激光-管焊接制造技术

本发明专利技术涉及一种激光-管焊接，提出一种用于借助于激光焊接将管束的管焊接到管底的孔中的方法和装置，利用其明显减小用于准备和执行相应的管焊接必需的时间以及显著简化所需的设备。

【技术实现步骤摘要】
借助激光焊接将管束的管焊接到管底的孔中的方法及装置
本专利技术涉及用于借助于激光焊接将管束(Rohrbündel)的管焊接到管底的孔中的方法和装置。
技术介绍
在制造管束设备时的一重要步骤是将管焊接到管底中。为此，在使用环形轨道焊接装置的情况下的钨-惰性气体(WIG)管焊接至今是应用最多且最广泛的焊接方法。通常，半自动地来焊接管，也就是说手动地来定位环形轨道焊接装置并且借助于中心的扩管芯棒(Spanndorn)或匹配的装置将其固定在管处或者说管底处。接下来，利用环形轨道焊接装置自动地来实施实际的焊接过程。还不能经济性地来实现带有焊接装置的自动定位和接下来的此外还满足压力装置的要求的管焊接的用于将管焊接到管底中的全自动的焊接装置。在WIG管焊接中，对于单层的焊缝在1.0至1.5mm的焊入深度的情况下获得典型的0.05至0.2m/min的焊接速度。WIG焊缝大多被实施有至少两个焊接层，其中，这些层直接地或错位地相叠，以提高焊缝的高度且由此提高强度。管底和管端仅须略微被预热到大约80℃的温度上。该预热大面积地利用经由电阻加热的电热垫实现。因为管焊接由于大数量的过程重复在传统的管束制造中是最耗时的加工步骤，在追求缩短制造时间时在那里存在最大的优化潜力。为此，推荐利用激光的束焊接(Strahlschweissen)。在Castell-Codesal,Andres的文章"Laser-RohrenschweißenbeiRohrbündel-Apparaten"(ProduktionstechnikinderWärmeübertragerfertigung,PPPublicoPublications，2009，第132-184页)中给出了概述，在其中报告了研究项目“Orbilas”。激光焊接被区分成方法变体深层焊接和导热焊接。在深层焊接中局部产生非常高的能量密度。在超过108W/cm2的功率密度的情况下产生金属-蒸汽等离子毛细管(Dampfplasmakapillar)、所谓的“钥匙孔(Keyhole)”。当待焊接的工件、在该情况中管在管底的孔中无隙地彼此贴靠时，获得最好的焊接结果。这例如可通过压轧(Einwalzen)或液压的扩大实现。根据激光的功率和焊接速度，在焊接层中可达到直至大约10mm的焊缝深度。与WIG焊接相对，因此需要仅仅一个焊接层以获得必需的强度。根据边界条件，焊接速度处在1.0至10.0m/min的范围中且因此是比传统的焊接方法更高的数量级。典型地，激光焊缝非常窄，带有2:1至10:1的深度-宽度比。在带有2.0mm的壁厚的管的管焊接中，焊缝例如具有2.0mm的深度和0.5mm的宽度。由此可见，激光束必须非常精确地定位到接合部(Fügestoß)上，以实现焊缝均匀地分布到待焊接的工件上。如果在激光焊接中的功率密度小于106W/cm2，则这导致导热焊接，在其中仅使表面熔化。焊缝的外观与在WIG焊接中相似，然而焊接速度高出0.5-2.0m/min。深层焊接和导热焊接也实施为“组合焊接”。由此实现棱边倒圆、提高的安全性、多层焊接(如果需要的话)以及焊缝几何结构的光滑。在管束设备的制造中常常应用带有较低碳含量的非合金的和低合金的钢。在此，碳是钢的最重要的合金组份。带有小于0.25%的碳含量的非合金的或低合金的钢可非常好地焊接。带有该较低碳含量的钢具有高的临界冷却速度、即在正常的冷却速度时关于硬化不敏感。带有较大碳含量的钢对硬化更敏感，因此对于这样的钢的焊接这些标准规定了相应的热处理。在Orbilas项目内在此外参数管直径、管壁厚、管底厚度和材料的改变下实施了多个焊接试验。试验件相应包括压轧到打孔的盘中的管件。此外，例如焊接带有5×5个管的管区。对于该试验，选择高级不锈钢1.4571和低合金的耐热的锅炉管钢(Kesselrohrstahl)1.5415(16Mo3)作为可良好焊接的材料。从不抗腐的奥氏体钢1.4571的材料页(DVS(德国焊接和焊接方法注册协会)的说明页3203，第三部分)中可得悉，它非常良好地适合用于激光束焊接。对于低合金的钢16Mo3，激光束焊接不是标准焊接方法。通常为了在焊接过程之前的预热，例如在标准EN1011-2:2001中说明了预热温度，其根据材料厚度变大且例如在厚度大于30mm时为100℃。在Orbilas报告中，在焊缝-再加工的主题中指出，在需要时使整个设备在焊接之后经受热处理，以便消除内应力或者减小焊接物的硬度。然而，在研究项目内未确定该措施或者试验件的究竟哪个热处理的实际的必要性。虽然激光焊接在许多实际应用中已长期证明有效，对于将管激光焊接到厚的实心的管底中还未已知经济的方法和装置。在所引用的Orbilas报告中也指出于此。带有大于0.2%的碳成分的钢是可硬化的钢。如果应使由这样的钢构成的工件硬化，则通过将加热的工件例如浸入水或油中且突然在那里冷却来有意提高冷却速度。硬化性能在此可受不同的合金添加物影响。如此硬化的工件是脆的、易裂的且不易变形。为了又使工件更坚韧，使其经受热处理、所谓的回火。如此处理的工件的焊接传统上不再可能，因为由此将破坏给工件提供硬度的组织结构。文件DE19637465C1说明了一种用于借助于作为唯一的预热的短时热处理来束焊接可硬化的钢的方法。预热以感应的方式实现，其中，最大加热温度根据之前的回火处理的温度调整。冷却时间根据临界的冷却时间调整。即以与在焊接之前或者之后实现的调制相结合地来执行焊接。加热深度、加热宽度和加热时间取决于出现的组织状态且备选地取决于焊接和热影响区的硬度，其最大允许为350HV0.05。详细地在上面提及的文件DE19637465C1中讨论的文件JP01G40194A说明了一种用于不可硬化的薄板的激光焊接方法，在其中冷却速度被集成在过程中的再加热降低。薄板如冷却肋那样起作用。快速冷却和紧接着的硬化的结果是，相对小的焊接部位的热被快速地在邻接的板内导出。在所提出的方法中，在激光焊接头后面以相同的速度跟踪有高频感应加热。焊接区域被加热直到1000℃的退火温度上。该方法的目标是板的韧性提高和变形性的改善。冷却速度可受进给速度、最高温度、感应器的宽度和长度影响。焊接区域通过外部的保护气体供给被保护免于氧化。进给速度可仅在受限的区域中被改变，因为其与激光的焊接速度相联结。该方法特别适合于薄板的接合，因为在此感应器在整个板厚上作用。该方法在至少一个工件具有明显不同的尺寸和/或导热性能方面具有其限制。在文件EP1157753A1中介绍了一种用于在钢带加工生产线中连接钢条或钢带的方法。在此首先切掉两个钢带的端部、使端部相互抵靠并且在那里固定。为了避免硬化，在位于滑座处的激光束装置在一工序中将钢带端部焊接在一起之前，利用固定在滑座处的感应的加热部首先将焊接部位加热直到大约1000℃的退火温度上。通过集中预热将如此多的热量输入工件中使得不再需要再加热。然而，由于预热与激光头的进给速度相联结，预热的独立调节不可能。这在焊接过程的边界条件始终相同时不是缺点。然而如果使用其它板厚或材料，则总是又须重新测定焊接参数。冷却过程不受控制并且不能通过调节回路来影响。在制造纵缝焊接的管时存在与在焊接平的板时类似的情况。例如在文件JP3291176A、J本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于借助于激光焊接将管束的管焊接到管底的孔中的方法，其中，不仅所述管而且所述管底由带有最高0.25%的碳含量的非合金的或低合金的钢形成，并且所述管以预设的管距分布在所述管底上，其特征在于，在焊接过程之前，所述管底(2)在包含待焊接到孔(21a)中的管(10a)的区段(14)中利用至少一个感应器(12)被预热到预设的预热温度上，其中，至少一个所述感应器(12)在所述孔(21a)和所设置的焊缝(31)之外被定位成使得在待焊接的所述管(10a)的轴线(26)与所述感应器(12)的被电流流过的、在所述管底(2)中产生感应加热的导体(17)的面对所述轴线(26)的内轮廓(K)之间，平行于所述管底(2)的最小间距(18)最高为五个管距。

【技术特征摘要】
2012.09.01 DE 102012017130.71.一种用于借助于激光焊接将管束的管焊接到管底的孔中的方法，其中，不仅所述管而且所述管底由带有最高0.25%的碳含量的非合金的或低合金的钢形成，并且所述管以预设的管距分布在所述管底上，其特征在于，在焊接过程之前，所述管底(2)在包含待焊接到孔(21)中的管(10)的区段(14)中利用至少一个感应器(12)被预热到预设的预热温度上，其中，至少一个所述感应器(12)在所述孔(21)和所设置的焊缝(31)之外被定位成使得在待焊接的所述管(10)的轴线(26)与所述感应器(12)的被电流流过的、在所述管底(2)中产生感应加热的导体(17)的面对所述轴线(26)的内轮廓(K)之间，平行于所述管底(2)的最小间距(18)最高为五个管距。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个所述感应器(12)成形和定位成使得在待焊接的所述管(10)的轴线(26)与所述感应器(12)的被电流流过的、在所述管底(2)中产生感应加热的导体(17)的面对所述轴线(26)的内轮廓(K)之间，平行于所述管底(2)的最大间距最高为五个管距。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用仅仅唯一的环形的感应器(12)来预热所述区段(14)，所述感应器(12)包围待焊接的所述管(10)。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使环形的、包围仅仅一个管(10)的感应器(12)构造有比孔直径大1-16mm的内直径。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还在所述焊接过程期间加热所述区段(14)。6.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，还在所述焊接过程之后加热所述区段。7.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述焊接过程之前将所述区段(14)预热到处在310℃至500℃的范围中的预热温度上。8.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述管底(2)上以0.2mm至2.0mm的间距当还未焊接时在孔壁(22)与管外侧(30)之间的接合部(29)旁边或者当所述焊接过程结束时在所述焊缝(31)旁边，无接触地连续地以温度传感器来测量管底温度。9.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，至少在所设置的所述焊缝(31)的区域中，为了焊接准备，首先以质量N7的表面粗糙度或更精细地来制造所述孔(21)并且清洁所述孔(21)以及所述管外侧(30)免于油、油脂或其它污物，之后将所述管(10)插入所述孔(21)中，然后将所述管(10)在其端部区段中在所设置的所述焊缝(31)的区域中无隙地扩大到所述管底(2)的孔(21)中。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在无隙地扩大之后管端(34)和所述管底(2)被加工成使得所述管端(34)与管底表面(9)齐平并且两者如金属般光洁。11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，内直径比孔直径大8-12mm。12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，预热温度在330℃至450℃的范围中。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，预热温度在350℃至400℃的范围中。14.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，焊接速度处在1.0m/min至4.0m/min的范围中。15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，焊接速度处在3.0m/min至3.5m/min的范围中。16.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，使用至少两个激光头(3)，利用其来焊接不同的管(10)。17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，至少两个所述激光头(3)被联接到同一激光发生器(LG)上，所述激光发生器(LG)经由变换系统交替地以激光束(5)供应所述激光头(3)。18.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，与管(10)的焊接并行地，利用另一感应器(12)来预热接下来的焊接部位(10c)。19.一种用于借助于激光焊接将管束的管焊接到管底的孔中的方法，其中，不仅所述管而且所述管底由带有最高0.25%的碳含量的非合金的或低合金的钢形成，并且所述管以预设的管距分布在所述管底上，其特征在于，在焊接过程之前，所述管底(2)在包含待焊接到孔(21)中的管(10)的区段(14)中利用至少一个感应器(12)被预热到预设的预热温度上，其中，至少一个所述感应器(12)在所述孔(21)和所设置的焊缝(31)之外被定位成使得在待焊接的所述管(10)的轴线(26)与所述感应器(12)的被电流流过的、在所述管底(2)中产生感应加热的导体(17)的面对所述轴线(26)的内轮廓(K)之间，平行于所述管底(2)的最小间距(18)最高为五个管距，其中所述孔(21)具有带有公差带的直径，并且其中在预热之前来执行以下的步骤a)和b)，并且预热是以下的步骤c)的部分：a)至少在所设置的焊缝(31)的区域中且沿着整个管周缘来扩大插入所述孔(21)中的所述管(10)，直到至少在所设置的焊缝(31)的区域中且沿着整个管周缘来扩大插入所述孔(21)中的所述管(10)管外侧(30)贴靠在孔壁(22)处；b)加工管端(34)和所述管底(2)，使得所述管端(34)与管底表面(9)齐平；以及c)制造激光焊缝(31)，其完全遮盖所述孔(21)的整个公差带并且在所述公差带内具有至少一个确定的理论焊缝深度(h)。20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，至少一个所述感应器(12)成形和定位成使得在待焊接的所述管(10)的轴线(26)与所述感应器(12)的被电流流过的、在所述管底(2)中产生感应加热的导体(17)的面对所述轴线(26)的内轮廓(K)之间，平行于所述管底(2)的最大间距最高为五个管距。21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，利用仅仅唯一的环形的感应器(12)来预热所述区段(14)，所述感应器(12)包围待焊接的所述管(10)。22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，使环形的、包围仅仅一个管(10)的感应器(12)构造有比孔直径大1-16mm的内直径。23.根据前述权利要求19-22中任一项所述的方法，其特征在于，还在所述焊接过程期间加热所述区段(14)。24.根据前述权利要求19-22中任一项所述的方法，其特征在于，还在所述焊接过程之后加热所述区段。25.根据前述权利要求19-22中任一项所述的方法，其特征在于，在所述焊接过程之前将所述区段(14)预热到处在310℃至500℃的范围中的预热温度上。26.根据前述权利要求19-22中任一项所述的方法，其特征在于，在所述管底(2)上以0.2mm至2.0mm的间距当还未焊接时在孔壁(22)与管外侧(30)之间的接合部(29)旁边或者当所述焊接过程结束时在所述焊缝(31)旁边，无接触地连续地以温度传感器来测量管底温度。27.根据前述权利要求19-22中任一项所述的方法，其特征在于，至少在所设置的所述焊缝(31)的区域中，为了焊接准备，首先以质量N7的表面粗糙度或更精细地来制造所述孔(21)并且清洁...

【专利技术属性】
技术研发人员：D利贝诺，W克尼希，C霍夫曼，
申请(专利权)人：曼柴油机和涡轮机欧洲股份公司，
类型：发明
国别省市：