CN103097071B - 用于借助于电子束焊接将两个棒在端侧连接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于电子束焊接在焊接部位（WP）上将第一棒（B1）与第二棒（B2）在端侧连接的方法，其特征在于以下步骤：-将两个棒（B1，B2）沿着纵轴线（X）相互定向，-放置套筒（SL），所述套筒在关于纵轴线（X）的周向方向上包围焊接部位（WP），-在焊接部位（WP）上借助于电子束焊接进行焊接，其中沿着相对于套筒（SL）的表面（SF）的行进方向（PD）并且沿着焊接部位（WP）引导电子束焊接设备（EBA），-去除所述套筒（SL）。

Description

用于借助于电子束焊接将两个棒在端侧连接的方法
技术领域
本发明涉及一种借助于电子束焊接将第一棒与第二棒在端侧上连接的方法。
背景技术
尤其在生产用于涡轮机、例如用于涡轮增压机、蒸汽轮机或燃气轮机的轴时，通常将轴工件在端侧上相互对接地焊接，其方式在于通过借助于电子束焊接设备在没有其他的填料的情况下将两个相对的棒工件在相互连接的端部的区域中借助于进入到接合部中的电子束转化成熔化物，其中所述熔化物在冷却之后生成连接部。在轴中或其他的棒材料中的电子束焊接的径向焊缝的主要困难在于制成无缺陷的焊缝起端和焊缝终端。焊缝起端理解成电子束的穿入区域并且焊缝终端理解成电子束从材料中的穿出区域。对材料微观结构的同质性的其他干扰由于在不同的焊接过程期间已经焊好的焊缝与电子束的作用区域重叠时在材料中可能出现的过焊而产生。附加的困难在轴直径较小或棒厚度较小时由于部件中部区域中的热积聚而产生，由此在焊接连接的重叠区域和穿出区域中的无缺陷的焊接是不可能的。
即便最耗费的先进的电子束控制也不能够完全地禁止上述的焊接缺陷。
发明内容
基于现有技术的上述问题和缺点，本发明实现下述目的，在对电子束的控制没有额外变得更复杂的情况下，改进开始时描述的焊接的质量。
US 4,063,062描述了一种传统的对圆形的轴部段在端侧上的相互的电子束焊接，其中穿入区域和穿出区域妨碍了焊接的同质性。
为了解决该问题，根据本发明提出一种在用于借助于电子束焊接在焊接部位上将第一棒与第二棒在端侧连接的方法，所述方法包括以下步骤：使两个所述棒沿着纵轴线相互定向，放置套筒，所述套筒在关于所述纵轴线的周向方向上包围所述焊接部位，在所述焊接部位上借助于电子束焊接进行焊接，其中对电子束焊接设备进行导向移动，使电子束沿着相对于所述套筒的表面的前进方向并且沿着所述焊接部位，其中引导所述电子束，使得所述电子束的穿入区域和穿出区域设置在所述第一棒和所述第二棒的实际待接合的材料之外，去除所述套筒。下文包含本发明的有利的改进形式。
根据本发明的借助于套筒对要连接的棒的两个相互连接的端部的接合区的包围能够实现将电子束的穿入区域和穿出区域设置在实际待接合的材料之外。与此相应地，在实际待连接的部件的接合区中获得完全均质的材料微观结构。此外，根据本发明的方法与现有技术的不同之处在于，并不是如同实际所追求的那样将两个组件相互连接，而是相反地将三个组件通过电子束焊接相互连接。
适当地，套筒具有匹配于棒在焊接部位区域中的外轮廓的内轮廓。为了阻止从套筒到棒的两个相互连接的端部上的材料过渡部的类似于穿入或穿出的效果，相对于两个棒端部形成匹配于套筒适宜的是在关于直径为+/-0.1mm的误差范围中。此外，有意义的是，套筒具有接合部，所述接合部设置成，使得套筒能够围绕棒的轮廓放置。这在横截面为圆形时例如是下述情况，套筒的两部分分别具有在横截面中作为凹部的半圆。两件式的或多件式的套筒机械地、通过临时点焊或通过焊接环保持在一起。为了简单操作，套筒能够具有矩形的外横截面。矩形的外横截面此外具有下述优点，在电子束设备的行进方向平行于套筒的表面时，假设电子束的穿透深度是恒定的，在焊接部位上出现同质的材料微观结构。适当地，套筒在接合区的区域中由与两个待相互接合的棒至少在焊接区域中相同的材料制成，使得三个参与的部件之间的可能出现的材料过渡部实现接合区或焊接部位的区域中的均质的材料微观结构。以所述方式，通过因此作为填料提供的套筒材料，对例如由于在要相互连接的两个棒端部的区域中保持为最小的轴向间隙而在接合区中可能出现的材料缺乏进行补偿。
套筒的去除优选地以切削的方式进行，在轴的情况下简单地通过过度扭转焊接部位来进行。
在沿着焊接设备的行进方向的轴直径或厚度分布小于电子束的最大焊接深度时，能够通过沿着焊接部位的简单的从左向右或反向的电子束控制将电子束导向轴横截面或棒横截面。以所述方式，当套筒材料在电子束穿透深度方向上相应地构成为足够厚时，电子束始终保持在套筒材料中。根据本发明，穿入区域和穿出区域能够选则成是非常短的，这是因为在此出现的焊接缺陷在焊接之后被机械加工。与此相应地，在不考虑焊接缺陷的情况下，能够在套筒材料中对电子束进行控制。当小的轴直径小于电子束的最大焊接深度时得出下述附加的优点，出于焊缝原因不可避免的小的焊接缺陷、即所谓的尖刺(尖的熔化物突起)仅存在于套筒材料中，并且同样也在对棒或轴的最后加工时被机械地去除。
如果轴直径大于最大的焊接深度，那么直到大约相应于电子束的最大焊接深度的轴半径，能够通过对两侧的焊接来执行连接焊接。所述两侧优选地直接地相互对置，使得在沿着第一行进方向从第一侧进行焊接时的电子束的穿透顶端或者说焊接深度和在沿着第二行进方向进行焊接时的穿透深度或者说焊接深度之间至少存在最小重叠。
在轴半径超过能够借助于电子束设备达到的最大焊接深度的更大的轴直径的情况下，能够适当的是，电子束在焊接期间不仅从两个对置侧、而且也从套筒的倾斜于所述两个对置侧设置的侧穿透到工件中，或者电子束在横截面为矩形的情况下同时或依次地从套筒的全部四侧的表面穿透到工件中。
待连接的工件的轴横截面或棒横截面能够是圆形的、椭圆形的、三角形的、正方形的、矩形的、六角形的或此外例如为多角形的。侧凹或凹形的轮廓同样也是可能的。原则上，借助于根据本发明的方法能够连接任意的棒轮廓。
附图说明
在下文中参照附图根据具体的实施例详细地描述本发明。示出了：
图1-3为了阐明根据本发明的方法分别示出了贯穿具有在两个棒的连接部位上的根据本发明的套筒的根据本发明的棒的横截面，
图4示出贯穿由两个棒和套筒以及电子束焊接设备组成的构造的纵截面。
具体实施方式
图4示出贯穿根据本发明的套筒SL的纵剖面图，所述套筒围绕在两个在端侧相互对接连接的棒、即第一棒B1和第二棒B2的接合部位设置。在两个棒B1、B2之间存在非常狭窄的接缝SG，所述接缝具有在不可避免的误差范围内的尺寸。非常狭窄的接缝SG在棒B1、B2之间的端面接触部的区域中降低到直至0的宽度。两个棒B1、B2都沿着共同的纵轴线X延伸并且彼此同轴地定向。关于纵轴线X径向地设置电子束焊接设备EBA，所述电子束焊接设备将电子束EB径向地发射到狭窄的接缝SG的区域上，并且以所述方式在所述焊接部位WP上借助于熔化连接两个棒B1、B2。
图1至3分别示出棒B1、B2的不同直径D和与之关联的不同的根据本发明的焊接方法的实施方案。棒B1、B2的直径D在图1的图示中小于电子束EB沿着电子束焊接设备EBA的第一行进方向PD1的最大焊接深度WD。对根据本发明的焊接方法的选择而言决定性的是棒B1、B2的横截面的例如在图1中示出的沿着第一行进方向PD1的或沿着在图2和3中的焊接部位WP的区域中其他行进方向PD1、PD2、PD3、PD4的棒厚度分布DT的最大厚度T。在圆形横截面的情况下，例如在图1至3中示出的，最大厚度T等于棒B1、B2的直径D。
在根据本发明的方法的第一步骤中，两个棒B1、B2沿着纵轴线X相互定向。随后，两件式的套筒SL围绕棒B1、B2的接合部位或焊接部位WP放置，使得套筒SL在关于纵轴线X的周向方向上包围焊接部位WP。随后，借助于沿着行进方向PD1-PD4移动的电子束焊接设备EBA，沿着套筒SL的表面SF进行在图1至3中示出的电子束焊接。替代电子束焊接设备EBA沿着套筒SL的表面SF的移动，在本发明的范围中也可使待接合的组件自身(棒B1、B2)相对于电子束EB移动。在此，仅待接合的组件和电子束焊接设备EBA之间的相对移动是决定性的。最后，借助于机械切削的方法、例如通过车削或铣削将套筒SL从棒B1、B2去除。
套筒具有矩形的外横截面并且具有接合部TF，所述接合部设置成使得套筒SL能够围绕棒B1、B2放置。在图1中示出如下情况，电子束EB的焊接深度WD大于棒B1、B2的直径D或大于棒B1、B2的沿着在第一行进方向PD1上的厚度分布DT的棒最大厚度T。与此相应地，一次性经过由两个棒B1、B2和套筒SL组成的构造就足以通过焊接将棒完全相互连接。套筒SL的与两个棒B1、B2的材料相同的材料能够以少量充当用于填充焊缝区域中的缺陷部位的填料。
图2示出电子束EB的最大穿透深度WD小于棒B1、B2沿着第一行进方向PD1的棒最大厚度T却大于所述最大厚度T的一半或者说直径D的一半的情况，因为其涉及圆形的横截面。与此相应地，将工件以在图2中示出的方式以两个步骤借助于电子束EB焊接。在第一步骤中，电子束焊接设备EBA(或组件在电子束EB下移动)沿着第一行进方向PD1沿着焊接部位WP和套筒SL的表面SF行进，并且在第二步骤中电子束焊接设备EBA(或组件在电子束EB下移动)沿逆平行的第二行进方向PD2在构成矩形的套筒SL的对置的侧上同样也平行于表面SF行进，使得在第一焊接行程和第二焊接行程之间发生重叠。
在图3中示出的实施例中，圆形棒B1、B2的最大厚度T或直径D大于电子束EB的最大焊接深度WD的两倍，并且与此相应地以四个步骤进行焊接，其中所述步骤的不同之处分别在于其电子束焊接设备EBA的不同行进方向PD1-PD4和电子束EB在焊接部位WP的平面中的不同的定向。在图3的具体实例中涉及分别平行于套筒SL的相应的平坦表面部段定向的四个相互垂直定向的行进方向。

Claims (9)

1.用于借助于电子束焊接在焊接部位(WP)上将第一棒(B1)与第二棒(B2)在端侧连接的方法，其特征在于包括以下步骤：
-使两个所述棒(B1，B2)沿着纵轴线(X)相互定向，
-放置套筒(SL)，所述套筒在关于所述纵轴线(X)的周向方向上包围所述焊接部位(WP)，
-在所述焊接部位(WP)上借助于电子束焊接进行焊接，其中对电子束焊接设备(EBA)进行导向移动，使电子束(EB)沿着相对于所述套筒(SL)的表面(SF)的前进方向(PD)并且沿着所述焊接部位(WP)，
其中引导所述电子束，使得所述电子束的穿入区域和穿出区域设置在所述第一棒(B1)和所述第二棒(B2)的实际待接合的材料之外，
-去除所述套筒(SL)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中所述套筒(SL)匹配于所述棒(B1，B2)在所述焊接部位(WP)的区域中的外轮廓。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中所述套筒(SL)具有矩形的外轮廓。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其中以切削的方式去除所述套筒(SL)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其中所述电子束(EB)的垂直于电子束焊接设备(EBA)的第一行进方向(PD1)沿着所述焊接部位(WP)的最大预期的焊接深度(WD)大于所述棒(B1、B2)在所述焊接部位(WP)的区域中沿着在所述电子束焊接设备(EBA)的所述第一行进方向(PD1)上的厚度分布(DT)的最大厚度(T)，并且所述电子束焊接设备(EBA)沿着所述第一行进方向(PD1)以所述电子束(EB)在第一端部(E1)上进入到所述套筒(SL)的材料中并且在第二端部(E2)上从所述套筒(SL)的材料离开。
6.根据权利要求1或2所述的方法，
其中所述电子束(EB)的垂直于电子束焊接设备(EBA)的第一行进方向(PD1)沿着所述焊接部位(WP)的最大焊接深度小于所述棒(B1，B2)沿着所述电子束焊接设备(EBA)的所述第一行进方向(PD1)的厚度分布(DT)的最大厚度(T)，并且所述电子束(EB)在第一端部(E1)上进入到所述套筒(SL)的材料中并且在第二端部(E2)上从所述套筒(SL)的材料离开，其中沿着相对于所述表面(SF)的第二行进方向(PD2)在所述套筒(SL)的对置侧上在所述焊接部位(WP)上引导所述电子束焊接设备(EBA)，使得所述电子束(EB)在第三端部上进入到所述套筒(SL)的材料中并且在第四端部上从所述套筒(SL)的材料离开。
7.根据权利要求6所述的方法，
其中所述第一行进方向(PD1)平行于所述第二行进方向(PD2)。
8.根据权利要求6所述的方法，
其中所述第一行进方向(PD1)逆平行于所述第二行进方向(PD2)。
9.根据权利要求6所述的方法，
其中将所述电子束焊接设备(EBA)从所述套筒(SL)的多个平坦侧沿着所述焊接部位(WP)沿着不同的相对于所述表面(SF)的行进方向在所述表面(SF)上引导，使得所述电子束(EB)在一个端部上进入到所述套筒(SL)的材料中并且在另一个端部上从所述套筒(SL)的材料离开。
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