DE3910098A1 - Verfahren zum schweissen von rohren mittels eines lasers und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum schweissen von rohren mittels eines lasers und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von Rohren mittels eines Lasers und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, Rohre mittels Lasern zu schweißen. Hier­ bei besteht jedoch der Nachteil, daß ein Innenschweißen der Rohre nur bei solchen möglich ist, die einen großen Innen­ durchmesser aufweisen. Nach der DE 34 05 972 A1 ist ferner eine Laser-Bearbeitung von Metallen durch einen Lichtwellen­ leiter bekannt, bei der Laserenergie in einen einzelnen zur Führung des Lichtes benutzten Lichtwellenleiter gekoppelt wird, um an ein metallendes Werkstück ausreichend Impuls­ energie zur Materialbearbeitung abzugeben. Hierzu wird vor­ geschlagen, z.B. einen durch einen festen Neodym-YAG-Laser abgegebenen Laserstrahl mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich und sichtbaren Bereich des Spektrums auf ein Endstück des Kerns des Lichtwellenleiters zu fokussieren, der vorzugsweise aus Quartz besteht. Der austretende Laserstrahl soll dann mit einer zum Schweißen ausreichenden Leistungs­ dichte auf das Werkstück fokussiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bekannte Ver­ fahren zur Laser-Bearbeitung von metallenden Werkstücken durch einen Lichtwellenleiter so fortzubilden, daß ein Innen­ schweißen von Rohren auch relativ kleinen Innendurchmessers möglich ist. Die zur Durchführung dieses Verfahrens dienende Vorrichtung soll es ermöglichen, zur Beseitigung von Schäden an Rohren im Rohrinneren erforderliche Schweißungen durch­ führen zu können, wenn das Rohr von außen nicht zugänglich ist.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In den Zeichnungen ist eine Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt, anhand derer die Erfindung nachstehend näher erläutert wird. Es zeigt:
Fig. 1 die Vorrichtung zum Laserschweißen in einer schema­ tischen Seitenansicht,
Fig. 2 den Sondenkopf der Vorrichtung nach Fig. 1 in einer vergrößerten Darstellung,
Fig. 3 ein Beispiel für eine mit der Vorrichtung nach Fig. 1 ausgeführte Schweißnaht in einem Rohr in einer sche­ matischen Seitenansicht im Schnitt.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum Schweißen eines Rohres 25 besteht aus einer stabförmigen Sonde 2, die an einem Sondenhalter 15 befestigt ist. Mittels dieser Vor­ richtung kann z.B. ein Rohreinsatz 26 in dem Rohr 25 ver­ schweißt werden. Die Sonde 2 weist eine erste Linsenanordnung 3 auf, die lichteingangsseitig über einen Lichtwellenleiter 4 mit einem Nd-YAG-Laser verbunden ist. Lichtausgangsseitig ist der ersten Linsenanordnung 3 ein am Sondenkopf 5 angeordneter Umlenkspiegel 6 zugeordnet. Ferner ist eine zweite Linsen­ anordnung 7 vorgesehen, die zur Beobachtung des Schweiß­ vorgangs im Bereich des Sondenkopfes 5 dient. Diese zweite Linsenanordnung 7 ist mit der ersten Linsenanordnung 3 ver­ bunden und weist einen faseroptischen Leiter 23 auf, der mit einer optischen Beobachtungseinrichtung verbunden ist. Um den Umlenkspiegel 6 um die Sondenlängsachse 8 um 360° drehen zu können, ist ein elektrisch betriebener Antriebsmotor 14 vor­ gesehen. Es ist möglich, den Sondenhalter 15 so auszubilden, daß dieser mittels eines fernbedienbaren Manipulators ver­ bunden werden kann. Hierdurch können sämtliche Tätigkeiten und Vorgänge der Vorrichtung 1 mit Hilfe des Manipulators ferngesteuert und mittels einer Kamera überwacht durchgeführt werden.
Um den Umlenkspiegel 6 drehen zu können, ist es möglich, entweder die Sonde 2 um die Sondenlängsachse 8 zu drehen oder aber den Sondenkopf 5 am Sondengehäuse 9 drehbar zu lagern. In Fig. 2 ist der sondenkopfseitige Abschnitt der Sonde 2 vergrößert dargestellt und zeigt eine Ausführung, bei der der Sondenkopf 5 am Sondengehäuse 9 drehbar gelagert ist. Das nur schematisch angedeutete Lager 13 kann als Kugel- oder Gleit­ lager ausgebildet sein. Am Sondenkopf 5 ist innenseitig ein Zahnkranz 10 ausgebildet, der mit einem Zahnrad 11 einer durch das Sondengehäuse 9 geführten Antriebswelle 12 in Wirk­ eingriff ist. Die Antriebswelle 12 ist mit dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Antriebsmotor 14 verbunden. Es ist auch möglich, das Zahnrad 11 auf einem Mikromotor anzuordnen, der am Sondenkopf 5 vorgesehen wird. Diese Ausführung eignet sich besonders dann, wenn die Sonde 2 über einen längeren Abschnitt oder aber in gebogene Rohre eingeführt werden soll.
Am Außenmantel des Sondengehäuses 9 sind Abstandshalter 16 vor­ gesehen. Diese sind als gegen Druckfedern 17 abgestützte Kugeln 18 ausgebildet. Die Druckfedern 17 sind in Sacklöchern 19 angeordnet, in die die Kugeln 18 ebenfalls teilweise ein­ dringen können. Es ist möglich, die Abstandshalter 16 als Vorschubeinrichtung auszubilden, mittels derer die Sonde 2 in Rohren verfahrbar ist. In diesem Fall können die Kugeln 18 mit einem motorischen Antrieb in Verbindung stehen.
Im Bereich des Umlenkspiegels 6 ist in den Sondenkopf 5 hinein­ ragend an der Sonde 2 ein Gasaustrittsstutzen 21 angeordnet, der mit einem Rohr oder Schlauch 20 verbunden ist. Über den Gasaustrittsstutzen 21 kann in den Bereich des Umlenkspiegels 6 sowie der Schweißnaht Schutzgas zugeführt werden. Durch die Schutzgaszuführung wird ein vorzeitiges Verschmutzen des Umlenkspiegels 6 verhindert und die Schweißnahtqualität er­ höht.
Die Vorrichtung 1 ist besonders vorteilhaft zum Reparieren von Rohren, die von außen nicht zugänglich sind, wie es z.B. bei Wärmetauschern der Fall sein kann. Hierzu können in die Rohre 25 Rohreinsätze 26 eingeführt werden, die dann mittels der Vorrichtung 1 mit dem jeweiligen Rohr 25 verschweißt werden. In Fig. 3 ist eine derartige Ausführung mit einer Schweißnaht 27 schematisch dargestellt. Von weiterem Vorteil ist es, daß die Energieversorgung und die Bedienungsein­ richtung vom Reparaturplatz entfernt positioniert werden kann. Dies ist bei gesundheitsgefährlicher Umgebung wie auch bei schlechter Zugänglichkeit vorteilhaft. Insbesondere in strahlungsgefährdeten Bereichen ist der Einsatz der Vor­ richtung 1 mittels Manipulatoren von Handhabungsgeräten durchführbar, so daß auf die Anwesenheit von Personen im Bereich der Reparaturstelle weitgehend verzichtet werden kann. Aus diesem Grunde eignet sich die Vorrichtung 1 ins­ besondere auch zur Durchführung von Reparaturen von Dampf­ erzeugern in Kernkraftwerken.

Claims (22)

1. Verfahren zum Schweißen von Rohren mittels eines Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß eine stabförmige Sonde mit einem Linsensystem und am Sondenkopf ausgebildetem Um­ lenkspiegel so weit in das zu schweißende Rohr eingeführt wird, bis sich der Umlenkspiegel im Bereich der vor­ gesehenen Schweißstelle befindet, daß dann dem Linsen­ system über einen Lichtwellenleiter Laserenergie zuge­ führt, fokussiert und durch den Umlenkspiegel senkrecht auf die Innenwandung des zu schweißenden Rohres gelenkt wird, wobei der Umlenkspiegel kontinuierlich um die Son­ denlängsachse um 360° gedreht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Linsensystem Laserenergie eines Nd-YAG-Lasers zuge­ führt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Sondenkopf im Bereich des Umlenkspiegels ein Schutzgas austritt und der Schweißnaht zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über einen weiteren Lichtwellenleiter die Schweißnaht beobachtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Sonde mittels eines Manipulators in das zu schweißende Rohr eingeführt und in der Schweiß­ position des Sondenkopfes um 360° gedreht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zu schweißenden Rohr ein Rohreinsatz mit dem eigentlichen Rohr verschweißt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohreinsatz mit dem Rohr mittels einer Überlappungs­ naht verschweißt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohreinsatz mit dem Rohr mittels einer Kehlnaht verschweißt wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine stabförmige Sonde (2) mit einer ersten Linsenanordnung (3), die lichteingangs­ seitig über einen Lichtwellenleiter (4) mit einem Nd- YAG-Laser verbunden und lichtausgangsseitig einem am Sondenkopf (5) angeordneten Umlenkspiegel (6) zugeordnet ist, mit einer zweiten Linsenanordnung (7) zur Beobach­ tung des dem Umlenkspiegel zugeordneten Lichtaustritts­ abschnitts des Umlenkspiegels (6) und einer Antriebsein­ richtung, mittels derer der Umlenkspiegel (6) um die Sondenlängsachse (8) um 360° drehbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (5) am Sondengehäuse (9) drehbar gelagert ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Sondenkopf (5) ein Zahnkranz (10) ausgebildet ist, der mit einem Zahnrad (11) einer durch das Sondengehäuse (9) geführten Antriebswelle (12) in Wirkeingriff ist, die mittels eines Antriebsmotors (14) drehbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Sondenkopf (5) ein Zahnkranz (10) ausgebildet ist, der mit einem Zahnrad (11) in Wirkeingriff ist, das mit der Antriebswelle eines am Sondenkopf (5) angeordneten Mikromotors verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (2) in einem Sondenhalter (15) drehbar gelagert und mittels eines Antriebsmotors (14) in Rotation um die Sondenlängsachse (8) versetzbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß der Antriebsmotor (14) bzw. Mikromotor als Elek­ tromotor oder hydraulischer oder pneumatischer Stellmotor ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß am Außenmantel (16) des Sondengehäuses (9) Ab­ standshalter (16) ausgebildet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (16) als gegen Druckfedern (17) abge­ stützte Kugeln (18) ausgebildet sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß am Außenmantel (16) des Sondengehäuses (9) eine motorisch angetriebene Vorschubeinrichtung ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abstandshalter (16) als Vorschubein­ richtung ausgebildet sind, die an der Rohrinnenwand durch Federdruck anliegende motorisch angetriebene Kugeln oder Rollen aufweisen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 18, dadurch gekennzeich­ net, daß durch das Sondengehäuse (9) ein Rohr oder Schlauch (20) für Schutzgas bis zu einem Gasaustritts­ stutzen (21) geführt ist, dessen Austrittsöffnung (22) dem Umlenkspiegel (6) zugeordnet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsenanordnung (7) mit einem aus der Sonde (2) herausgeführten faseroptischen Leiter (23) verbunden ist und mit der ersten Linsenanordnung (3) in optischer Wirkverbindung steht.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Leiter (23) mit einer Videokamera verbunden ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 9 bis 21, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sondengehäuse (9) an dem dem Sondenkopf (5) abgewandten Endabschnitt (24) mit einem Sondenhalter (15) verbunden ist, der mit einem fernbedienbaren Manipulator verbindbar ist.
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