-
Schweißkopfsteuerung in Schraubennahtrohrwerken Beim Lichtbogenschweißen
von Schraubennahtrohr kommt es bekanntlich für die Güte der Schweißung entscheidend
darauf an, daß nicht nur die Schweißspaltbreite an der Schweißstelle konstant gehalten
wird, sondern daß außerdem der Schweißkopf ständig genau über der Mitte des Schweißspalts
arbeitet, so daß die Naht genau zwischen den beiden miteinander zu-verschweißenden
Kanten gelegt wird. Schon kleine Abweichungen des Schweißkopfes von dieser Stellung
haben auch dann, wenn die Schweißspaltbreite konstant gehalten wird, bedenkliche
Folgen, wie Wurzel-. bindefehler, Schlackeneinschlüsse und Gaseinschlüsse: Bei stärkeren
Abweichungen kommt überhaupt kein Verschweißen der beiden Kanten zustande.
-
Für die Regelung der Schweißspaltbreite liegen befriedigende Lösungen
vor, etwa in der Weise, daß die Istbreite optisch oder mechanisch abgetastet wird
und, wenn sie von der Sollbreite abweicht, eine Vorrichtung einschaltet, die das
aus der Schweißmaschine austretende Rohr in der einen oder anderen Richtung um einen
kleinen Winkel schwenkt, bis die Sollbreite des Spaltes an der Schweißstelle wiederhergestellt
ist.
-
Zur Steuerung des Schweißkopfes auf die vorgeschriebene Lage über
der Mitte des Schweißspalts sehen bekannte Vorrichtungen eine Tastrolle vor, die
unter Federdruck an einer der beiden der Schweißstelle zulaufenden Bandkanten anliegt
und mit dem zu steuernden Schweißkopf durch ein Gestänge verbunden ist. Jede axiale
Verschiebung, die die so abgetastete Kante ausführt, wird daher auf die Tastrolle
übertragen und von dieser dem Schweißkopf mitgeteilt. Es gibt Vorrichtungen, bei
denen diese Tastrolle - gerechnet in Richtung der Bandbewegung - kurz vor der Stelle
angeordnet ist, wo die miteinander zu verschweißenden Bandkanten beim Wickeln des
Rohres erstmalig einander gegenüberstehen. Bei anderen Vorrichtungen ist dagegen
die Tastrolle gegen die Schweißstelle um 360° oder mehr zurückversetzt. Dieser Versetzung
bedarf es vor allem dann, wenn es sich über die Steuerung eines zweiten Schweißkopfes
handelt, der über eine von einem ersten Schweißkopf bereits gelegte Naht eine weitere
Schweißnaht legen soll.
-
Diese bekannten Schweißkopfsteuerungen haben gleichwohl die an sie
geknüpften Erwartungen nicht voll erfüllt. Denn es ergab sich, daß der durch sie
gesteuerte Schweißkopf nach wie vor oft beträchtlich aus der Mitte des Schweißspalts
auswanderte. Es wurde schließlich gefunden, daß diese Auswanderungen auf Änderungen
im Steigungswinkel der schraubenförmig gewundenen Bandkanten zurückzuführen sind,
mit denen man bisher vor allem bei konstanter Bandbreite nicht gerechnet hatte,
weil zwischen der Bandbreite, dem durch die Rohrformungsvorrichtung fest gegebenen
Rohrdurchmesser und dem Steigungswinkel eine feste Beziehung besteht. Nähere Untersuchung
hat dann ergeben; daß der Rohrdurchmesser in Wirklichkeit von der Rohrformungsvorrichtung
nicht völlig konstant gehalten wird, so däß seine Änderungen entsprechende Schwankungen
in der Steigung zur Folge haben. Weiterhin hat die auch bei konstanter Breite unvermeidliche
Säbelform des Bandes einen Einfluß auf den Steigungswinkel: Ferner ist es wegen
des nötigen Spiels in den Führungen nicht möglich, den Winkel, unter dem das Band
der Rohrformungsvorrichtung zugeführt wird, genau einzuhalten.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißkopfsteuerung
zu schaffen, die diesen Erkenntnissen Rechnung trägt. In Übereinstimmung mit den
obenerwähnten bekannten Schweißkopfsteuerungen in Schraubennahtrohrwerken mit gesteuerter
Schweißspaltbreite ist auch bei der Steuerung nach der Erfindung ein den Schweißkopf
tragender Teil durch ein an einer Kante des - insbesondere auf Sollbreite vorgearbeiteten
- Bandes anliegendes Tastorgan derart in Achsrichtung des Rohrs verschiebbar, daß
die Elektrode ständig über der Spaltmitte verbleibt. Erfindungsgemäß spricht das
die Axiallage des den Schweißkopf tragenden Teils bestimmende Tastorgan jedoch nicht
nur auf axiale Verschiebungen der Bandkante an, sondern in Form von Kippbewegungen
auch auf Abweichungen der abgetasteten Bandkante vom Soll-Zulaufwinkel des Bandes,
wobei diese Kippbewegungen des Tastorgans der Teilverschiebung im Sinne einer Korrektur
der Schweißkopflage überlagerbar sind. Damit wird erreicht, daß der Schweißkopf
ständig
die Stellung einnimmt, die die Erzeugung einer optimalen Schweißung erfordert.
-
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung dient als Mittel zur Steuerung
ein an der einen Bandkante in mindestens zwei Punkten in Anlage gehaltenes Druckstück;
dessen Verschiebungen und Drehungen auf den den Schweißkopf tragenden Teil übertragen
werden: Dieses Druckstück hat im Gegensatz zu dem bekannten Taster nicht nur einen
Freiheitsgrad der Verschiebung in Achsrichtung, sondern zwei Freiheitsgrade, nämlich
zusätzlich einen Freiheitsgrad der Drehung, so daß es auch auf eine Änderung des
Steigungswinkels anspricht.
-
Handelt es sich um die Steuerung eines Schweißkopfes, der nahe der
Stelle angeordnet ist, an der die Bandkanten erstmalig zusammentreffen, dann kann
der den Schweißkopf tragende Arm mit dem Druckstück starr verbunden werden: Denn
es kann nach der Erfahrung angenommen werden, daß die Strecke der Bandkanten zwischen
dem Druckstück und dem Schweißkopf praktisch geradlinig ist, weil die von der Säbelform
des Bandes zu gering ist; um sich auf kurze Strecken auszuwirken.
-
In einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Druckstück
drehbar auf einem parallel zur Rohrachse durch Federkraft verschiebbaren Schlitten
gelagert, auf dem sich ein Getriebe befindet, das die Drehung des Druckstücks in
eine Verschiebung verwandelt und an einem den Schweißkopf tragenden Schieber angreift;
d. h., daß dieser sowohl die Schlittenverschiebung als auch die durch das Getriebe
erzeugte zusätzliche Verschiebung ausführt. Diese Bauart eignet sich vor wem zur
Steuerung eines Schweißkopfes, der gegenüber der Stelle, an der die Bandkante erstmalig
zusammentrifft, um mindestens 180° versetzt ist.
-
Das Getriebe kann in weiterer Ausbildung der Erfindung einen Kurventrieb
enthalten, der so gestaltet ist, daß das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehung
des Druckstücks und der entsprechenden Verschiebung des mit dem Schweißkopf verbundenen
Schiebers sich entsprechend der Istbreite des verwendeten Bandes einstellt: Dadurch
ist es möglich, das Getriebe ohne Änderung zu verwenden, wenn eine andere Sollsteigung
vorliegt, .:während die Bandbreite konstant bleibt, wie dies der Fall ist, wenn
aus einem Band gegebener Breite ein Rohr von anderem Durchmesser hergestellt werden
soll. Um auch der Möglichkeit Rechnung zu tragen, daß Bänder verschiedener Breite
bei dem gleichen oder einem anderen Durchmesser verarbeitet werden, kann das Getriebe
mit Wechselrädern versehen werden, die die Anpassung an eine neue Bandbreite lediglich
durch Austausch eines einzigen Zahnrades möglich machen.
-
Die Zeichnung veranschaulicht drei Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Es zeigt Fig. 1 ein Schema zur Veranschaulichung der Lage der einzelnen Schweißköpfe
und der Stellen, von denen aus sie gesteuert werden, Fig. 2 ein Beispiel der Steuerung
eines Schweißkopfes, der die erste Schweißnaht legt; Fig. 3 ein Beispiel der Steuerung
eines Schweißkopfes, der eine zweite oder dritte Naht legt, und Fig. 4 ein weiteres
Beispiel, für eine Steuerung der in Fig. 3 dargestellten Art.
-
Es sei vorausgeschickt, daß die Steuerungen meist das Vorhandensein
einer Vorrichtung zur Regelung der Schweißspaltbreite an :der Stelle, wo die erste
Verschweißung entsteht, voraussetzen werden. Von der Darstellung einer solchen Vorrichtung
ist hier abgesehen worden.
-
Im Schema nach Fig. 1 wird innerhalb einer im Längsschnitt gezeichneten,
horizontal angeordneten Wickelhülse 11 aus einem Stahlband 12 durch schraubenförmiges
Wickeln ein rechts aus der Hülse 11 austretendes Rohr 13 geformt, das nicht geschnitten
gezeichnet ist. Das Band 12 wird in Richtung des gezeichneten Pfeiles unten tangential
und unter einem Winkel, der gleich dem Steigungswinkel der späteren schraubenförmigen
Schweißnaht ist, in die Hülse 11 eingeschoben. Der hierzu dienende Antrieb ist nicht
gezeichnet. Im Punkt 14 an der tiefsten Stelle der Innenwand der Hülse 11 beginnt
die erste Schraubenwindung 15 der linken Bandkante 16. Im Punkt 17 erreicht diese
Kante wieder das Niveau des Punktes 14. An dieser Stelle steht sie erstmalig der
bis zum Punkt 17 geradlinig verlaufenden rechten Bandkante 18 gegenüber: Im Punkt
17 oder in kleinem Abstand davon findet daher die erste Verschweißung statt, und
zwar durch einen im Innern der Hülse 11 angeordneten Schweißkopf A. Die in kleinem
Abstand aneinander gegenüberstehenden Bandkanten bilden den Schweißspalt 19, in
den durch den Schweißkopf A die erste Naht von innen gelegt wird. Zur Steuerung
des Kopfes A dient ein an der Bandkante 18 anliegendes Druckstück a, das
auf noch zu beschreibende Weise mit dem Schweißkopf A gekuppelt ist.
-
Vom Punkt 17 aus verlaufen die bereits verschweißten Kanten längs
einer halben Windung der Schraubenlinie bis zum Punkt 20, wo die zweite Naht durch
einen oben auf der Hülse 11 angeordneten, durch ein Loch in der Hülse hindurch arbeitenden
Schweißkopf B von außen gelegt wird. Zur Steuerung dieses Schweißkopfes dient ein
Druckstück b, das an der Bandkante 16 im Bereich von deren erster Windung 15 ungefähr
im Abstand einer Ganghöhe vom Schweißkopf B anliegt. Soll noch eine dritte Naht
gelegt werden, so wird hierfür ein im Innern der- Hülse angeordneter Schweißkopf
C vorgesehen, der im Punkt 21 liegt und vom Schweißkopf A um eine Ganghöhe entfernt.
Dieser Kopf wird durch ein an der Kante 16 anliegendes Druckstück c gesteuert.
-
Die Steuerung des Schweißkopfes A ist in Fig. 2 genauer dargestellt.
Die Wickelhülse ist fortgelassen und das werdende Rohr im Längsschnitt mit horizontaler
Schnittebene gezeichnet. Das Druckstück a wird von einer Art Balancier gebildet,
der auf einem Arm 22 mittels eines Gelenkes 23 drehbar gelagert ist. Der Arm 22
ist um einen feststehenden Zapfen 24 schwenkbar und steht unter der Wirkung einer
Feder 25, die sich an einem festen Widerlager 26 abstützt. Das Druckstück a trägt
zwei Rollen 27, mit denen es durch die Wirkung der Feder 25 ständig in Anlage an
der Bandkante 18 gehalten wird. Der Schweißkopf A ist durch einen Arm 28 starr mit
dem Druckstück a verbunden. Das Druckstück a macht alle Parallelverschiebungen und
alle Schwenkbewegungen der Kante 18 mit und überträgt sie auf den Schweißkopf A.
Infolgedessen arbeitet, wenn auf konstante Schweißspaltbreite geregelt wird, der
Schweißkopf ständig über der Mitte des Schweißspaltes, in jedem Falle aber in einem
konstanten horizontalen Abstand von der Kante 18, ein Abstand, der vielfach 0,5
mm beträgt.
-
Die Steuerung nach Fig. 2 ist auch anwendbar, wenn Band von schwankender
Breite verarbeitet wird. Voraussetzung ist nur, daß die von der Säbelform des
Bandes
herrührende Krümmung der Kante 18 so klein bleibt, daß die Kante über eine Strecke,
die gleich dem Abstand zwischen dem Schweißkopf A und dem Druckstück ca ist, als
geradlinig angesehen werden kann.
-
Das zur Steuerung des Schweißkopfes B dienende Druckstück h besteht
gemäß Fig. 3 wiederum aus einer Art Balancier, der jedoch in diesem Falle auf einem
Schlitten 29 um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist. Der Schlitten 29 ist
oben auf der (nicht gezeichneten) Wickelhülse parallel zur Rohrachse verschiebbar.
Zu diesem Zweck sind an seinen beiden Stirnenden Stangen 30 und 31 befestigt, die
in auf der Wickelhülse montierten Lagern 32 und 33 verschoben werden können. Eine
Schraubenfeder 34, die sich am Lager 33 abstützt, ist bestrebt, den Schlitten nach
rechts zu schieben und damit zwei am Druckstück b angebrachte Rollen 35 in Anlage
an der ersten Windung 15 der Kante 16 zu halten.
-
Auf einer am Schlitten 29 gelagerten Welle 36, die am unteren Ende
das Druckstück b trägt, sitzt oben ein Zahnsegment 37, das mit einem Zahnrad 38
im Eingriff steht. Die Welle 39 dieses Zahnrades trägt außerdem eine Kurvenscheibe
40, an der eine Rolle 41 eines mit seiner Welle 42 auf dem Schlitten drehbar gelagerten
Armes 43 anliegt. Dieser Arm ist mit einem Zahnrad 44 verbunden, das mit einem Zahnrad
45 im Eingriff steht. Das Zahnrad 45 ist mit einem Zahnrad 46 gekuppelt, das in
eine Zahnstange 47 greift. Das Zahnrad 46 ist gegen Zahnräder größeren oder kleineren
Durchmessers austauschbar und zu diesem Zweck mit seiner Welle 48 auf einem Arm
49 angeordnet, der um die Welle 42 des Armes 43 schwenkbar ist.
-
Die Zahnstange 47 ist parallel zur Rohrachse in zwei Lagern 50 und
51 verschiebbar, die wie die Lager 32 und 33 auf der Wickelhülse montiert sind.
Eine Feder 52, die sich am Lager 51 abstützt und auf einen Bund 53 der Stange 47
wirkt, sucht diese nach links zu schieben und sorgt damit für ständige Anlage der
Rolle 41 an der Kurvenscheibe 40. Am rechten Ende der Zahnstange 47
ist der Schweißkopf B befestigt.
-
Das Druckstück b macht jede Parallelverschiebung und jede Winkelverstellung
der Bandkante 16 mit. Eine reine Parallelverschiebung wird ohne Drehung der Zahnräder,
der Kurvenscheibe 40 und des Armes 43 vom Schlitten 29 über die Zahnstange 47 unmittelbar
auf den Schweißkopf B übertragen. Die von einer Änderung der Winkelstellung der
Kante 15 herrührende Drehung des Druckstückes b hat eine zusätz- j liehe Verschiebung
der Zahnstange 47 relativ zum Schlitten 29 zur Folge. Die einzelnen tJbersetzungsverhältnisse
des Getriebes und die Steigung der Kurvenscheibe 14 sind so gewählt, daß - konstante
Bandbreite vorausgesetzt - der Abstand des Schweißkopfes B von der Bandkante 18
unverändert bleibt, der Schweißkopf also wiederum ständig über der Mitte der Schweißnaht
arbeitet.
-
Das für die richtige Steuerung des Schweißkopfes B nötige Verhältnis
zwischen dem Drehwinkel des Druckstücks b und der Verschiebung der Zahnstange 47
kann empirisch oder rechnerisch bestimmt werden. Die Funktion, die man dabei ermittelt,
enthält als Parameter auch die Bandbreite und den Sollsteigungswinkel der Schweißnaht
bzw. den Rohrdurchmesser. Es hat sich nun als möglich herausgestellt, die Kurve
54 der Kurvenscheibe 40 so zu gestalten, daß das Getriebe für alle praktisch vorkommenden
Rohrdurchmesser und Bandbreiten verwendet werden kann, wobei lediglich eine Auswechselung
des Zahnrades 46 notwendig ist, wenn die Bandbreite gewechselt wird. Die ganze Steuerung
kann daher unverändert auch auf Wickelhülsen verschiedenen Durchmessers aufgesetzt
werden.
-
Die Steuerung nach Fig. 4 hat mit derjenigen nach Fig. 3 einen Schlitten
29 gemeinsam, der oben auf der (nicht gezeichneten) Wickelhülse horizontal beweglich
gelagert ist. Zwecks Reibungsverminderung dienen zur Lagerung und Führung dieses
Schlittens vertikal stehende Schwingen 55, von denen in der Zeichnung nur die oberen
Stirnenden sichtbar sind. Diese Schwingen sind in (nicht gezeichneten) Lagern auf
der Wickelhülse schwenkbar befestigt und mit dem Schlitten 29 gelenkig verbunden.
Der Schlitten 29 steht unter der Wirkung von Federn 56, die ihn ähnlich wie die
Feder 34 in Fig. 3 nach rechts zu schieben suchen. Die Federn 56 sind in auf der
Wickelhülse befestigten, feststehenden Nockens 57 verankert und greifen an Vorsprüngen
58 des Schlittens 29 an.
-
Am Schlitten 29 ist wie in Fig. 3 ein mit Rollen 35 versehenes Druckstück
b mittels einer Welle 36 drehbar, die in einem Fortsatz 59 des Schlittens gelagert
ist. Ebenso wie in Fig. 3 überträgt daher das Druckstück b jede Parallelverschiebung
der Bandkante 15, 16 direkt auf den Schlitten 29.
-
In einer auf dem Schlitten 29 sitzenden Büchse 60
ist
eine Stange 61 längs verschiebbar, an deren rechtem Ende der Schweißkopf B befestigt
ist. Das linke Ende 62 der Stange 61 trägt einen Kopf 63 mit einem Kulissenschlitz
64. Eine Feder 65, die sich an der rechten Stirnfläche 66 des Fortsatzes 59 abstützt,
drückt gegen den Kopf 63 und sucht daher die Stange 61 relativ zum Schlitten 2.9
nach rechts zu schieben.
-
Fest mit dem Druckstück b ist ein Hebelarm 67 verbunden, der durch
einen Lenker 68 mit einem bei 69 auf dem Schlitten 29 drehbaren Hebel 70 zwangläufig
gekuppelt ist. Der Hebel 70 trägt an seinem freien Ende in einem Gelenk 71 einen
Stein 72, der im Kulissenschlitz 64 quer zur Richtung der Bewegung des Schlittens
29 verschiebbar ist.
-
Eine reine Parallelverschiebung der Bandkante 15, 16 wird ohne Drehung
der Hebel 67 und 70 über den Schlitten 29 auf die Stange 61 und den Schweißkopf
B übertragen. Eine reine Winkelverstellung der Bandkante 15, 16 hat bei ruhendem
Schlitten 29 eine Drehung des Druckstückes b zur Folge, die über das Hebelgestänge
67, 68, 70 und die Kulissenführung 64, 72 auf die Stange 61 und damit auf den Schweißkopf
B übertragen wird. Durch geeignete Wahl der Längen der einzelnen Hebelarme kann
leicht erreicht werden, daß die Verschiebung des Schweißkopfes B, die auf diese
Weise entsteht, mit hinreichender Genauigkeit der Verlagerung der Bandkante 18,
die durch eine Winkelstellung der Bandkante 15, 16 entsteht, gleich ist.
-
Um die Steuerung verschiedenen Bandbreiten und Rohrdurchmessern anpassen
zu können, sind für den Anschluß der Kuppelstange 68 an den Hebelarm 67 mehrere
Gelenkpunkte in Form einer Lochreihe 17 vorgesehen, die wahlweise benutzt werden
können. Aus den gleichen Gründen hat der Hebel 70 mehrere Löcher 74, die als Drehpunkt
dienen können. Endlich ist auch die Länge der Kuppelstange 68 veränderlich. Sie
besteht zu diesem Zweck aus zwei Gewindehülsen 75 und 76, die wie bei den bekannten
Spannschlössern durch einen Gewindestift 77 verbunden sind.
Eine
den Steuerungen nach Fig.3 oder 4 ähnliche Steuerung kann auch für den Schweißkopf
C Verwendung finden. Doch muß das zugehörige Druckstück c etwas außer Flucht mit
dem Schweißkopf angeordnet werden, weil an der Stelle; die der Lage des Druckstücks
b entspricht, der Schweißkopf A arbeitet und keine Kante zur Verfügung
steht, an der ein Druckstück anliegen könnte.
-
Die drei als Beispiel gezeichneten Steuerungen arbeiten rein mechanisch.
Doch ist es möglich, statt dessen hydraulische oder elektrische Mittel zur Abtastung
der Lage der steuernden Bandkante und zur entsprechenden Bewegung des Schweißkopfes
zu verwenden.
-
Ferner kommt es für die Erfindung nicht darauf an, wie die Vorrichtung
zur Formung des Rohres im einzelnen gestaltet ist. So könnte an die Stelle der einfachheitshalber
gezeichneten Wickelhülse 11 auch ein System von Biege- und Stützrollen treten.