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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metallbehälter
mit einem Stammrohr und einem Zweigrohr, beispielsweise ein
Gehäuse einer gasisolierten Schalteinrichtung, und
insbesondere eine Anordnung eines geschweißten Metallbehälters, an
den ein Stammrohr und ein Zweigrohr angeschweißt sind und
Flansche an jeden der Endabschnitte des Stammrohrs und des
Zweigrohrs angeschweißt sind, sowie ein entsprechendes
Herstellungsverfahren und eine entsprechende Einrichtung.
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Beim Herstellen eines Metallbehälters mit einem Stammrohr
und einem Zweigrohr beispielsweise ein Gehäuse einer
gasisolierten Schalteinrichtung, an deren Stammrohr zahlreiche
Rohre angeschweißt sind, ist es erforderlich, Flansche genau
an die Endabschnitte des Zweigrohrs und des Stammrohrs
anzuschweißen. Für den genannten Zweck wird ein
Lichtbogenschweißen verwendet. Bei diesem Lichtbogenschweißen ist jedoch ein
völliges Durchdringen erforderlich, um die Gasdichtheit zu
gewährleisten. Die Flanschaußenflächen müssen nach dem
Schweißen bearbeitet werden, wenn eine hohe Genauigkeit
erforderlich ist. Das Laserschweißen wird zum Verbinden eines
Rohrs mit Flanschen verwendet, wie in der offengelegten
japanischen Patentveröffentlichung 59-189092/1984, in den
Verhandlungen von LAMP'87, Osaka (Mai 1987), S. 157 - 162, "Deep
Penetration welding with High Power Co Laser" von Seigo
HIRAMOTO u. a., sowie in Mitsubishi Denki giho, Nr. 101 1989,
S. 37 - 40, offenbart ist.
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In den erwähnten Dokumenten aus dem Stand der Technik
wurde nicht auf das Arbeitsverfahren eingegangen, bei dem das
Verbinden zwischen den Flanschen und dem Stammrohr lediglich
vom Lichtbogenschweißen zum Laserschweißen geändert wird. Der
Aufbau und die Herstellung der tatsächlich verwendeten
Metallbehälter und insbesondere des weit verbreiteten
verwendeten
Metallbehälters mit einem Zweiqrohr, wie beispielsweise
das Gehäuse einer gasisolierten Schalteinrichtung mit
zahlreichen Zweigrohren, werden nicht erwähnt. Daher wird das
Lichtbogenschweißen zum Herstellen des Metallbehälters, der
das Zweigrohr aufweist, verwendet.
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Wenn das Zweigrohr und der Flansch durch
Lichtbogenschweißen verbunden werden, kann der Flansch durch die
Schweißwärme absinken, und es muß eine Vorrichtung vorgesehen
werden, durch die dies verhindert wird.
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Wenn beispielsweise die folgenden Bedingungen für das
Schweißen gegeben sind
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Durchmesser des Stammrohrs: 600 mm,
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Länge des Stammrohrs: 2000 mm,
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Dicke des Stammrohrs: 6 mm - 12 mm,
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Schweißbreite (Nahtbreite): 6 mm - 8 mm,
neigt sich der Flansch um etwa 2 mm oder sinkt um diesen
Betrag ab. Es tritt daher eine Ungenauigkeit im Grad der
Parallelität und der senkrechten Stellung auf. Um die
Genauigkeit des Behälters zu erhöhen, muß der Flansch nach dem
Schweißen bearbeitet werden, was mühsam ist.
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Wenn die Enden des Zweigrohrs und des Stammrohrs nach dem
Schweißen nicht genau bearbeitet werden, ist es schwierig,
sie mit den Flanschen zu verschweißen Hierdurch ist es
erforderlich, die Enden zu bearbeiten, es ist jedoch nicht zu
vermeiden, daß die Flansche beim Schweißen verformt werden.
Es ist daher erforderlich, die Genauigkeit des Flansches
durch ein Bearbeiten zu erhalten, um die Ebenheit der
Flanschoberfläche und den Abstand zwischen den Flanschen auf
geeigneten Niveaus zu halten und das Neigen der
Flanschoberfläche nach dem Schweißen zu beseitigen. Hieraus ergibt sich
ein ernstes Problem bei der Herstellung.
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Im Stand der Technik ist eine große Maschine
erforderlich, um die Flansche zu bearbeiten, wenn der Behälter groß
ist. Durch diese Notwendigkeit werden die Auswirkungen des
Einrichtens der Maschine vor dem Schweißen abgeschwächt. Es
wird jedoch nicht berücksichtigt, daß diese Abschwächung ein
weiteres ernstes Problem bei dem großen Behälter aufwirft.
Weiterhin ist bei den herkömmlichen Techniken eine
Ausnehmung mit einer Tiefe von 0,2 - 3 mm im Flansch vorgesehen,
und ein Endabschnitt des Rohrs wird in diese Ausnehmung
eingeführt. Ein Laserstrahl wirkt auf den zu schweißenden
Abschnitt in der Ausführungsrichtung des Laserschweißens der
Werkstücke ein, während diese gedreht werden.
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Der Winkel, unter dem der Laserstrahl auf die zu
verschweißenden Oberflächen einwirkt, liegt bei etwa 3 - 20º.
Dies bedeutet, daß ein Laserstrahl diagonal zu den zu
verschweißenden Flächen einwirkt. Die Eindringtiefe in den
Flansch und das Rohr wird daher ungleichmäßig, und in manchen
Fällen kann eine Schweißnaht mit einer vollständigen
Durchdringung nicht in einem Durchgang (einem Schweißvorgang)
erreicht werden.
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Im allgemeinen weist der Außendurchmesser eines Rohrs
gemäß den japanischen Industriestandards eine Toleranz von 1
1 % auf. Daher wird es selbst dann, wenn eine Ausnehmung mit
einem Nennrohrdurchmesser in eine Fläche des Flansches
geschnitten ist, schwierig, ein Rohr, dessen Außendurchmesser
eine gewisse Toleranz aufweist, in die Ausnehmung in dem
Flansch einzuführen, oder ein Zwischenraum zwischen dem Rohr
und der Ausnehmung wird selbst dann groß, wenn das Rohr in
die Ausnehmung paßt, so daß ein solcher Flansch und ein
solches Rohr in manchen Fällen für ein Schweißen ungeeignet
werden.
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Wenn dementsprechend ein Rohr mit einem Durchmesser von
etwa 50 mm (ungefähr 2 Zoll) unter Verwendung der
vorausgehend beschriebenen herkömmlichen Schweißtechniken an einen
Flansch angeschweißt wird, kann das Rohr infolge der kleinen
Toleranz dieses Durchmessers in die Ausnehmung im Flansch
eingeführt werden, und das Schweißen kann in geeigneter Weise
ausgeführt werden. Wenn jedoch ein großes Rohr mit einem
Durchmesser von beispielsweise etwa 744 mm verwendet wird,
kann es in vielen Fällen nicht in geeigneter Weise mit einem
Flansch verschweißt werden, da dieses Rohr eine hohe Toleranz
von ± 7,4 mm aufweist.
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Eine Laserbearbeitungseinrichtung zum Schneiden oder
Schweißen eines Werkstücks unter Verwendung eines von einem
Laseroszillator kommenden Laserstrahls ist beispielsweise in
der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung 60-
227987/1985 offenbart.
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Auf einem Bearbeitungstisch werden nacheinander ein
Schweißkopf, ein Schneidkopf und ein Wärmebehandlungskopf
angeordnet, und unter ihm wird ein Laseroszillator
angeordnet, so daß das Werkstück in derselben Richtung bewegt werden
kann wie der vom Laseroszillator abgegebene Laserstrahl.
Weiterhin können der Schweißkopf und der Schneidkopf auf dem
Bearbeitungstisch unter einem rechten Winkel bezüglich der
Ausgangsrichtung des Laserstrahls bewegt werden.
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Bei der Bearbeitung des Werkstücks werden entweder der
Schweißkopf oder der Schweißkopf und der Schneidkopf unter
einem rechten Winkel bezüglich der Ausgangsrichtung des
Laserstrahls bewegt, so daß der Laserstrahl nicht
unterbrochen werden kann, sondern in den Bearbeitungskopf eintreten
kann. Das Werkstück wird so bewegt, daß es im Betrieb direkt
unterhalb des Bearbeitungskopfes positioniert werden kann.
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Da die einzelnen Bearbeitungsköpfe gemäß dem vorausgehend
erwähnten Stand der Technik unabhängig voneinander auf dem
Bearbeitungstisch befestigt werden, müssen die
Bearbeitungsköpfe jedesmal entsprechend der Bearbeitungsanwendung des
Werkstücks bewegt werden, und das Werkstück muß entsprechend
der Bearbeitungsanwendung direkt unterhalb des
Bearbeitungskopfes positioniert werden, wodurch sich ein Problem
hinsichtlich der Bearbeitbarkeit ergibt. Weiterhin müssen die
einzelnen Bearbeitungsköpfe nicht in einem so großen Abstand
angeordnet sein, wenn das Werkstück klein ist, sie müssen
jedoch in einem großen Abstand angeordnet sein, wenn das
Werkstück groß ist. Es tritt daher in der Hinsicht ein Mangel
auf, daß das System insgesamt vergrößert wird. Wenn der
einmal bewegte Bearbeitungskopf vor einer vorgegebenen
Bearbeitung
in seine Ausgangsposition zurückbewegt wird, ist es
erforderlich, die optische Achse des vom Laseroszillator
kommenden Laserstrahls und den Mittelpunkt eines zum Andern des
Weges des erwähnten Laserstrahls im Bearbeitungskopf
angeordneten Ablenkspiegels auszurichten. Diese Ausrichtung ist
schwierig, und es ist sehr mühsam, den bewegten
Bearbeitungskopf für jede Bearbeitung zu positionieren. Was noch
schlimmer ist, ist daß im vorausgehend erwähnten Stand der Technik
weder das Schneiden der Endfläche des röhrenförmigen
Behälters, wie der Sammelschiene der gasisolierten
Steuereinrichtung noch die Korrektur des Zwischenraums zwischen dem
Rohrende und der Flanschnut, die beim wirklichen Schweißen stets
auftritt, sowie die Korrektur des Versatzes berücksichtigt
werden.
Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
einen geschweißten Metallbehälter, wie ein Gehäuse einer
isolierten Schalteinrichtung, zu schaffen, bei dem Flansche mit
hoher Genauigkeit und einer verringerten Anzahl von Schritten
durch den Schweißvorgang mit den jeweiligen Enden des
Stammrohrs und des mit dem Stammrohr verbundenen Zweigrohrs
verbunden werden.
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Diese Aufgabe wird durch den geschweißten Metallbehälter
gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt
darin, ein Verfahren zur Herstellung röhrenförmiger Behälter
zu schaffen, durch das die Schweißverformung selbst eines ein
Zweigrohr tragenden Behälters, bei dem Flansche mit den End
abschnitten eines Stammrohrs sowie mit Zweigrohren verbunden
werden, minimiert wird, wodurch die Arbeitszeit verringert
wird, indem ein bei einem herkömmlichen Verfahren dieser Art
nach dem Anschweißen der Flansche an Rohre ausgeführter
Bearbeitungsvorgang fortgelassen wird, und dadurch ein sehr genau
geschweißter röhrenförmiger Behälter erhalten wird.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 2
erreicht.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
werden ein Stammrohr und ein Zweigrohr thermisch verformt,
wenn sie durch Lichtbogenschweißen verbunden werden. Nachdem
die verformten Abschnitte jedoch mechanisch bearbeitet
wurden, um die Genauigkeit der Rohre auf ein geeignetes Maß zu
erhöhen, können die Flansche mit den Endabschnitten der
gleichen Rohre durch Laserstrahlschweißen verbunden werden, das
eine sehr geringe thermische Verformung verursacht. Es ist
daher unnötig, einen Bearbeitungsvorgang auszuführen, nachdem
die Rohre und Flansche schließlich verschweißt wurden, und
ein sehr genauer röhrenförmiger Behälter kann mit einer
geringeren Arbeitszeit erhalten werden. Diese Vorteile zeigen
sich in höherem Maße im Falle der Herstellung eines Gehäuses
für eine durch Kombinieren mehrerer Maschinen, wie bei einer
gasisolierten Schaltvorrichtung, gebildeten Vorrichtung.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung, in der eine
Ausführungsform des geschweißten Metallbehälters gemäß der
vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
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Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung, in der eine
weitere Ausführungsform des geschweißten Metallbehälters
gemäß der vorliegenen Erfindung dargestellt ist.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht von Fig. 2.
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht, in der der
Verbindungsabschnitt des Stammrohrendes und des Flansches dargestellt
ist.
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Fig. 5 ist eine Schnittansicht, in der der
Verbindungsabschnitt des Zweigrohrendes und des Flansches dargestellt
ist.
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Fig. 6 ist eine Draufsicht, in der die gasisolierte
Schalteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt ist.
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Fig. 7 ist eine Vorderansicht entlang einer Linie A in
Fig. 7.
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Fig. 8 ist ein Flußdiagramm, in dem die Herstellung des
Druckbehälters für eine gasisolierte Schalteinrichtung
dargestellt ist, die eine Ausführungsform des Verfahrens zur
Herstellung des röhrenförmigen Behälters gemäß der vorliegenden
Erfindung bildet.
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Die Figuren 9a bis 9c sind Schnittansichten verschiedener
Formen für einen röhrenförmigen Behälter verwendeter
geschweißter Verbindungen.
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Die Figuren 10 und 11 zeigen Verfahren zum Schneiden
einer Stirnfläche eines Rohres in einem röhrenförmigen
Behälter gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren 12a bis 12c sind Schnittansichten, in denen
die Schritte des Verschweißens eines Rohres und eines
Flansches mittels des Schweißverfahrens gemäß einer
Ausführungsform dargestellt sind.
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Fig. 13 ist eine Schnittansicht, die ein
Anwendungsbeispiel des Schweißverfahrens gemäß der Ausführungsform
zeigt.
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In den Figuren 14 und 15 ist die Schweißeinrichtung gemäß
den anderen Ausführungsformen gezeigt.
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Fig. 16 ist eine perspektivische Darstellung, in der eine
Ausführungsform der gesamten Anordnung des Laserbearbeitungs
systems gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
Fig. 17 ist eine Vorderansicht, in der die im
Laserbearbeitungssystem zu verwendende Bearbeitungseinrichtung
dargestellt ist.
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Fig. 18 ist eine Draufsicht von Fig. 2.
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Fig. 19 ist eine Schnittansicht, in der die zu
verwendende Positioniereinrichtung des Systems gemäß der
vorliegenden Ausführungsform dargestellt ist.
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Fig. 20 ist eine Seitenansicht in P-Richtung aus Fig. 19.
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Fig. 21 ist eine Schnittansicht, in der ein Abschnitt der
aneinandergrenzenden Abschnitte des Stammrohrs und des
Flansches detailliert dargestellt ist.
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In Fig. 22 ist ein Verfahren zur Messung eines Versatzes
dargestellt, das in einer Ausführungsform des
Kantenausrichtungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet
wird.
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Fig. 23 ist ein Flußdiagramm, in dem die Schritte des
Befestigens des Stammrohrs und der Flansche dargestellt sind.
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Fig. 24 ist eine Ansicht entlang der Linie A-A in Fig.
17.
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Fig. 25 ist eine Schnittansicht, falls die Öffnung klein
ist.
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Fig. 26 ist eine Ansicht in Richtung B-B aus Fig. 25.
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Die Figuren 27a bis 27d sind ein Flußdiagramm, in dem die
Bearbeitungsschritte für den Fall, in dem die Flansche am
verzweigten Stammrohr anzubringen sind, dargestellt sind.
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Fig. 28 ist eine perspektivische Darstellung, in der die
gesamte Anordnung einer weiteren Ausführungsforrn des
Laserbearbeitungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Ein für eine gasisolierte
Schalteinrichtung verwendetes Gehäuse 1 besteht aus einem
Stamm- oder Hauptrohr 2, im allgemeinen unter einem rechten Winkel
bezüglich der axialen Richtung des Stammrohrs 2 durch ein mit
A bezeichnetes Lichtbogenschweißen zusammengefügten
Zweigrohren 3 und 31, an die beiden Enden des Stammrohrs 2
angefügten Flanschen 4a und 4b sowie an die beiden Enden der
Zweigrohre 3 und 31 angefügten Flanschen 4c und 4d. Das
Gehäuse 1 wird durch Verbinden des Stammrohrs 2 mit den
Flanschen 4a und 4b und durch Verbinden der Zweigrohre 3 und 31
mit den Flanschen 4c und 4d durch das Laserstrahlschweißen LB
hergestellt.
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In der vorliegenden Ausführungsform werden die Probleme,
die sich infolge des Lichtbogenschweißen A ergeben, durch
Ausführen des Laserstrahlschweißens nach dem Lichtbogen
schweißen A gelöst. Nach dem Lichtbogenschweißen A werden die
Endabschnitte des Stammrohrs 2 und der Zweigrohre 3 und 31
genau bearbeitet, und die Flansche 4a, 4b, 4c und 4d werden
durch das Laserstrahlschweißen LB an die Endabschnitte des
Stammrohrs 2 und der Zweigrohre 3 und 31 angeschweißt.
Hierdurch kann das erhaltene Gehäuse 1 sehr genau sein, und die
Handhabbarkeit und die Genauigkeit der Baugruppe können beim
Zusammensetzen des Gehäuses 1 verbessert werden.
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Wenn beispielsweise die folgenden Bedingungen für das
Schweißen gelten
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Durchmesser des Stammrohrs: 600 mm,
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Länge des Stammrohrs: 2000 mm,
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Dicke des Stammrohrs: 4,5 mm 12 mm,
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Schweißbreite (Nahtbreite): 2 mm 3 mm,
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Laserausgangsleistung: 5 kW 10 kW,
neigt sich der durch den Laserstrahl geschweißte Flansch um
etwa 0,3 mm oder sinkt um diesen Betrag ab. Die Genauigkeit
in der Parallelität und der senkrechten Stellung wird daher
20 bewahrt.
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Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, in denen eine
zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt
ist, umfaßt ein Gehäuse 1A ein Stammrohr 21, ein an das
Stammrohr 21 angefügtes Zweigrohr 32, die jeweils an die
beiden Enden des Stammrohrs und das Ende des Zweigrohrs 3
angefügten Flansche 4e, 4f und 4g sowie Stützen 5 und 51.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird das
Laserstrahlschweißen LB auf die Verbindungen zwischen dem Stammrohr 21
und den Flanschen 4e und 4f, zwischen dem Zweigrohr 32 und
dem Flansch 4g, zwischen dem Zweigrohr 21 und den Stützen 5
und 51 sowie zwischen dem Stammrohr 21 und dem Zweigrohr 32
angewendet.
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Das Laserstrahlschweißen ist nicht dazu geeignet, in
einem Eckabschnitt verwendet zu werden. Im Falle der in den
Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsform wird der
Endabschnitt des Zweigrohrs 32 vorab konisch erweitert, und das
Zweigrohr 32 wird durch das Laserstrahlschweißen LB mit dem
Stammrohr 21 verbunden. Hierdurch ist es einfach, ein
automatisches Schweißsystem zu verwenden, mit dem sich eine geringe
Spannung und das Erzeugen eines hochgenauen Gehäuses
erreichen lassen.
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Es sei bemerkt, daß die Abschnitte der Verbindungen
zwischen dem Flansch 4e und dem Stammrohr 21 sowie zwischen dem
Flansch 4g und dem Zweigrohr 32 detailliert in den Figuren 4
bzw. 5 dargestellt sind. Wie dargestellt ist, werden nicht
nur das Ende des Stammrohrs und des Flansches 4e sowie das
Ende des Zweigrohrs 32 und des Flansches 4g durch den
Laserstrahl geschweißt, sondern es werden auch die Ecken von innen
und außen durch das Laserstrahlschweißen LB
ecknahtgeschweißt. Auf diese Weise wird das Absinken der Flansche 4e
und 4g im Vergleich zum Lichtbogenschweißens verringert, und
die für Vorspann- Formungs- und Bearbeitungsarbeiten nach dem
Schweißen erforderlichen Kosten werden verringert.
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In den Figuren 6 und 7 ist ein Beispiel dargestellt, bei
dem die vorliegende Erfindung auf eine gasisolierte
Schalteinrichtung (nachfolgend als "GIS" bezeichnet) angewendet
wird. Die GIS ist aus einem Lastschalter 11, einem
Trennschalter 13, einem Überspannungsableiter 14 und einer
Einphasen-Sammelschiene 15 aufgebaut. In diesen Einheiten wird ein
Stammschaltungsleiter 17 einer Dreiphasen-Sammelschiene 16
durch einen Isolator im Gehäuse 1 mit der in Fig. 1
dargestellten Anordnung gehalten und weist eine Anordnung auf, bei
der ein Raum mit hochisolierenden SF-Gasen gedichtet ist. Die
einzelnen Einheiten sind über die Flansche 4a bis 4g des
jeweiligen Gehäuses 1 mit Bolzen verbunden. Gewöhnlich werden
die Behälter mit SF-Gasen von weniger als 4 bis 5 Atmosphären
gedichtet. Dieses Einschließen kann zur Zeit der Montage
ausgeführt werden. Die Flansche 4a bis 4g des Gehäuses 1 müssen
eine Ebenheit zum Sicherstellen des Anliegens an diesem und
zum Bewirken der Dichtungseigenschaften eines O-Rings und der
Rechtwinkligkeit bezüglich der Flansche 4c, 4d und 4g der
Zweigrohre 3, 31 und 32 aufweisen, die sich unter einem
rechten
Winkel bezüglich des anderen Gehäuses 1 erstrecken, das
unterhalb der Stammrohre 2 und 21 auf der Achse des
Lastschalters 11 positioniert ist und den Leiter 17 der
Stammsammelschiene bedeckt und bezüglich der Flansche 4a, 4b, 4e
und 4f der zuletzt erwähnten Stammrohre 2 und 21 des anderen
Gehäuses 1.
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In der vorliegenden Ausführungsform nimmt das Gehäuse zum
Unterbringen einer jeden Vorrichtung die Anordnung an, bei
der das Stammrohr und die Flansche sowie das Zweigrohr und
die Flansche durch das Laserstrahlschweißen verschweißt sind.
Die vorausgehend erwähnte Genauigkeit kann dadurch leicht
erreicht werden, um die Wirksamkeit der Baugruppe zu
verbessern.
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In Fig. 8 ist ein Flußdiagramm des Herstellungsvorgangs
der Gehäuse 1 und 1A (Behälter) für die in den Figuren 1 und
2 dargestellte GIS dargestellt. Ein Gehäuse für die GIS ist
in vier Teile unterteilt, d. h. ein Stammrohr 121, ein
Zweigrohr 122, Stammrohrflansche 109 sowie einen Zweigrohrflansch
110. Ein jedes Teil wird unabhängig vorbereitet, und eine
Bohrung zum Anschließen des Zweigrohrs 122 wird in einem
nachfolgenden Schritt in das Stammrohr 121 eingebracht. Das
Zweigrohr wird so geschnitten, daß die Form eines
Verbindungsendabschnitts der einer im Stammrohr 121 vorgenommenen
Bohrung entspricht. Verbindungsbohrungen werden in den
Stammrohrflanschen 109 und einem Zweigrohrflansch 110 vorgenommen,
wobei diese Flansche daraufhin einem Fertigpolieren und einem
der Verwendung des Gehäuses entsprechenden Vorgang
unterworfen werden. Das Stammrohr 121 und das Zweigrohr 122 werden
daraufhin durch Lichtbogenschweißen zusammengefügt, und die
Endabschnitte des lichtbogengeschweißten Stammrohrs 121 und
des Zweigrohrs 122 werden durch den Laserstrahl abgeschnitten
oder in einem nachfolgenden Schritt bearbeitet, wie in Fig. 8
dargestellt ist. Die mit einer Bohrung versehenen und fertig
polierten Stammrohrflansche 109 und der Zweigrohrflansch 110
werden daraufhin durch Laserschweißen mit den
lasergeschnittenen oder bearbeiteten Endabschnitten des Stammrohrs 121 und
des Zweigrohrs 122 zusammengefügt, um ein röhrenförmiges
Gehäuse herzustellen.
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In den Figuren 9a, 9b und 9c sind als Schweißbauteile
eine T-förmige Verbindung, in der ein Rohrende mit einer
Stirnfläche eines Flansches verschweißt wird, und ein
Stumpfstoß, in dem Rohrenden aneinandergrenzen und verschweißt
werden, dargestellt. Da die Schrägkantenabschnitte dieser
Verbindungen, wie in der Zeichnung dargestellt, mechanisch
bearbeitet werden, ist die Genauigkeit der Verbindungen
verbessert, und das Laserschweißen kann verwendet werden. Hierdurch
kann die Schweißverformung der Verbindungen vermieden werden.
Dementsprechend kann die Funktion eines abgedichteten
Gehäuses selbst dann aufrechterhalten werden, wenn ein zu
dichtender Flansch einschließlich einer seiner Flächen vorab
mechanisch bearbeitet wird.
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Wenn die Richtung und die Größe der Flanschfläche keine
hohe Genauigkeit bezüglich eines Stammrohrs 101 erfordern,
wie es bei einem Zweigrohr zum Bilden eines Arbeitslochs der
Fall ist, werden das Zweigrohr 12 und das Flanschteil 13 zum
Bilden des Arbeitslochs vorab durch Lichtbogenschweißen
zusammengefügt, und der das Arbeitsloch bildende Flansch 113
wird daraufhin mechanisch bearbeitet. Der sich ergebende
Flansch 113 wird durch Lichtbogenschweißen am Stammrohr 1
befestigt, und ein so erhaltenes Erzeugnis wird daraufhin den
in Fig. 8 dargestellten Schritten unterzogen.
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In Fig. 10 ist ein Beispiel einer Einrichtung zum
Schneiden einer Stirnfläche des in Fig. 8 dargestellten Rohrs
dargestellt, wobei der Endabschnitt eines ein Zweigrohr
tragenden Stammrohrs 221 durch Einwirken des Laserstrahls eines
Laseroszillators 214 auf die Stirnfläche über einen
Verarbeitungskopf 215 geschnitten wird, während das das Zweigrohr
tragende Stammrohr 230 gedreht wird. Das Werkstück wird durch
eine Positioniereinrichtung 240 positioniert.
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In Fig. 11 ist ein Beispiel einer Einrichtung zum
Schneiden einer Stirnfläche des in Fig. 8 dargestellten Rohrs
dargestellt, wobei der Endabschnitt eines ein Zweigrohr
tragenden
Stammrohrs 230 durch Einwirken des Laserstrahls auf die
Stirnfläche geschnitten wird, während ein
Laserbearbeitungskopf 152 gedreht wird. Der Vorteil des Laserschneidens liegt
darin, daß eine sehr genaue Schnittfläche erreicht werden
kann, indem eine volle Drehung eines Rohrgegenstands oder des
Bearbeitungskopfes, unabhängig von der Schnittlänge einer
Stirnfläche des Rohres, vorgenommen wird.
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Gemäß dieser vorausgehend beschriebenen Ausführungsform
kann ein Flansch mechanisch in Form eines Einzelteils bear
beitet werden. Ein Flansch kann daher in intensiver Weise
einzeln bearbeitet werden, und es kann eine
Bearbeitungsmaschine mit einer verhältnismäßig geringen Größe verwendet
werden. Dies ermöglicht das Einsparen der in der Schneidezeit
nicht enthaltenen Einrichtezeit.
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Da der Rohrteil-Blechbearbeitungs- und -Schweißschritt
sowie der Flanschbearbeitungsschritt gleichzeitig ausgeführt
werden können, kann die Zeitdauer für das Herstellen des
Gehäuses um etwa 40 % verringert werden. Weiterhin kann die
für ein Formen des Rohrs erforderliche Zeit, nachdem ein
Zweigrohr an ein Stammrohr angeschweißt wurde, ebenfalls um
etwa 50 - 70 % verringert werden, da das Biegen des
Stammrohrs und die Neigung des Zweigrohrs durch das mechanische
Bearbeiten oder Laserschneiden der Rohrstirnfläche vermieden
werden können.
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Die Figuren 12a, 12b und 12c sind
Querschnittsdarstellungen, in denen die Schritte des Zusammenschweißens eines Rohrs
301 und eines Flansches 302 durch ein Schweißverfahren
dargestellt sind. Fig. 13 ist eine Schnittansicht, in der ein
Beispiel dargestellt ist, auf das das Schweißverfahren dieser
Ausführungsform angewendet wird.
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In Fig. 12a ist der Zustand des Rohrs 301 und des
Flansches 302 dargestellt, die noch nicht einem Schweißvorgang
unterworfen wurden. Die beiden Flächen 302a und 302b des
Flansches sind, wie in der Zeichnung dargestellt, parallel.
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In Fig. 12b ist der durch Abschneiden des durch
unterbrochene Linien 303 dargestellten Abschnitts verjüngte Flansch
302 dargestellt. Wenn der Flansch 302 auf diese Weise bear
beitet wird, wird die Fläche, die einer Fläche 306b des zu
schweißenden Rohrs 301 gegenübersteht, zu einem entlang der
Fläche 306b zu schweißenden Abschnitt 306a parallel. Der
Neigungswinkel dieser Verjüngungsfläche wird auf etwa 90
festgelegt.
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In Fig. 12C sind der verjüngte Flansch 302 und das Rohr
301 dargestellt, die aneinandergrenzen und durch
Laserschweißen verbunden sind. Da der Flansch 302 verjüngt ist, kann ein
Laserstrahl in Richtung eines Pfeils 304 auf die zu
verschweißenden Flächen 306a und 306b einwirken. Hierdurch wird
die durch eine unterbrochene Linie der verschweißten Flächen
306a und 306b dargestellte Eindringtiefe 305 im wesentlichen
gleichmäßig. Wenn der Flansch und das Rohr an ihren zu
verschweißenden Oberflächen mit einer vorgegebenen
Oberflächengenauigkeit bearbeitet werden und daraufhin verschweißt
werden, kann bei einem Durchgang ein vollständiges Eindringen
erreicht werden.
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Selbst wenn der Außendurchmesser des Rohrs eine Toleranz
aufweist, weisen die zu verschweißenden Flächen 306a, 306b
des Flansches 302 und des Rohrs 301 keinen Zwischenraum auf.
Daher kann ein stabiles Laserschweißen durchgeführt werden.
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In Fig. 13 ist eine Schnittansicht eines Hauptabschnitts
eines ein Zweigrohr tragenden Druckbehälters 330 als Beispiel
dargestellt, auf das die beschriebene Ausführungsform
angewendet wird.
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Dieser Druckbehälter 330 ist ein Druckbehälter für GIS,
der für einen gasisolierten Transformator verwendet wird, bei
dem ein darin eingeschlossenes Isoliergas, wie beispielsweise
SF-Gas, verwendet wird.
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Der Druckbehälter 330 besteht aus zwei sich senkrecht
kreuzenden Rohren 331, 333 sowie an die Stirnflächen dieser
Rohre 331, 333 angeschweißten Flanschen 332a, 332b, 333a.
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Wenn das Schweißverfahren der in den Figuren 12a bis 12c
beschriebenen Ausführungsform zum Anschweißen der Flansche
332a, 332b und 333a an die Rohre verwendet wird, können sie
zuverlässig lasergeschweißt werden, und das Herauslecken des
Isoliergases kann vermieden werden.
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In Fig. 14 ist eine Schweißvorrichtung gemäß der
Ausführungsform dargestellt.
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Diese Schweißvorrichtung 340 ist mit einem festen Sockel
341, einer auf dem festen Sockel 341 angeordneten Dreheinheit
342 und 342', einer Drehscheibe 343, die dafür ausgelegt ist,
durch die Dreheinheit 342 gedreht zu werden, sowie zwei auf
der Drehscheibe 343 angeordneten gegenüberstehenden
Dreheinheiten 344, 345 versehen, und die Drehachse der Drehscheibe
sowie die eines durch die beiden Dreheinheiten 344, 345
gedrehten Teils schneiden einander senkrecht.
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Ein zu schweißendes Material wird als ein durch die
beiden Dreheinheiten 344, 345 gedrehtes Teil festgelegt, und
drei Flansche 348, 349, 350 werden mittels eines Lasers an
die Stirnflächen von zwei einander senkrecht schneidenden
Rohren 346, 347 geschweißt, wie in der Zeichnung dargestellt
ist.
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Die Vorrichtung zum Laserschweißen dieser Teile besteht
aus einem Laseroszillator 351, einem Ablenkspiegel 354 zum
Andern des Wegs eines vom Laseroszillator 351 emittierten
Laserstrahls 352, sowie einem Verarbeitungskopf 353, um einen
Laserstrahl 355, dessen Weg geändert worden ist, auf die zu
schweißenden Flächen einwirken zu lassen.
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Im folgenden wird ein Verschweißen der Rohre 346, 347 mit
den Flanschen 348, 349, 350 bei Verwendung dieser Vorrichtung
beschrieben.
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Der Weg des vom Laseroszillator 351 abgegebenen
Laserstrahls 352 wird durch den Ablenkspiegel 354 geändert, und
der sich ergebende Laserstrahl wird in den schwenkbaren
Bearbeitungskopf 353 eingeführt. Ein konzentrierter Laserstrahl
356 wirkt in der senkrecht nach unten zeigenden Richtung auf
eine Nut zwischen dem verjüngten Flansch 350 und dem Rohr 347
ein, um diese zu verschweißen.
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In diesem Fall wird das Rohr 347 durch die Drehbewegungen
der Dreheinheiten 344, 345 in der Richtung α gedreht, wodurch
das auf einem vollen Kreis stattfindende Verschweißen des
Flansches 350 und des Rohrs 347 verwirklicht werden kann.
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Das Verschweißen des Flansches 348 und des Rohrs 347 wird
durch Drehen der Drehscheibe 348 in einem Winkel von 180º und
darauffolgendes Einwirken eines Laserstrahls 356 auf den
Flansch 348 und das Rohr 347 ausgeführt.
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Wenn ein zusätzlicher Laseroszillator bereitgestellt ist,
können die Flansche 348, 350 gleichzeitig mit dem Rohr 347
verschweißt werden.
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Um den Flansch 349 an das Rohr 346 anzuschweißen, wird
der Bearbeitungskopf 353 in einem 90º-Bogen nach oben
gedreht, so daß er in eine horizontale Position gebracht
wird, die durch eine mit zwei Punkten versehene Linie
dargestellt ist, und ein Laserstrahl wirkt dann auf die zu
verschweißenden Flächen ein.
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Wenn die Drehscheibe 343 in diesem Fall unter Verwendung
der Dreheinheit 342, 342' gedreht wird, wird das Rohr 346 in
der Richtung β gedreht, um das auf einem vollen Kreis
stattfindende Verschweißen des Rohres 346 und des Flansches 349 zu
ermöglichen.
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Wenn die Schweißvorrichtung 340 gemäß der zweiten
Ausführungsform verwendet wird, können das Verschweißen eines
Flansches und eines Rohrs eines ein Zweigrohr tragenden
röhrenförmigen Druckbehälters mittels eines Lasers leicht
ausgeführt werden.
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In Fig. 15 ist ein anderes Schweißverfahren dargestellt,
das verwendet wird, um einen Flansch und ein Rohr eines ein
Zweigrohr tragenden röhrenförmigen Druckbehälters mittels
eines Lasers zu verschweißen.
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Die Form dieses ein Zweigrohr tragenden röhrenförmigen
Druckbehälters 471 gleicht im wesentlichen der eines ein
Zweigrohr tragenden, in Figur 13 dargestellten,
röhrenförmigen Druckbehälters, und der Behälter 471 weist zwei Rohre
auf, nämlich ein Rohr 465 sowie ein (sich unter einem rechten
Winkel zur Zeichenebene von Fig. 15 erstreckendes) Rohr, das
senkrecht zum Rohr 465 steht, wobei die jeweiligen
Endabschnitte
dieser Rohre dafür ausgelegt sind, einem
Laserschweißen zum Anfügen der Flansche 462, 463, 464 ausgesetzt
zu werden.
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Eine Vorrichtung zum Anschweißen dieser Flansche an die
Rohre mit einem Laser ist mit einen Oszillator 467 sowie
einem drehbaren Bearbeitungskopf 66 versehen, der dafür
ausgelegt ist, einen vom Oszillator 467 emittierten Laserstrahl
auf die zu verschweißenden Flächen einwirken zu lassen, und
dieser drehbare Bearbeitungskopf ist dafür ausgelegt, in
Richtung eines Pfeils 469 gedreht zu werden.
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Eine Dreheinheit 461 ist dafür ausgelegt, den ein
Zweigrohr tragenden röhrenförmigen Behälter 471 frei und im
wesentlichen horizontal zu drehen.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise einer jeden Vorrich
tung beim Laserverschweißen von Werkstücken beschrieben.
Der vom Laseroszillator 467 abgegebene Laserstrahl tritt
durch den drehbaren Bearbeitungskopf 466 und wirkt auf den
ein Zweigrohr tragenden röhrenförmigen Druckbehälter 471 ein,
der an der Dreheinheit 461 befestigt ist, und es wird das auf
einem vollen Kreis stattfindende Verschweißen des Rohrs 465
und des Flansches 464 durchgeführt.
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Nach Abschluß des Verschweißens des Rohrs 465 und des
Flansches 464 wird die Dreheinheit 461 in einem Bogen von 90º
in Richtung eines Pfeils 470 gedreht, und das Schweißen des
Flansches 463 ist beendet. Die Dreheinheit 461 wird daraufhin
weiterhin in einem 90º-Bogen gedreht, um das Schweißen des
Flansches 462 auszuführen.
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Nach dem Schweißverfahren gemäß dieser Ausführungsform
kann das Laserverschweißen von Flanschen und Rohren eines ein
Zweigrohr tragenden röhrenförmigen Druckbehälters leicht
ausgeführt werden. Das Laser-Stumpfverschweißen eines Rohrs und
eines Flansches mit einem Durchmesser von über 500 mm kann
ermöglicht werden. Dementsprechend können die
Herstellungskosten für einen ein Zweigrohr tragenden röhrenförmigen
Druckbehälter beträchtlich verringert werden.
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In Fig. 16 ist der Aufbau eines Systems dargestellt, das
als Beispiel einer Ausführungsform des
Laserbearbeitungssystems dient. In diesem System werden das Verschweißen eines
Stammrohrs und eines Flansches entlang der Sammelschiene
einer gasisolierten Steuervorrichtung sowie das Bohren des
Stammrohrs mit einem Laserstrahl erreicht.
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Ein Transportwagen 502 läuft auf Transportschienen 501,
wodurch eine erste Transporteinrichtung gebildet wird. Der
Transportwagen 502 trägt ein Werkstück oder ein Stammrohr
503, um es auf halbem Wege der ersten Transporteinrichtung in
Richtung eines Pfeils X&sub1; zu befördern. Transportmittel 504
sind an den beiden Seiten der erwähnten ersten
Transporteinrichtung im allgemeinen unter einem rechten Winkel
bezüglich der ersten Transporteinrichtung angeordnet, um an die
beiden Enden des Hauptrohrs 503 anzuschweißende Flansche 505
in Richtung von Pfeilen y&sub1;, y&sub2; zu befördern, wodurch eine
zweite Transporteinrichtung gebildet wird.
Flansch-Montageeinrichtungen 506 sind auf beiden Seiten der Transportschiene
501 angeordnet, so daß die auf beiden Transportmitteln 504 zu
den beiden Enden des erwähnten Stammrohrs 503 beförderten
Flansche montiert werden können, indem die Richtungen der
Flansche 505 geändert werden. Das mit der
Flansch-Montageeinrichtung 506 auf diese Weise mit den Flanschen 505
montierte Stammrohr 503 wird durch den Transportwagen 502 auf
den Transportschienen 501 in Richtung eines Pfeils x&sub2; zu
einem nachfolgenden Schritt befördert. Eine
Positioniereinrichtung 507 ist auf halbem Wege der Transportschienen 501
angeordnet, um das in Richtung x&sub2; beförderte und mit den
Flanschen 505 montierte Stammrohr 503 drehbar zu halten und
den axialen Zwischenraum sowie den radialen Versatz der
angrenzenden Abschnitte der Flansche 505 und des Stammrohrs
503 zu korrigieren. Eine drehbare Bearbeitungseinrichtung 508
dient zum Schweißen des von der Positioniereinrichtung 507 an
den Flanschen 505 gehaltenen, mit Flanschen versehenen Stamm
rohrs 503 sowie zum Bohren des Stammrohrs 503 durch den
Laserstrahl. Ein Schweißkopf 508a und ein Bohrkopf 508b der
drehbaren Bearbeitungseinrichtung 508 sind drehbar
angeordnet. Diese drehbare Bearbeitungseinrichtung 508 wird von
einer Aufhängung 509 getragen, so daß sie in x- und
y-Richtung bewegt werden kann. Der Schweißkopf 508a und der
Schneidkopf 508b können in der (senkrechten) Richtung z
bewegt werden, und sie sind über eine Strahlführung 510 mit
einem Laseroszillator 511 verbunden.
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Es sei bemerkt, daß eine Steuereinheit 512 das gesamte
System steuert.
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Im folgenden wird die drehbare Bearbeitungseinrichtung
508 detailliert bezüglich der Figuren 17 und 18 beschrieben.
Wie in den Figuren dargestellt ist, besteht die drehbare
Bearbeitungseinrichtung 508 aus mehreren Schweiß- und
Schneidköpfen 8a bis 8d, die in einem vorgegebenen Abstand an
den Enden einer Drehscheibe 513 und konzentrisch zu einem
Drehgelenk 514 angeordnet sind. Die Drehscheibe 513 wird
durch einen Antriebsmotor 515 drehbar angetrieben. Dieser
Antriebsmotor 515 ist auf einem senkrecht beweglichen Sockel
516 befestigt, der an einem Ende mit einer Mutter versehen
ist, die sich in Eingriff mit einer mit einem Gewinde
versehenen Welle 518 befindet. Auf diese Weise kann die gesamte
Einrichtung senkrecht (in z-Richtung) bewegt werden, indem
ein Motor 519 für eine senkrechte Bewegung, der direkt mit
der mit einem Gewinde versehenen Welle 518 verbunden ist,
angesteuert wird. Eine Staubabdeckung 520 ist an dem
senkrecht beweglichen Sockel 516 befestigt. Diese Staubabdeckung
520 bedeckt das optische System 521 eines nicht verwendeten
Maschinenkopfes, um das optische System 521 gegen jeglichen
Staub zu schützen, wie in Fig. 18 dargestellt ist. Das
vorausgehend erwähnte optische System 521 ist so auf der
Drehscheibe 513 befestigt, daß seine optische Achse auf die eines
Laserstrahls 522, der durch eine Strahlführung geführt wird,
ausgerichtet ist, wenn der Weg des Laserstrahls 522 durch
einen Ablenkspiegel 523 abwärtsgerichtet geändert wird.
Nachfolgend wird die Positioniereinrichtung 507
detailliert in bezug auf die Figuren 19, 20 und 21 beschrieben.
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In Fig. 21 ist ein Fugenabschnitt zur Zeit des
Stumpfschweißens des Stammrohrs 503 und der Flansche 505
dargestellt. Gewöhnlich treten ein in Breitenrichtung orientierter
Zwischenraum g und ein äußerer Versatz δ auf, wenn das
Stammrohr 503 und die Flansche 505 aneinandergrenzen. Beim
Laserstrahlschweißen sind die zulässigen Werte auf g ≤ 0,3 mm und
δ = 0,5 mm festgelegt. Die Positioniereinrichtung wird
verwendet, um das Positionieren innerhalb der oben festgelegten
Werte auszuführen.
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Wie in den Figuren 19 und 20 dargestellt ist, ist auf
einem feststehenden Sockel 531 ein die Breite einstellender
Motor 532 befestigt, dessen Ausgangswelle mit einer mit einem
Gewinde versehenen Antriebswelle 533 verbunden ist. Über
dieser mit einem Gewinde versehenen Welle 533 ist ein
beweglicher Sockel 535 angeordnet, der von Führungsschienen 534
gehalten wird. An einem Ende des beweglichen Sockels 534 ist
ein Rohrerweiterungszylinder 537 befestigt, der von einem
Träger 536 gehalten wird. An den Rohrerweiterungszylinder 537
ist ein hydraulischer Motor 537a über ein hydraulisches
Elektromagnetventil 537b angeschlossen. Weiterhin ist die
Zylinderstange 538 dieses Rohrerweiterungszylinders 537 über eine
Kupplung 539 mit einer Keilwelle 540 verbunden, und diese
Zylinderstange 538 und die Keilwelle 540 sind auf einer
gemeinsamen Achse angeordnet.
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Die Ausgangswelle eines Rohrdrehmotors 542 ist an einem
Getriebe 543 befestigt, das sich zum Übertragen der Drehung
und des Gleitens in Eingriff mit einem Keillager 541
befindet.
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Vor dem erwähnten beweglichen Sockel 535 ist andererseits
ein Haltesockel 544 zum Halten der Rohrerweiterungs-Keilwelle
befestigt. Eine Drehführung 546 ist über ein Lager 545 mit
dem Haltesockel 544 verbunden. Mit dem Ende der Drehführung
546 sind eine Druckplatte 546a, die dafür vorgesehen ist, die
Stirnfläche des mit dem Stammrohr 503 zu verschweißenden
Flansches in Berührung zu bringen und eine Gleitführung 547
zum Halten eines Rohrerweiterungskerns 548, verbunden. An dem
Führungsende der erwähnten Keilwelle 40 ist weiterhin eine
verjüngte Stange 549 befestigt, die den Rohrerweiterungskern
548 an ihrer geneigten Seite über eine Gleitführung 554 hält.
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Am Ende des erwähnten feststehenden Sockels 531 sind
andererseits eine Flanschaufnahmewalze 552 zum Aufnehmen des
Flansches 505 sowie eine Stammrohr-Aufnahmewalze 553 zum
Aufnehmen des Stammrohrs 503 befestigt.
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Nachfolgend werden die Positionierarbeitsgänge der so
aufgebauten Positioniereinrichtung beschrieben.
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Wenn der Rohrerweiterungszylinder 537 durch Betätigen des
hydraulischen Elektromagnetventils 537b zunächst
zurückgezogen wird, wird die verjüngte Stange 549 zurückgezogen, und
der Rohrerweiterungskern 548 wird ausgebaucht. Wenn der
Rohrerweiterungszylinder 537 vorgeschoben wird, wird der
Rohrerweiterungskern 548 andererseits von der Mittelachse
radial eingeengt. Wenn der Drehmotor 542 andererseits in
einer Richtung θ in Drehung versetzt wird, wird die Keilwelle
540 über das Getriebe 543 und das Keillager 541 gedreht.
Gleichzeitig wird die Drehung auch zur verjungten Stange 549
übertragen. Da die Zylinderstange 538 des
Rohrerweiterungszylinders 537 und die Keilwelle 540 über die Kupplung 549,
die ein eingebautes Lager aufweist, verbunden sind, werden
die Drehungen hier geblockt.
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Wenn weiterhin der die Breite einstellende Motor 532 auf
dem feststehenden Sockel 531 in Drehung versetzt wird, wird
die mit einem Gewinde versehene Antriebswelle 533 gedreht,
und der auf der Gleitführung 534 getragene bewegliche Sockel
535 wird in x-Richtung des Stammrohrs 503 bewegt, so daß die
den Flansch berührende Platte 546a die Positionen des Flan
sches 505 in Breitenrichtung einstellt. Zu dieser Zeit wird
der Rohrerweiterungszylinder 537 im eingeengten Zustand von
den Enden des Stammrohrs 503 eingeführt, und der Flansch 505
wird durch die jeweiligen Aufnahmewalzen 552 und 553
gehalten. Der Rohrerweiterungszylinder 537 wird vorgeschoben, und
das erweiterte Rohr wird zeitweise angehalten, wenn der
Zylinder 537 in Berührung mit der Innenwand des Stammrohrs
kommt. Daraufhin wird der die Breite einstellende Motor 532
in Drehung versetzt, um den beweglichen Sockel 535
vorzubewegen, um das Stammrohr 503 und den Flansch 505 einander
nahezubringen. Hierauf wird der Rohrerweiterungszylinder 537
weiter vorgeschoben, um die Rohrerweiterung zu bewirken, und er
wird an- und festgehalten, wenn der Versatz zwischen dem
Flansch 505 und dem Stammrohr in den zulässigen Bereich
kommt. Daraufhin wird der Drehmotor 542 in Drehung versetzt,
um das Stammrohr 503 und den Flansch 505 gemeinsam zu drehen.
Hierauf wird das Schweißen durch Einstrahlen des Laserstrahls
vom darüber positionierten Schweißkopf 508a ausgeführt.
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Nachfolgend wird die Positioniereinrichtung in bezug auf
Fig. 22 beschrieben. Eine Rohrerweiterungsstange 805 und ein
Rohrerweiterungsstück 806, die zum Vermeiden eines Versatzes
zwischen Rohren verwendet werden, werden ins Innere der zu
verschweißenden Rohre 801a, 801b eingeführt, und
Höhenmeßfühler 802a, 802b sind oberhalb der äußeren Umfangsflächen
der Rohre 801a, 801b vorgesehen. Die Signalleitungen der
Höhenmeßfühler 802a, 802b sind an einen Vergleicher 803
angeschlossen, wobei eine seiner Signalleitungen über eine
Hydraulikeinheit 807 an einen Hydraulikzylinder 804
angeschlossen ist. Die Daten, die die Höhen h&sub2;, h&sub1; der die
Werkstücke bildenden Rohre 801a, 801b betreffen, deren Kanten
auszurichten sind, werden zum Vergleicher 803 übertragen, in
dem eine Differenz δ zwischen h&sub1; und h&sub2; berechnet wird. Das
Ergebnis der Berechnung wird zur Hydraulikeinheit 807
übertragen, um den Hydraulikzylinder 804 zu betätigen.
Dementsprechend erhöht sich der Druck im Hydraulikzylinder, so daß
das sich verjüngende Rohr 805 und das Rohrerweiterungsteil
806 betätigt werden, so daß die Rohre 801a, 801b
Ausrichttätigkeiten unterworfen werden. Während dieses
Arbeitsvorgangs führen die Höhenmeßfühler 802a, 802b in Zeitabständen
Messungen aus, und die Ergebnisse der Messung wiedergebende
Ausgangssignale werden zum Vergleicher 803 übertragen. Dieser
Arbeitsvorgang wird ausgeführt bis die Differenz δ Null wird.
Wenn die Differenz 6 Null wird, werden die
Ausrichttätigkeiten
unterbrochen, um das Beseitigen des Versatzes zwischen
den Rohren zu beenden.
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Nachfolgend werden die Messung der Größe eines
Zwischenraums zwischen den gegenüberliegenden Kanten eines Rohrs und
eines Flansches sowie ein Mechanismus zum Beseitigen des
Zwischenraums beschrieben. Ein Zwischenraum-Meßfühler 813 ist in
einer Position oberhalb der äußeren Umfangsflächen der
gegenüberliegenden Kantenabschnitte der Rohre 801a und 801b als
der zu verschweißenden Werkstücke eingerichtet, und eine
Signalleitung des Zwischenraum-Meßfühlers ist an einen
Vergleicher 814 angeschlossen, um einen Hydraulikzylinder 815
über eine Hydraulikeinheit 817 anzusteuern. Ein Schubkopf 816
ist am vorderen Abschnitt des Hydraulikzylinders 815
befestigt. Die Arbeitsweise dieses Mechanismus wird nun
beschrieben. Ein Zwischenraum g zwischen den Rohren 801a und 801b als
den Werkstücken wird am Zwischenraum-Meßfühler 813 gemessen,
und die Daten dieser Messung werden zum Vergleicher 814
übertragen. Der Hydraulikzylinder 815 wird über die
Hydraulikeinheit 817 betätigt, wenn der Zwischenraum g gemessen wird,
um den Schubkopf 816 in X-Richtung zu bewegen, wodurch der
Zwischenraum g beseitigt werden kann. Gemäß dieser
Ausführungsform kann die Ausrichtung der gegenüberliegenden Kanten
automatisch ausgeführt werden, wenn ein Rohr und ein Rohr
oder ein Rohr und ein Flansch stumpfverschweißt werden. Diese
Ausführungsform erzielt daher eine große Wirkung, wenn sie
auf ein Laserschweißsystem angewendet wird.
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Nachfolgend werden die Arbeitsvorgänge des
Laserschweißsystems gemäß der vorliegenden Erfindung in bezug auf Fig. 16
beschrieben.
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Das vorliegende System betrifft den Fall, in dem das die
Sammelschiene bildende Stammrohr und der im Gasisolations-
Regelsystem zu verwendende Flansch zu verschweißen sind oder
in dem das Stammrohr für ein Verzweigen zu durchbohren ist.
Gewöhnlich wird die Sammelschiene verwendet, um das Stammrohr
503 und den bearbeiteten Flansch 505 zu verbinden, und das
Stammrohr 503 wird daraufhin bearbeitet, um ein Loch für das
Stammrohr
herzustellen, wie in den Figuren 23a, 23b und 23c
dargestellt ist. Diese Bearbeitungsvorgänge werden bei
Verwendung des vorliegenden Systems fortlaufend mit dem
Laserstrahl ausgeführt.
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Zunächst wird das Stammrohr 503 auf dem Transportwagen
502 in x&sub1;-Richtung befördert, bis es in der Mitte der
Flanschmontagevorrichtung 506 positioniert und angehalten wird.
Zu diesem Zeitpunkt ist die Tischfläche der
Flanschmontageeinrichtung 506 nach oben gerichtet. Die von den
Flanschtransportmitteln 504 beförderten Flansche werden auf der
Tischfläche der Flanschmontageeinrichtung erfaßt, und es wird
dafür gesorgt, daß sie das Stammrohr 503 klemmen und um 90º
drehen, so daß sie mit dem Stammrohr 503 zusammengesetzt
werden. Das Stammrohr 503 und die Flansche 505, die auf diese
Weise zusammengesetzt wurden, werden durch den erwähnten
Transportwagen 502 zu den Positionen direkt unterhalb des
Schweißkopfs 508a befördert und werden im Mittelabschnitt der
Positioniereinrichtung 507 für die Arbeitsvorgänge des
Rohrerweiterns, des Breiteneinstellens und des Drehens
positioniert. Bei dieser Positioniereinrichtung 507 wird der
Rohrerweiterungskopf von den beiden Seiten des Flansches 505
eingeführt, um das Erweitern und das Positionieren auf
vorgegebene Größen zu bewirken. Hierauf werden das Stammrohr 503
und die Flansche 505 durch den vom Schweißkopf 508a kommenden
Laserstrahl stumpfverschweißt. Nach Beendigen des Schweißens
der beiden Enden des Stammrohrs 503 wird der Laserstrahl vorn
Schweißkopf zum Schneidkopf 508b umgeschaltet, um das
Stammrohr 503 zu durchbohren. Das auf diese Weise mit einer
Bohrung versehene, mit Flanschen versehene Stammrohr wird
wiederum auf dem Transportwagen 507 getragen und zum
nachfolgenden Schritt befördert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können der Transport,
das Positionieren, das Drehen und das Erweiten des Werkstücks
der Reihe nach automatisiert werden, wenn der aus dem
Stammrohr und den Flanschen bestehende röhrenförmige Behälter, wie
bei der Sammelschiene der gasisolierten Steuereinrichtung,
herzustellen ist, wie vorausgehend verschiedentlich
beschrieben wurde. Demzufolge können die Herstellungskosten erheblich
verringert werden, wenn ein Laseroszillator abwechselnd für
die Schweiß- und Bohrarbeitsgänge verwendet wird. Es ist auf
diese Weise möglich, einen röhrenformigen Behälter mit einer
geringen thermischen Verformung herzustellen.
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Gemäß der Bearbeitungseinrichtung der vorliegenden
Erfindung werden die mehreren Bearbeitungsköpfe auf dem mit dem
Drehgelenk der Drehscheibe konzentrischen Umfang angeordnet,
und der Sockel des Drehantriebssystems wird zuverlässig
befestigt. Hierdurch ist es während der indizierenden Drehung
möglich, die optische Achse des vom Ablenkspiegel
reflektierten Laserstrahls und die optische Achse des optischen Systems
der Bearbeitungsköpfe so auszurichten, daß verhindert werden
kann, daß der Laserstrahl aus dem Brennpunkt herausläuft. Da
der unbenutzt gebliebene Bearbeitungskopf durch die
Staubabdeckung geschützt ist, kann das optische System gegen den
Staub geschützt werden, um keine Schwierigkeiten bei der
Konzentration des Strahls hervorzurufen.
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Gemäß der Positioniereinrichtung der vorliegenden
Erfindung werden weiterhin alle Erweiterungskerne zum Erweitern
des Stammrohrs von innen gleichförmig durch die Querbewegung
der verjüngten Stange in radialen Richtungen bewegt, so daß
das verformte Rohr so korrigiert werden kann, daß es einen
wirklichen Kreis aufweist. Weiterhin kann die
Querantriebsquelle der verjüngten Stange die Größe des Erweiterungsrohrs
unverändert erhalten, falls ein Prüf-Servoventil im
Hydraulikzylinder und dessen Öldruckschaltung angeordnet ist. Die
Größe wird dann nicht durch den Schweißvorgang geändert.
Falls ein Sicherheitsventil in der Öldruckschaltung verwendet
wird, wird selbst dann kein Hydraulikmotor beschädigt, wenn
er als die die Breite verändernde Antriebsquelle verwendet
wird, und selbst dann unter Druck steht, wenn die Nuten der
Rohre einander berühren.
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Nachfolgend wird eine weitere Ausführungsform der im
vorliegenden System zu verwendenden Bearbeitungsköpfe Bezug
nehmend auf die Figuren 24, 25 und 26 beschrieben.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist, wie dargestellt,
ein Sockel zum Halten des Bearbeitungskopfes an seiner
unteren Fläche mit der Düse 652 versehen, die eine veränderliche
Öffnung zum Sprühen des Schutzgases und die Führung 653 zum
Einstellen des Durchmessers der Düse 652 aufweist. Die
Kondensorlinse 654 ist in der erwähnten Düse 652 mit einer
veränderlichen Öffnung angeordnet, und die erwähnte Führung 653
ist mit einem Luftzylinder 655 zum vertikalen Bewegen der
Führung 653 verbunden.
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Andererseits ist ein Düsenkörper 656 oberhalb der
erwähnten Düse 652 mit einem Schutzgas-Einlaßanschluß 657 verbun
den, dessen vorderes Ende mit einem
Dreiwege-Elektromagnetventil 658 zum Wechseln der Gase über ein Rohr verbunden ist.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise erklärt. Der vom
Laseroszillator kommende Laserstrahl 622 wird vom
Ablenkspiegel 623 in die Kondensorlinse 654 des Bearbeitungskopfes
gelenkt. Die Spitze der Düse 652 mit einer veränderlichen
Öffnung ist, wie in Fig. 24 dargestellt, geteilt. An der
untersten Position des Luftzylinders 655 nimmt auch die
Führung 653 ihre unterste Position ein, so daß die größte
Öffnung φd&sub0; durch die Federwirkung der erwähnten Düse 652 erhal
ten wird. Wenn der Luftzylinder 655 zur obersten Position
bewegt wird, beschränkt die Führung 653 andererseits die
Öffnung der Düse 652 auf die minimale Öffnung φds, wie in Fig.
26 dargestellt ist. Im maximal geöffneten Zustand können
beispielsweise weiterhin O&sub2;-Gase in die Düse 652 eingeführt wer
den, indem einer der Eingänge des
Dreiwege-Elektromagnetventils 658 geöffnet wird. Im minimal geöffneten Zustand
können andererseits Ar-Gase durch Öffnen eines anderen Eingangs
des Dreiwege-Elektromagnetventils 658 eingeführt werden.
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Wie vorausgehend beschrieben wurde, können die Schneide
und Schweißarbeitsgänge mit dem Laser mit einem Kopf
ausgeführt werden, indem der Düsendurchmesser des
Bearbeitungskopfes
entsprechend der Anwendung (für den Schweiß- oder den
Schneidarbeitsgang) geändert wird und indem die zu
versprühenden Gasarten ausgetauscht werden. Durch die Einführung in
das Laserbearbeitungssystem kann weiterhin ein
zusammengesetztes Laserbearbeitungssystem verwirklicht werden.
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In folgenden wird eine weitere Ausführungsform des
Laserbearbeitungssystems beschrieben.
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An die meisten Sammelschienen in der gasisolierten
Steuereinrichtung sind nicht nur die vorausgehend erwähnten
Flansche, sondern auch die Zweigrohre angeschlossen. Das System
entspricht dann dem Fall, in dem das Schneiden und
Flanschschweißen der Stirnflächen des verzweigten Rohres unter
Verwendung des Laserstrahls ausgeführt werden.
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Zunächst wird der Bearbeitungsvorgang in bezug auf die
Figuren 27a bis 27d schematisch beschrieben. Die Stirnfläche
des Stammrohrs 603, an das vorab ein Zweigrohr 603a
angeschweißt wurde (wie in Fig. 27a dargestellt), wird mit dem
Laserstrahl geschnitten, wie in Fig. 27b dargestellt ist.
Hierauf werden die Flansche 605, 605' und 605a an die Enden
des Stammrohrs 603 und des Zweigrohrs 603a montiert, wie in
Fig. 27c dargestellt ist. Hierauf werden die einzelnen
Flansche 605, 605' und 605a unter Verwendung des Laserstrahls an
die einzelnen Rohre 603 und 603a angeschweißt, wie in Fig.
12d dargestellt ist.
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Nachfolgend wird das System für die vorausgehend
beschriebenen Arbeitsvorgänge bezüglich Fig. 28 beschrieben.
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Das Stammrohr 603, dessen Zweigrohr 603a vorab durch
Lichtbogenschweißen mit diesem verbunden wurde, wird auf den
Transportschienen 601 durch den Transportwagen 602 zu einer
Schneidstation (A) befördert. Diese Schneidstation (A)
besteht im allgemeinen aus einem Drehtisch 660, der in y-
Richtung bewegt werden kann und in einer Richtung a gedreht
werden kann, während er das verzweigte Stammrohr 603 trägt,
sowie einem Schwenktisch 662, der mit dem Laseroszillator 611
über eine Strahlführung 610a verbunden ist und in einer
Richtung θ gedreht werden kann, während er einen Schneidkopf 661
trägt. Daraufhin wird der Drehtisch 660 gedreht, um das Ende
des Stammrohrs 603 oder des Zweigrohrs 603a in die
Schneidposition zu bringen, in der der Schwenktisch 662 gedreht
wird, während der Laserstrahl vom Schneidkopf 661 zum Schnei
den des Rohrendes eingestrahlt wird. Wenn die beiden Enden
des Stammrohrs 603 und das Ende des Zweigrohrs 603a
weggeschnitten sind, werden die Werkstücke in einem nächsten
Schritt zu einer Flanschmontagestation (B) befördert. Diese
Flanschmontagestation (B) weist eine Anordnung auf, die im
wesentlichen derjenigen der Flanschmontagevorrichtung ähnelt,
die bezüglich Fig. 16 beschrieben wurde, und auf ihre erneute
Beschreibung wird hier verzichtet. Das Stammrohr 603, dessen
beiden Enden sowie dessen Zweigrohr 603a an der
Flanschmontagestation (B) mit den Flanschen 605 zusammengesetzt werden,
wird in einem folgenden Schritt zu einer Schweißstation (C)
befördert. Falls das Stammrohr 603 und das Zweigrohr 603a in
diesem Fall einen gleichen Durchmesser aufweisen, können sie
auf den beiden Transportmitteln einzeln mit den Flanschen 605
zusammengesetzt werden. Falls das Zweigrohr 603a einen
Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der des Stammrohrs 603,
können diese beiden Rohre mit den einzelnen Flanschen
zusammengesetzt werden, indem dafür gesorgt wird, daß ein
Transportmittel die Flansche mit einem Durchmesser trägt, der dem
Durchmesser des Stammrohrs 603 entspricht, und das andere
Transportmittel einen Flansch mit einem Durchmesser trägt,
der dem Durchmesser des Zweigrohrs 603a entspricht. Die
Schweißstation (C) weist einen Aufbau auf, der im
wesentlichen dem der Schneidstation (A) ähnelt, abgesehen davon, daß
sie mit einem Schweißkopf 663 auf dem Schwenktisch 662
anstelle des Schneidkopfs ausgerüstet ist. Weiterhin werden
das Stammrohr 603 oder das Zweigrohr und die Flansche 605 und
605a verschweißt, während sie mit dem Laserstrahl des
Laseroszillators 11 vom Schweißkopf 663 aus durch Drehen des
Schwenktisches 662 bestrahlt werden.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann das
Bearbeiten, wie vorausgehend beschrieben wurde, an der Einheit eines
jeden Teils durchgeführt werden, so daß die Flansche ohne
jede Betrachtung der thermischen Verformungen geschweißt
werden können, die andernfalls beim Markierungsschweißen erzeugt
werden könnten. Weiterhin ist ein eine große Maschine
verwendender Bearbeitungsvorgang nach dem Laserschweißen nicht
erforderlich, was die Herstellungskosten beträchtlich
verringert. Weiterhin kann das zusammengesetzte Bearbeitungssystem
unter Verwendung des Lasers hergestellt werden.
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Es sei bemerkt, daß der Laseroszillator in den
vorausgehenden Ausführungsformen jeweils für die Schneidstation und
die Schweißstation vorgesehen ist, daß er jedoch auch für
beide Stationen gemeinsam verwendet werden kann.