle Verfahren sind beispielsweise das fallende Metall-Lichtbogenschweissen mit Stabelektroden, das durch grosse Spaltüberbrückbarkeit und dickere Einzelschweisslagen gekennzeichnete Lichtbogenschweissen in Steignahttechnik und das Lichtbogenschweissen in Fallnahttechnik. Letzteres ermöglicht eine verhältnismässig hohe Schweissgeschwindigkeit , erfordert j edoch zur einwandfreien Durchführung der Schweissarbeiten ein genaues Ausrichten der Rohrenden mit geeigneten Zentriervorrichtungen, einen gleichmässigen
Luftspalt, einen geringen Kantenversatz und die Vermeidung zu hoher Abkühlgeschwindigkeiten der Einzellagen. Ein voll ausgebildeter Fallnahtschweisser, geeignete
Zentriervorrichtungen, gute Schweisselektroden und geeignete Schweissstromquellen, die linearen Gleichstrom erzeugen, sind zum wirtschaftlichen Einsatz der Fallnahttechnik unumgänglich.
Auch wenn in Niedriglohnländern, in denen der Faktor Lohn kaum eine Rolle spielt, Pipelines nach wie vor von Hand fallend mit oftmals technisch veralteten Schweissmaschinen geschweisst werden und somit die Qualität der Schweissnähte vor allem von der Qualifikation und Tagesform des Schweissers abhängig ist, wurden mittlerweile eine Vielzahl an automatischen oder halbautomatischen Schweissverfahren entwickelt. Ein sehr verbreitetes und relativ wirtschaftliches Verfahren im Pipelinebau ist die MAG-Orbitalschweisstechnik. Das Akronym MAG steht für das aus dem Stand der Technik bekannte Metallaktivgasschweissen, bei welchem ein Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden und im Wesentlichen kontinuierlich zugeführten Drahtelektrode und dem Werkstück innerhalb eines Schutzgasmantels aus beispielsweise C02 oder Mischgas aus C02, inertem Gas, z.B. Argon, und eventuell auch 02 abbrennt. Abhängig von der Verlegegeschwindigkeit der Pipeline, dem Rohrdurchmesser, der Wanddicke des Rohrs, der Beschaffenheit des Geländes, den Umgebungstemperaturen, der zur Verfügung stehenden Infrastruktur und der Qualifikation der Fachkräfte haben sich im Stand der Technik im Wesentlichen vier unterschiedliche Varianten etabliert, die im Folgenden dargestellt werden.
Bei der ersten Variante - der zwar kostengünstigsten aber auch langsamsten und daher vor allem für kürzere Pipelinebaustellen geeigneten Variante - werden die Rohre ohne Vorbehandlung mit einem Luftspalt von 1,5 mm bis 3 mm Abstand mittels einer pneumatischen Innenzentrierung zentriert und fixiert . Zunächst wird die Wurzel manuell von oben nach unten mit einer cellulosen bzw. basischen Elektrode oder mit einem MAG- Schweissgerät mit Metallpulverdraht von 1,0 mm geschweisst. Nach Fertigstellung der Wurzel wird ein Spannband um das Rohr nahe der Fuge arretiert, an dem mit zwei MAG- Orbitalschweissköpfen, die jeweils einen MAG-Brenner aufweisen, von unten nach oben mit einem Fülldraht alle Zwischenlagen und die Decklagen geschweisst werden. Für den Schweissprozess wird ein Schutzgas aus C02 und Argon eingesetzt . Der erste Schweisser beginnt in der Position 6 Uhr und schweisst pendelnd mit Verweilzeiten links und rechts alle Füll- und Decklagen bis zur Position 12 Uhr. Der zweite Schweisser beginnt zeitversetzt ebenfalls bei der Position 6 Uhr und schweisst bis zur Position 1 Uhr, um eine Überlappung der Schweissnaht zu erAalten. Diese Variante ist für das Verlegen von Fernwärmeröhren im Tunnelbau, Wasserleitungen im Tunnelbau, aber auch für Gasspeicher grösserer Dimension, z.B. Durchmesser 2.500 mm, vor allem aber bei Wanddicken zwischen 15 mm und 30 mm einsetzbar. Die Abschmelzleistung beträgt 3,1 kg pro Stunde. Gegenüber dem Fallnahtschweissen mit Cellulose-Elektroden mit 1,7 kg pro Stunde ist diese Variante doppelt so schnell.
Die zweite etablierte Variante, die wesentlich schneller als die erste Variante ist, erfordert höhere Investitionskosten. Um nach dieser Variante schweissen zu können, benötigt man eine Fasing-Maschine mit einem Hydraulikaggregat zum Bearbeiten der Röhrenden. Alle Rohre sind auf der Baustelle mit einem Seitenbaum einzeln anzuheben, so dass sie in die Fasing-Maschine eingeführt werden können, um die Rohrenden entsprechend mit einer: speziellen Schweissnahtvorbereitung auszustatten. Die Fugenform entspricht einer Tulpe mit einem Steg von ca. 2 mm mit einem geringen Öffnungswinkel, wobei wenig Zusatzwerkstoff wegen des geringen Nahtvolumens benötigt wird. Um das Wurzelschweissen von aussen qualitativ zu beherrschen, ist es er-forderlich, eine pneumatische Innenzentriervorricb.tu.ng mit Kupferbacken einzusetzen. Aufgabe der Kupferbacken ist es, das flüssige Schweissgut zu stützen, um eine hundertprozentige Wurzel zu erzielen, bei der beide Rohrinnenkanten miteinander verschweisst sind und ein Wurzeldurchhang von maximal 1 mm gewährleistet ist . Nachdem die Rohrenden bearbeitet sind, wird das Rohr mittels der pneumatischen Innenzentrierung mit Kupferbacken zentriert.
Zuvor wird an einem der Rohrenden ein Spannband montiert, an welchem zwei MAG-Orbitalschweissköpfe geführt sind, welche die Wurzel von 12 Uhr nach 6 Uhr schweissen. Die Rohrenden werden ohne Luftspalt zentriert, so dass beginnend bei 12 Uhr der erste MAG-Orbitalschweisskopf den Steg mit einer hohen Stromleistung aufschmilzt und das flüssige Schweissgut von den Kupferbacken gestützt wird. Der zweite MAG-Orbitalschweisskopf startet ebenfalls bei 12 Uhr, wenn der erste MAG- Orbitalschweisskopf die Position 2 Uhr erreicht hat. Um Fehler in der Wurzel zu vermeiden, findet eine derart konstante Stromversorgung für die Inverter oder Gleichrichter statt, dass sich die Schweissparameter während des Zuschaltens des zweiten MAG-Orbitalschweisskopfes nicht verändern. Dies ist insbesondere mittels eines hydraulischen, auf dem längs zur Pipeline bewegten Transportfahrzeug befindlichen Generatorantriebs, der im Millisekundenbereich reagiert, um die Stabilität des Lichtbogens zu erhalten, gewährleistet. Gegebenenfalls ist es möglich, für die unterschiedlichen Schweisspositionen - waagrecht, fallend und über Kopf - die Schweissstromquellen so zu programmieren, dass entsprechend der Position eines MAG-Orbitalschweisskopfes jeweils eine Stromanpassung sowie die Anpassung der Drahtvorschubgeschwindigkeit erfolgt . Die Anpassung erfolgt vollautomatisch, halbautomatisch oder auch manuell. Die beiden MAG-Orbitalschweissköpfe schweissen die Naht nach gleichen Kriterien von oben nach unten. Nach Fertigstellung der zweiten Lage werden die MAG-Orbitalschweissköpfe vom Spannband entfernt und zum nächsten Schweissstoss transportiert . Ein nachfolgendes MAG-Orbitalschweisskopfpaar schweisst nicht- pendelnd mehrere Fülllagen ebenfalls von oben nach unten. Je nach Wanddicke des Rohres können bis zu 5 solcher Schweissstationen versetzt entlang der Pipeline eingesetzt werden, wobei insgesamt 10 MAG-Orbitalschweissköpfe teilweise gleichzeitig im Einsatz sind und benötigt werden. Es wird mit Massivdraht geschweisst und je nach Schweisslage mit einer unterschiedlichen GasZusammensetzung gearbeitet. Es ist empfehlenswert, eine automatische Gasmischanlage auf den mobilen Transportfahrzeugen zu installieren oder Gas aus Flaschen zu verwenden, in denen das Gemisch fertig angeliefert wird. Die Abschmelzleistung dieser Variante beträgt üblicherweise bis zu 5,1 kg pro Stunde mit Massivdraht, was eine wesentliche Steigerung der Schweissgeschwindigkeit und der Tagesleistung darstellt . Die Schweissnahtquälit t ist gut bis sehr gut. Eine maximale Reparaturquote von 3 bis 5% ist gegeben.
Für die dritte Variante wird ein Innen-MAG-Orbitalschweisskopf benötigt, um die Wurzel von innen zu schweissen. Vier MAG-
Schweissbrenner schweissen - beginnend von Position 12 Uhr bis 6 Uhr - die Wurzel überlappend von der einen Hälfte des Rohres und vier MAG-Schweissbrenner von oben nach unten die andere Hälfte des Rohres. Das Schweissen der Wurzel an einem 1.200 mm Rohr dauert ca. 3 Minuten. Um diese hohe
Schweissgeschwindigkeit zu erzielen, sind die
Investitionskosten entsprechend sehr hoch. Das Schweissen der Füll- und Decklagen erfolgt wie bei der zweiten Variante mit Massivdraht von oben nach unten. Die Regelung findet in Abhängigkeit vom Qualifikationsgrad des Bedienungspersonals manuell, halbautomatisch oder im Falle programmierbarer Stromquellen automatisch statt. Die Abschmelzleistung bei diesem Verfahren liegt üblicherweise bei 5,9 kg pro Stunde, so dass dieses Verfahren im Vergleich zu den Vorangegangenen das schnellste, aber auch das kiostenintensivste
Orbitalschweissverfahren ist.
Eine vierte Variante sieht die Ausrüstung jeweils eines MAG- Orbitalschweisskopfes mit zwei um den Rohrumfang leicht versetzten MAG-Brennern und zwei oder vier Drähten vor. Die
Schweissgeschwindigkeit erhöht sich etwa um 100%, wenn mit zwei MAG-Brennern geschweisst wird, oder etwa um 400%, wenn mit zwei MAG-Brennern und vier Drähten geschweisst wird. Diese Technologie ist vor allem für Rohre geeignet, deren Durchmesser grösser als 1.000 mm ist und deren Wanddicke mindestens 20 mm beträgt. Die Schweissnahtvorbereitung ist entsprechend anzugleiche . Insgesamt sind acht Schweissstromquellen, die beispielsweise auf dem Transportfahrzeug angeordnet sind, erforderlich, um zwei an einem Spannband wie oben beschrieben geführte MAG- Orbitalschweissköpfe mit jeweils vier Drähten bedienen zu können. Die Stromquellen kommunizieren miteinander und pulsen synchron. Dies ist z.B. mit einem speziellen Multi-Inverter möglich. Um derartige MAG-Orbitalschweissköpfe mit insgesamt vier Brennern einsetzen zu können, ist eine umfangreiche Schulung des Bedienpersonals erforderlich. Die jeweiligen Baustellenkriterien müssen berücksichtigt werden, um die gewünschte Tagesleistung mit diesem Verfahren zu erzielen. Die Investitionskosten sind erheblich, jedoch wird eine sehr hohe Abschmelzleistung und Schweissgeschwindigkeit erzielt.
Um bei allen vier Varianten des MAG-Orbitalschweissens optimale Schweissergebnisse zu erzielen, findet der Schweissprozess jeweils unter einem geeigneten Schweisserzelt statt. Das Schweisserzelt ist so konzipiert, dass während des Schweissprozesses keine Zugluft in das Zelt gelangen kann. Des Weiteren sind die Türen des Schweisserzelts derart gesichert, dass während der Schweissarbeiten kein Fremdzugang von aussen möglich ist. Im Falle extremer thermischer Bedingungen sind die Schweisserzelte zugluftfrei klimatisiert. Die Schweissnahtqualität hängt zum grossen Teil von der Ausführung des Schweisserzeltes ab. Alle oben beschriebenen vier Varianten des MAG-Orbitalschweissens sind technisch ausgereift, setzen aber voraus, dass alle Rahmenbedingungen eingehalten werden, um erstklassige Schweissnähte zu produzieren. Das MAG-Orbitalschweissen ist durch hohe Reparaturquoten, Ausfallzeiten durch Witterungseinflüssen sowie Beeinträchtigungen der Schweissnahtqualität durch das Bedienungspersonal an seinen Grenzen angekommen. Das Bedienungspersonal der MAG-Orbitalschweissköpfe muss nicht nur auf dem Sektor Schweisstechnik, sondern auch auf dem elektronischen Sektor hochqualifiziert sein. Schweissparameter, die den Schweissprozess in den unterschiedlichen Schweisspositionen vollautomatisch beeinflussen, haben den Nachteil, dass Veränderungen von aussen - insbesondere Spritzer, die unkontrolliert beim Schweissen entstehen können, oder auch Einflüsse aus der Atmosphäre - voraussetzen, dass der Schweisser sofort in den automatisierten Prozess eingreift und den Schweissprozess manipuliert, um die Fehler zu minimieren. Das Schweissen der Wurzel mit Innen-MAG-Orbitalschweissköpfen ist zwar sehr schnell, aber auch sehr kostenintensiv. Ausserdem ist die Wurzellage oft mit sehr vielen Schweissfehlern behaftet. Am Beginn einer Wurzel ist es möglich, dass sich beim Ansetzen Poren bilden, die sich beim Überschweissen mit einem nachfolgenden Brenner bis in die obere Nahtschicht ausbilden. Diese Poren müssen nach dem Schweissen mechanisch beseitigt werden. Es ist also erforderlich, dass ein Schweisser von innen und mit einem Handschweissgerät die Wurzel nachschweisst. Erst dann können weitere Schweissprozesse von aussen erfolgen. Die hohen Investitionskosten und das viele erforderliche gut ausgebildete Personal haben diesem Verfahren daher nicht zum Durchbruch verholfen. Durch den Einsatz von zwei oder vier Drähten an einem Schweisskopf werden diese Probleme sogar noch umfangreicher.
Da zur Fertigstellung einer Schweissnaht neben der Wurzel und der Decklage eine Vielzahl an Fülllagen geschweisst werden müssen, die zum Teil den Einsatz unterschiedlicher MAG- Orbitalschweissköpfe erfordern, werden zur Erreichung einer hohen Verlegegeschwindigkeit der Pipeline in der Regel mehrere, teilweise über fünf Schweissstationen eingesetzt, mittels welcher jeweils eine Schweissnaht oder mehrere Schweissnähte erzeugt werden. Da somit gleichzeitig an mehreren Rohrverbindungen gearbeitet wird, müssen mehrere komplett ausgestattete Schweissstationen bereitgestellt werden, die jeweils nicht nur mehrere MAG- Orbitalschweissköpfe, sondern auch jeweils eine Abschirmung insbesondere in Form eines Schweisserzelts, ein die jeweilige Schweissstromquelle, die Schutzgasflaschen, den Generator, gegebenenfalls den Schweissdraht und weitere
Versorgungseinrichtungen transportierendes Transportfahrzeug und mehrere Rohrkräne erfordern. Dies führt nicht nur zu erheblichen Investitionskosten, sondern hat auch einen grossen Wartungsaufwand und hohe Personalkosten zur Folge, da jede Schweissstation von entsprechend qualifiziertem Personal zu bedienen ist .
Aufgrund dieser Probleme im Stand der Technik des mobilen MAG- Orbitalschweissens von Pipelines wird weltweit seit längerem nach alternativen Fügeverfahren für den Pipelinebau geforscht.
Ein im stationären Einsatz bewährtes Schweissverfahren ist das Laserstrahlschweissen. Beim Laserstrahlschweissen kommen als Laserstrahlquelle momentan Hochleistungs-C02-Gaslaser, -Nd:YAG-Festkörperlaser, -Scheibenla.ser und -Diodenlaser zum Einsatz. Als Hochleistungslaser sei eine Laserstrahlquelle mit einer Strahlleistung von mindestens 1 kW zu verstehen.
C02-Laser emittieren Laserlicht mit einer Wellenlänge von 10,6 μm und besitzen in der Materialbearbeitung Strahlleistungen von wenigen hundert Watt bis über 40 kW bei einem Wirkungsgrad von cirka 10%. Die Strahlführung hat bei derartigen C02-Lasern über relativ aufwendige Spiegeloptiken zu erfolgen, da eine Strahlführung über einen flexiblen Lichtwellenleiter aufgrund der Wellenlänge des emittierten Laserlichts nicht möglich ist.
Das von einem Nd:YAG-Laser emittierte Laserlicht hat eine Wellenlänge von 1,064 μm, wobei industriell verfügbare, lampengepumpte Systeme für die Materialbearbeitung eine Strahlleistung von etwa 10 W bis über 6 kW im Dauerstrichbetrieb besitzen. Durch die Verwendung von Dioden- Arrays zur Anregung anstelle von Bogenlampen ist bei allerdings erheblich höheren Investitionskosten eine Erhöhung des Wirkungsgrades von 3% für ein lampengepumptes System auf bis zu ca. 10% möglich. Ein von einem Nd:YAG-Laser erzeugter Strahl kann im Gegensatz zum C02-Laserstrahl über
Lichtwellenleiter, insbesondere ein Glasfaserkabel, geführt werden, was eine erheblich flexiblere Aufstellung der Strahlquelle und Handhabung des Nd:YAG-Laserstrahls ermöglicht .
Eine neuere Entwicklung im Bereich der Festkörperlaser ist der Scheibenlaser. Das Licht dieses Lasers kann wie das des Nd:YAG-Lasers über Fasern geführt werden. Vorteilhaft ist bei diesem Laser insbesondere der hohe Wirkungsgrad im Bereich um 20%. Seine Strahlleistung ist jedoch derzeit auf bis zu 4 kW beschränkt .
Die Wellenlänge von Diodenlasern liegt je nach Dotierung des verwendeten Halbleitermaterials zwischen 0,78 und 0,94 μm, wobei bei einem Wirkungsgrad von 35 bis 50% derzeit Strahlleistungen bis 4 kW fasergekoppelt oder 6 kW direktstrahlend industriell verfügbar sind. Diese vier beim Laserstrahlschweissen eingesetzten Laserstrahlquellen konnten jedoch bisher nicht beim mobilen Orbitalschweissen von Rohen, insbesondere Pipelines, erfolgreich zur Anwendung kommen.
Da der von einem C02-Laser emittierte Strahl nur mittels Spiegel umgelenkt werden kann und die Strahlführung somit ausserordentlich schwierig ist, kommen C02-Laser bisher in der Praxis nur im stationären Bereich oder im Off-Shore-Bereich auf Schiffen zum Einsatz, wobei entweder die zu fügenden Rohre bei stillstehender Laserstrahlquelle relativ zum unbewegten Laserstrahl gedreht werden oder die gesamte Laserstrahlquelle mittels einer stabilen Vorrichtung um das aufrecht stehende unbewegte Rohr geschwenkt wird. Derartige Vorrichtungen zeigt beispielsweise die US 4,591,294, in welcher eine
Orbitalschweissvorrichtung mit zwei C02-Lasern beschrieben wird, die auf einer drehbaren Plattform angeordnet sind und derart jeweils um 180° um einen senkrecht stehenden, von einem Schiff in das Meer herabzulassenden Pipelineabschnitt geschwenkt werden können, dass eine Umfangsschweissnaht herstellbar ist. Bei der horizontalen Landverlegung von langen Rohrleitungen, insbesondere Pipelines, ist das Drehen der Rohrleitung bei unbewegtem Laserstrahl ausgeschlossen. Ein Schwenken des gesamten C02-Lasers um ein horizontal liegendes Rohr ist aufgrund des hohen Gewichts und der Baugrösse eines Hochleistungs-C02-Lasers mittels mobiler Vorrichtungen mit der erforderlichen Präzision unter Feldbedingungen nicht möglich. Ein Führen des Laserstrahls rings um ein feststehendes Rohr, bevorzugt um über 180°, so dass der Strahl stets im Wesentlichen senkrecht auf die Rohraussenfläche auftrifft, ist höchst kompliziert, da mehrgelenkige Spiegelsysteme zum Einsatz kommen müssen. Ein Spiegelsystem, mittels welchem ein parallel zur Rohrachse ausserhalb des Rohrs geführter Laserstrahl über fünf Spiegel, die in einem mehrschenkligen und mehrfach verstellbarem Stahlführungsrohrsystem angeordnet sind, rings um eine Umfangsfuge zweier Rohrenden geführt werden kann, ist aus der russischen Offenlegungsschrift RU 2 229 367 C2 bekannt. Die US 4,533,814 zeigt ein ähnliches System, bei welchem ein senkrecht auf die Rohrachse weisender Laserstrahl über ein Stahlführungsrohrsystem, das drei Gelenke und mehrere Spiegel umfasst, um ein Rohr relativ kleinen Durchmessers geführt werden kann. Ein. weiteres Spiegelsystem wird in der US 4,429,211 beschrieben, bei welchem ein Laserstrahl über verstellbare Spiegel zum Teil ungeschirmt zu einem eine Umfangsfuge orbital umlaufenden Arbeitskopf gelenkt wird, der diesen Strahl wiederum senkrecht auf die Umfangsfuge richtet. Den bekannten Spiegelsystemen ist gemein, dass sie aufgrund des grossen Platzbedarfs, des hohen Gewichts, der hohen Investitionskosten und der hohen Empfindlichkeit in
Bezug auf Verschmutzung, Dejustierung oder Beschädigung der Spiegel für den mobilen Einsatz unter Feldbedingungen ungeeignet sind. Ein Innenumfangsschweissen mittels eines zur Rohrachse koaxialen C02-Laserstrahls ist zwar möglich, jedoch lassen sich durch das Innenumfangsschweissen von Rohrleitungen ohne zusätzliches Aussenumfangsschweissen bisher nur unbefriedigende Resultate erzielen. Ein weiteres Problem des C02-Lasers ist dessen schlechter Wirkungsgrad und der hiermit verbundene hohe Energie- und Kühlungsbedarf. Da im Feldeinsatz Strom in der Regel von mobilen Generatoren erzeugt werden muss, ist die ausreichende Stromversorgung eines Hochleistungs-C02-Lasers problematisch. Weiters müssen wegen der hohen Wärmeentwicklung grosse Kühlsysteme eingesetzt werden, die einen mobilen Einsatz eines C02-Lasers zusätzlich erschweren. Aufgrund der relativ hohen
Erschütterungsempfindlichkeit eines C02-Lasers ist ein mobiler kaum möglich. Ein Nd:YAG-Laser wäre aufgrund der Tauglichkeit des emittierten Laserstahls zur Strahlführung über einen flexiblen Lichtwellenleiter für die Führung des Strahls um ein Rohr grossen Durchmessers geeignet, jedoch erweist sich diese Laserquelle, wie auch der C02-Laser, als ungeeignet für den mobilen Feldeinsatz. Aufgrund des verglichen mit anderen Industrielasern schlechten Wirkungsgrads einer Nd: YAG-Lasers stellen die Stromversorgung und der Platzbedarf des Lasers und dessen Zusatzkomponenten, insbesondere der Kühler, ein bisher nicht gelöstes Problem für den Einsatz beim mobilen Orbitalschweissen von Pipelines dar. Die
Erschütterungsempfindlichkeit eines Nd:YAG-Laser ist ebenfalls relativ hoch. Ausserdem können bisher mit dem Nd:YAG-Laser aufgrund der im Vergleich zum C0 -Laser geringeren Laserstrahlleistung auch im stationären Einsatz keine vollends zufrieden stellenden Schweissergebnisse erzielt werden, da die maximal erreichbare Schweissgeschwindigkeit beim Schweissen von grossen Rohren, insbesondere für eine Pipeline, zu gering ist oder nicht einlagig geschweisst werden kann.
Die Strahlleistung des Scheibenlasers ist derzeit auf maximal 4 kW beschränkt, was angesichts der Stahleigenschaften eines Scheibenlasers für das Orbitalschweissen von dickwandigen Rohren als nicht ausreichend anzusehen ist. Trotz seines hohen Wirkungsgrads im Bereich um 20% und des damit verbundenen relativ geringen Leistungsbedarfs ist der Scheibenlaser aufgrund seines schwierig zu justierenden Aufbaus und seiner extrem hohen Erschütterungsempfindlichkeit momentan keinesfalls als mobile Strahlquelle, die unter Feldbedingungen zwangsläufig Erschütterungen ausgesetzt ist, geeignet.
Im Gegensatz zu Hochleistungs-C02-Lasern, -Nd: YAG-Lasern und -Scheibenlasern, die hinsichtlich Energie- und Raumbedarf sowie konstruktiver Auslegung und Gewicht nur mit sehr grossen Einschränkungen überhaupt als mobile Systeme betrieben werden können, stellt der Diodenlaser eine relativ mobile, kompakte und leichte Laserstrahlquellen mit gutem Wirkungsgrad dar. Jedoch ermöglicht der Diodenlaser aufgrund seiner prinzipbedingten geringeren Strahlintensität und
Strahlleistung in der Regel unter Normalbedingungen kein Tiefschweissen, so dass das Schweissen dickwandigerer Rohre nur in Mehrlagentechnik möglich wäre.
Die US 5,796,068 und US 5,796,069 beschreiben eine
Laseraussenumfangsschweissvorrichtung für den Pipelinebau. Die Vorrichtung umfasst wenigstens eine aussen an einem Rohr der Pipeline befestigte ringförmige Führungsschiene, einen auf nämlicher geführten und rings um das Rohr bewegbaren Schweisswagen, eine auf dem Schweisswagen montierte
Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, der gegebenenfalls über Umlenkmittel auf die von den zu verbindenden, stumpf gegeneinander stossenden Rohrenden gebildete Fuge richtbar ist, und eine ebenfalls auf dem Schweisswagen montierte Vorschubeinheit zum orbitalen Bewegen des Schweisswagens um das Rohr, so dass der Laserstrahl entlang der Fuge der gegeneinander stossenden Rohrenden zum Fügen der selbigen mittels einer Aussenumfangsschweissnaht geführt wird. Da die Laserstrahlquelle direkt auf dem Schweissfahrzeug angeordnet ist und um das gesamte Rohr bewegt werden muss, ergeben sich erhebliche Einschränkungen bei der Auswahl einer hierfür geeigneten Strahlquelle. Ein bezüglich Baugrösse und Gewicht geeigneter Festkörper- oder Gaslaser weist eine viel zu geringe Strahlleistung auf, um eine Schweissgeschwindigkeit, die mindestens derjenigen beim
Lichtbogenschweissen entspricht, zu erreichen. Ein Diodenlaser wäre zwar unter Umständen bezüglich seiner Baugrösse zur direkten Montage auf den Transportwagen geeignet, jedoch ermöglicht er aufgrund seiner prinzipbedingt geringen Strahlintensität kein Tiefschweissen dickwandiger Rohre ohne Anwendung von Mehrlagentechnik.
Ausserdem wird in der US 5,796,068 und in der US 5,796,069 eine kombinierte Laserinnenumfangsschweiss- und Innenzentrier- vorrichtung beschrieben. Die Vorrichtung ist als ein Fahrzeug ausgebildet, das mittels eines Antriebs innerhalb des Rohrs entlang der Rohrachse bewegbar ist und sich somit im Bereich der von den zu verbindenden, stumpf gegeneinander stossenden Rohrenden gebildete Fuge positionieren lässt. Mit Hilfe einer integrierten Innenzentriereinheit, die zwei jeweils auf die Innenfläche eines Rohrs radial wirkende pneumatische Spannvorrichtungen aufweist, sind die beiden Rohre in bekannter Weise exakt zueinander ausrichtbar. In einem darauf folgenden Schritt wird mindestens ein von einer auf dem Rohrfahrzeug montierten Laserstrahlquelle emittierter Laserstrahl über Lichtleitmittel entlang der Fuge zum Fügen der beiden Rohrenden mittels einer Innenumfangsschweissnaht geführt. Weiters wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem zuerst eine Schweisslage von innen mit Lichtbogen und im
Anschluss eine Schweisslage von aussen mit Laser geschweisst wird.
In der WO 92/03249 wird eine Vorrichtung zum Laserschweissen eines Rohrs entlang seinem Innenumfang mit einer in das Rohr einführbaren Sonde offenbart. Innerhalb der Sonde sind Mittel angeordnet, mit denen ein Teil eines sich in ihrem Inneren ausbreitenden Schutzgasstroms vor Erreichen einer Austrittsöffnung für ein fokussiertes und umgelenktes, insbesondere von einem beabstandeten Nd:YAG-Laser mittels eines Lichtwellenleiters zugeführten Laserstrahlenbündel abgezweigt und mit einer zur Austrittsöffnung hin gerichteten Strömungskomponente zur Aussenoberflache des Sonde geführt wird. Dadurch wird ein Niederschlag von Schweissgut im Bereich der Austrittsöffnung und im Inneren der Sonde verringert.
In der US 5,601,735 wird eine Laserschweissvorrichtung zur Herstellung eines länglichen, rohrförmigen und gasdichten, insbesondere mit dem Isolationsgas SF6 zu befüllenden Erdungszylindergehäuses aus einer Vielzahl von kurzen, über eine Aussenumfangsschweissnaht miteinander verbundenen Zylindersegmenten für eine elektrische Komponente, beispielsweise einen Leistungs- oder Lasttrennschalter, vorgestellt . Die Laserschweissvorrichtung umfasst einen Ringrahmen, der mittels zweier, die beiden zu verbindenden Zylindersegmente jeweils nahe den Zylinderenden fest umschliessenden Spannbänder rings um die Umfangsfuge angeordnet wird. Da der Abstand der beiden über den Ringrahmen miteinander verbundenen Spannbänder über eine Vielzahl an Längsstellschrauben einstellbar ist und beide Spannbänder relativ zu den ZylinderSegmenten über mehrere, entlang dem Umfang verteilte RadialSpannschrauben axial ausrichtbar sind, ist es möglich, die beiden Zylindersegmente zueinander auszurichten. Innerhalb des Ringrahmens befindet sich eine Ringschiene, entlang welcher ein Laserschweisswerkzeug geführt wird, das über einen am Ringrahmen montierten, in einen am Laserschweisswerkzeug angeordneten Zahnkranz eingreifenden Elektromotor rings um die Umfangsfuge bewegbar ist. Das Laserschweisswerkzeug umfasst eine Fokussieroptik zum Fokussieren eines Laserstrahls auf die Umfangsfuge, Detektoren zum Erfassen der Lage der Umfangsfuge und zwei Antriebe zuim Feinausrichten der Fokussieroptik auf die Umfangsfuge in radialer und axialer Richtung. Der Laserstrahl wird mittels einer in der Nähe des Ringrahmens platzierten Laserstrahlquelle erzeugt und über ein Glasfaserkabel zur Fokussieroptik geleitet. Das Glasfaserkabel ist innerhalb des Ringrahmens über eine Spiralschiene derart um die beiden Rohre gewunden, dass beim Bewegen des Laserschweisswerkzeugs um den gesamten Rohrumfang eine Überdehnung oder sonstige Beschädigung des Glasfaserkabels verhindert werden soll . Als mögliche Laserstrahlquelle wird trotz der verwendeten Glasfaser ein C02-Laser angegeben. Die in der US 5,601,735 beschriebene Schweissvorrichtung ist für das im stationären Einsatz stattfindende Fügen von relativ kurzen zylindrischen Segmenten kleinen Durchmessers, geringer Wanddicke und relativ leichten Gewichts, wie dies bei gattungsgemässen Erdungsgehäusen für Leistungs- oder Lasttrennschalter der Fall ist, ausgelegt. Da die Fertigung derartiger Produkte stets stationär erfolgt, stellt sich die Frage eines mobilen Betriebs der offenbarten Vorrichtung gattungsgemäss nicht, weshalb entsprechende Massnahmen nicht beschrieben werden. Der Einsatz eines derartigen Schweissverfahrens für das Schweissen von langen Rohren grossen Durchmessers bis über 1500 mm und Wanddicken bis etwa 25 mm, beispielsweise Pipelines, mit hoher Schweissgeschwindigkeit ist mittels der beschriebenen Schweissvorrichtung, die lediglich für geringe Laserleistungen ausgelegt ist, nicht möglich. Die Führung des Laserstrahls einer C02-Laserquelle mittels eines Glasfaserkabels, wie in der US 5,601,735 beschrieben, ist bei Einsatz einer Hochleistungs-C02-Laserquelle mit über 1 kW Strahlleistung nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Orbitalschweissen von Rohrleitungen mittels einer Umfangsschweissnaht , die nur eine oder möglichst wenige Lagen aufweist, insbesondere zum Orbitalschweissen von auf
Land horizontal verlegten Pipelines im mobilen Einsatz unter Feldbedingungen, zur Verfügung zu stellen, mit der höhere Schweissgeschwindigkeiten als beim MAG-Orbitalschweissen, eine erhöhte Prozesssicherheit und eine hohe Schweissnahtqualität erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Verwirklichung der kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Merkmale, die die Erfindung in alternativer oder vorteilhafter Weise weiterbilden, sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemässe Orbitalschweissvorrichtung ist für den mobilen Einsatz zum Verbinden eines ersten Rohrendes und eines zweiten Rohrendes entlang einer Umfangsfuge mittels mindestens einer Schweissnaht, insbesondere zur Herstellung einer auf Land horizontal zu verlegenden Pipeline, jedoch auch für den stationären Einsatz oder den Offshore-Einsatz auf See bei nichthorizontaler Rohrausrichtung geeignet. Mittels der erfindungsgemässen Orbitalschweissvorrichtung ist es möglich, Rohre, die aus einem schmelzschweissbaren Werkstoff, insbesondere einem metallischen Werkstoff, bevorzugt einem Stahlwerkstoff, z.B. X70, X80, X90, X100 oder hochlegiertem, nicht rostendem Stahl bestehen und einen Durchmesser von 50 mm bis über 4.000 mm und eine Wanddicke von 2,5 mm bis über 25 mm aufweisen, innerhalb kurzer Zeit mit nur einem Orbitalumlauf zu verbinden. Auch wenn die Anwendung der Vorrichtung für kleinere Rohre möglich ist, besitzen die zu verbindenden
Rohrsegmente in den bevorzugten Anwendungen einen Durchmesser von über 500 mm, insbesondere über 800 mm, vor allem über 1.000 mm, eine Wanddicke von über 5 mm, vor allem über 10 mm, und eine Länge, die wesentlich grösser ist als der Durchmesser des Rohrs. Aufgrund der Eignung zum mobilen und autarken Einsatz kann die erfindungsgemässe Vorrichtung auch zur Herstellung von horizontal auf Land zu verlegenden Pipelines in einer Umgebung, in der nur eine schlechte oder keine Infrastruktur in Form einer festen Strom-, Wasser- oder Gasversorgung zur Verfügung steht, verwendet werden.
Die Orbitalschweissvorrichtung umfasst einen Führungsring, der zu dem Rohrende eines ersten Rohrs, im Folgenden als das erste Rohrende bezeichnet, und der Umfangsfuge ausrichtbar ist. Die Umfangsfuge sei als der Spalt oder Nullspalt zwischen den Stirnseiten des ersten Rohrendes und des Rohrendes eines zweiten Rohrs gleichen Querschnitts, im Folgenden das zweite Rohrende genannt, oder als der Rohrstoss definiert, wobei das erste Rohr und das zweite Rohr derart zueinander ausgerichtet sind, dass die Umfangsfuge einen im Wesentlichen konstanten Spaltabstand von höchstens 1 mm, bevorzugt unter 0,3 mm, besonders bevorzugt technischer Nullspalt, aufweist und beide Rohre ohne wesentlichen Versatz zueinander zentriert sind. Die beiden Rohre haben bevorzugt einen kreisförmigen, alternativ jedoch einen ellipsoiden oder sonstigen Querschnitt und sind insbesondere gerade, gebogen oder abgewinkelt ausgeführt. Vorrichtungen zum von der Innen- und/oder Aussenseite erfolgenden Zentrieren von Rohren und zum Einstellen eines definierten Spaltabstands der Umfangsfuge sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Die Rohrenden sind insbesondere unter Zuhilfenahme einer bekannten Fasing-Vorrichtung derart bearbeitet, dass die Umfangsfuge die Form einer I-Naht, einer Y-Naht, V-Naht oder einer Tulpennaht hat. Alternativ sind die Kanten lasergeschnitten. Der Führungsring ist bevorzugt parallel zur Umfangsfuge mit konstantem Abstand zur Aussenflache oder Innenfläche des ersten Rohrendes ausgerichtet. Das Ausrichten erfolgt beispielsweise über eine Vielzahl entlang des
Führungsringumfangs angeordneter Spannschrauben, mittels derer der Abstand des Führungsrings vom der Rohroberfläche exakt einstellbar ist. Der Führungsring dient zum Führen eines auf selbigem angeordneten Orbitalwagens, der orbital entweder entlang dem gesamten Aussen- oder Innenumfang des ersten Rohrendes oder zumindest entlang einem Teilabschnitt des Umfangs verschiebbar geführt ist. Der Orbitalwagen kann motorisch über eine
Vorschubeinrichtung entlang dem Führungsring bewegt werden.
Auf dem Orbitalwagen ist ein Laserschweisskopf zur Führung und Formung eines Laserstrahls angeordnet. Der Laserschweisskopf ist derart auf die Umfangsfuge ausrichtbar, das mittels eines von dem Laserschweisskopf auf die Umfangsfuge oder auf einen in unmittelbarer Nähe zur Umfangsfuge befindlichen Punkt fokussierten Laserstrahls, gegebenenfalls unter Zufuhr von inerten oder aktiven Prozessgasen oder Gemischen aus diesen, der Werkstoff der beiden Rohrenden innerhalb der im Folgenden als Laserschweisszone bezeichneten thermischen Einflusszone des Laserstahls aufschmelzbar ist und durch Verschieben des Orbitalwagens entlang dem Führungsring, gegebenenfalls unter Zufuhr eines Zusatzwerkstoffs in Form eines Drahts, eine Schweissnaht entlang der Umfangsfuge herstellbar ist.
Gegebenenfalls sind Mittel zur Badstützung oder Formierung vorgesehen, insbesondere Kupferbacken auf der Gegenseite oder eine Zufuhrvorrichtung zur wurzelseitigen Zufuhr von Formiergas .
Die Erzeugung des Laserstrahls erfolgt erfindungsgemäss über wenigstens eine mobile Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle, die von dem Laserschweisskopf beabstandet - insbesondere auf einem längs zur Rohrachse ausserhalb des Rohrs beweglichen Transportfahrzeug schwingungsgedämpft - angeordnet ist. Der von dem Faserlaser erzeugte Laserstrahl wird über einen Lichtwellenleiter, bevorzugt ein flexibles Glasfaserkabel, von der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle zum Laserschweisskopf geführt. Es ist möglich, einen Lichtwellenleiter mit einer Länge von 30 m bis über 200 m einzusetzen, so dass das Transportfahrzeug mit der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle weit beabstandet vom Laserschweisskopf positioniert werden kann.
Als Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle im Rahmen der Erfindung sei eine Festkδrper-Laserstrahlquelle mit einer vom Einsatzgebiet abhängigen Strahlleistung von über 1 kW, insbesondere über 3 kW, bevorzugt über 5 kW, besonders bevorzugt über 7 kW zu verstehen, deren laseraktives Medium von einer Faser gebildet wird. Die insbesondere aus Yttrium- Aluminium-Granat bestehende Faser ist in der Regel mit Ytterbium oder anderen seltenen Erden dotiert . Die Enden und/oder die Mantelfläche der Glasfaser werden beispielsweise mittels Dioden optisch gepumpt. Die Wellenlänge einer typischen Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle liegt etwa bei 1,07 μm, wobei bei einem Wirkungsgrad von mehr als 20% Strahlleistungen von theoretisch bis über 100 kW verfügbar sind. Somit ist der Wirkungsgrad einer Hochleistungs- Faserlaserstrahlquelle wesentlich höher als der eines Nd:YAG- Lasers oder eines C02-Lasers. Die maximal erreichbare Strahlleistung liegt derzeit wesentlich höher als die des Nd:YAG-Lasers oder des Diodenlasers. Die Strahlintensität übertrifft die des Diodenlasers, so dass ein Tiefschweissen möglich ist. Im Vergleich zum C02-Laser, Nd:YAG-Laser und
Scheibenlaser ist eine Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle relativ erschütterungsunempfindlich. Ein von einer Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle erzeugter Laserstrahl kann im Gegensatz zum C02-Laser über ein flexibles Glasfaserkabel über Distanzen bis über 200 Meter geleitet werden. Die Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle ermöglicht sowohl das Erzeugen kontinuierlicher Laserstrahlung im sogenannten cw-Betrieb, als auch die Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit Pulsfrequenzen bis über 20 kHz und beliebigen Pulsformen. Insbesondere aufgrund des im Vergleich zum Nd:YAG-Laser ausgezeichneten Wirkungsgrads, der eine relativ geringe Generatorenleistung und ein relativ kleines Kühlsystem erfordert, der hohen verfügbaren Strahlleistung und der hervorragenden Strahlqualität, die im Vergleich zum
Diodenlaser ein Tiefschweissen ermöglicht, der Tauglichkeit zur Lichtwellenleiterstrahlführung, der geringen Erschütterungsempfindlichkeit und der im Vergleich zum Nd:YAG- Laser und C02-Laser geringen Baugrösse einer Hochleistungs- Faserlaserstrahlquelle ist ein mobiler und autarker Einsatz auf einem Transportfahrzeug möglich.
Mittels der erfindungsgemässen Orbitalschweissvorrichtung ist es realisierbar, wie Versuche gezeigt haben, bei einer momentan kommerziell verfügbaren Strahlleistung von 10 kW, einem Strahlparameterprodukt von 12 mm*mrad und einem Strahldurchmesser im Fokusbereich von ca. 0,3 mm Rohre, die eine Wanddicke von 12 mm oder 16 mm haben, aus X70 Stahl gefertigt sind und eine V-Naht-fδrmige und durch Laserstrahlschneiden vorbereitete Umfangsfuge mit einem sehr kleinen Öffnungswinkel von nur etwa 1° aufweisen, mit einer Schweissgeschwindigkeit von 2,2 bzw. 1,2 Metern pro Minute zu fügen, wobei die hierbei erzeugte Schweissnaht anforderungsentsprechender Qualität nur eine einzige Schweisslage aufweist. Somit sind Schweissgeschwindigkeiten von unter 3 Minuten zum Fügen zweier typischer Pipelinesegmente mit Nenndurchmesser 1.000 mm im mobilen Einsatz unter Feldbedingungen möglich.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mittels nur eines Orbitalumlaufs und bevorzugt eines einzigen Schweissvorgangs binnen kurzer Zeit das Fügen zweier Rohrenden möglich ist. Die beim horizontalen Verlegen von Pipelines unter Feldbedingungen beim MAG-Orbitalschweissen. bisher aus wirtschaftlichen Gründen bestehende Notwendigkeit des Einsatzes einer Vielzahl entlang der Pipeline an mehreren Fügestellen arbeitenden, unterschiedliche Schweisslagen schweissenden Schweissstationen entfällt, da mittels einer einzigen Schweissstation das vollständige Verbinden zweier Rohrsegmente möglich ist. Der Transport einer Vielzahl von Schweissstationen und die damit verbundenen Kosten entfallen. Der Personalaufwand ist wesentlich geringer als bei den bisher bekannten Verfahren. Die Schweissnahtqualität und die Prozesssicherheit übertrifft die der bisher bekannten MAG- Orbitalschweissvorrichtungen. Selbstverständlich ist es möglich, zur weiteren Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit mehrere Laserschweisskopfe, die an einer Umfangsfuge arbeiten, oder in unterschiedlichen Schweissstationen zum Einsatz kommen, zu verwenden. Die Verwendung einer einzigen Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle für mehrere Laserschweisskδpfe oder mehrerer Hochleistungs- Faserlaserstrahlquellen für einen Laserschweisskopf ist möglich. Ebenfalls ist es realisierbar, die erfindungsgemässe Orbitalschweissvorrichtung mit Elementen bereits bekannter
Orbitalschweissvorrichtungen, z.B. einer bereits aus dem Stand der Technik bekannte MSG-Orbitalschweissvorrichtungen, zu kombinieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist auf dem Orbitalwagen mittel- oder unmittelbar ein insbesondere relativ zum Orbitalwagen motorisch ausrichtbarer MSG- Lichtbogenschweisskopf angeordnet . Unter einem MSG- Lichtbogenschweisskopf ist allgemein ein Metallschutzgas- Schweisskopf zu verstehen, bei welchem ein Lichtbogen zwischen einer Drahtelektrode, die über einen Drahtvorschub kontinuierlich zugeführt wird, und dem Werkstück brennt und von einem Schutzgasmantel umhüllt wird. Der MSG- Lichtbogenschweisskopf ist auf dem Orbitalwagen entweder unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise auf dem Laserschweisskopf, montiert und insbesondere relativ zum Orbitalwagen in mehreren Richtungen verstellbar. Es ist möglich, den MSG-Lichtbogenschweisskopf derart anzuordnen, dass entweder der Laserstahl und der MSG-Lichtbogen in der Laserschweisszone gemeinsam wirken, oder der Laserstahl und der MSG-Lichtbogen in getrennten Prozesszonen wirken.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch, nicht massstabsgetreu dargestellten konkreten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben, wobei auch auf weitere Vorteile der Erfindung eingegangen wird. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Orbitalschweissvorrichtung mit einem Orbitalwagen, einem Laserschweisskopf zum Verbinden eines ersten Rohrendes und eines zweiten Rohrendes und einem Transportfahrzeug in einer Übersichts-Schrägansicht;
Fig. 2 den Orbitalwagen mit dem Laserschweisskopf in einer Detailansicht quer zur Rohrachse ,-
Fig. 3 den Orbitalwagen mit dem Laserschweisskopf, einer Drahtdüse und einer Prozessgasdüse in einer Detailansicht A-A parallel zur Rohrachse;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer Orbitalschweissvorrichtung mit einem Orbitalwagen, einem Laserschweisskopf, einem MSG- Lichtbogenschweisskopf und einem Transportfahrzeug in einer Übersichts-Schrägansicht ; und Fig. 5 den Orbitalwagen mit dem Laserschweisskopf und dem MSG-Lichtbogenschweisskopf in einer Detailansicht parallel zur Rohrachse.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigen die Figuren 1,
2 und 3 in unterschiedlichen Anschichten und Detaillierungsgraden. Fig. 1 stellt die gesamte Orbitalschweissvorrichtung in einer übersichtsartigen Schrägansicht auf eine Pipelinebaustelle dar. Ein erstes Rohrende 1 und ein zweites Rohrende 2 einer horizontal auf Land zu verlegenden Pipeline 5 sind mittels einer bekannten, nicht dargestellten Innenzentriervorrichtung, mindestens eines Rohrkrans (nicht dargestellt) und Rohrabstützungen 45 derart ausgerichtet und zentriert, dass zwischen dem ersten Rohrende 1 und dem zweiten Rohrende 2 eine Umfangsfuge 3 mit einem definierten Spaltabstand von unter 0,3 mm und ohne Kantenversatz vorhanden ist. Auf dem ersten Rohrende 1 ist parallel zur Umfangsfuge 3 und in einem konstanten Abstand zur Aussenfläche 14 des ersten Rohrendes 1 ein Führungsring 6 in Form eines Spannbandes mit einer Führungsschiene angeordnet.
Auf dem Führungsring 6 befindet sich ein Orbitalwagen 7, der rings um das erste Rohrende 1, wie mit dem Pfeil 51 symbolisiert, entlang dem Führungsring 6 motorisch verschiebbar geführt ist. Auf dem Orbitalwagen 7 ist ein Laserschweisskopf 12 montiert, der derart auf die Umfangsfuge
3 ausrichtbar ist, dass durch Richten eines von dem Laserschweisskopf 12 fokussierten Laserstrahls 10 in eine Laserschweisszone 13 und orbitalem motorischem Verschieben des Orbitalwagens 7 eine Schweissnaht 4, hier eine Aussen- Schweissnaht 4, entlang der Umfangsfuge 3 herstellbar ist. Die
Höhe der Rohrabstützung 45 ist derart gewählt, dass ein Verschieden des Orbitalwagens 7 um 360° rings um das erste Rohrende möglich ist. Der Laserstrahl 10 wird von einer Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9 erzeugt, die von dem Orbitalwagen 7 beabstandet auf einem Transportfahrzeug 35 schwingungsgedämpft untergebracht ist . Der erzeugte Laserstahl 10 wird über einen flexiblen Lichtwellenleiter 11 (siehe Fig. 2), der in einem Schlauchpaket 50, das über einen Kran 46 des Transportfahrzeugs 35 zum Orbitalwagen 7 geführt wird, von der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9 zum Laserschweisskopf 12 geleitet. Das Schlauchpaket 50 wird über den Kran 46 derart nachgeführt, wie von dem Pfeil 52 symbolisiert, dass der Orbitalwagen 7 ungehindert verschoben werden kann. Der Kran 46 kann weiters zur Montage des Führungsrings 6 und des
Orbitalwagens und zum Halten einer Abschirmvorrichtung (nicht dargestellt) verwendet werden, welche die Schweissstelle vor der Umgebung und umgekehrt abschirmt, einerseits um das Bedienpersonal vor gefährlichen Reflektionen des Laserstahls zu schützen, andererseits um Zugluft, Feuchtigkeit und
Verunreinigungen von der Schweissstelle fernzuhalten. Auf dem Transportfahrzeug ist ausserdem ein Generator 36 zumindest zur Erzeugung der zum Betrieb der Hochleistungs- Faserlaserstrahlquelle 9 benötigten Leistung und ein Kühlsystem 37 zumindest zum Kühlen der Hochleistungs-
Faserlaserstrahlquelle 9 angeordnet. Auf weitere Bezugszeichen der Fig. 1 wird im Folgenden in der Beschreibung der anderen Figuren eingegangen. Weiters wird in der Beschreibung der folgenden Figuren auf Bezugszeichen vorangegangener Figuren zurückgegriffen.
Fig. 2 zeigt den auf dem Führungsring 6 verschiebbar gelagerten Orbitalwagen 7 aus Fig. 1 in einer vereinfachten Detailansicht quer zur Rohrachse. Auf dem Orbitalwagen 7 ist eine Vorschubeinrichtung 8 angeordnet, die in den Führungsring 6 derart eingreift, dass der Orbitalwagen 7 mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit um das erste Rohrende und die Umfangsfuge 3, die von einem V-formigen Stoss mit sehr kleinem Öffnungswinkel gebildet wird, orbital elektromotorisch bewegt werden kann. Um die orbitale Lage α des Orbitalwagens 7 relativ zu einer Bezugslage erfassen zu können, ist ein Orbitallageerfassungssensor 18 am Orbitalwagen 7 montiert, der beispielsweise als ein elektronischer Winkelencoder ausgeführt ist. Der Laserschweisskopf 12 ist über Verstellmittel 16, mittels welcher der Laserstrahl 10 relativ zur Umfangsfuge 3 durch Verstellen des gesamten Laserschweisskopfs 12 relativ zum Orbitalwagen 7 ausrichtbar sind, am Orbitalwagen 7 montiert. Die beispielsweise servomotorischen Verstellmittel 16 ermöglichen, entsprechend den Pfeilen 53, sowohl ein
Verstellen des Laserschweisskopfes 12 senkrechter Richtung zum Rohr, so dass beispielsweise die Fokuslage verstellt werden kann, als auch ein Verstellen parallel zur Rohrachse zum exakten Ausrichten des Laserstrahls 10 auf die Umfangsfuge 3. Selbstverständlich ist es alternativ möglich, die Verstellmittel 16 derart auszugestalten, dass der Laserschweisskopf 12 in weiteren Freiheitsgraden verstellbar ist oder der Laserstrahls 10 ergänzend oder ausschliesslich auf optischem Weg beispielsweise über eine Fokussier- oder Umlenkeinheit des Laserschweisskopfes verstellbar ist. Der in dem Schlauchpaket 50 zum Orbitalwagen 7 geführte Lichtwellenleiter 11 leitet den von der Hochleistungs- Faserlaserstrahlquelle 9 emittierten Laserstrahl 10 zum Laserschweisskopf 12, der den Laserstrahl 10 auf die Umfangsfuge 3 oder auf einen Punkt nahe der Umfangsfuge 3 fokussiert, so dass der Werkstoff des ersten Rohrendes 1 und des zweiten Rohrendes 2 innerhalb einer thermischen Einflusszone des Laserstrahls 10, der Laserschweisszone 13 aufschmilzt und eine Schweissnaht 4 entsteht. Da der Laserschweisskopf 12 einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, wird ist Schlauchpaket 50 eine Kühl-Heiz- Kreislaufleitung 47 mit Vor- und Rückfluss untergebracht, die alle zu kühlenden oder heizenden Teile des Laserschweisskopfes 12 oder weitere am Orbitalwagen 7 angeordneten Teile mit Kühl- oder Heizflüssigkeit des auf dem Transportwagen befindlichen Kühlsystems 37 versorgt. Eine Kommunikationsleitung 49 im Schlauchpaket 50 in Form eines Kabels liefert insbesondere Strom an die Vorschubeinheit 8 und ermöglicht die Kommunikation sämtlicher am Orbitalwagen 7 mittel- oder unmittelbar angeordneten Sensoren und Aktoren mit einem Steuerrechner 44, der sich auf dem Transportfahrzeug 35 befindet und den gesamten Schweissprozess steuert und überwacht. Um den Laserschweisskopf 12 vor Spritzern oder anderen Verunreinigungen zu schützen, wird vom
Transportfahrzeug 35 gelieferte Druckluft über eine Druckluftleitung 48 im Schlauchpaket 50 zum Laserschweisskopf 12 geleitet, so dass insbesondere eine vor der Fokussieroptik des Laserschweisskopf 12 angeordnete Schutzscheibe mit eine konstanten Druckluftstrom beaufschlagt werden kann.
In Fig. 3 wird der Laserschweisskopf 12 in einer Detailansicht A-A gemäss Fig. 2 parallel zur Rohrachse gezeigt. Mittelbar auf dem Orbitalwagen 7 ist am Laserschweisskopf 12 eine Prozessgasdüse 20 zur Zufuhr von Prozessgas in den Bereich der
Laserschweisszone 13 montiert. Die Versorgung der Prozessgasdüse 20 erfolgt über einen von dem Orbitalwagen 7 beabstandeten, auf dem Transportfah zeug 35 befindlichen Prozessgasspeicher 22, der über eine Prozessgasleitung 21, die über das Schlauchpaket 50 zum Orbitalwagen 7 geführt wird, mit der Prozessgasdüse 20 in Verbindung steht. Als Prozessgase eignen sich insbesondere inerte und aktive Gase, wie z.B. bevorzugt Argon, Helium, N2, C02 oder 02 in geeignetem Mischungsverhältnis. Ebenfalls mittelbar auf dem Orbitalwagen 7, auf der anderen Seite des Laserschweisskopfes 12, ist eine
Drahtdüse 23 zur Zufuhr eines Drahts 24 in die Laserschweisszone 13 montiert. Durch die Zufuhr des Drahts 24 und das somit erfolgende Einbringen eines Zusatzwerkstoffs ist es möglich, die Spaltüberbrückbarkeit der Umfangsfuge 3 zu erhöhen. Der Draht 24 wird von einer auf dem Transportfahrzeug 35 untergebrachten Drahtvorschubeinheit 26 über eine Drahtzufuhrleitung 25, die über das Schlauchpaket 50 zum Orbitalwagen 7 gelangt, zugeführt. Zur Erwärmung des Drahts 24 ist unmittelbar vor der Drahtdüse 23 eine
Drahterwärmungseinheit 27 angeordnet, die den Draht 24 beispielsweise induktiv erwärmt. Anstelle eines Heissdrahts kann bevorzugt alternativ ein unerwärmter Kaltdraht zugeführt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Draht 24 schleppend zugeführt. Alternativ ist auch eine stechende oder seitliche Drahtzufuhr realisierbar. Anstelle einer separaten Prozessgasdüse 20 kann die Prozessgaszufuhr koaxial zum Laserstrahl oder über die Drahtdüse 23 erfolgen. Die Prozessgasdüse 20 und die Drahtdüse 23 sind alternativ unmittelbar am Orbitalwagen 7 montiert und relativ zu diesem in mindestens einem Freiheitsgrad ausrichtbar.
Eine zweite Ausführungsform einer Orbitalschweissvorrichtung zeigt Fig. 4 in einer Übersichts-Schrägansicht auf die gesamte Vorrichtung und Fig. 5 in einer Detailansicht parallel zur Rohrachse auf den Orbitalwagen. Im Folgenden werden die Figuren 4 und 5 gemeinsam beschrieben, wobei lediglich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform eingegangen, weshalb hiermit auf die oben bereits erläuterten Bezugszugszeichen verwiesen sei. Anstelle der Zufuhr eines von einer
Drahtvorschubeinheit 26 über eine Drahtzufuhrleitung 25 über eine Drahtdüse 23 gelieferten Drahts 24 und eines von einem Prozessgasspeicher 22 über eine Prozessgasleitung 21 zu einer Prozessgasdüse 20 geleiteten Prozessgases kommt ein aus dem Stand der Technik bekannter Metallschutzgas-
Lichtbogenschweisskopf 28 zum Einsatz. Der MSG- Lichtbogenschweisskopf 28 ist mittelbar auf dem Orbitalwagen 7 angeordnet, indem er auf dem Laserschweisskopf 12 montiert ist. Der MSG-Lichtbogenschweisskopf 28 ist relativ zum Laserschweisskopf 12 und somit relativ zum Orbitalwagen 7 in mehreren Freiheitsgraden motorisch ausrichtbar, wie mittels der Pfeile 54 symbolisiert. Zur Versorgung des MSG- Lichtbogenschweisskopfs 28 sind auf dem Transportfahrzeug 35 eine frei programmierbare MSG-Stromquelle 32, ein MSG-
Prozessgasspeicher 33 und eine MSG-Drahtvorschubeinheit 34 angeordnet, die über eine MSG-Stromleitung 29, eine MSG- Prozessgasleitung 30 und eine MSG-Drahtzufuhrleitung 31 mit dem MSG-Lichtbogenschweisskopf 28 zur MSG-Lichtbogenbildung bzw. zur MSG-Prozessgaszufuhr bzw. zur MSG-Drahtzufuhr in
Verbindung stehen. Die Leitungen 28, 29, 30 werden über das Schlauchpaket 50 zum Orbitalwagen 7 geführt. Ausserdem verbindet eine Masseleitung 55 das erste Rohrende 1 und das zweite Rohrende 2 mit der MSG-Stromquelle 32. Der MSG- Lichtbogenschweisskopf 28 ist derart ausgerichtet, dass der
Laserstahl 10 und der MSG-Lichtbogen in der Laserschweisszone 13 gemeinsam wirken. Alternativ ist es jedoch möglich, den MSG-Lichtbogenschweisskopf 28 derart auszurichten, dass der Laserstahl 10 und der MSG-Lichtbogen in getrennten Prozesszonen wirken, wobei der Laserstrahl 10 dem MSG-
Lichtbogen bevorzugt vorausläuft. Alternativ ist es auch möglich, den Laserstrahl 10 nachlaufend relativ zum MSG- Lichtbogen auszurichten. Durch die Kombination des Laserschweissens mit dem MSG-Lichtbogenschweissen kann die Schweissgeschwindigkeit weiter erhöht, die Prozessstabilität verbessert, über die MSG-Drahtzufuhr ein Zusatzwerkstoffs eingebracht und ein geringerer Temperaturgradient erreicht werden, so dass die Aufhärtungsneigung verringert wird. Weiters wird eine höhere Spaltüberbrückbarkeit erzielt. Die Kombination des Laserschweissens mit dem MSG-
Lichtbogenschweissen ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine signifikante Erhöhung der Schweissgeschwindigkeit angestrebt wird oder der Einsatz grösserer Mengen von Zusatzwerkstoff aus metallurgischen Gründen, aus Gründen der Spaltfüllung oder auch infolge bestimmter Normvorschriften erforderlich ist.
Die Steuerung und Überwachung des gesamten Schweissprozesses erfolgt über den Steuerrechner 44, der über die
Kommunikationsleitung 49 mit Sensoren und Aktoren des Orbitalwagens 7, der dort angeordneten Komponenten und mit den auf dem Transportfahrzeug 35 befindlichen Einheiten in Kommunikationsverbindnung steht . Zur Erhöhung der Prozesssicherheit und der Schweissgeschwindigkeit sind in dem Steuerrechner 44 mehrere Steuerung-, Regelungs-, Überwachungsund Protokollierungsmittel integriert, die im Folgenden beschrieben werden. Diese Mittel sind beispielsweise entweder als verkabelte Schaltung oder als eine entsprechend programmierte Steuerungs-Regelungs-Vorrichtung ausgeführt.
Die Steuerrechner 44 weist eine erste
Prozessparametersteuerung 19 auf, die derart ausgebildet und über den Steuerrechner 44 mit dem Orbitallageerfassungssensor 18, der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9, der MSG-
Stromquelle 32 und der Vorschubeinrichtung 8 verschaltet ist, dass Laserstrahlungsparameter, MSG-Lichtbogenparameter und die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens 7 in Abhängigkeit von der orbitalen Lage α des Orbitalwagens 7 automatisch anpassbar sind. Somit ist es möglich, beispielsweise bei Fallnaht oder Steignaht mit unterschiedlichen Schweissparametern zu schweissen.
Fig. 5 zeigt einen auf dem Laserschweisskopf 12 montierten, der bereits gebildeten oder beabsichtigten, durch die
Ausrichtung des Laserstrahls 10 definierten Laserschweisszone 13 vorauslaufenden Nahtfolgesensor 15, mittels welchem die Lage der Umfangsfuge 3 relativ zu der beabsichtigten Laserschweisszone 13 erfassbar ist. Der Nahtfolgesensor 15 ist beispielsweise als ein lichtoptischer Sensor ausgeführt, der die Lage der Umfangsfuge 3 über Triangulation detektiert . Ein mit der Lage verknüpftes Signal des Nahtfolgesensors 15 wird dem Steuerrechner 44, der mit den Verstellmitteln 16 verschaltet ist, zugeführt. Der Steuerrechner 44 weist eine Lageregelung 17 auf, die derart ausgebildet und über den Steuerrechner 44 mit dem Nahtfolgesensor 15 und den Verstellmitteln 16 verschaltet ist, dass das Ausrichten des Laserstrahls 10 und insbesondere des MSG- Lichtbogenschweisskopfs 28 in Abhängigkeit von der erfassten Lage der Umfangsfuge 3 automatisch regelbar ist. Somit wird der Laserstrahl 10 automatisch auf die Umfangsfuge 3 ausgerichtet, so dass selbst bei einem nicht exakt parallel zur Umfangsfuge 3 montiertem Führungsring 6 oder einer ungeraden Umfangsfuge 3 eine Fehlausrichtung des Laserstrahls 10 und des MSG-Lichtbogens vermieden wird.
Weiters ist ein Prozesssensor 40 an dem Laserschweisskopf 12 derart angeordnet, dass eine elektromagnetische Strahlung, insbesondere eine thermische Strahlung, eine optische
Strahlung oder eine Plasmastrahlung aus der Laserschweisszone 13 über den Prozesssensor 40 erfassbar ist. Eine zweite Prozessparametersteuerung 41, die im Steuerrechner 44 integriert ist, ist derart ausgebildet und über den Steuerrechnet 44 mit dem Prozesssensor 40, der Hochleistungs- Faserlaserstrahlquelle 9, der MSG-Stromquelle 32, der Vorschubeinrichtung 8 und den Verstellmitteln 16 verschaltet, dass Laserstrahlungsparameter, MSG-Lichtbogenparameter, die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens 7 und die Ausrichtung des Laserstrahls 10 in Abhängigkeit von der erfassten Strahlung automatisch anpassbar sind.
Über einen ebenfalls am Laserschweisskopf 12 montierten, der Laserschweisszone 13 nachlaufenden optischen Nahtqualitätssensor 38, der beispielsweise als lichtoptischer Sensor ausgeführt ist, sind optischen Aufnahmen der erzeugten Schweissnaht 4 herstellbar. Auf dem Steuerungsrechner 44 sind Protokollierungsmittel 39 vorgesehen, die über den Steuerrechner 44 mit dem Nahtqualitätssensor 38 zum Speichern und optischen Wiedergeben der Aufnahmen der erzeugten Schweissnaht 4 verschaltet sind, so dass nach Durchführung des Schweissvorgangs eine erneute Wiedergabe des aufgenommenen Schweissvorgangs möglich ist. Dies ist insbesondere zur Ermittlung allfälliger Fehler in der Schweissnaht 4 vorteilhaft, da bei zusätzlichem Erfassen und Aufzeichnen der orbitalen Lage α ein rasches Auffinden der Fehlerstelle möglich ist.
In einer Weiterbildung sind ausserdem Bildverarbeitungsmittel 42 im Steuerrechner 44 integriert, die derart ausgebildet und über den Steuerrechner 44 mit den Protokollierungsmitteln 39 verschaltet sind, dass die Aufnahmen der erzeugten Schweissnaht 4 elektronisch bewertbar sind und ein Auswertungssignal, das mit der Qualität der Schweissnaht 4 verknüpft ist, ausgebbar ist. Im Falle eines Fehlers in der Schweissnaht 4 ist somit die Ausgabe oder Aufzeichnung einer Fehlermeldung möglich. Gegebenfalls wird der Schweissprozess nach Ausgabe der Fehlermeldung angehalten und ein Warnsignal ausgegeben, um ein schnelles Beheben des Fehlers zu ermöglichen und Stillstandzeiten gering zu halten.
Eine dritte, ebenfalls in dem Steuerrechner 44 integrierte Prozesspärametersteuerung 43 ist derart ausgebildet und über den Steuerrechner 44 mit den Bildverarbeitungsmitteln 42, der
Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle 9, der MSG-Stromquelle 32, der Vorschubeinrichtung 8 und den Verstellmitteln 16 verschaltet ist, dass Laserstrahlungsparameter, MSG- Lichtbogenparameter, die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens 7 und die Ausrichtung des Laserstrahls 10 in Abhängigkeit von dem Auswertungssignal automatisch anpassbar sind. Einer nicht ausreichenden Qualität der Schweissnaht 4 oder Schweissnahtfehlern kann mittels dieser Steuerung automatisch durch Anpassung von Prozessparametern entgegengewirkt werden.
Alternativ ist er möglich, anstelle aller drei Prozessparametersteuerungen 19, 41, 43 nur eine oder zwei beliebige der drei Prozessparametersteuerungen 19, 41, 43 einzusetzen, da selbige voneinander unabhängig sind.
Der Einsatz weiterer Sensoren und Steuerungen zur Erhöhung der Prozesssicherheit ist selbstverständlich möglich. Die oben beschriebenen Anordnungsvarianten stellen lediglich eine möglich, nicht beschränkende Ausführungsform dar. So können die beschriebenen Sensoren beispielsweise anstelle am Laserschweisskopf 12 mittelbar oder unmittelbar auch an anderen Elementen des Orbitalwagens 7 angeordnet sein. Anstelle eines Steuerrechners 44 ist der Einsatz mehrerer unabhängiger Steuerungs- oder Regelungseinheiten, die sich beispielsweise direkt am Orbitalwagen 7 befinden, möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Orbitalschweissvorrichtung für den mobilen Einsatz zum Verbinden eines ersten Rohrendes (1) und eines zweiten Rohrendes (2) entlang einer Umfangsfuge (3) mittels mindestens einer Schweissnaht (4) , insbesondere zur Herstellung einer auf Land zu verlegenden Pipeline (5) , mit wenigstens • einem zu dem ersten Rohrende (1) und der Umfangsfuge (3) ausrichtbaren Führungsring (6) , • einem zumindest entlang einem Teilabschnitt des Führungsrings (6) verschiebbar geführten Orbitalwagen (7), • einer Vorschubeinrichtung (8) , mittels welcher der Orbitalwagen (7) entlang dem Führungsring (6) motorisch verschiebbar ist, • einem auf dem Orbitalwagen (7) angeordneten Schweisskopf, der derart auf die Umfangsfuge (3) ausrichtbar ist, dass durch Verschieben des Orbitalwagens (7) die Schweissnaht (4) zumindest entlang einem Teilabschnitt der Umfangsfuge (3) herstellbar ist, • einer Verbindungsleitung und • einem von dem Orbitalwagen (7) beabstandeten - insbesondere mobilen - Schweissaggregat, das über die Verbindungsleitung mit dem Schweisskopf in Verbindung steht und mittel- oder unmittelbar die zur Herstellung der Schweissnaht (4) erforderliche Leistung zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass • das Schweissaggregat als eine Hochleistungs- Faserlaserstrahlquelle (9) , mittels welcher ein Laserstrahl (10) erzeugbar ist, • die Verbindungsleitung als ein Lichtwellenleiter (11) zum Leiten des Laserstrahls (10) zum Orbitalwagen (7) und • der Schweisskopf als ein Laserschweisskopf (12) zum Richten des Laserstrahls (10) in eine Laserschweisszone (13) und zum somit erfolgenden Erzeugen der Schweissnaht (4) ausgebildet sind.
2. Orbitalschweissvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • der Führungsring (6) auf der Aussenfl che (14) des ersten Rohrendes (1) anordenbar ausgestaltet und • die erzeugbare Schweissnaht als Aussen-Schweissnaht (4) ausgebildet ist.
3. Orbitalschweissvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenigstens • eine auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordnete Prozessgasdüse (20) zur Zufuhr von Prozessgas in den Bereich der Laserschweisszone (13) , • eine Prozessgasleitung (21) und • einen von dem Orbitalwagen (7) beabstandeten - insbesondere mobilen - Prozessgasspeicher (22) , der über die Prozessgasleitung (21) mit der Prozessgasdüse (20) zur Prozessgaszufuhr in Verbindung steht.
4. Orbitalschweissvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch wenigstens • eine auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordnete Drahtdüse (23) zur Zufuhr eines Drahts (24) in die Laserschweisszone (13) , • eine Drahtzufuhrleitung (25) und • eine von dem Orbitalwagen (7) beabstandete - insbesondere mobile - Drahtvorschubeinheit (26) , die über die Drahtzufuhrleitung (25) mit der Drahtdüse (23) zur Drahtzufuhr in Verbindung steht.
5. Orbitalschweissvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine der Drahtdüse (23) vorangeschaltete Drahterwärmungseinheit (27) zur Erwärmung des Drahts (24) .
6. Orbitalschweissvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens • einen auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordneten - insbesondere relativ zum Orbitalwagen (7) motorisch ausrichtbaren - MSG-Lichtbogenschweisskopf (28) , • eine MSG-Stromleitung (29) , • eine MSG-Prozessgasleitung (30) , • eine MSG-Drahtzufuhrleitung (31) , • eine von dem Orbitalwagen (7) beabstandete - insbesondere mobile und frei programmierbare - MSG- Stromquelle (32) , die über die MSG-Stromleitung (29) mit dem MSG-Lichtbogenschweisskopf (28) zur MSG- Lichtbogenbildung in Verbindung steht, • einen von dem Orbitalwagen (7) beabstandeten - insbesondere mobilen - MSG-Prozessgasspeicher (33) , der über die MSG-Prozessgasleitung (30) mit dem MSG- Lichtbogenschweisskopf (28) zur MSG-Prozessgaszufuhr in Verbindung steht, und • eine von dem Orbitalwagen (7) beabstandete - insbesondere mobile - MSG-Drahtvorschubeinheit (34) , die über die MSG-Drahtzufuhrleitung (31) mit dem MSG- Lichtbogenschweisskopf (28) zur MSG-Drahtzufuhr in Verbindung steht .
7. Orbitalschweissvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der MSG-Lichtbogenschweisskopf (28) derart auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordnet ist, dass der Laserstahl (10) und der MSG- Lichtbogen in der Laserschweisszone (13) gemeinsam wirken.
8. Orbitalschweissvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der MSG-Lichtbogenschweisskopf (28) derart auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordnet ist, dass der Laserstahl (10) und der MSG- Lichtbogen in getrennten Prozesszonen wirken.
9. Orbitalschweissvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , gekennzeichnet durch • eine Orbitallageerfassungssensor (18) zum Erfassen der orbitalen Lage (α) des Orbitalwagens (7) und • eine erste Prozessparametersteuerung (19) , die derart ausgebildet und mit dem Orbitallageerfassungssensor (18) und zumindest mit der Hochleistungs- Faserlaserstrahlquelle (9) - und insbesondere mit der MSG-Stromquelle (32) und der Vorschubeinrichtung (8) - verschaltet ist, dass Laserstrahlungsparameter - und insbesondere MSG-Lichtbogenparameter und die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens (7) - in Abhängigkeit von der orbitalen Lage (α) des Orbitalwagens (7) automatisch anpassbar sind.
10. Orbitalschweissvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , gekennzeichnet durch • einen auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar derart angeordneten - insbesondere der beabsichtigten Laserschweisszone (13) vorauslaufenden - Nahtfolgesensor (15) , dass die Lage der Umfangsfuge (3) relativ zu der beabsichtigten Laserschweisszone (13) erfassbar ist, • Verstellmittel (16) , mittels welcher der Laserstrahl (10) - und insbesondere die Drahtdüse (23) oder der MSG- Lichtbogenschweisskopf (28) - relativ zur Umfangsfuge (3) ausrichtbar sind, und • eine Lageregelung (17) , die derart ausgebildet und mit dem Nahtfolgesensor (15) und den Verstellmitteln (16) verschaltet ist, dass das Ausrichten des Laserstrahls (10) - und insbesondere der Drahtdüse (23) oder des MSG- Lichtbogenschweisskopfs (28) - in Abhängigkeit von der erfassten Lage der Umfangsfuge (3) automatisch regelbar ist .
11. Orbitalschweissvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch • einen auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar - insbesondere an dem Laserschweisskopf (12) - derart angeordneten Prozesssensor (40) , dass eine elektromagnetische Strahlung - insbesondere eine thermische Strahlung, eine optische Strahlung oder eine Plasmastrahlung - aus der Laserschweisszone (13) erfassbar ist, und • eine zweite Prozessparametersteuerung (41) , die derart ausgebildet und mit dem Prozesssensor (40) und zumindest der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) - und insbesondere mit der MSG-Stromquelle (32) , der Vorschubeinrichtung (8) und den Verstellmitteln (16) - verschaltet ist, dass Laserstrahlungsparameter - und insbesondere MSG-Lichtbogenparameter, die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens (7) und die Ausrichtung des Laserstrahls (10) - in Abhängigkeit von der erfassten Strahlung automatisch anpassbar sind.
12. Orbitalschweissvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch • einen auf dem Orbitalwagen (7) mittel- oder unmittelbar angeordneten, der Laserschweisszone (13) nachlaufenden optischen Nahtqualitätssensor (38) zum Herstellen von optischen Aufnahmen der erzeugten Schweissnaht (4) und • Protokollierungsmittel (39) , die mit dem Nahtqualitätssensor (38) zum Speichern und optischen Wiedergeben der Aufnahmen der erzeugten Schweissnaht (4) verschaltet sind.
13. Orbitalschweissvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Bildverarbeitungsmittel (42) , die derart ausgebildet und mit den Protokollierungsmitteln (39) verschaltet sind, dass die Aufnahmen der erzeugten Schweissnaht (4) elektronisch bewertbar sind und ein Auswertungssignal, das mit der Qualität der Schweissnaht (4) verknüpft ist, ausgebbar ist.
14. Orbitalschweissvorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine dritte Prozessparametersteuerung (43) , die derart ausgebildet und zumindest mit den Bildverarbeitungsmitteln (42) und der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) - und insbesondere mit der MSG-Stromquelle (32) , der Vorschubeinrichtung (8) und den Verstellmitteln (16) - verschaltet ist, dass Laserstrahlungsparameter - und insbesondere MSG-Lichtbogenparameter, die Vorschubgeschwindigkeit des Orbitalwagens (7) und die Ausrichtung des Laserstrahls (10) - in Abhängigkeit von dem Auswertungssignal automatisch anpassbar sind.
15. Orbitalschweissvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein ausserhalb des ersten Rohrs (1) und der zweiten Rohrs (2) motorisch längs bewegbares Transportfahrzeug (35) , auf welchem wenigstens • die Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) , • ein Generator (36) zumindest zur Erzeugung der zum Betrieb der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) benötigten Leistung und • ein zumindest der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) zugeordnetes Kühlsystem (37) , und insbesondere • der Prozessgasspeicher (22) , • die Drahtvorschubeinheit (26) , • die MSG-Stromquelle (32) , • der MSG-Prozessgasspeicher (33) und • die MSG-Drahtvorschubeinheit (34) angeordnet sind, so dass die Orbitalschweissvorrichtung im Wesentlichen autark mobil betreibbar ist.
16. Transportfahrzeug (35) einer Orbitalschweissvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass • eine Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) , • ein Generator (36) zumindest zur Erzeugung der zum Betrieb der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) benötigten Leistung und • ein zumindest der Hochleistungs-Faserlaserstrahlquelle (9) zugeordnetes Kühlsystem (37) , auf dem Transportfahrzeug (35) angeordnet sind.
17. Transportfahrzeug (35) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass • ein Prozessgasspeicher (22) und • eine Drahtvorschubeinheit (26) auf dem Transportfahrzeug (35) angeordnet sind.
18. Transportfahrzeug (35) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass • eine MSG-Stromquelle (32) , • ein MSG-Prozessgasspeicher (33) und • eine MSG-Drahtvorschubeinheit (34) auf dem Transportfahrzeug (35) angeordnet sind.
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