CN102413987A - 用来制造门框的方法、门框的焊接设备和结构 - Google Patents

Abstract

用于风力发电机塔架(10)的门框(21)的制造方法、焊接设备及门框结构，其中，在用于门的塔架壳体(10)中制成孔(15)，并且将门框放置在孔中且焊接在壳体上。在该方法中，用测量传感器(40)测量用于壳体的门框的形状以及在待制成的开口(15)处壳体的表面的形状。基于测量对火焰切割器(41)进行控制，从而在壳体中切割出与门框的形状相对应的开口，并且在开口的边缘中在两侧上切割斜面(16、17)。从壳体的内侧和外侧用焊缝(24)，如用双斜边、双J形或平头对接焊缝，将门框(21)焊接在壳体上。

Description

用来制造门框的方法、门框的焊接设备和结构

技术领域

本发明的目的在于一种门框制造方法，其中，在管状壳体(如风力发电机塔架)中制成用于门的开口，并且将门框放在开口中并焊接在壳体上。本发明的目的还在于一种用于门框的焊接设备以及一种门框结构。

背景技术

根据已知方法，将检修门(access door)制成在每个风力发电机塔架的下部中。因为风力发电机塔架的结构经受显著的疲劳-诱导载荷反向(fatigue-inducing load reversal)，所以检修门开口必须加强。在门框与塔架之间的接缝也必须非常坚固，并且每个接缝必须使用无损探伤(NDT)检查。

按照风力发电机的已知制造方法，塔架通常按大的、稍微锥形管的形式布置，并且在壳体中具有厚的材料。这种类型的管的精确制造几乎是不可能的，或者至少没有必要地昂贵。塔架的大尺寸也使加工困难，并且产生加工安全性和部件处理方面的问题。当开口形成在壳体中时，在壳体制造期间形成的应力被释放，从而引起壳体形状的新变形。在这种情况下，在壳体中形成的开口总是不同的。

在风力发电机塔架中形成的门框是已经由厚金属板切割或由金属板折叠成的框架。框架从前面看可具有例如椭圆形状或者具有带椭圆或半圆形端部的平行边缘的侧边。框架的形状总是不准确的，因为由厚材料进行制造很难引起变形。该目的在于实现框架的矩形横截面，但由于横截面的制造误差，其侧面也可能拱起。因而每个框架具有个自的形状。

由于塔架壳体开口和门框是单独的和不准确的，所以当将门框配合在管状塔架的开口中时，不同尺寸的空气间隙形成在开口与门框之间，并且接缝配合变得不必要地不准确。由于误差，空气间隙可能相当大，从而当将门框焊接到塔架壳体上时，使得焊接操作困难。在这种情况下，接缝的根部不可能以足够高的质量焊接，从而使得背刨是必要的(例如通过使用碳刨或通过磨削)，这是费力的和有噪声的操作。在这种情况下，由于不准确的配合和大的间隙，必须通过焊接填充不必要大的体积。由于焊接金属造成的消耗很高，所以很可能会发生焊接误差，在该情况下，用焊接修理制造门框占用很长时间。由于上述问题，风力发电机塔架的制造不顺畅，这意味着制造过程缓慢、占用大量额外的地板空间、以及需要对部件进行不必要的处理。

按照风力发电机制造的已知方法，门框安装操作在管内进行，从而焊工进入管中(该管已经放置在水平位置中用于制造)，使用标准尺寸的模板将管内开口的形状标记在其底部表面上。在这些情况下，不可能考虑框架或管的变形。然后焊工切割出孔，并且通过火焰-切割在开口的边缘中人工地形成斜面。由此斜面仅切割在塔架壳体的表面的一个上，即在管的内表面上，从而形成半-V形坡口，该半-V形坡口向管的内侧张开。在这之后，将门框人工地提升到开口上，将陶瓷背衬放置在管外的接缝下面，并且焊工通过焊接来封闭框架与塔架框架之间的单边V形坡口。在壳体开口的切割、斜面的火焰-切割及单边V形坡口的焊接期间，焊工在塔架管内工作，因而暴露于焊接烟雾。在焊接之后，在相反侧上(即塔架壳体的外侧)进行背刨，例如通过碳弧刨，并且通过焊接封闭根部。

焊接成单边V形坡口的优点是，工作可几乎全部在管内进行，这消除对于脚手架的需要。另一方面，缺点是，当在几乎封闭的空间中工作时，焊接烟雾的抽取可能成为问题。然而，在这种方法中使用的单边V形坡口不是非常有利，因为斜面的焊接体积与例如双斜边坡口的焊接体积相比是双倍的。在单边V形坡口中，在焊接部和基础材料之间的界面也必须彻底磨削，以实现尽可能好的接合。

发明内容

本发明的目的

本发明的目的是提供一种门框制造方法，该门框制造方法消除以上提到的缺点。本发明的另一个目的是提供一种新的门框制造方法，该门框制造方法更准确和更快，并且可自动化。本发明的目的也是提供一种新的门框焊接设备和门框结构，该门框结构以更有利和可靠的方式附接至风力发电机塔架壳体。

根据本发明的方法的特征

根据本发明的门框制造方法的特征在于

-通过测量传感器测量用于管状壳体的门框的形状以及待在壳体中制成的开口处的管状壳体的表面形状，并且

-基于测量对切割装置进行控制，从而通过切割装置(如火焰切割器)在壳体中切割与门框的形状相对应的开口。

根据本发明的方法的实施例

根据本发明的方法的优选实施例的特征在于，基于通过测量传感器进行的测量对切割装置进行控制，以便在切出的开口的边缘中制成斜面。

根据本发明的方法的另一个优选实施例的特征在于，在切出的开口的边缘中在开口的两侧上制成斜面。

根据本发明的方法的第三优选实施例的特征在于，在壳体的内侧和外侧上通过双斜边焊缝、非对称双边V形对接焊缝、双J形焊缝或平头对接焊缝而将门框焊接在管状壳体上。

根据本发明的方法的第四优选实施例的特征在于，利用3D测量传感器的测量数据，以便进行焊接过程的实时监测和控制。

根据本发明的焊接设备

本发明的目的也在于一种用于管状壳体(如风力发电机塔架)的门框的焊接设备。

根据本发明的焊接设备的特征

根据本发明的门框焊接设备的特征在于，焊接设备包括：测量传感器，用来测量门框的形状以及管状壳体的表面的形状；计算机系统，用来确定用于壳体开口的切割路径以及在门框与壳体之间的焊接路径。

根据本发明的焊接设备的实施例

根据本发明的门框焊接设备的优选实施例的特征在于，焊接设备包括计算机系统，以确定壳体开口的斜面角度，从而在壳体与门框之间的焊缝中(如在双斜边、双J形或平头对接焊缝中)填充金属的量基本上是恒定的。

根据本发明的门框焊接设备的另一个优选实施例的特征在于，利用连接至机器人的焊接装置以及连接至机器人的3D测量传感器，以便进行焊接，从而在焊接过程的实时监测和控制中，可利用来自测量传感器的测量数据。

根据本发明的装置

本发明的目的也在于一种用于管状壳体(如风力发电机塔架)的门框结构。

根据本发明的装置的特性

根据本发明的门框结构的特征在于，在壳体与门框之间的焊缝中，基于门框的形状以及管状塔架的表面的形状，已经调整坡口斜面的角度。

根据本发明的装置的实施例

根据本发明的装置的优选实施例的特征在于，在管状壳体与门框之间的焊缝中(如在双斜边、双J形或平头对接焊缝中)，已经调整坡口斜面的角度，从而填充金属的量基本上是恒定的。

附图说明

下面，使用参照附图的例子描述本发明，在附图中：

图1示出了风力发电机塔架的下部部分的侧视图。

图2示出了图1的风力发电机塔架的下部部分的竖向剖视图。

图3示出了图1的风力发电机塔架的下部部分的横截面视图。

图4a-4c示出了门框的各种形状的侧视图。

图5a-5b示出了门框的横截面形状。

图6示出了在已知方法中使用的单边V形对接焊缝的剖视图。

图7示出了门框测量操作的俯视图。

图8示出了在制造阶段中的水平的风力发电机塔架壳体的测量操作的侧视图。

图9示出了从风力发电机塔架壳体的内侧切割门开口。

图10示出了从风力发电机塔架壳体的外侧斜切门开口的边缘。

图11示出了将门框提升在其在风力发电机塔架的管状壳体的开口中的位置中。

图12示出了门框在塔架的管状壳体上的点焊。

图13示出了从内侧将门框焊接在塔架的管状壳体上的第一步骤。

图14示出了从外侧将门框焊接在风力发电机塔架壳体上的第二步骤。

图15示出了门框的双斜边焊缝的剖视图。

具体实施方式

图1示出了风力发电机塔架10的下部部分，该风力发电机塔架10的管状壳体11设有检修门20。检修门20包括门框21，该门框21已经焊接在开口中，该开口制成在风力发电机塔架10的管状壳体11中。

图2示出了风力发电机塔架10的下部部分的竖向剖视图，示出了门框21已经焊接在开口中，该开口形成在塔架10的壳体11的侧面中。

图3示出了风力发电机塔架10的下部部分的横截面视图，它也示出了门框21，该门框21焊接在开口中，该开口制成在塔架10的壳体11中。

图4a-4c示出了门框21的各种形状21a-21c的侧视图。

图5a-5b示出了门框21的横截面形状。在图5a中，横截面的形状是矩形。这使得由横截面造成的变形最小。在图5b中，门框21的横截面是拱形的。在这种情况下，横截面也引起明显的变形。

图6示出了根据已知方法的单边V形对接焊缝23的剖视图，该单边V形对接焊缝23具有大的斜面焊接体积。按该方法，必须进行背刨，因为根部不能用足够高的质量焊接。

图7示出了风力发电机塔架10的门框21，将门框放置在杠杆式升降机的操作平台51上与塔架10的壳体管11相邻，以便进行测量。杠杆式升降机已经放置在与风力发电机塔架10的纵向轴线相垂直的路径52上，从而杠杆式升降机和在其操作平台51上的门框21可在塔架10的壳体11下方运动，如下面描述的那样。

图7也示出了工业机器人30，该工业机器人30在与风力发电机塔架10的纵向轴线相垂直的轨道上运动，该机器人的臂32可在导引导轨33中竖向地运动。连接至机器人30的臂32的端部的测量传感器40由机器人30运动，从而测量传感器40在门框21的测量期间沿门框21的外周缘行进。以这种方式，可以用机器人30和测量传感器40测量门框21的周缘的形状以及门框21沿整个周缘的横截面误差。

连接至机器人30的臂32的测量传感器40可以是实现物体的表面形状在3D空间中的测量的传感器。在这种情况下，它可以是这样一种传感器，即该传感器在2D空间中测量表面轮廓，并且通过用机器人30使传感器沿门框21运动而得到第三尺寸。

图8示出了与图7相对应的装置布置，但在这种情况下，工业机器人30用来测量风力发电机塔架10的管状壳体11的表面，该风力发电机塔架10放置在转动滚轮12上。转动滚轮12可形成一组转动滚轮，这组转动滚轮在机器人30的控制下操作，并且已经根据塔架10的尺寸设计。

在图8中示出的实施例中，机器人30用来测量风力发电机塔架10的管状壳体11的内侧，在该情况下，也有利的是，从壳体11的内侧形成开口15。然而，可选择地，机器人30也可用来测量风力发电机塔架10的管状壳体11的外表面，在该情况下，也有利的是，从壳体11的外侧形成开口15。然而，根据本发明的实施例，与壳体的表面形状的测量相对照，开口15从壳体11的相反的侧制成。这是可能的，因为在表面形状的测量之后，通过考虑壳体11的厚度，可以确定相对侧的表面形状。

在图8中，测量传感器40已经被带到风力发电机塔架10的管状壳体11的内侧，该测量传感器40连接至机器人30的臂32的端部，该管状壳体11在制造期间布置在水平位置中，并且机器人30通过沿壳体11的内表面行进而对用于壳体11的门框进行测量循环。

基于在图7中示出的门框21的测量，在计算机应用装置中，计算待测量的路径并且自动地创建机器人运动路径程序。计算机应用装置也基于在图7和8中进行的测量来计算用于开口的切割路径。当切割用于门框的开口时，基于经验的信息用来确定塔架10的壳体11的变形。选择切割角度，从而待被焊接的坡口的体积具有希望尺寸。

使需要的填充金属的量最小，从而坡口角度在各方面尽可能的小。填充金属的沉积必须被调整，以适应不同的焊点，从而接缝可填充有恒定数量的焊接层。

恒定量的填充金属通过调整坡口角度而实现，从而下部接缝具有较浅斜面角，在该情况下，接缝可焊接成使得填充金属的沉积保持恒定。焊接过程在任何情况下沿整条焊缝需要调整，因为由于待焊接的区域的鞍形表面，焊接位置自始至终都在变化，该鞍形表面由管状壳体的拱起形状生成。

图9示出了在风力发电机塔架10的管状壳体11中用于门框21的开口15的制造。在制造开口15之前，将组合的抽吸台和格栅18带到在壳体11下方的切割区域，以抽吸当切割开口15时产生的焊接烟雾和废金属，该组合的抽吸台和格栅18在与风力发电机塔架10的纵向轴线相垂直的轨道52上运动。

在图9中示出的实施例中，使用切割装置41(如等离子火焰)从内侧按几个步骤切割开口15，该切割装置41连接至机器30的臂32的端部。在这种情况下，首先从壳体11的内侧进行粗切割，由此释放壳体11的应力，在此之后，进行最终切割路径的控制测量和计算。在这之后，沿待形成的焊缝的钝边进行开口切割，并且最后在开口15的边缘中形成斜面16，该斜面16在壳体的内侧上张开。在这个阶段也可从壳体11的内侧形成开口15的边缘的斜面17，该斜面17在壳体11的外侧上张开，但在示出的实施例中，它从外侧形成。在切割开口15并且形成斜面16之后(该斜面16在壳体的内侧上张开)，将焊接烟雾抽吸台和废料除去格栅16沿轨道52驱动到塔架10的壳体11的侧面，并且除去松散废金属。

在图9中示出的情况中，在外侧上还没有形成开口15的边缘的斜面17的场合，将塔架10的管状壳体11在滚轮12上转动到在图10中示出的位置，从而在壳体11中切割的开口15位于顶部上。在这种情况下，在图9中示出的阶段中使用切割装置41(如等离子火焰)在塔架10的管状壳体11中切割的门开口15的边缘上制成在壳体11的外侧上张开的斜面17，该切割装置41连接至机器30的臂32的端部。

在图10中示出的位置中从顶部形成开口15的边缘的外侧斜面17的场合，将塔架10的管状壳体11在滚轮12上进一步转动，从而在壳体11中切割的开口15再次位于图11中示出的位置中的下部位置中。

以上描述的本发明的可选择实施例示出了可以从内侧或从外侧测量塔架10的管状壳体11的表面形状。由于在壳体11中待形成的开口15的尺寸，也可与测量方法无关地从壳体的两侧中的任一侧确定，所以开口15由此也可从壳体的内侧或外侧形成。而且，两个斜面16和17或它们的仅一个可在一次操作中并且从与开口15相同的侧形成，或者，一旦已经形成开口15，就将塔架10的管状壳体11转动到用来形成斜面16和17或它们的任一个的适当位置中。

当在风力发电机塔架10的壳体11中已经形成开口15和斜面16和17时，使用杠杆式升降机50的操作平台51(该杠杆式升降机50在与风力发电机塔架10的纵向轴线相垂直的轨道52上运动)将用于壳体11的门框21运动到壳体11下方，并且使用杠杆式升降机50的平台51而将门框21提升到其在开口15中的位置中。根据本发明的可选择实施例，门框21也可用升降机提升到塔架10的壳体11的顶部上，并且在旋转壳体11从而将开口15定位在壳体11的顶部上时被放置在开口15中的位置中。

如以上描述的那样，在壳体11处于图9中示出的位置中时，壳体11的开口15的边缘的斜面16和17可在一次操作中形成，或者从而通过将开口15转动到在图10中示出的顶部位置中而形成外侧斜面17。根据该情况选择要使用的方法。当转动壳体11时外侧斜面17较容易形成，但将壳体11保持在原位使得可以避免由于转动造成的壳体11的任何潜在变形，甚至是很小变形。

在图12中，门框21已经提升到壳体11的开口15中，并且用点焊焊缝22将其点焊到位，这些点焊焊缝22手动地完成。在这之后，测量传感器40(它连接至机器人30的臂32的端部)用3D测量传感器40从塔架10的壳体11的内侧沿整条接缝测量实际坡口的几何形状。基于测量数据，计算机应用装置计算用于机器人30的焊接路径。对于坡口的每个焊点已经分别地调整焊接参数和在切割期间使用的切割火焰角度。坡口面的长度变化，因为焊缝高度在门框21的侧面比在门框21的顶部和底部位置处大。

图13示出了这样一种情形：其中，焊接装置42(它连接至机器人30的臂32的端部)通过利用为这种用途优化的焊接电源的脉冲形状和焊接参数，来从塔架10的管状壳体11的内侧焊接封底焊道(sealing run)，以实现无缺陷焊缝根部。测量传感器40也可同时连接至机器人30的臂32的端部上，在该情况下，利用来自3D传感器的测量数据，以便进行焊接过程的实时监测和控制。在封底焊道的焊接期间，测量传感器40(它连接至机器人30的臂32的端部)或机器人30将在焊接中使用的实际机器人路径记录在其自己的存储器中。因而路径保存在机器人30的存储器中，或者用测量传感器40保存在测量系统的存储器中。

焊接装置42(它连接至机器人30的臂32的端部)使用以以上描述的方式计算的焊接参数和焊接装置位置来焊接填充焊道(fill run)。焊接方法可以是例如MAG、串联MAG或潜弧焊(SAW)。对于各个层分别确定的以前记录实际封底焊道路径和相对于封底焊道的火焰角度和移动，可用来校正计算的焊接路径。

在图14中，已经使用转动滚轮12将塔架10的壳体11再次旋转，从而门框21处于壳体11的最高点处。在这之后，连接至机器人30的3D测量传感器40测量门框21的实际位置以及在塔架10外侧待焊接的焊缝的坡口体积。计算机应用装置计算用于机器人30的焊接路径。对于坡口的每个焊点已经分别地调整焊接参数和火焰角度。

在这之后，焊接装置42(它连接至机器人30的臂32的端部)从塔架10的管状壳体11的外侧焊接封底焊道，如图14所示。利用连接至机器人30的臂32上的3D测量传感器的测量数据，以便焊接过程的实时监测和控制。在封底焊道的焊接期间，连接至机器人30的测量传感器40将在焊接中使用的实际机器人路径记录在其自己的存储器中。

连接至机器人30的焊接装置42使用例如MAG焊、串联MAG焊或潜弧焊(SAW)并借助于以上计算的焊接参数和火焰位置，焊接填充焊缝。记录的实际封底焊道路径可用来校正计算的焊接路径。最后，切割装置41(如等离子火焰、或连接至机器人30的焊接装置42)可使用TIG或等离子过程通过熔融基础金属和焊接金属的边缘，以使它在塔架壳体11的内侧和外侧上都平滑，而可完成成品或焊缝边缘。

图15示出了双斜边对接焊缝24的剖视图，根据本发明，使用该双斜边对接焊缝24用于将门框21焊接在塔架10的壳体11上。在双斜边对接焊缝24中，焊接体积基本上比在单边V形坡口中小，并且不像在单边V形坡口的情况下那样存在对于背刨的需要。

另外的说明

对于本领域的技术人员显然的是，在下面呈现的权利要求书的范围内，本发明的不同实施例可以变化。

附图标记清单

10塔架

11壳体

12滚轮或滚轮组

15开口

16在内侧上的斜面

17在外侧上的斜面

18格栅

20检修门

21门框

22点焊焊缝

23单边V形对接焊缝

24双斜边焊缝

30机器人

31轨道

32臂

33导引导轨

40测量传感器

41切割装置

42焊接装置

50杠杆式升降机

51操作平台

52路径

Claims (10)

1.门框(21)的制造方法，其中，在如风力发电机塔架(10)的管状壳体(11)中制成用于门的孔(15)，并且将所述门框(21)放置在所述孔中且焊接在所述壳体上，其特征在于

-通过测量传感器(40)测量用于所述管状壳体(11)的所述门框(21)的形状以及将要在所述壳体中制成的所述开口(15)处的所述管状壳体的表面形状，以及

-基于测量对切割装置(41)进行控制，从而通过如火焰切割器的所述切割装置在壳体(11)中切割与所述门框(21)的形状相对应的开口(15)。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，基于通过所述测量传感器(40)进行的测量来控制所述切割装置(41)，以便在切出的开口(15)的边缘中制成斜面(16、17)。

3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，在切出的开口(15)的两侧上的所述开口的边缘中制成所述斜面(16、17)。

4.根据权利要求1、2或3所述的制造方法，其特征在于，从所述壳体的内侧和外侧通过双斜边焊缝、非对称双V形对接焊缝、双J形焊缝或平头对接焊缝而将所述门框(21)焊接在所述管状壳体(11)上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制造方法，其特征在于，利用3D测量传感器(40)的测量数据，以便进行焊接过程的实时监测和控制。

6.用于如风力发电机塔架(10)的管状壳体(11)的门框的焊接设备，其特征在于，所述焊接设备包括：测量传感器(40)，所述测量传感器用来测量门框(21)的形状以及所述管状壳体(11)的表面形状；计算机系统，所述计算机系统用来确定用于壳体开口(15)的切割路径以及在所述门框与壳体之间的焊接路径。

7.根据权利要求6所述的焊接设备，其特征在于，所述焊接设备包括计算机系统，以便确定所述壳体(11)的所述开口(15)的所述斜面(16、17)的角度，从而在所述壳体与所述门框之间的焊缝(24)中，如在双斜边、双J形或平头对接焊缝中，填充金属的量基本上是恒定的。

8.根据权利要求6或7所述的焊接设备，其特征在于，使用连接至机器人(30)的焊接装置(42)以及连接至所述机器人的3D测量传感器(40)以便进行焊接，从而能够在焊接过程的实时监测和控制中利用来自测量传感器的测量数据。

9.用于如风力发电机塔架(10)的管状壳体(11)的门框(21)结构，其特征在于，在壳体(11)与门框(21)之间的焊缝(24)中，已经基于所述门框的形状以及所述塔架的所述管状壳体的表面的形状调整坡口斜面(16、17)的角度。

10.根据权利要求9所述的门框(21)结构，其特征在于，在所述管状壳体(11)与所述门框(21)之间的所述焊缝(24)中，如在双斜面、双J形或平头对接焊缝中，已经调整所述坡口斜面(16、17)的角度，从而填充金属的量基本上是恒定的。

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