DE2159591A1

DE2159591A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Rekristallisationsschweissung von Rohren

Info

Publication number: DE2159591A1
Application number: DE19712159591
Authority: DE
Inventors: Die Anmelder Sind
Original assignee: FORCE J
Current assignee: FORCE J
Priority date: 1971-06-01
Filing date: 1971-12-01
Publication date: 1972-12-14
Also published as: FR2139803A1; AU3499471A; FR2139803B1; JPS5322057B1; CA949780A; GB1357820A; DE2159591C3; US3732391A; AU451370B2; DE2159591B2; ZA717248B; IT958146B

Description

_B..pu...Ne.M.SC. ...... -..«„..— D.PL.-PHVS.

Olf'L.-PHYS. DR.

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Jean La Force

Aberdeen Way, Inverness, CaI., USA und Carl Stringer

29o4 Yorkshire Circle, Pearland, Texas, USA

Verfahren und Vorrichtung zur Rekristallisationsschweissung von Rohren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekristallisationsschweissung benachbarter Enden axial fluchtender Röhren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Das Rekristallisationsschweissen, welches auch als Preßschweissen bezeichnet wird, ist ein Verfahren zur Verbindung metallischer Teile bei einer Temperatur, die unterhalb der Schmelztemperatur liegt unter Anwendung von Hitze und Druck.

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Bisher wurden zum Verbinden der Enden von Rohren durch Kristallisationsschweissung zunächst zwei Rohrenden aneinandergelegt, und dann wurden im Abstand voneinander an jedem Rohrende von aussen Klammern angebracht, und zwar üblicherweise in einem gewissen Abstand von der Verbindungslinie. Anschliessend wurde dann in der Ebene der Verbindungslinie ein Brennerring oder dergleichen angebracht, welcher die gesamte Verbindungslinie umschloss, um die Rohrenden zu erhitzen. Danach wurden die Klammern mit Hilfe hydraulischer Zylinder oder dergleichen gegeneinander gezogen, wodurch die erhitzte Verbindungsstelle unter Druck gesetzt wurde, so dass eine Rekristallisationsschweissung stattfand. Dieses Verfahren hat sich jedoch wirtschaftlich aus zwei Gründen nicht bewährt. Einerseits beeinträchtigen nämlich die aussen angebrachten Klammern das Anbringen usw. des Heizgeräts, und zweitens stört - was vfelleicht noch wichtiger.ist - die Tatsache, dass die Klammern in einem beträchtlichen Abstand von der Verbindungsstelle, beispielsweise in einem Abstand von 7,5 cm oder mehr, angebracht werden müssen, um das Anbringen der Heizvorrichtung zu ermöglichen. Das Anbringen der Klammern in einem solchen Abstand hat beispielsweise bei den üblichen, relativ dünnwandigen Rohren zur Folge, dass kein genaues, axiales Fluchten der Rohrenden erreicht wird und dass die Rohre dazu neigen, sich zu verformen, so dass sich an der Verbindungsstelle ein Absatz ergibt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Rekristallisationsschweissung benachbarter Enden fluchtender Rohre vorzuschlagen, durch welches eine genaue Ausrichtung der

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Rohrenden zueinander sichergestellt wird und welches die Nachteile des vorbekannten Verfahrens vermeidet.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass zunächst die Rohre im Bereich ihrer Enden von. innen mittels eines Paares von koaxial zueinander angeordneten Elementen erfasst werden, um die Rohrenden axial fluchtend auszurichten und in dieser Stellung zu halten, dass dann die axial fluchtenden Rohrenden unter Druck gegeneinander gepresst werden und dass schliesslich die Rohrenden unter Aufrechterhaltung des' Druckes erhitzt werden, um sie durch Rekristallisationsschweissung zu verbinden.

Das erfindungsgemässe Verfahren befasst sich also damit, die zu verbindenden Rohrenden, zunächst axial auszurichten und zu halten und dann einen axialen Druck auf die sich aneinander abstützenden Rohrenden auszuüben. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Paar von Aufdornelementen, die in axialer Richtung miteinander fluchten, in den Bereich der zu verbindenden Rohrenden eingebracht wird, dass die Aufdornelemente dann in radialer Richtung aufgespreizt werden, bis sie sich fest gegen die Innenwand der Rohre anlegen, und dass dann eine axiale Relativbewegung der Aufdornelemente herbeigeführt wird, durch die die Rohrenden unter Druck dicht zusammengeführ^werden.

Dadurch, dass erfindungsgemäss die Rohrenden von innen gehalten und axial ausgerichtet werden und in der zuvor beschriebenen Weise gegeneinander gepresst werden, wird die ungehinderte Wärmeerzeugung auf der Aussenseite der Rohre im Bereich ihrer

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sich gegeneinander abstützenden Enden und die Verbindung derselben durch eine Rekristallisationsschweissung vereinfacht. Darüberhinaus hat es sich als günstig erwiesen, wenn das erfindungsgemässe Verfahren mit einer Vorrichtung durchgeführt wird, mit deren Hilfe der axiale Druck zwischen den Aufdornelementen während der Erwärmung der Verbindungsstelle erhöht werden kann, um im Bereich der Verbindungsstelle den richtigen Stauchdruck zu erhalten.

Ferner hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Ausricht- und Haltevorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche in die aneinander grenzenden Rohre einsetzbar ist, ein Paar von axial fluchtenden und verschiebbaren, radial aufspreizbaren Aufdornelementen enthält, und wenn das radiale Aufspreizen sowie das axiale Verschieben der Aufdornelemente in einfacher Weise von der Aussenseite der Rohre steuerbar ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche.
In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1, 2

und Fig.k Längsschnitte durch eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens während aufeinanderfolgender Verfahrensschritte;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäss Fig.2

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längs der Linie 3-3 und

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäss Fig. 4 längs der Linie 5-5.

In dem Längsschnitt gemäss Fig. 1 erkennt man zwei Rohre 11 und 12, deren aneinander angrenzende Enden 13 und 14 durch Rekristallisationsschweissung miteinander verbunden werden sollen. Um diese Schweissung gemäss der Erfindung durchzuführen, wird zunächst eine Ausricht- und Haltevorrichtung 16 mit einem Paar von Aufdornelernenten 17 und 18, welche axial fluchtend angeordnet sind, koaxial in die Rohre eingebracht werden, wobei sich die Aufdornelemente im Bereich der beiden Enden 13 und 14 befinden. Anschliessend werden die Aufdornelemente in radialer Richtung aufgespreizt, bis sie sich fest gegen die Innenwand der Rohre anlegen, wie dies durch die Pfeile 19 in Fig. 2 angedeutet ist. Da die axiale Ausrichtung der Aufdornelemente 17 und 18 dabei erhalten bleibt, richten diese,während sie sich gegen die Innenwand der Rohre anlegen, auch die Rohre in axialer Richtung aus und halten sie in diesem Zustand fest. Wie Fig. 4 zeigt, werden die Aufdornelemente 17 und 18 anschliessend in axialer Richtung aufeinander zubewegt, wie dies durch die Pfeile 21 angedeutet ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch erreicht, dass das Aufdornelement 17 in axialer Richtung auf das Element 18 zubewegt wird. Diese Bewegung hat zur Folge, dass die Rohrenden 13 und 14 axial fluchtend gegeneinander gepresst werden, und die auf die Aufdornelemente 17 und 18 zur Herbeiführung ihrer axialen Verschiebung ausgeübte Kraft wird aufrechterhalten, um

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die sich gegeneinander abstützenden Rohrenden unter einem vorgegebenen Anfangsstauchdruck zu halten.

Nunmehr wird die Aussenseite der sich gegeneinander abstützenden Rohrenden beispielsweise mit Hilfe eines Brennerrings 22 oder einer entsprechenden Heizvorrichtung, welche die Verbindungsstelle vollständig umgibt, gleichförmig erhitzt. Der Brennerring 22-kann beispielsweise aus zwei halbkreisförmigen Bereichen 23 und 24 bestehen, die an einem Gelenk 26 miteinander verbunden sind und die an einer diametral entgegengesetzten Verbindungsstelle 27 miteinander verbindbar sind. Die Bereic-he des Brennerringes können wegen des Gelenks 26 aufgeschwenkt werden, um das Anbringen des Brennerrings im Bereich der Verbindungsstelle zu erleichtern. Anschliessend können dann die freien Enden der Bereiche 23 und 2 4 an der Verbindungsstelle miteinander verbunden werden, so dass sie einen geschlossenen Brennerring bilden. Der Brennerring 22 ist vorzugsweise mit einer Anzahl von längs seines Umfangs im Abstand voneinander angeordneten, radial nach innen gerichteten Brennerdüsen 28 versehen, um die gleichförmige Erwärmung der sich gegeneinander abstützenden Rohrenden 13 und 14 sicherzustellen.

Während eines Heizzyklus werden die Rohrenden ausreichend erwärmt , um die Preßschweissung an der Verbindungsstelle bei einem vorgegebenen Anfangsstauchdruck einzuleiten. Nach Einleitung der Preßschweissung wird die in axialer Richtung zwischen den Aufdornelementen 17 und 18 wirkende Kraft erhöht, wodurch der Stauchdruck an der Verbindungsstelle erhöht wird. Auf diese Weise wird der Umfang der Stauchung auf einen genau

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vorgegebenen Viert geregelt. Wenn die gewünschte Stauchung erreicht ist, wird die Wärmezufuhr beendet, und die axiale Kraft, die zwischen den Aufdornelementen 17 und 18 wirkt, wird aufgehoben, um die Zufuhr des Stauchdruckes zu beenden. Anschlies-. send können die in radialer Richtung auf die Aufdornelemente 17 und 18 wirkenden Spreizkräfte aufgehoben werden, um das Entfernen der Vorrichtung 16 in axialer Richtung durch eines der Rohre zu ermöglichen.

Es versteht sich, dass während des Heizzyklus vorteilhafterweise ein inertes Gas, wie zum Beispiel Argon, auf die Innenseite der Verbindungsstelle der sich gegeneinander abstützenden Rohrenden gerichtet wird, wie dies dem Fachmann wohl bekannt ist. Das Gas dient dabei dem doppelten Zweck, erstens die Entstehung von Oxyden und Nitriden an der Oberfläche der erhitzten Zone zu verhindern und zweitens das erhitzte Metall abzukühlen, wenn die Zufuhr von Wärme beendet ist.

Die Ausricht- und Haltevorrichtung 16 zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Rekristallisationsschweissung von Rohren, welche nunmehr näher betrachtet werden soll, enthält ein Aufdornelement 17, welches vorzugsweise einen zylindrischen Grundkörper 29 besitzt, an dessen einer Stirnfläche eine koaxiale Welle 31 vorgesehen ist. Der Grundkörper ist an seinem Umfang mit einer Reihe von im Abstand angeordneten, radialen Bohrungen 32 versehen, welche die Schäfte 33 von"Klemmstücken 34 aufnehmen, die sich gegen die Innenwand eines der Rohre 11 bzw. 12 anlegen können, wenn die Schäfte nach aussen gedrückt werden. Mit anderen Worten können also die Klemm-

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stücke in einfacher Weise in Eingriff mit der Innenwand der Rohre gebracht werden.

Das Aufdornelement 18 ist dem Aufdornelement 17 im wesentlichen ähnlich und besitzt einen zylindrischen Grundkörper 36 mit einer zentralen, axialen Bohrung 37, in der die Welle 31 gleitverschieblich angeordnet ist. Der Grundkörper 36 ist somit koaxial auf der Welle 31 angeordnet und auf dieser drehbar und in axialer Richtung verschiebbar. In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden, dass es wesentlich ist, dass die Welle dazu dient, die Grundkörper 29 und 36 der Aufdornelemente 17 und 18 koaxial zueinander auszurichten. Der Grundkörper 36 ist längs seines Umfangs mit einer Reihe von im Abstand voneinander angeordneten, radialen Bohrungen 38 versehen, welche die Schäfte 39 mehrerer Klemmstücke Ul gleitend aufnehmen. Wenn die Klemmstücke 34 des Aufdornelements 17 im Bereich des Rohrendes 13 in Eingriff mit der Innenwand des Rohres 11 stehen, kann der Grundkörper 36 des Aufdornelements 18 axial verschoben werden, bis er innerhalb des Rohres 12 in den Bereich des Rohrendes 14 gelangt,und die Klemmstücke 41 des Aufdornelementes 18 können dort in Eingriff mit der Innenseite des Rohres gebracht werden. Anschliessend kann dann der Grundkörper 29 in Richtung auf den Grundkörper 36 axial verschoben werden, wodurch die Rohrenden 13 und 14 axial fluchtend gegeneinandergezogen werden und sich gegeneinander abstützen, wobei zwischen den Rohrenden der zuvor' erwähnte Stauchdruck aufgebaut wird.

Obwohl die radiale Ausspreizung der Klemmstücke 34 und 41 der Aufdornelemente 17 bzw. 18 und die axiale Verschiebung der

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Grundkörper 29 und 36 auf verschiedene Weise bewirkt werden kann, beispielsweise mit Hilfe mechanischer oder pneumatischer Einrichtungen, werden zu diesem Zweck vorzugsweise hydraulische Betätigungseinrichtungen verwendet. So führt bei dem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Kanälen 42 von den Böden der Bohrungen 32 zu einer Sammelleitung 43, die ihrerseits über eine Zuleitung 44 mit einer hydraulischen, als Druckmittelquelle dienenden Steuereinheit 46 verbunden ist. Eine Anzahl von Kanälen 47 verbindet die Böden der Bohrungen 3 8 und steht ausserdem mit einer Zuleitung 48 in Verbindung, die ebenfalls mit der Steuereinheit 46 verbunden ist. Ein hohles Gehäuse 49, welches in seinem Inneren eine Zylinderbohrung 51 enthält, ist koaxial auf der dem Grundkörper 29 abgewandten Oberfläche des Grundkörpers 36 angebracht, und die Welle 31 ragt gleitverschieblich und koaxial durch eine Öffnung in dem Gehäuse 49 in die Zylinderbohrung 51 hinein. Das freie Ende der Welle trägt einen angeformten Kolben -52, welcher gleitverschieblich an der Wand der Zylinderbohrung 51 anliegt und diese in zwei Kammern 53 und 54 unterteilt, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens liegen. Die Kammern 53 und 54 sind über Leitungen 56 und 57 mit der Steuereinheit 46 verbunden. Die Leitungen 44, 48, 56 und 57 können beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Führungsrohr geführt sein, welches an dem Gehäuse 49 befestigt sein könnte und über das Ende des Rohres 12 hinausragen könnte, wo die Leitungen dann mit der hydraulischen Steuereinheit 46 verbunden sein könnten. Auf diese Weise können die Funktionen der Ausricht- und Haltevorrichtung 16 in einfacher Weise von aussen, d.h. ausserhalb der Rohre gesteuert werden. Ausserdem erleichtert das Führungsrohr das Einsetzen der gesamten Vorrichtung im Bereich der benachbarten Rohrenden.

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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nun so, dass zunächst die Vorrichtung im Bereich der benachbarten Rohrenden 13 und 14 eingesetzt wird, dass dann von der hydraulischen Steuereinheit 46 über die Leitung 44 Druckmittel zu den Böden der radialen Bohrungen 32 geliefert wird, so dass die Schäfte 33 radial nach aussen getrieben werden und die Klemmstücke 34 in festen Ein- ο griff mit der Innenwand des Rohres 11 gelangen. Der hydraulische Druck wird dann aufrechterhalten, um die Klemmstücke in Eingriff mit der Innenwand des Rohres zu halten. Anschliessend wird der Druckmittelstrom zu und von den Kammern 53 und 54 über die Leitungen 56 und 5 7 so gesteuert, dass eine relative, axiale Verschiebung zwischen dem Kolben 52 und der Wand der Zylinderbohrung 51 erfolgt, und zwar in der richtigen Richtung, um das Aufdornelement 18 in dem Rohr 12 an die richtige Stelle zu bewegen. Nunmehr wird das Druckmittel über die Leitung 4 8 zu den Böden der radialen Bohrungen 3 8 geliefert, um die Schäfte 39 radial nach aussen zu treiben und damit die Klemmstücke 41 in festen Eingriff mit der Innenwand des Rohres 12 zu bringen, und der hydraulische Druck wird aufrechterhalten, um die Klemmstücke in dieser Stellung zu halten. Anschliessend wird das Druckmedium der Kammer 53 über die Leitung 56 zu geführt", und aus der Kammer 54 fliesst das Druckmittel über die Leitung 57 zu der Steuereinheit 46. Hieraus ergibt sich eine axiale Verschiebung des Kolbens 52, und zwar - in der Zeichnung - nach rechts, wodurch das Rohrende 13 gegen das Rohrende 14 geführt wird und sich an diesem unter Druck abstützt. Das Druckmittel in der Kammer 5 3 wird auf einem vorgegebenen Druck gehalten, so dass die Rohrenden ebenfalls mit einem vorgegebenen Druck gegeneinander anliegen. Der Druck zwischen den sich gegeneinan-

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der abstützenden Rohrenden kann nach Wunsch erhöht werden, indem man den hydraulischen Druck in der Kammer 53, welcher auf den Kolben 52 wirkt, erhöht. Im Anschluss an die Beendigung des vorstehend beschriebenen Schweissverfahrens kann der Druck in der Kammer 53 aufgehoben werden, um den zwischen den Rohrenden wirkenden Druck aufzuheben. Anschliessend kann der hydraulische Druck in den Bohrungen 32 und 38 aufgehoben werden, um die Klemmstücke 34 und 41 von der Innenwand der Rohre 11 und 12 zu lösen, so dass nunmehr die Vorrichtung 16 mit Hilfe des Führungsrohrs oder einer anderen geeigneten Einrichtung aus dem Rohr 12 herausgezogen werden kann.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Rekristallisatxonsschweissung benachbarter Enden fluchtender Rohre, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Rohre (11, 12) im Bereich ihrer Enden (13, 14) von innen mittels eines Paares von koaxial zueinander angeordneten Elementen (17, 18) erfasst werden, um die Rohr¹-enden (13, 14) axial fluchtend auszurichten und in dieser Stellung zu halten, dass dann die axial fluchtenden Rohrenden (13, 14) unter Druck gegeneinander gepresst werden und dass schliesslich die Rohrenden (13, 14) unter Aufrechterhaltung des Druckes erhitzt werden, um sie durch Rekristallisatxonsschweissung zu verbinden.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rohre (11, 12) im Bereich ihrer Enden.(13, 14) koaxial zueinander angeordnete Aufdornelemente (17, 18) eingebracht werden, die dann in radialer Richtung aufgespreizt werden, bis sie sich fest gegen die Innenwand der Rohre (11, 12) anlegen, dass dann eine axiale Kraft zwischen den Aufdornelementen (17, 18) ausgeübt wird, um eine axiale Verschiebung

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derselben herbeizuführen, und dass die axiale Kraft aufrechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen der Rohrenden (13, 14) in der Weise erfolgt, dass die Verbindungsstelle zwischen den sich gegeneinander abstützenden Rohrenden (13, 14) über den gesamten Umfang gleichmässig erhitzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdornelemente (17, 18) derart zusammengehalten werden, dass sich die Rohrenden (13, 14) unter Druck gegeneinander abstützen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den Beginn der Erhitzung die axiale Kraft erhöht wird, um den Druck an der Verbindungsstelle zu erhöhen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Kraft im Anschluss an die Beendigung der Erhitzung aufgehoben wird, dass dann die Elemente (17, 18) von der Innenwand der Rohre (H^-, 12) gelöst werden und dass scHiess- lieh die Elemente (17, 18) durch eines der Rohre (12) entfernt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche., dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar von Aufdornelementen (17, 18) vorgesehen ist, dass beide Aufdornelemente (17, 18) längs ihres Um-

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fangs eine Anzahl von radial aufspreizbaren Klemmstücken (3H₅ 41) aufweisen, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um die Aufdornelemente (17, 18) koaxial und in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar zu haltern, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um die Kienunstücke (34, 41) radial auszuspreizen,und dass Einrichtungen vorgesehen sind, um die Aufdornelemente (17, 18) in axialer Richtung relativ zueinander zu verschieben.

a 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Aufdornelemente (17, 18) einen zylindrischen Grundkörper (29, 36) besitzen, dass an der einen Stirnfläche des Grundkörpers (29) des einen Äufdornelementes (17) eine zu diesem Grundkörper koaxiale Welle (31) vorgesehen ist, dass der Grundkörper (36) des zweiten Aufdornelementes (18) eine zu diesem Grundkörper koaxiale Bohrung (37) aufweist, welche die Welle (31) im Gleitsitz umschliesst, dass am Umfang der Grundkörper (29, 36) radiale Bohrungen (32, 38) vorgesehen sind, dass die Klemmstücke (34, 41) Schäfte (33, 39) aufweisen, die in den radialen Bohrungen (32, 38) gleitend verschiebbar geführt sind, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um die Schäfte (33, 39) in den radialen Boh-

™ rungen (32, 38) radial nach aussen zu pressen, und dass Einrichtungen vorgesehen sind, um den ersten Grundkörper (29) relativ zu dem zweiten Grundkörper (36) zu verschieben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen vorgesehen sind, um selektiv ein· Druckmittel zum Boden der radialen Bohrungen (32, 38) der Grundkörper

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(29 j 36) zu liefern, dass Einrichtungen vorgesehen sind, welche eine geschlossene Zylinderbohrung (51) begrenzen, die auf der dein ersten Grundkörper (29) abgewandten Seite des zweiten Grundkorpers (36) vorgesehen ist, dass die Welle (31) koaxial und glextverschxeblich in die Zylinderbohrung (51) hineinragt, dass am freien Ende der Welle (31) ein Kolben (523 angeformt ist, welcher gleitverschieblich in der Zylinderbohrung (51) angeordnet ist und diese in eine erste Kammer (53) und eine zweite Kammer (54) teilt, und dass Einrichtungen (46) vorgesehen sind, um das Fliessen des Druckmittels zu und von diesen Kammern (53, 54) zu steuern.

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