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Zentriervorrichtung zum Lichtbogen-Schweißen von Rohrstößen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Zusammenschweißen von Rohrstößen nach dem elektrischen Lichtbogen-Schweißverfahren,
und zwar betrifft sie eine Zentriervorrichtung. Solche Vorrichtungen werden insbesondere
bei der Verlegung von Rohrleitungen größeren Durchmessers benötigt. Ihre Aufgabe
besteht darin, die Rohrenden vor und während der Wurzelschweißung zu zentrieren,
also die Rohrenden genau zum Fluchten zu bringen, etwaige Kantenversetzungen gleichmäßig
über den Rohrumfang zu verteilen, bei unrunden Rohren die Enden kreisrund zu drücken
und die Einhaltung des für die Schweißung günstigsten Luftspaltes über den ganzen
Nahtumfang während der Schweißung zu gewährleisten. Außerdem sollen die Vorrichtungen
so beschaffen sein, daß die Einrichtzeiten so kurz wie möglich werden, da hiervon
in hohem Maße der Baufortschritt abhängt. Schließlich sollen die Vorrichtungen auch
konstruktiv einfach, möglichst leicht und wenig störanfällig sein.
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Vorstehend erwähnte Gesichtspunkte gelten in gleichem Maße sowohl
für die konventionelle Handschweißtechnik als auch für das Automatenschweißen mit
Vorrichtungen zur elektromagnetischen Steuerung des Lichtbogens. Um auf kurze Schweißzeiten
je Rundnaht zu kommen, können mehrere Lichtbögen gleichzeitig brennen, die etwa
symmetrisch über den Rohrumfang verteilt sind. Diese ist bei der Handschweißung
bekannt und wird durch die Erfindung auch für die selbsttätige Schweißung mittels
ein- bzw. ausgelegter Elektroden auf zuverlässige Weise ermöglicht.
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Es sind bereits eine Anzahl verschiedenartig konstruierter Zentriervorrichtungen
bekanntgeworden, die im Hinblick auf die genannte Aufgabenstellung entwickelt wurden
und die als Innenspannvorrichtungeti ausgebildet sind. Sie bestehen meist aus einer
Anzahl von Segmenten, die beim Spannen radial nach außen gedrückt werden und dadurch
die Rohrenden zum Fluchten bringen.
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Es sind aber auch schon Zentriervorrichtungen vorgeschlagen worden,
die mit zwei zueinander justierbaren Spannsystemen ausgestattet sind, wobei mit
jedem dieser beiden Spannsysteme je eines der beiden einander zugewandten Rohrenden
erfaßt wird, worauf nach erfolgter Einspannung die Justierung erfolgt. Bei einer
dieser vorbekannten Vorrichtungen ist hierbei nur eine axiale Verschiebung der beiden
Rohrenden zueinander möglich, so daß es erforderlich ist, die beiden Rohrenden vor
dem Einspannen zunächst in axialer Richtung auszurichten, während die Zentriervorrichtung
dann nur die Einstellung der erforderlichen Nahtspaltbreite gestattet. Bei einer
anderen Vorrichtung wiederum können die beiden Spannsysteme gegeneinander geschwenkt
werden. Es sind zu diesem Zweck die beiden Spannsysteme, die über die Rohrenden
von außen übergreifen, mittels einer seitlich der Rohre liegenden Schwenkachse miteinander
gekuppelt. Offenbar ist diese Vorrichtung in erster Linie dazu bestimmt, dünnere
Rohre unter einem gewünschten Winkel zueinander einzuspannen, und zwar ist ausdrücklich
ein Bereich von 0 über 90 bis zu 180° benannt. Es ist also auch neben anderem an
ein axial geradliniges Zusammenschweißen gedacht. Für größere Rohrleitungen; die
beispielsweise in einem Rohrkanal größerer Tiefe verlegt werden sollen, ist eine
solche Vorrichtung nicht geeignet, da sie es nicht gestattet, die erforderliche
Genauigkeit zu erzielen. Vor allem aber wird bei der Schwenkung die Breite des freien
Nahtspaltes ganz erheblich geändert, während eine Möglichkeit zur Nachjustierung
in axialer Richtung mit der erforderlichen Genauigkeit nicht gegeben ist.
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Die vorliegende Erfindung hat eine Zentriervorrichtung zum Gegenstand,
die geeignet ist, den in der Praxis zu stellenden Anforderungen zu genügen. Man
kann sie in gewisser Hinsicht als Fortentwicklung der verschiedenen bekannten Zentriervorrichtungen
betrachten. Es handelt sich hierbei also um eine Zentriervorrichtung zum Lichtbogen-Schweißen
von Rohrstößen mit je einem die beiden einander zugewandten Rohrenden erfassenden
Spannsystem. Wie es im Grundgedanken an sich bekannt ist, sind diese beiden Spannsysteme
in Bezug zueinander schwenkbar. Im Unterschied zu den bekannten Zentriervorrichtungen
dieser Art besteht das wesentliche Merkmal der Zentriervorrichtung gemäß der Erfindung
darin, daß die beiden Spannsysteme um einen Punkt schwenkbar sind, daß sie die Rohrenden
von innen erfassen
und daß der Schwenkpunkt etwa auf der Achse
der beiden Spannsysteme liegt. Bei in axialer -Richtung noch nicht ganz genau ausgerichteten
Rohrenden liegt der Schwenkpunkt somit etwa auf dem Schnittpunkt der Achsen. Betrachtet
man die Zentriervorrichtung für sich allein, so bedeutet die genannte Aufgabe, daß
der Schwenkpunkt etwa auf der Spannsvsteniachse liegt, die mit der Rohrachse zusammenfällt.
Dadurch ist es möglich, die beiden Rohrenden auch dann durch die Zentriervorrichtung
zu erfassen, wenn die beiden Rohrachsen noch nicht zueinander ausgerichtet sind,
also noch nicht in einer Geraden liegen, und erst nach zuverlässig erfolgter Einspannung,
d. h. radialer Vorspannung, die erforderliche geringfügige Schwenkung zur Ausrichtung
in dem gexviinschten Sinne vorzunehmen.
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In der Regel ist es vorteilhaft, die Zentriervorrichtung so auszubilden,
daß der Schwenkpunkt etwa in der Nahtebene liegt. Um in Zusammenhang mit der Ausrichtung
die richtige Spaltbreite einstellen zu können, sind die beiden Spannsysteme miteinander
so verbunden, daß sie auch in axialer Richtung zueinander verschoben werden können,
wie es an sich für Zentriervorrichtungen mit zueinander nicht schwenkbaren Spannsystemen
bekannt ist.
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Da beim Verlegen von Rohren nicht voraussehbar ist, in welcher Richtung
die beiden Rohrachsen von der gewünschten Lage zueinander abweichen, ist die Möglichkeit
einer Schwenkung in beliebiger Richtung erwünscht. Auf Grund dieser Überlegung ist
es wichtig, daß die Schwenkung nicht - wie bei der vorerwähnten bekannten Zentriervorrichtung
- um eine Achse erfolgt, denn in diesem Falle ist eine Schwenkung nur innerhalb
der durch die beiden Rohrachsen verlaufenden, auf der Schwenckachse senkrecht stehenden
Ebene möglich. Ist die Verbindung der beiden Spannsysteme aber in der Weise ausgebildet,
daß die Schwenkung um einen »Punkt« erfolgt, so bestehen hinsichtlich der Justierbarkeit
der Winkelneigung keine beschränkenden Bedingungen. Es können vielmehr Abweichungen
der Rohrachsen in beliebiger Richtung korrigiert werden. Die Ausbildung der schwenkbaren
Verbindung der beiden Spannsysteme erfolgt vorzugsweise als Kugelgelenk.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung weist gegenüber den bekannten
Zentriervorrichtungen ganz wesentliche Vorzüge auf. Wichtig ist unter anderem gegenüber
sämtlichen bekannten Vorrichtungen; daß nach erfolgtem Festspannen im Rohr (d. h.
mittels radialer Kräfte) selbsttätig eine starke Axialkraft ausgeübt wird, die die
beiden Spannsysteme, d. h. Rohrenden, zusammenzieht, und zwar unter Wahrung eines
durch zwischengesteckte Abstandslehren festgelegten Nahtspaltes. Diese Einrichtlehren,
die auch als Distanzstücke bzw. Spieße bezeichnet werden mögen, sind über den Nahtumfang
gleichförmig verteilt. Sie sichern den Luftspalt gleichzeitig gegen die beim Schweißen
auftretenden starken Schrumpfspannungen.
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Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens ist in der Zeichnung
ein Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Fig. 1 und 2 zeigen Seitenansichten dieser Spannvorrichtung gemäß
der Erfindung in schematischer Darstellung, und zwar vor und nach dem Ausrichten;
Fig. 3 bis 7 zeigen die für die Zentrierung wesentlichen Elemente für sich allein,
und zwar in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten des Arbeitsvorganges; Fig.8 schließlich
veranschaulicht schematisch eine Schweißnaht mit zur Hälfte geschweißter Wurzel,
und zwar unter Verwendung von drei Lichtbogen, wobei sechs Spieße noch im Luftspalt
stecken.
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Die einzelnen Segmente 1 des rechten Spannsystems I werden über ein
Gestänge 2 mittels einer hydraulischen Presse 3 unter Druck gesetzt, bis sie sich
an die Innenwand des Rohrendes am bereits verlegten Rohrstrang 4 anlegen. Die Segmente
5 des an sich gleich bemessenen Spannsystems II werden in gleicher Weise über Hebel
6 und eine hydraulische Presse 7 nach außen gedrückt. Eine Anzahl gleichmäßig über
den Umfang verteilter Druckfedern 8 halten zunächst die Segmente des Systems II
gegen die Köpfe 9 der innerhalb der Druckfedern befindlichen Bolzen 10, die zu den
Segmenten 1 beweglich sind. wie es aus Fi'. 2, oben, ersichtlich ist. Dadurch wird
bewirkt, daß in drucklosem Zustand des Systems 1I dessen Spannebene parallel zu
derjenigen des Systems I steht. Wird nun das anzuschweißende Gegenrohr 11 aufgeschoben
und das System II unter Druck gesetzt, dann bewegen sich dessen Segmente so lange
nach außen, bis sie alle anliegen und das Rohr gegebenenfalls genau kreisrund drücken.
In der Regel wird dabei der Luftspalt unregelmäßig, d. h. an einer Seite der Rundnaht
am größten sein, wie es in Fig. 1, oben, dargestellt ist. Da nun das System II über
ein Kugelgelenk 12 drehbar angeordnet ist, kann ohne Lösen der Radialspannung bei
II und ohne zusätzlichen Kraftaufwand das anzuschweißende Rohr so lange geschwenkt
werden, bis ringsum der Luftspalt die gleiche Breite hat. Diese Stellung ist in
Fig. 2 dargestellt. Wird gleichzeitig die Presse 7 weiter unter Druck gesetzt, dann
wird die an den Segmenten 5 wirkende Axialkomponente schließlich gleich der vollen
Kraft der Presse und damit so stark, daß sie die Kraft der Federn 8 überwindet und
das Rohr 11 vollends an das Gegenrohr 4 heranschiebt, wobei der Luftspalt ringsum
durch die Spieße 28 gehalten wird. Während dieser Vorgänge verbleiben die beiden
Rohrenden nicht nur genau kreisrund gedrückt, sondern sie werden auch zum Fluchten
gebracht, und etwaige Kantenversetzungen sind dann gleichmäßig über den Rohrumfang
verteilt. Da sich der Drehpunkt 13 des Systems II in der Nahtebene befindet, bewegt
sich beim Kippen die Schweißkante des Rohres 11 in axialer Richtung, so daß hierdurch
keine zusätzlichen Kantenversetzungen entstehen können. Das axiale Nachschieben
erfolgt somit selbsttätig unter großem Druck, und zwar ohne zusätzliche konstruktive
-Maßnahmen.
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Die Segmente 1 und 5 gleiten in kreisringförmigen Führungen 14 und
15, die jeweils mit den Pressehalterungen 16 und 17 durch konische Blechgehäuse
18 und 19 kraftschlüssig verbunden sind. Außerdem gleitet in der Buchse 17 die mit
der Presse 7 fest verbundene Buchse 20. Die Reaktionskraft der Presse 7 wird also
über die Elemente 20, 21, 22, 23, 24, 25, 18, 14 und 1 auf das Rohr 4 übertragen.
Schließlich ist noch eine Druckfeder 26 vorgesehen, die nach Entlastung der Pressen
3 und 7 die Pressekolben zurückdrückt und gleichzeitig das System II gegen den Anschlag
27 in die Ausgangslage (Fig. 1) bringt und dort hält.
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Fig. 8 zeigt schematisch die Anordnung der Spieße bei einer Drei-Lichtbogen-Schweißung.
Die Spieße bestehen aus Blechstreifen 28 aus gehärtetem Federbandstahl, die in je
einer Haltevorrichtung29 auswechselbar gehaltert sind. Diese besitzt zwei Kolben
30 und 31, die jeweils gegen die beiden Rohrenden ausgefahren werden können und
so den Pressenkörper nach innen drücken, wodurch der mit dem Pressenkörper kraftschlüssig
verbundene Spieß 28 nach innen
abgezogen wird. Diese Haltevorrichtungen
29 (Verbundpressen) sind an Segmenten des Systems I beweglich gehaltert. Sie machen
die Radialbewegungen der Segmente beim Aus- und Einfahren mit und können außerdem
relativ zu den Segmenten radial bewegt werden.
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In Fig. 3 bis 7 sind die Betätigungsvorgänge der Reihe nach dargestellt.
-Zunächst wird die auf Rollen laufende Spannvorrichtung im Rohrinnern so weit vorgezogen,
daß die Spieße 28 ringsum um einen geringen Betrag außerhalb der Nahtebene stehen,
also an der Nahtflanke des Rohres 4 vorbeizeigen, wie es aus Fig. 3 ersichtlich
ist. Sodann werden, etwa durch Auslösen je einer Druckfeder, die Verbundpressen
29 soweit in radialer Richtung nach außen verschoben, daß ihre Oberkante mit der
Oberkante der Segmente 1 etwa bündig liegt (Arbeitsschritt zwischen Fig. 3 und 4).
Während die Segmente 1 dann beim Ausfahren die Verbundpresse 29 weiter mitnehmen,
wird die Spannvorrichtung (gegebenenfalls durch leichtes Kippen um die Rohrachse)
im ganzen so ausgerichtet, daß alle Spieße am Rohrende einigermaßen anliegen. Wenn
dieser Spannvorgang des Systems I beendet ist, ergibt sich das in Fig. 4 dargestellte
Bild.
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Alsdann werden die Verbundpressen 29 etwa um die halbe überstehende
Länge der Spieße 28 zurückgezogen, was z. B. durch Betätigung des Kolbens 31 geschehen
kann, wie Fig. 5 zeigt. Dadurch wird einerseits Platz geschaffen zum ungehinderten
Überschieben des Gegenrohres 11. Andererseits stehen die Spieße 28 noch genügend
weit nach außen vor, so daß ein Überfassen durch das noch lose und gegebenenfalls
unrunde Gegenrohr 11 nicht möglich ist. Zusammen mit der Verbundpresse 29 sind die
Segmente 5 zur Hälfte ausgefahren, um die Verbundpresse abzudecken und zu schützen.
Dieser Zustand ist in Fig. 5 dargestellt.
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Nachdem auch System II gespannt ist und das Gegenrohr ringsum fest
anliegt, werden die Verbundpressen 29 um ein weiteres Stück zurückgezogen, und zwar
so weit, da,ß die Spieße gerade noch so viel über den Steg der Schweißnaht nach
außen in das Nahtprofil hineinragen, daß Kantenversetzungen bis zu 3 mm noch mit
Sicherheit erfaßt werden. Dieses Zurückziehen in die aus Fig. 6 ersichtliche Stellung
erfolgt deshalb, damit die Arbeitsvorgänge beim Einlegen der Elektroden, Anlegen
des Magnetgürtels, Anbringen der Stromzuführung usw. nicht behindert werden.
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Geringe Ungenauigkeiten beim Ausrichten des Systems I werden dadurch
ausgeglichen, daß die Spieße 28 nach beiden Seiten hin federnd nachgeben können.
Auch können die Verbundpressen 29 selbst ein geringes Axialspiel gegenüber den Segmenten
1 erhalten, beispielsweise durch federnd nachgiebige Befestigungen an letzteren.
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Nach beendigter Schweißung der mit gleichzeitig brennenden Lichtbögen
gleichzeitig in Angriff genommenen Abschnitte, in der Regel 50% der Rundnaht (s.
Fig. 8), werden die durch die beim Schweißen auftretenden Schrumpfkräfte mehr oder
weniger stark eingeklemmten Spieße durch Betätigung beider Kolben 30 und 31 mit
einer Kraft bis zu mehreren Tonnen nach innen abgezogen, wie es Fig.7 zeigt. Hierbei
spielen innere Kantenversetzungen keine Rolle, da nach Überschreiten eines bestimmten
Druckes die Kolben innerhalb einer Presse unter gleichem Druck: stehen (Druckwaage).
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Schließlich wird durch Druckentlastung aller Pressen wieder der in
Fig.3 gezeigte Ausgangszustand erreicht. Die Innenspannvorrichtung kann nunmehr
zum nächsten Rohrstoß vorgezogen werden, wobei gleichzeitig die soeben zur Hälfte
geschweißte Wurzel vollends zugeschweißt wird.
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Alle vorstehend erläuterten Bewegungsvorgänge können beispielsweise
durch elektrische Steuerung der Hydraulik weitestgehend automatisiert werden. An
Stelle der hydraulischen Betätigung kann auch eine pneumatische, elektromagnetische
oder auch rein mechanische Betätigung der Spannsegmente und Spieße vorgesehen werden.
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Um mit möglichst wenig Typen auszukommen, können die Spannsegmente
auswechselbar gemacht werden. Es genügt dann, wenige Grundkörper vorzusehen, deren
konstruktive Ausbildung sich nur noch nach der Zahl der Lichtbögen zu richten braucht.
Bei Zwischengrößen der Nennweiten werden dann einfach die Segmente ausgewechselt.
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Wie beschrieben, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für kreisförmige
Rundnähte ausgelegt. Sie läßt sich mit allen beschriebenen Funktionen aber auch
ebensogut für die elliptische Verformung verwenden. Es brauchen zu diesem Zweck
nur an den seitlich liegenden Drucksegmenten beider Systeme annähernd elliptisch
geformte Schuhe mit Übergängen nach oben und unten aufgesetzt zu werden. Da es nur
auf den absoluten Betrag der Luftspaltänderung ankommt, der seitlich (bei 3.00 Uhr)
etwa -I- 0,5 mm beträgt, sind bei den großen Rohrdurchmessern, für welche diese
Innenspannvorrichtung vorgesehen ist, die Verformungen der Rohrenden verhältnismäßig
klein, so daß die Anbringung der Schuhe und das Einstellen der Verbundpressen keine
besonderen Schwierigkeiten bereiten.