CN101844262B - 将两个金属件连接的方法及用于实施该方法的装置 - Google Patents

将两个金属件连接的方法及用于实施该方法的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及将两个金属件连接的方法及用于实施该方法的装置，尤其借助钨极惰性气体(WIG)焊接方法将两个尤其旋转对称的金属件(1，2)连接的方法，在第一步骤中借助定心柱(7)使两个要被连接的金属件(1，2)定位，在它们间构成窄缝(4)并在缝底区域中产生卸载区(8)，在第二步骤中在构成额定熔透位置(9)的情况下通过填充窄缝(4)的焊道(10)使金属件(1，2)之对窄缝(4)限界的侧壁(5，6)连接，高质量的自动化焊接如此实现：窄缝(4)具有连续不变的宽度(a)，该窄缝(4)的宽度(a)选为使相叠安置的焊道(10)通过窄缝(4)的整个宽度(a)延伸并使整个窄缝(4)完全自动化地用焊道(10)填满。

Description

将两个金属件连接的方法及用于实施该方法的装置
技术领域
本发明涉及焊接技术的领域。它涉及按照权利要求1前序部分所述的借助钨极惰性气体(WIG)焊接方法将两个特别是旋转对称的金属件相连接的方法。本发明还涉及用于实施该方法的装置。
背景技术
在文献EP-A1-0665079中描述了WIG-窄缝焊接，其用于通过体积小(volumenarme)的焊缝使材料相连接并具有(焊)缝几何结构方面的难点。在那里焊接过程的监视也只是一般的直接用眼观察。该WIG-窄缝焊接的其他应用者则通过一个外部的(在燃烧器和窄缝的外部)在一侧安装的摄像机来实施焊接过程监视。这只提供有限的监视方案，从而限制了该焊接深度。
在文献EP-A1-1810772中描述了一个用于该WIG-窄缝焊接的保护气体输送装置，其具有减小的并分为两股气体流的保护气体量，以便保护该电极和整个的导引系统。此处直接在弧光附近的监视只能以肉眼观察进行。随着增长的(焊)缝深度(焊)缝质量之精确的判断被明显地限制。那里没有描述一个完全自动化的焊接过程并且在这个情况下大概也是不可实现的。该方法可特别好地应用于大型机械制造的旋转对称物件的连接，例如透平机的转子。而厚壁的结构件-其只可从一侧接近并且因此在底侧(wurzelseitig)不能被焊接-则可以用上述的方法被良好地连接。
该方法的一个优选的应用领域是盘件和中空圆筒形锻造件的连接，它们可应用于蒸汽和燃气轮机、压缩机的转子以及透平发电机之转子的建造。这类转子20被描述在图1中。它是由多个转子盘21、......25组合构成的，其相互间通过焊缝26材料接合地相连接。
但是，要被连接的并形成窄缝的工件也可以在它们的接合缝处通过借助电子射线-、等离子射线-、激光射线-或氩弧-焊接方法制造的基本焊缝以具有或不具有辅助材料的方式进行焊接。在基本焊缝之后通常用埋弧焊完成进一步的焊缝建构。该方法可特别好地应用于连接大型机械制造的旋转对称物件。而厚壁的结构件-其只可从一侧接近并因此在焊缝背面也不可能被补焊-则可以用DE-A1-2633829的方法被良好地连接。这种方法的优点在于，在工件的连接位置处产生不含细颗粒的接缝构造。不仅在焊缝金属中而且在热影响区域中都没有初生组织再存在了。因此补充的正火或淬火处理就多余了。
这类方法全都没有焊接过程的自动化并且具有缺点是，它们没有通过一个或多个直接在焊嘴中的视频系统(实施)的直接监视，并且因此必须以手工方式被监视而且无法对所有应用场合实现自动化。
发明内容
由此本发明的任务是，提供一种用于形成最高质量的体积小的(焊)缝的焊接方法，其能避免公知方法的缺陷，并且借助其也可连接复杂的和体积大的工件和尤其对焊接过程而言只在一侧可接近的工件，以便基于完全自动化的焊接实现与现有技术相比更高的经济性。此外的任务是，提供一种实施该方法的装置。
上述任务通过权利要求1和9的特征的总和得以解决。对于本发明方法的实质是，窄缝具有连续不变的宽度，窄缝的宽度被如此选择，以便这些相叠安置的焊道分别通过窄缝的整个宽度延伸，并且整个窄缝完全自动地被焊道填满。为此最好是应用具有如此宽度的窄缝，该宽度小于/等于12mm并特别地位于8-12mm的范围内。
本发明方法的一个设计方案的特征在于，该卸载区具有宽度和高度，并且该卸载区的宽度大约计为其高度的3倍。
本发明方法之另一设计方案的特征在于，该窄缝具有高度，该高度计为其宽度的2倍，但至少为12mm。
按照另一个设计方案，对于该WIG-焊接方法应用焊丝，当要被连接的金属件由典型的转子钢构成时，该焊丝的直径计为该窄缝之宽度的十分之一和五分之一之间，但至少为0.8mm和最高为1.2mm。
另一个设计方案的特征在于，该金属件为了该WIG-焊接方法而被预热至增高的温度、最好是高于200℃，并且在焊接时根据预热温度被用140A至300A范围内的电流强度在每分钟50mm至200mm的进给率来处理。
按照本发明方法的另一个设计方案，在该WIG-焊接方法中作为保护气体应用氩或具有最多3％的氢的氩或者具有30-70％最好50％的氩而其余为氦的氩-氦-混合物或者氩-氮-氢-混合物。
还有另一个设计方案的特征在于，要被连接的金属件是旋转对称的，该金属件在焊接期间被上下设置的并且围绕垂直轴线转动，而且为了焊接而应用剑形燃烧器，其被设置为能够在径向上和垂直方向上行进。
用于实施上述方法的本发明装置之特征在于用于该WIG-焊接方法的能够自动定位和工作的构造为窄缝燃烧器的剑形燃烧器(Brennerschwert)，其具有集成的视频系统以用于对焊接进行视频监控。借助该集成的视频系统即能实现窄缝中的自动化焊接。
本发明装置的一个优选设计方案之特征在于，该集成的视频系统包括两个视频单元，在它们之间如此设置该钨电极，从而借助该视频系统能够以光学方式监视钨电极、电弧、熔池、焊丝输送和侧壁浸润(Flankenbenetzung)。其中为了自动的焊丝输送则在剑形燃烧器中集成导丝系统是有优点的。
本发明装置的另一个设计方案之特征在于，该剑形燃烧器具有陶瓷的扁平喷嘴以用于保护气体的输送。最好是该陶瓷的扁平喷嘴被最优化为约81/min的最小保护气体消耗。
特别优选的是，该视频系统被如此安置在陶瓷的扁平喷嘴中，使得保护气体同时应用于视频系统的冷却。
此外对于自动化运行有优点的是，在剑形燃烧器中设置用于确定该剑形燃烧器在窄缝中的位置的装置。优选用于确定剑形燃烧器的位置的装置包括集成的电容和/或激光-测量系统。
本发明装置的另一个设计方案之特征在于，要被连接的金属件是能够围绕垂直轴线转动的并且该剑形燃烧器是能够在垂直方向和径向上自动行进的。
附图说明
下面应该借助具体实施例并结合附图详细地阐述本发明。附图中：
图1以局部剖开的侧视图表明了一个由多个转子盘焊接组成的透平机转子，其中有利地应用了本发明方法；
图2是按照本发明一个具体实施例的用于焊接两个旋转对称金属件的一个强烈简化的装置；
图3以两个局部示图表明了根据本发明的按照图2的设计方案导入窄缝中的剑形燃烧器(图3a)和窄缝下面端部的一个放大的截取部分；
图4以侧视图表明了按照本发明一个具体实施例安装在支承板上的剑形燃烧器，和
图5表明了图4剑形燃烧器的俯视图。
具体实施方式
在本方法中按照图3要被连接的金属件1和2具有窄缝4和定心柱7。这两个金属件1和2首先通过这个定心柱7被相互定位(图3b)。在缝底区域中一个卸载区8被如此结构设置，即在焊接时产生一个额定熔融位置9并且通过窄缝形成的工件侧壁5和6(图3a)借助全自动化钨极惰性气体(WIG)焊接方法通过多层的焊道10被连接，焊道分别通过窄缝4的整个宽度延伸。其中另外可看出这种措施的优点是，窄缝4可被完全自动化地焊接并且因此实现该方法的高度经济性。
这样可制造特别最高质量的焊缝，从而对所连接工件1、2的补充热处理就不需要了。因此这种对于焊接过程而言只可从一侧来接近的部件就能具有特别优点地被相互连接。其中特别符合目的要求的是，应用一个具有宽度b的卸载区域8，该宽度计为其高度c的约3倍(图3b)。依此确保，在焊接时产生的熔焊凹痕(Einbrandkerben)发生于熔道(Durchschmelzraupe)两侧并因此只发生在基本横截面的外部。此外有优点的是，应用(8-12mm宽)的窄缝4，其高度计为其宽度a的两倍，但至少为12mm。因为随着增大的焊缝宽度热注入变得越来越大，故只在这个尺寸设置时能实现，并且最后的焊道10只以一层方式焊接，因此能实现该方法的完全自动化。
最后在该WIG-焊接方法中具有优点是应用这样的焊丝，其直径在典型的转子钢材情况下计为窄缝4之宽度a的五分之一至十分之一，但至少为0.8mm和最高为1.2mm。因此实现可靠的(焊)丝导送和良好的焊接结果。此外按优选方式在该WIG-焊接方法中根据预热温度-其在典型的转子钢材情况下最好是高于200℃-用140-300A范围内的电流强度以50-200mm/每分钟的进给率来处理。最后有优点的是，作为保护气体可应用氩，含最多3％的氢的氩或含30-70％最多50％的氩而其余为氦的氩-氦-混合物或氩-氮-氢(混合物)。因此可以生产质量优异的焊缝。
以该缝概略图(图3)示意表明了通过焊缝区域中要被连接工件1、2的横截面。在该对于焊接而言不可接近的侧面上(例如在中空物件的内侧面，如它们在被焊接转子时出现的那样)，要被连接的金属件1和2相互对接在定心柱7上并且相对被定位。如已描述的，在缝底区域中该卸载区8被如此设置，以便在焊接时产生额定熔透位置9，从而在焊接时可强制实现定心柱7的熔化。因此只在熔道两侧出现熔焊凹痕，同时基本横截面没有熔焊凹痕，这对工件的应力特性产生很有利的作用。
在这个具体实施例中定心柱7具有5mm的高度h，卸载区8具有总共40mm的宽度b和至少12rmn的高度c。基于这个几何结构尺寸设置，可以利用窄容差的焊接数据范围实现该定心柱7的熔化。在窄缝4中具有在这个具体实施例中为9.4mm的宽度a和约12至400mm的高度c的平行工件侧壁5、6的连接则通过全自动化WIG-焊接实现。其中该焊道10从一个工件侧壁5伸至对置的工件侧壁6并且由此分别使两个工件侧壁熔合。当该电弧被一次设置在位的情况下便没有再改变之必要了，因此焊接过程可以自动化运行。在这个WIG-焊接(方法)中如此外已在上面有所提及的那样可应用直径为0.8-1.2mm的焊丝。根据预热温度在50至200mm/每分钟的进给率情况下用140至300A范围内的电流强度实施操作。作为惰性气体则应用氩。理所当然在其他具体实施例中也可以应用由氩并最多3％的氢构成的混合物或者由氬和30-70％的氦构成的混合物，其中在应用相同组分的氩和氦情况下可实现最佳的结果。
本发明方法不仅可以应用在旋转对称物件上而且可以应用在其他厚壁的金属件上、特别是那种只从一侧才可接近的并且在背侧面不可被补焊的工件上，例如由低合金或高合金金属材料构成的板材、管材、盘件和中空圆筒体。该WIG-焊接(方法)可以与埋弧焊(Submerged Arc Welding SAW(埋弧堆焊))组合，其中首先采取WIG焊接并然后将其余的缝用SAW补满焊接。在该SAW区域中使所述缝加宽。此方法包含完整的WIG焊接。
一个优选的应用领域是能量转换机械-转子的制造，该转子由带中空腔或带端面侧环形槽的单个旋转体件组合构成，例如由相同强度或相同壁厚的盘形或中空圆筒形的锻件组合构成。这些锻件首先在“底部区域(Wulzelbereich)”也就是说在定心柱7的区域中垂直地借助上述的WIG-焊接方法相连接。为了其中该转子不发生弯曲，必须具备的是初始接缝的确定的深度。其中这个高度最好是处于其宽度a两倍的范围内并计为至少12mm。
所描述的方法借助具有自动定位、监视所有焊接参数和集成的对该焊接双倍视频监控的窄缝燃烧器来实施。图4表明了从侧面来观看时一个相应的、在支承板18上安装的剑形燃烧器17，其具有一个扁平的、薄细的剑尖部3，借助其该剑形燃烧器17可被导入到窄缝4中(见图3a)。
剑形燃烧器17的燃烧器头或剑尖部被描述在图5的俯视图中。在燃烧器头中集成了两个间隔安置的视频系统13。该钨电极19被定位在两个视频系统13之间。焊丝输送借助导丝系统11被集成在燃烧器头中并被自动化。这样能实现对电弧、钨电极19、熔池、焊丝输送和侧壁浸润的监视。该燃烧器头具有一个陶瓷的扁平喷嘴12以用于保护气体的输送和特定的分配。而且上面提及的以视频系统13集成的双倍视频监控被设置在陶瓷的扁平喷嘴12中。扁平喷嘴12为最小的保护气体消耗而得到优化。与在焊接转子时典型的保护气体消耗为50-60l/min相比较，用所述的扁平喷嘴12约为8l/min的保护气体消耗就足够了。
该燃烧器与焊丝导引(11)以及用于燃烧器冷却的水和保护气体完全地集成。保护气体输送装置16将保护气体导送至焊接处。同时该保护气体还被应用于视频系统13的冷却。
所描述的燃烧器被设置为用于自动化焊接过程中。为此按照图2，要被焊接的转子20之金属件围绕垂直轴线28可转动地得到支承并且燃烧器系统27的剑形燃烧器17被导入到金属件之间的窄缝中。在垂直方向(图2中垂直双箭头)上并且在径向(图2中径向双箭头)上，燃烧器定位借助由集成的电容式测量系统14(用于垂直测量)和集成的激光测量系统15(用于径向测量)构成的组合方案以自动化方式实现。
集成的视频系统13和完全自动化的燃烧器可实现，巨大的蒸汽透平转子和燃气透平转子只用两个焊接器(Schweissern)就可以需要的质量地被焊接。其中可以同时应用两个至四个燃烧器。集成的视频系统13即使在大的焊缝深度情况下也能实现具有很好质量的WIG-窄缝焊接或TIG-窄缝焊接。转子20在焊接时被垂直地定位并且被转动。该燃烧器是位置限定的，但在垂直方向和径向上是可定位和可制导的(图2)。燃烧器的起弧通过一个专门的高频-引弧系统实现，该系统被如此设置，从而对(焊)缝质量或过程自动化不会发生负面影响。在焊接时的电弧长度通过燃烧器系统27中的AVC-系统(电流-电压-调节系统)被自动化地保持恒定。
附图标记清单
1，2-金属件，3-剑尖部(剑形燃烧器)，4-窄缝，5，6-侧壁(工件)，7-定心柱，8-卸载区，9-额定熔透位置，10-焊道，11-导丝系统，12-陶瓷的扁平喷嘴，13-集成的视频系统，14-集成的电容式测量系统，15-集成的激光-测量系统，16-保护气体输送装置，17-剑形燃烧器(具有集成的水冷却)，18-支承板，19-钨电极，20-转子，21...25-转子盘，26-焊缝，27-燃烧器系统，28-轴线，a-宽度(窄缝)，b-宽度(卸载区)，c-高度(卸载区)，h-高度(定心柱)。

Claims (16)

1.借助钨极惰性气体(WIG)焊接工艺将两个金属件(1, 2)连接的方法，其中在第一步骤中首先借助定心柱(7)使这两个要被连接的金属件(1, 2)相互如此定位，从而在它们之间构成窄缝(4)并在缝底区域中产生卸载区(8)，以及在第二步骤中在构成额定熔透位置(9)的情况下通过填充窄缝(4)的焊道(10)使金属件(1, 2)的对窄缝(4)进行限界的侧壁(5, 6)相互连接，其特征在于:
窄缝(4)具有连续不变的宽度(a)，该窄缝(4)的宽度(a)如此选择，以便使这些相叠安置的焊道(10)分别通过窄缝(4)的整个宽度(a)延伸，并且使整个窄缝(4)完全自动化地用焊道(10)填满；
其中，用于WIG-焊接工艺的能够自动定位和工作的构造为窄缝燃烧器的剑形燃烧器(17)，该剑形燃烧器具有集成的视频系统(13)以用于对焊接进行视频监控；
其中，所述集成的视频系统(13)包括两个视频单元，在它们之间如此设置钨电极(19),从而用该视频系统能够以光学方式监视钨电极、电弧、熔池、焊丝输送和侧壁浸润；
其中，该剑形燃烧器具有陶瓷的扁平喷嘴(12)用于保护气体的输送；并且
其中，所述视频系统(13)被如此安置在陶瓷的扁平喷嘴(12)中，使得保护气体同时应用于视频系统(13)的冷却。
2.按权利要求1的方法,其特征在于:
采用具有宽度(a)的窄缝(4)，该宽度(a)小于/等于12 mm。
3.按权利要求2的方法，其特征在于: 所述宽度(a)位于8-12 mm的范围内。
4.按权利要求1的方法，其特征在于: 所述两个金属件(1, 2)是旋转对称的。
5.按权利要求1的方法,其特征在于:
卸载区(8)具有宽度(b)和高度(h)，并且卸载区(8)的宽度(b)大致计为其高度(h)的3倍。
6.按权利要求1至5之一的方法,其特征在于:
窄缝(4)的高度计为其宽度(a)的2倍、但至少为12mm。
7.按权利要求1至5之一的方法,其特征在于:
为该WIG-焊接工艺应用焊丝，当要被连接的金属件(1, 2)由典型的转子钢构成时，该焊丝的直径计为窄缝(4)之宽度(a)的十分之一和五分之一之间，但至少为0.8mm且最髙为1.2mm。
8.按权利要求1至5之一的方法,其特征在于:
金属件(1, 2)为了该WIG-焊接工艺而被预热至增高的温度，并且在焊接时根据预热温度用140A至300A范围内的电流强度在每分钟50mm至200mm的进给率下得到处理。
9.按权利要求8所述的方法,其特征在于: 所述增高的温度为高于200°C。
10.按权利要求1至5之一的方法,其特征在于:
在该WIG-焊接工艺中作为保护气体应用氩或具有最多3%的氢的氩或具有30-70%的氩而其余为氦的氩-氦-混合物或者氩-氮-氢-混合物。
11.按权利要求1至5之一的方法,其特征在于:
要被连接的金属件(1, 2)是旋转对称的，该金属件(1, 2)在焊接期间彼此上下设置并且围绕垂直轴线(28)转动，并且为了焊接而应用剑形燃烧器(17)，该剑形燃烧器被设置为能够在径向和垂直方向上行进。
12.按权利要求1的方法,其特征在于:
为了自动的焊丝输送在剑形燃烧器(17)中集成了导丝系统(11)。
13.按权利要求1的方法,其特征在于:
陶瓷的扁平喷嘴(12)被优化为8 l/min的最小保护气体消耗。
14.按权利要求1的方法,其特征在于:
在剑形燃烧器(17)中设置了用于确定该剑形燃烧器(17)在窄缝(4)中的位置的装置(14, 15)。
15.按权利要求14的方法,其特征在于:
用于确定剑形燃烧器(17)的位置的装置包括集成的电容测量系统和/或激光-测量系统(14或15)。
16.按权利要求1至5、12-15之一的方法,其特征在于:
要被连接的金属件(1,2)能够围绕垂直轴线(28)转动，并且该剑形燃烧器(17)能够在垂直方向和径向上自动行进。
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