DE60014889T2

DE60014889T2 - Verfahren und vorrichtung zum verschweissen von länglichen elementen

Info

Publication number: DE60014889T2
Application number: DE60014889T
Authority: DE
Inventors: Paul Afschrift; Walter Soete
Original assignee: Denys NV
Current assignee: Denys NV
Priority date: 1999-06-01
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: WO2000073012A1; DE60014889D1; BE1012692A3; HK1045962A1; EP1181128A1; AU5055700A; EP1181128B1; HK1045962B; RU2257985C2; US6634540B1; ATE279295T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen der Enden von länglichen Elementen wie z.B. Rohren, Schienen, Stäben, Eisenstücken usw. durch Reibungsschweißen, wobei die oben genannten Enden auf Schmiedetemperatur erwärmt werden, in dem ein zwischen sie geklemmter Ring gedreht wird.
Um solche länglichen Elemente zu verschweißen, sind seit langem dieselben Verfahren wie zum Verschweißen von Platten verwendet worden, nämlich Verfahren bei denen Filamentmaterial zu der Schweißnaht hinzugefügt wird.
Nicht nur sind diese Schweißnähte sehr schwierig durch den Schweißer anzubringen, weil er in unbequemen Haltungen schweißen muss sondern es können auch Fehler und Verzerrungen in den Schweißnähten aufdrehten, die zu Lecks oder Rissen führen, insbesondere im Fall von Rohrleitungen.
Darum ist es für Rohrleitungen bereits bekannt, die Enden der Elemente durch Reibungsschweißung zu verschweißen.
Beim Reibungsschweißen werden die zu schweißenden Elemente zueinander um ihre Achsen gedreht, während diese Elemente gegeneinander gedrückt werde, so dass sich die nebeneinander liegenden Elemente dank der Reibung erwärmen und verschmelzen.
Da nur die zu schweißenden Oberflächen erwärmt werden, ist dies ein sehr effizientes Verfahren, aber normales Reibungsschweißen ist nicht anwendbar für lange Elemente wie die Rohre einer Rohrleitung, da diese in der Praxis nicht um ihre Achse gedreht werden können.
Um jedoch Reibungsschweißung anzuwenden, wird im Fall einer Rohrleitung ein Ring verwendet, der zwischen zwei zu verschweißende Rohre platziert und so lange gedreht wird, bis der Ring und die Enden der Rohre auf Schmiedetemperatur sind.
In einem solchen bekannten Verfahren wird ein konischer Ring benutzt, der gedreht wird und auf den ein radialer Druck ausgeübt wird, während die Rohre dicht zusammengehalten werden.
Die Form der Rohrenden ist komplementär zu dem konischen Ring.
DATABASE WPI Section Ch, Woche 197921 Derwent Publications Ltd., London, GB; Class M23, AN 1979-40161 B XP002131895 offenbart ein Verfahren zum Verschweißen der Enden von zwei länglichen Elementen mittels Reibung, wobei die oben genannten Enden durch Drehen eines Rings, der mit Hydrozylindern zwischen diese geklemmt ist, auf Schmiedetemperatur erwärmt werden. Sobald die Schmiedetemperatur erreicht ist, wird der Druck erhöht, und die Elemente werden mit großer Kraft zueinander hin gedrückt.
Patentschrift FR 2.138.386 offenbart eine Verbesserung zu Reibungsschweißverfahren zum Verschweißen der Enden von zwei länglichen Elementen unter Verwendung der Drehung eines zwischen diesen Enden geklemmten Rings, um eine Schmiedetemperatur zu erreichen, wobei dieser Ring senkrecht zur Schweißebene beweglich ist, um die Position des Rings in Bezug auf die länglichen Elemente anzupassen.
Da die Kraft, mit der der Ring radial gegen die Enden der Rohre gedrückt wird, normalerweise nicht groß genug ist, ist die Schweißqualität oft schlecht.
Die Erfindung zielt darauf ab, die oben beschriebenen und sonstigen Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zum Verschweißen länglicher Elemente bereit zu stellen, wobei eine Schweißung von hervorragender Qualität erhalten wird.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum Verschweißen der Enden von zwei länglichen Elementen mittels Reibungsschweißung erreicht, wobei die oben genannten Enden durch Drehen eines zwischen sie geklemmten Rings auf Schmiedetemperatur erwärmt werden und sobald die Schmiedetemperatur erreicht ist die Elemente mit großer dynamischer Kraft, die entweder mittels einer Explosion oder mittels eines oder mehrerer pneumatischer Hammerschläge zustande gebracht wird, zueinander hin gedrückt werden.
Vorzugsweise werden die länglichen Elemente in ihrer Längsrichtung vollständig zueinander hin gezogen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung, die zum Anwenden des oben genannten Verfahrens besonders geeignet ist.
Folglich betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Verschweißen von zwei länglichen Elementen mittels Reibungsschweißen, wobei diese Vorrichtung Antriebsmittel zum Drehen eines Rings, Ziehmitteln zum Zusammenziehen der länglichen Elemente und Mittel zum Ausüben einerdynamischen Kraft umfasst, vorzugsweise bestehend aus einem Explosionsraum.
Um die Merkmale der Erfindung besser zu veranschaulichen, werden folgende bevorzugte Ausführungsformen eines Verfahrens und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung nur als Beispiel und ohne irgendeinen einschränkenden Charakter beschrieben, wobei Bezug auf die Begleitzeichnungen genommen wird, in denen:
1 schematisch eine Ansicht einer Rohrleitung während der Anwendung der Erfindung zeigt;
2 in einem größeren Maßstab das Teil zeigt, das in 1 mit F2 gekennzeichnet ist.
Um gemäß der Erfindung ein längliches Element zu verschweißen, in dem gegebenen Beispiel bestehend aus einem Rohr 1 mit eine Ende 2 zum freien Ende 3 eines zweiten länglichen Elements, bestehend aus einem Teil 4 einer bereits gebildeten Rohrleitung, die aus ähnlichen Rohren besteht, wird ein flacher Ring 5 zwischen den Enden 2 und 3 bereit gestellt, werden diese Enden 2 und 3 axial zusammengezogen, während der Ring 5 gedreht wird, bis dieser Ring 5 und die oben genannten Enden 2 und 3 die Schmiedetemperatur erreicht haben, woraufhin mittels dynamischer Kräfte durch eine Explosion die Enden 2 und 3 mit großer Kraft zueinander hin gedrückt werden, insbesondere da dank der Explosion das Rohr 1 mit großer Kraft zum Teil 4 der Rohrleitung gedrückt wird.
Hierbei wird eine Vorrichtung 6 verwendet, wie sie in den Figuren dargestellt ist, die im Wesentlichen aus Antriebsmitteln 7 zum Drehen des Rings 5, Ziehmitteln 8, um das Teil 4 und das Rohr 1 zusammenzuziehen, und einem Explosionsraum 9 besteht.
Die Vorrichtung 6 enthält Zentriermittel 10 zum Zentrieren des Rohrs 1 in Bezug auf das Teil 4.
Diese Zentriermittel 10 sind Bestandteil der Ziehmittel 8 und bestehen aus einer Führungsbahn 11, über der ein Zentrierstück 12 bereit gestellt ist, so dass sie gleiten kann und so, dass sie mittels eines Verriegelungsmechanismus 13 in einer beliebigen Position verriegelt werden kann.
Die Führungsbahn 11 kann mittels eines Klemmmechanismus 14 auf das Teil 4 geklemmt werden.
Die oben genannten Antriebsmittel 7 sind an einem der Zentrierstücke 12 befestigt und bestehen aus einer Rolle 15, die über eine Welle 16, die parallel zu dem Rohr 1 ist, durch einen Motor angetrieben wird, der in 1 nicht dargestellt ist und der in dem oben genannten Zentrierstück 12 bereit gestellt ist.
Um zu verhindern, dass die Rolle 15 rutscht, kann die Außenfläche der Rolle 15 und/oder des Rings 5 angeraut werden, zum Beispiel durch Furchen oder Rändeln.
Auch an den anderen Zentrierstücken 12 ist eine Rolle 17 über eine Welle 18 bereit gestellt, aber diese Rolle 17 kann lose drehen.
Mittels der Rollen 15 und 17 wird der Ring 5 zugleich mit dem Rohr 1 zentriert.
Außer diesen Zentriermitteln 10 umfassen die Ziehmittel 8 einen zweiten Klemmmechanismus 19, der um das Teil 4 geklemmt werden kann und der mittels Zugstangen 20 mit dem Klemmmechanismus 14 verbunden ist.
Außerdem umfassen die Ziehmittel 8 ein Joch 21, bereit zu stellen gegen das Freie Ende 22 des Rohrs 1 mittels des oben genannten Explosionsraums 9. Dieses Joch 21 ist mittels Zugstangen 23 und Schraubengewinden 24 an den Zentrierstücken 12 befestigt.
Um ein Biegen der Zugstangen 20 und 23 zu verhindern, sind Preventer-Stege 25 an Letzteren bereit gestellt, die gegen das Teil 4 von Rohr 1 anliegen.
Der Explosionsraum 9 ist mit einer beweglichen Wand 26 und einer Einfüllöffnung, die verschlossen werden kann und die in den Figuren nicht dargestellt ist, versehen.
Schließlich sind am Ende 2 von Rohr 1 und am Ende 3 von Teil 4 der Rohrleitung Thermoelemente bereit gestellt.
Das Rohr 1 wird am Teil 4 mit der Vorrichtung 6 auf folgende sehr einfache Weise verschweißt:
Die Klemmmechanismen 14 und 19, die durch die Zugstangen 20 verbunden sind, werden so um eine Rohrleitung angebracht, dass die Antriebsmittel 7 und die Zentrierstücke 12 der Zentriermittel 10 sich genau hinter dem Ende 3 befinden, nach dem diese Klemmmechanismen 14 und 19 geklemmt werden.
Die Länge der Zugstangen 20 ist so gewählt, dass der Klemmmechanismus 19 sich rechts an der Seite einer Schweißung befindet, die bereits gebildet ist und die vom Ende 3 weg gerichtet ist, wenn der Klemmmechanismus 14 auf der Höhe von Ende 3 von Teil 4 geklemmt wird.
Ein Ring 5 wird zwischen die Rollen 15–17 gegen das Ende 3 platziert, und ein Rohr 1 ist mit diesem Ring 5 verbunden.
Als nächstes wird das Joch 21 zusammen mit dem Explosionsraum 9 gegen das freie Ende 22 von Rohr 1 gebracht, und die Zugstangen 23 mit einer angepassten Länge werden zwischen dem Joch 21 und dem Schraubengewinden 24 an den Zentrierstücken 12 befestigt.
Der Ring 5 und das Rohr 1 werden sehr präzise positioniert und zentriert, indem die Zentrierstücke 12 über die Führungsbahn 11 zum Teil 4 hin bewegt werden und anschließend die Verriegelungsmechanismen 13 verriegelt werden.
Um anschließend das Teil 4 und das Rohr 1 zueinander hin zu ziehen, werden die Schraubengewinde 24 eingezogen, und die Anordnung ist bereit für den eigentlichen Schweißvorgang.
Der Klemmmechanismus 19 kann sich dabei nicht verschieben, da er von einer Schweißung aufgefangen wird.
In einer ersten Phase wird der Ring 5 langsam durch die Antriebsmittel 7 gedreht.
Durch die Reibung werden die zu schweißenden Enden 2 und 3 und der Zwischenring 5 vorgewärmt.
In einer zweiten Phase wird die Geschwindigkeit des Rings 5 erhöht bis durch weitere Reibung die Schmiedetemperatur erreicht ist, die für Stahlrohre 1900°C beträgt.
Die Schmiedetemperatur wird über die oben genannten Thermoelemente ermittelt.
Wenn die Schmiedetemperatur erreicht ist, wird eine Sprengladung in dem Explosionsraum 9 zum Explodieren gebracht, so dass die bewegliche Wand 26 das Rohr 1 mit einer starken, plötzlichen axialen Kraft gegen den Ring 5 schlägt und dieser Ring 5 wiederum gegen das Ende 3 von Teil 4 der Rohrleitung schlägt.
Nach dem Abkühlen bildet der Ring 5 eine Schweißung, die Teil 4 mit dem Rohr 1 verbindet.
Dieses Verfahren kann am anderen Ende 22 mit einem folgenden Ring 5 und einem folgenden Rohr 1 wiederholt werden.
Die dynamischen Kräfte, mit denen das Rohr 1 und das Teil 4 der Rohrleitung mit großer Kraft zueinander gedrückt werden, müssen nicht unbedingt durch eine Explosion erzeugt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform werden das durch das Rohr 1 gebildete Element und das durch das Teil 4 gebildete Element durch einen oder mehrere Hammerschläge zueinander hin gedrückt.
In diesem Fall wird der Explosionsraum 9 in der Vorrichtung durch einen pneumatischen Hammer von einer entsprechend bekannten Bauweise ersetzt.
Die Erfindung ist keineswegs auf die oben beschriebene und in den Begleitzeichnungen dargestellte Ausführungsform beschränkt; im Gegenteil, ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung können in den verschiedensten Varianten ausgeführt sein ohne den Bereich der Erfindung zu überschreiten, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
Folglich ist das Rohr in dem in den Figuren veranschaulichten Verfahren ein gerades Rohr. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann auch ein geknicktes oder gebogenes Rohr geschweißt werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind dann analog zu den oben beschriebenen, mit dem Unterschied, dass eine Tangentialkraft an dem feien Ende 22 von Rohr 1 anzuwenden ist, um eine Axialkraft an dem zu schweißenden Ende zu erhalten, und folglich über die gesamte Längsrichtung von Rohr 1 mittels Zugstangen gezogen werden muss, die aus mehreren Stücken bestehen, die miteinander verbunden sind und die einen Winkel zueinander bilden, sich erstreckend entlang dem gebogenen oder geschweißten Rohr 1.

Claims

Verfahren zum Verschweißen der Enden von zwei länglichen Elementen (1, 4) mittels Reibungsschweißung, wobei die oben genannten Enden (2, 3) durch Drehen eines flachen Rings (5), der zwischen sie geklemmt ist auf Schmiedetemperatur erwärmt werden, und dass diese Enden (2, 3) axial zueinander hin gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass , sobald die Schmiedetemperatur erreicht ist, die Elemente (1, 4) mit einer großen dynamischen Kraft, erzeugt mittels einer Explosion, zueinander hin gedrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Elemente (1, 4) in Längsrichtung vollständig zueinander hin gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (2, 3) und der Zwischenring (5) erst durch Drehen des Rings (5) erwärmt werden, wobei der Ring (5) anschließend schneller gedreht wird, bis die Enden (2, 3) und der Ring (5) die Schmiedetemperatur erreichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (2, 3) der länglichen Elemente (1, 4) durch die Ziehmittel (8), die einen Klemmmechanismus (9), der an einem länglichen Element (4) festgeklemmt ist, und ein Joch (21), das gegen das Ende (22) des anderen länglichen Elements (1) bereit gestellt ist, bestehen, zueinander hin gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmmechanismus (19) an der Seite einer Schweißung festgeklemmt ist, die bereits gebildet ist und die von den zu schweißenden Enden (2, 3) weg gerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass längliche Elemente (1, 4) durch Einziehen der Schraubengewinde (24), die Teil der Ziehmittel (8) sind, zueinander hin gezogen werden.
Vorrichtung zum Verschweißen der Enden (2, 3) von zwei länglichen Elementen (1, 4) mittels Reibungsschweißung, umfassend Antriebsmittel (7) zum Drehen eines Rings (5), Ziehmittel (8), um die länglichen Elemente (1–4) zueinander hin zu ziehen, und Mittel zum Ausüben einer dynamischen Kraft, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Ausüben einer dynamischen Kraft aus einem Explosionsraum bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziehmittel (8) mindestens einen Klemmmechanismus (19) an einem Ende und ein Joch (21) am anderen Ende aufweisen, während der Explosionsraum (9) an einer Seite gegen das Joch (21) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie Zentriermittel (10) umfasst, die aus Zentrierstücken (12) bestehen, die jeweils über eine Führungsbahn (11) gleiten können und die mittels eines Verriegelungsmechanismus (13) verriegelbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriermittel (10) Teil der Ziehmittel (8) sind, die Schraubengewinde (24) aufweisen, die mit den Zentrierstücken (12) verbunden sind.
Verfahren zum Verschweißen der Enden von zwei länglichen Elementen (1, 4) mittels Reibungsschweißung, wobei die oben genannten Enden (2, 3) durch Drehen eines flachen Rings (5), der zwischen sie geklemmt ist auf Schmiedetemperatur erwärmt werden, und dass diese Enden (2, 3) axial zueinander hin gezogen werden, dadurch gekennzeichnet, dass , sobald die Schmiedetemperatur erreicht ist, die Elemente (1, 4) mit einer großen dynamischen Kraft, erzeugt durch einen oder mehrere Schläge mit einem pneumatischen Hammer, zueinander hin gedrückt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen Elemente (1, 4) in Längsrichtung vollständig zueinander hin gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (2, 3) und der Zwischenring (5) erst durch Drehen des Rings (5) erwärmt werden, wobei der Ring (5) anschließend schneller gedreht wird, bis die Enden (2, 3) und der Ring (5) die Schmiedetemperatur erreichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (2, 3) der länglichen Elemente (1, 4) durch die Ziehmittel (8), die einen Klemmmechanismus (9), der an einem länglichen Element (4) festgeklemmt ist, und ein Joch (21), das gegen das Ende (22) des anderen länglichen Elements (1) bereit gestellt ist, bestehen, zueinander hin gezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmmechanismus (19) an der Seite einer Schweißung festgeklemmt ist, die bereits gebildet ist und die von den zu schweißenden Enden (2, 3) weg gerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass längliche Elemente (1, 4) durch Einziehen der Schraubengewinde (24), die Teil der Ziehmittel (8) sind, zueinander hin gezogen werden.
Vorrichtung zum Verschweißen der Enden (2, 3) von zwei länglichen Elementen (1, 4) mittels Reibungsschweißung, umfassend Antriebsmittel (7) zum Drehen eines Rings (5), Ziehmittel (8), um die länglichen Elemente (1–4) zueinander hin zu ziehen, und Mittel zum Ausüben einer dynamischen Kraft, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Ausüben einer dynamischen Kraft aus einem pneumatischen Hammer bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziehmittel (8) mindestens einen Klemmmechanismus (19) an einem Ende und ein Joch (21) am anderen Ende aufweisen
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie Zentriermittel (10) umfasst, die aus Zentrierstücken (12) bestehen, die jeweils über eine Führungsbahn (11) gleiten können und die mittels eines Verriegelungsmechanismus (13) verriegelbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriermittel (10) Teil der Ziehmittel (8) sind, die Schraubengewinde (24) aufweisen, die mit den Zentrierstücken (12) verbunden sind.