CN103658989A - 激光-管焊接 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光-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。

Description

激光-管焊接
技术领域
本发明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。
背景技术
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-Rohrenschweißen bei Rohrbündel-Apparaten" (Produktionstechnik in der Wärmeübertragerfertigung, PP Publico Publications，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EN 1011-2:2001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DE 196 37 465 C1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DE 196 37 465 C1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EP 1 157 753 A1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、JP60046890A或EP0933159A1中说明了在使用激光焊接时的相应的方法。在此，激光焊接头位于固定的位置处。窄的板条被引导通过多个变形级并且在那里管形地弯曲。最后，将板条的侧面无隙地按压到彼此处且接下来利用激光相互焊接。在焊接过程本身之前进行电阻或感应预热。由此支持了变形或焊接过程，并且在所需的激光功率降低的同时避免了硬化。
在文件JP3291176A中所说明的方法特别针对制造由不锈的铁素体钢来制造管，该钢在加强热输入时倾向于组织结果的粗糙化。预热温度被限制到在200℃与600℃之间的范围上。利用该方法可实现高焊接速度。
文件JP60046890A的目标在于减小激光功率并且因此提出在大约1000℃的高预热温度。
文件EP0933159A1研究了预热温度对焊接速度的影响。以制造用于da=508mm, s=12.7mm的管的纵缝和20kW的激光功率为例，由此可达到在大约3.5与7.0m/min之间的焊接速度。
在文件DE 100 47 492 A1中提出了一种用于电弧焊接和滚缝焊接(Rollennahtschweißen)的感应预热。介绍了一种在使用感应器的情况下带有局部感应的预热的用于焊接金属材料的方法和装置，感应器根据待连接的材料的物理和几何特性特别匹配于预热、例如用于对接焊缝(Stumpfnaht)。感应器具有带有大约9至23kHz的频率的15至30kW的功率。在此持续地测量在感应预热的区域中的温度，由此根据焊接速度vs始终存在相同的情况。
从文件DE 102 55 978 A1中已知一种与将管焊接到管束设备的栅极管底(Gitterrohrboden)中相联系的激光焊接方法。这里介绍了一种用于换热器的栅极管底。在此，栅极板负责硬的管底并且由此减轻换热器管的负担。通过使用加强的栅极板，管底自身可相当薄地来实施。利用激光和/或电子束焊接设备以焊透的对接焊缝实现锚栓和换热器管的焊接。通过该方法并且通过省去焊接辅助器件仅产生非常小的热应力。未介绍焊接装置的细节。不发生热处理。
感应器自身可多样地来构造。例如在文件US2477118中说明了一种用于加热在管与法兰之间的焊点的带有单圈线圈的简单的被冷却的感应器。在两个导电体联接到线圈处的部位处的无中断的涡旋场应由此来实现，即供电导线小于线圈的最大宽度。
文件US2456091示出了一种类似的用于加热一个或多个并排的工件的带有侧向供电部的感应器。该感应器具有可更换的带有不同的净内轮廓的内部元件。
在文件US4698473中示出了以单圈或双圈实施的带有耐火的内衬的冷却的感应器。优选地，衬垫材料是钼或钨。
在文件US3612805中说明了一种带有内部的冷却通道的内部的感应加热部的特别的实施方案。在此，冷却通道的面对材料的侧面仅由导电的材料来实施，其它的壁由塑料构成。由此提高了感应器的效率。
感应器的线圈的圈必须始终互相电绝缘，由此不引起短路电流。由此在线圈的单圈的实施方案中在线圈的开始部与结束部之间产生间隙。在该间隙处，感应功率略微减小。文件CH316946在用于高频感应加热的板形感应器中由此解决了该问题，即感应器的包围工件孔的框架形的部分在供给导体(Zufuehrungsleiter)的联接部位处具有两个相叠的部分并且这些部分中的至少一个具有局部变窄的横截面。
在文件DE2160694A1中示出了两件式的实施方案。这两个部件的间隙在那里可通过相叠的区段来消除。
Zinn Stanley; Semiatin S. L的文章“Coil design and fabrication”(HEAT TREATING；第一部分，1988年6月，第32-36页；第二部分，1988年8月，第29-32页；第三部分，1988年10月，第39-41页)给出了感应器的不同方面的概述。
在焊接小的工件时焊接装置大多是静止的并且工件被运输至焊接部位处且又运离，而这在大型管束设备的制造中不再可能。在此，待加工的管底位于固定的位置处并且焊接头在较大的加工区域内的粗定位的范围中必须被驶至相应的焊接部位。对于该目的，CNC控制的机床证明是有效的。由于其定位的高重复精度，常常使用带有可水平和竖直行驶的滑座的笛卡尔龙门系统(Portalsystem)。
对于笛卡尔龙门系统的示例在文件DE 26 20 406 A1中公开。其包括用于将管插入大型换热设备的管底中的装配装置。在此，插入装置布置在固定在管底处的十字滑座组件(Kreuzschlittenanordnung)处，其在其方面利用胀开芯棒(Spreizdorn)固定在管底的空的洞处。在手动地将插入装置移动到工作位置处之后，利用定位螺栓来固定该位置。
文件US4643247示出了一种带有用于移除和再插入各个管的装置的固定在管底的边缘处的龙门系统。
在文件EP0172435A1中介绍了一种用于在相对小的管束设备中用于管焊接的多功能机床。其包括位置固定的龙门式的机器框架，它带有具有多个独立控制的用于铣削、扩大、焊接和压轧的工具的工具架。在管底加工之后，工具架驶向一侧，管束设备在轨道上驶过工具架，工具架驶回到其初始位置处并且向管束设备的另一侧旋转，在那里其现在被加工。工具架可在管底的整个横截面上行驶。
为了实现对于产生钥匙孔必要的能量密度，激光焊接束通常被强烈聚焦，从而在自动运动装置方面必须要求极高的定位精度，以保证相同的焊缝质量。在考虑在必需的焊缝深度处在激光焊接时通常仅0.25mm的缝宽的情况下，焊缝公差不应超过0.1mm的值。该要求需要激光束的合适的自动定位和引导。为此提供带有±0.005至±0.02mm的通常的定位精度的笛卡尔的CNC控制的机床。该方式前提是，在焊接过程之前必须相应于分别存在的接合部精确地来测定相应的焊接轨迹(Schweissbahn)。尤其在管底中的孔大约0.6mm的最大制造公差的背景下，仅根据预设的钻孔图(Bohrbild)的名义尺寸将焊接头定位到孔轴上是不够的。
在粗定位的范围中测定正确的焊接部位之后并且在焊接头差不多正确地于此定位之后，焊接头还必须被带到与管底成正确的间距上，因为在具有数米直径的管底中不能以理想的平整度为前提而可能出现局部的偏差。在下一步骤中需要将焊接头精聚焦到管轴上。紧接着，必须确定焊接轨迹。
现在对于在待利用激光束焊接到管底中的管中准备焊缝存在特别性。对于激光焊接，管的无隙压轧是理想的焊缝准备。此外，管外壁和在管底中的孔的面在接触区域中必须干净且无油。此外，接触面尽可能光滑，也就是说，其应具有仅较小的粗糙度。在压轧之后，应铣平和磨削带有管底的管超出部(Rohrueberstand)。这样的准备提供最好的保护免于以嵌入物或气孔的形式的焊接缺陷。然而在该状态中，管底面如金属般光洁。在干净地实施的预加工中，几乎还不能感知管外直径的轮廓并且对于任何轮廓尺寸不再可作为用于焊接轨迹的基础。此外，激光焊缝的缝宽小于孔的通常的公差宽度。当将激光束定位到公称值上时，因此不再保证可靠地击中接合部。
例如，文件JP59050986A以可探测的间隙轮廓的存在为前提。在此介绍了一种可平行于管底行驶的带有中央的、固定地安装的激光发生器的龙门系统。该激光发生器利用转向镜将激光束引导至位于十字滑座处的焊接头。该焊接头具有围绕轴线旋转的镜系统，因此产生圆形的焊接轨迹。在此，该焊接轨迹的半径可变化。利用半透的镜子从激光束中将信号引至评估装置。它扫描管外直径的轮廓、测定管轴线并且将焊接头对准其。在焊接过程期间，使激光束跟随管外直径的轮廓。
文件JP11347762A介绍了一种焊接头，利用其将激光束分成两束。在将管焊入管底中时，在一工序中利用一束执行主焊接而利用另一焦距的第二束执行辅助焊接，其使管的内棱边倒圆。
在文件DE 100 10 574 A1中说明了一种带有躺着的工件和可水平行驶的十字滑座的激光加工机床。利用第一定位单元使工具架线性运动而利用第二定位单元使工具架在极坐标中运动，以此还可产生圆形的轮廓。
在文件EP 0 917 004 A2中显示了用于加工平的竖立的工件的另一龙门机床。在此利用配重来减轻工具架的重量。
文件DE 10 2007 027 377 A1涉及一种用于利用激光束在使用自动跟随系统的情况下产生圆形的焊接轨迹的装置和方法。相应的装置具有光学测量系统，其一起使用加工镜头(Bearbeitungsoptik)。利用至少两个光束来扫描工件表面、确定接合位置并且使加工激光束跟随该位置。楔形炫目镜(Keiltaumelspiegel)(利用其可来引导任意的、例如也是圆形的焊接轨迹)集成到镜头中。在该装置中紧凑的结构方式是有利的。为了引导光束使唯一一个集成在镜头中的镜子运动，不必移动质量。然而受结构限制，射在工件上的激光束总是与理想的垂直入射角具有较小的偏差。例如在文件DE 10 2006 004 919 A1、EP 2 062 674 A1、DE 10 2008 056 695 A1或DE 10 2009 057 209 A1中说明了类似的在使用外部投影仪的情况下的定位装置。
当在根据文件DE 10 2007 027 377 A1的装置中测量光束垂直入射时，然而可能发生的是，不能可靠地识别轮廓。在该意义中，根据文件JP 7051869 A的装置提供了改进方案。在此，利用两个灯从不同方向照射接合部。由此即使在小的突起或凹部中也产生相应的明亮的区域或可被图像处理系统良好地识别出的阴影。
在文件EP 1 153 695 A1中使用了另一原理。在此利用多个激光束扫描工件。图像评估系统过滤所反射的光的一定的波长。在此，在工件中的轮廓、例如接合部具有特别的特征并且由此可被识别。
对于利用粉末状的附加材料的激光-堆焊(Auftragsschweißen)在文件DE 10 2010 018 686 A1中介绍了一种带有多个功能元件的紧凑的激光焊接装置。在此，激光光学单元包含位于其中的通道，通过其可将不同的介质引导至焊接部位。优选地，这是粉末状的附加材料。然而，通道可备选地或同时同样被用于保护气体或用于冷却剂。焊接部位被环形地实施的可容易更换的感应加热部包围。通过两个彼此独立地工作的驱动器，可分别调整激光光学单元或排出喷嘴。在焊接头的内部中此外存在半透的镜子，利用其可将信号导出至光学探测器。该探测器用于加工的监控和调节，例如由此可来执行位置分散的温度监控。激光束的焦距可通过内部的遮住的调整装置手动地来改变。可利用二维的校正装置使该激光光学单元平行于工件表面取向。未给出对根据局部情况和材料加热和焊接的精确的时间过程的提示。利用调整装置垂直于工件表面灵活地调整间距是可能的。该装置自己不适合用于建立小的圆形的焊接轨迹。
发明内容
本发明目的在于减小用于将管的束、也就是说大量管焊接到管底中的时间耗费并且在此同时简化所需的技术成本。
根据本发明，该目的通过根据权利要求1和11所述的方法以及通过根据权利要求22所述的装置来实现。
通过根据本发明的措施显著减少了用于准备相应的管焊接以及用于焊缝的可能的再处理的时间并且明显简化的所需的仪器。
至少一个感应器关于待焊接的管的轴线的根据本发明的定位利用该认识，即管底各向异性地来构造并且由此管底的导热性也是各向异性的。管底具有多个孔，其在管底的厚度方向上穿过管底并且其在面方向上彼此间具有窄的间距。孔壁代表温度或热量障碍，使得热量在面方向上被导引穿过在孔之间的窄的材料接片。与实心的板相比，在热量输入部位处的度更强地升高。通过更大的温度梯度实现在与热源间距相同的部位处的更快加热。利用感应加热能够在位置和时间上限制地将合适的钢在短的调节时间中预热到高的温度上，这刚好在带有插入其中的管的厚的管底中导致尽管在厚度方向上更高的散热可将接合部或焊接部位快速地、可靠地且在此经济性地带到期望的预热温度上。虽然管底在其厚度方向上相对快地导出热量且贴靠在管壁处的管如“冷却肋”那样起作用，相应的焊接部位由于集中的且快速的、温度更高的预热被带到必需的预热温度上，而不在焊接区域之外在相关的范围中在厚度方向上或管纵向上一起加热管底和管。例如在管底在焊接部位处在其整个厚度上被热透之前，管焊接在那里已又结束。这一方面导致，可利用相对小地构造的感应器来加热相对大的管底面。另一方面，可相对大地来选择在感应器与待焊接的管或为此所设置的焊缝之间的间距，由此击打在感应器上的焊接喷溅物(Schweißspritzer)的数量非常小并且此外使与带有待焊接的管的孔邻近的孔预热(倘若在那里要焊接之后的管)而或再加热(倘若在那里之前已焊接了管)。此外，感应加热也还延伸到感应器的背对待加热的管的侧面上，这同样有利于预热或再加热。已确定的是，其与待焊接的管的轴线的最小间距为5个管距的感应器还可利用适当的器件以足够的水平和速度引起相应的孔壁的感应加热。感应器的被电流流过的、在管底中产生感应加热的导体为了限制感应损失尽可能靠近地贴靠在管底处。然而应考虑的是，在此既不损坏管底也不损坏感应器。该间距此外可由此提高，即在感应器与管底之间布置保护装置。通过感应的能量输入可在管底中高地来利用，因为面形的热扩散在管壁处被用于分布在面中的离散的焊接部位。由此，这些离散的、面形地分布的焊接部位可相继“面形地”或“在面中”、也就是说例如沿着螺旋线被驶过和焊接。
对于焊接部位、也就是说在待焊接的管与所属的管壁之间的接合部的两侧的焊接区域的特别有效的预热并且邻近的接下来待焊接的管或之前刚已焊接的管的同时预热或再加热，优选的是，所述最小间距处在所设置的焊缝与直至3个管距之间的范围中并且特别优选地在所设置的焊缝与一个管距之间的范围中。
在本发明的一优选的实施形式中，该至少一个感应器形成和定位成使得在待焊接的管的轴线与感应器的被电流流过的、在管底中产生感应加热的导体的面对该轴线的内轮廓之间平行于底部的最大间距最高为5个管距。这样形成和定位的感应器的内轮廓完全位于相对于待焊接的管的轴线最高5个管距的间距之内，使得整个感应器被用于相关的焊接部位的有效加热。
特别优选地，在此利用仅仅唯一的环形的感应器(其包围待焊接的管)来预热包含待焊接的管的区段。环形的感应器例如可构造成多段线状或者在一相当特别优选的实施形式中构造成圆环形。以该方式特别均匀地来预热焊接区域。同样利用这样的感应器来加热邻近的周围的带有已焊接的管或尚待焊接的管的焊接部位。
在此，环形的、包围仅仅一个管的感应器有利地构造有比孔直径大1-16mm且优选地大8-12mm的内直径。以该方式，在环形的感应器的内侧上充足地保留空间用于引导激光焊接束或用于构造激光焊缝。通过根据本发明的间距充分地保护感应器免于加热效应和焊接喷溅物，由此其使用寿命提高。
在本发明的有利的改进方案中在焊接过程期间也来加热该区段，由此保证了相同的调温。在没有加热的情况下在焊接区域中的温度将如此快速地下降，使得会低于临界冷却速度t85。此外在焊接过程期间由于持续下降的预热温度会存在不断变化的温度情况。
优选地还在焊接过程之后加热该区段。在焊接过程结束之后直接进行焊接部位的再加热。在此重要的观点是，冷却时间大于临界的t8/5时间。紧接着，为了安全以感应器辅助继续冷却到小于500℃的预定温度上。由此保证，在焊接区域中不出现硬化。该焊接过程现在结束。不再需要继续再加热。感应器辅助可利用为此特别设计的独立的感应器或者利用一个/多个感应器(其预热待焊接的管和所属的孔并且此外设计特别用于再加热之前的焊接部位)实现。
在本发明的有利的改进方案中，在焊接过程之前将该区段预热到处在310℃至500℃的范围中、优选地在330℃至450℃的范围中且特别优选地在350℃至400℃的范围中的预热温度上。在这些范围中，对于由带有最高0.25%重量百分数的碳含量的非合金的或低合金的钢制成的管和管底来说，在无缺陷的焊缝中在两个相继的管焊接之间的中间时间较短的情况下获得高的焊接速度。
有利地，在管底上在接合部旁边(当还未焊接时)或者在焊缝旁边(当焊接过程结束时)以0.2mm至2.0mm的间距连续地无接触地利用温度传感器来测量管底温度。特别优选地，在此在邻近的管的间隙的方向上来测量管底温度，因为通过该间隙导出比例如直接在相邻管的方向上更多的热，从而利用该方式在整个焊接区域中始终可靠地实现必需的预热温度。通过直接在接合部旁边或焊缝旁边例如利用高温计无接触的温度测量，可在焊接时关闭到材料状态上并且由此避免通过焊接形成材料缺陷。
在本发明的有利的改进方案中，至少在所设置的焊缝的区域中为了焊缝准备，首先以质量N7的表面粗糙度或更精细地来制造孔并且清洁这些孔以及管外侧免于油、油脂或其它污物，之后将管插入孔中并且然后将管在其端部区段中在所设置的焊缝的区域中无隙地扩大到管底的孔中。利用孔和管的这样的加工，现在接合部没有固态的、液态的或气态的嵌入物且最佳地为管焊接准备好，从而很大程度上避免了焊接缺陷的出现。
在此在无隙地扩大之后优选地将管端和管底加工成使得管端与管底表面齐平并且两者如金属般光洁。对此，优选地平地来铣削和磨削管底。因为消除了管端和管底表面的高度差，激光束以相同的能量击打到这两个待焊接的工件上。附加地，还给管内壁的棱边除去毛刺，由此避免受伤并且在接下来的定位过程中能够可靠地识别管内壁的轮廓。
该目的也通过带有根据权利要求11的特征的方法来实现。由于管扩大到直至管外侧贴靠在孔壁处并且紧接着加工管端和管底直到管端与管底表面齐平，在管外侧和孔壁之间的接合部仅还可利用复杂的方法和装置可靠地来测定或测量。对此，由现有技术已知大量建议，然而它们全部带来显著的耗费，如上面对几个示例进一步所阐述的那样。现在根据本发明提出，代替执行复杂的研究和测量，完全利用激光焊缝在预设的理论焊缝深度中遮盖孔的整个公差带。因为在实践中焊缝侧面(Schweissnahtflanke)在管底表面的方向上漏斗形地扩大，焊缝宽度在整个理论焊缝深度上将超过公差带的两个界限。利用该措施以简单的方式可靠地来焊接接合部。在此，不需要复杂的测量仪器，因为在根据本发明的方法中，接合部的精确位置无关紧要。仅需要孔的公称值和孔的公称公差带，其然而总归已知。随着制造在整个宽度上和在整个周缘上完全地遮盖该公差带的激光焊缝，无论如何将接合部一起焊接。
出于过程技术的原因，将孔端部区段在纵向区段上无隙地扩大到孔中是有利的，该纵向区段从管底表面起在所设置的焊缝深度加上优选地相应于焊缝深度的至少20%且特别优选地为至少2.0mm的长度上延伸。
在本发明的优选的设计方案中，分别以两层的圆形的焊缝将管焊接到孔中，其中，这两层分别被焊接为同心地彼此错位的环形焊缝。利用这两个彼此同心地错位的层可容易地完全遮盖孔的通常的公差带。与WIG焊接相比(在其中相叠地来焊接两个层以建立高度或深度)，在本发明中利用多层的激光焊接实现宽的结构、也就是说宽的焊缝的构建以遮盖或覆盖公差带。
也可考虑，这两个层通过两个例如在周向上彼此错位180°的激光焊接束产生。
备选地也可考虑完全遮盖孔的整个公差带的激光焊缝的其它构造。例如，单层的焊缝可以以之字形线、蛇形线、盘旋的线或回环形的线的形式来实施。
在本发明的一有利的改进方案中，用于激光焊接的激光束的定位可包括在权利要求13中所说明的子步骤。该子步骤基于该认识，即尽管预设的公称公差带虽然可比较大，然而在制造中真正的实际公差带大多窄得多，其中，但是较小的实际公差带的位置是未知的。其现在可借助于在权利要求13中所说明的措施来测定。即当关于实际公差带的大小存在确定的认知时，例如通过公司内部的试验，并且借助于权利要求13中的措施来测定平均的实际孔直径或半径，仅以激光焊缝完全遮盖孔的整个实际公差带就足够。所制造的激光焊缝那么比遮盖孔的整个公称公差带的激光焊缝更窄。
优选地，在此分别利用单层的圆形的焊缝在合适地匹配的激光功率的情况下将管焊接到孔中并且将在权利要13的步骤c4)中所测定的实际孔半径确定为激光束与圆心的间距。利用该措施可容易地利用单层的圆形的焊缝来制造应完全遮盖实际公差带的激光焊缝，其中，借助于提高的激光功率且必要时利用激光的焦点匹配在忍受更大且更重的激光焊接装置的情况下来获得必需的缝宽。
为了制造两层的圆形的焊缝，优选地在内部的环形焊缝中半径R1i=R1-ΔR而在外部的环形焊缝中半径R1a=R1+ΔR被确定为激光束与圆心的间距，其中，ΔR处在0.05mm至0.25mm的范围中并且优选地在0.10mm至0.20mm的范围中。
也属于本发明的是，可任意使根据权利要求1至10以及11至15所述的方法相互组合。
因此在根据权利要求11至15中任一项所述的方法中，权利要求11的步骤c)包括根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
同样地，在根据权利要求1至10中任一项所述的方法中，可在预热之前来执行根据权利要求11的步骤a)和b)，并且根据权利要求1至10中任一项所述的预热可以是根据权利要求11至15中任一项所述的步骤c)的部分。
有利地，焊接速度处在1.0m/min至4.0m/min的范围中且优选地在3.0m/min至3.5m/min的范围中。利用这些焊接速度还进一步改善所制造的激光焊缝的无缺陷性。
根据相应于相应的应用情况的计算方法(例如通过应用相应的标准或规范，如DIN EN ISO 15614第8部分；AD2000 B5部分，ASME-Code或工厂标准)来确定焊缝深度。
当激光功率和焊接速度被调整成使得焊缝深度至少与管壁厚度一样大时，保证在拉断试验中破坏管而不是焊缝。
在本发明的有利的设计方案中，使用至少两个激光头，利用其来焊接不同的管。以该方式相应于所使用的激光头的数量来减少对于焊接整个管束必需的时间，因为每时间单位焊接的数量相应于装置的倍增而提高。由此此外最佳地来利用高成本的激光焊接装置：在一部位处焊接期间焊接装置同时在另一部位处被重新取向并且反之亦然。
在此有利地将该至少两个激光头联接到同一激光发生器处，其经由变换系统(Welchensystem)交替地以激光束供应激光头。以该方式可减少投资成本。每个激光发生器的激光头的数量受在焊接周期内焊接时间的份额限制。例如，如果焊接时间的份额为周期时间的四分之一，那么可以以激光相继供应最多四个焊接头。激光发生器以该方式几乎在连续运行中运转并且由此被最佳地利用。为了各个激光头不相互妨碍，使其适宜地分布在管底上的不同部位上。通过这些单元中的多个同时在管底处工作，可进一步提高工作效率。
在本发明的一优选的改进方案中，与管的焊接并行地，利用另一感应器来预热接下来的焊接部位、也就是说接下来待焊接的接合部。利用该措施可进一步缩短在两个彼此相继的管焊接之间的焊接间歇。
该目的也通过带有权利22所述的特征的装置来实现。这样的装置适合于执行上述方法。因此参考对相应于装置特征的方法特征的上述实施方案。
利用根据本发明的装置可全自动地以经济性的方式来执行管焊接。不仅激光焊接束的定位而且接合部的预热和实际的焊接过程可自动地借助于相应的控制和调节装置来执行。在此，例如根据权利要13中的步骤c3)待焊接的管的圆心的测定以及激光焊接束与该圆心的间距的规定都属于激光焊接束的定位。
优选地，每个感应器构造为空心铜型材，其为了冷却可联接到载热体循环处。由此排除了感应器的过热。载热体的类型在此不受限制。然而优选地应用水。
有利地，每个感应器以一个或多个圈的形式来构造。以该方式可感应器与相应的应用情况最佳地匹配。
在本发明的一优选的实施形式中，在感应器与管底之间和/或在每个感应器的内轮廓上布置有合适的保护装置、特别优选地石英玻璃。感应器因此更少暴露于任何由于焊接、例如焊接喷溅物的损害。以该方式提高了感应器的无干扰性和使用寿命。
优选地，激光头和激光发生器利用光导纤维相互连接。这也确保了激光束从激光发生器至激光头的无干扰的、快速的且尤其灵活的传输。
附图说明
接下来根据附图示例性地还更详细地来阐述本发明。其中：
图1显示了根据本发明的装置的第一实施例的侧视图；
图2a以放大的比例尺显示了图1中的细节IIa；
图2b显示了沿着图2a中的线IIb-IIb的剖面图；
图3a-c显示了对感应器在管底上的根据本发明的定位的三个实施例；
图4a-j显示了感应器横截面的十个实施例，其带有对用于与待焊接的管的轴线的根据本发明的间距的标准的内轮廓的说明；
图5a显示了根据本发明的装置的第二实施例的与图2a相似的图示；
图5b显示了沿着图5a中的线Vb-Vb的剖面图；
图6a显示了根据本发明的装置的第三实施例的与图5b相似的视图，其带有对感应器在管底上根据本发明的定位的另一示例；
图6b显示了沿着图6a中的线VIb-VIb的剖面的部分视图；
图7显示了对用于将管焊接到管底中的根据本发明的单层激光焊接焊缝的实施方案的六个示例；
图8a显示了穿过带有孔壁的管底和贴靠在其处的管的部分剖面图，其带有传统地实施的激光焊缝，该激光焊缝理想地对准在孔壁与贴靠在其处的管之间的接合部的真正的实际位置；
图8b显示了与图8a相似的图示，其中，说明了带有所属的公称公差带的(在公称孔半径处的)接合部的公称位置；
图8c显示了与图8a相似的图示，其中，传统的焊缝对准公称孔半径并且与公称公差带对比显示了焊缝的宽度；
图8d显示了带有根据本发明所实施的单层的激光焊缝的与图8a相似的视图；
图9a-c分别显示了带有根据本发明所实施的双层的激光焊缝的与图8d相似的视图，其中，实际孔半径相应于公称孔半径或者位于公称公差带的下限或上限上；
图10显示了与图9a相似的图示，其中，激光焊缝对准实际孔半径并且公差带是实际公差带；
图11显示了沿着图7中的线XI-XI的剖面图，其中，激光焊缝对准实际孔半径处并且公差带是实际公差带；
图12显示了根据本发明的装置的第四实施例的示意图；
图13显示了根据本发明的装置的第五实施例的与图12相似的图示；
图14显示了带有接合部的完整的加热循环的图表；以及
图15显示了在图14中所说明的在图13中的部段A、B、C、D中的各个加热阶段a、b、c、d的时间上的顺序的图表。
具体实施方式
在图1、2a和2b中显示的根据本发明的装置1的实施例为了执行根据本发明的方法布置于在所示出的示例中竖直地取向的管底2之前。
装置1具有带有引导镜头(Fuehrungsoptik)4的激光头3。激光头3设立用于发出激光焊接束5且优选地是纤维激光器(Faserlaser)，其利用光导纤维6与激光发生器LG相连接。通过使激光产生与激光光学装置脱偶，激光头3可以以较小的重量来实施。这使少延迟的且精确的运动成为可能。
优选地，激光头3如在所示出的实施例中那样固定在旋转装置7处；其设立用于在圆周线8上引导激光头3，圆周线8平行与管底表面9伸延。利用旋转装置7可使激光头3在极坐标中围绕待焊接到管底2中的管10、10a的轴线移动。该圆周运动可叠加有径向分量，以便例如产生激光焊接束5的在图7中示出的运动轨迹。
旋转装置7固定在工具架11处，在其处此外还固定有独立于旋转装置7的感应器12。该感应器12经由高频发生器HG(利用其可将电气参数(如频率和功率以及时间上可变的功率曲线)编程)的导线13来供电。
感应器12设立用于加热管底2的环绕轴线26的区段14。感应器12关于激光头3定位成使得在轴线15(其通过圆周线8的圆心垂直于由其限制的圆面16伸延)与感应器12的被电流流过的、在管底2中产生感应加热的导体17的面对该轴线15的内轮廓K之间平行于圆面16的最小间距18最高为5个管距。
工具架11在其方面固定在装置1的行驶装置19处，利用行驶装置19可使工具架11且以其可使激光头3、旋转装置7和感应器12在竖直方向上、在平行于管底表面9的水平方向上和水平地在垂直于管底表面9的方向上行驶和取向。
该装置优选地是CNC控制的。其经由开关柜S(其可单独地来装设或者这里未示出地可直接集成到装置1中)的导线20获得运行电流和控制信号。
装置1可具有可拉入的运输滚子，利用其可使装置1向管底2移动并且与它相对地来装设。
管底2具有多个孔21，其在管底2的厚度方向上穿过管底2、也就是说在所示的附图中水平地伸延。在每个孔21中插入管10，其应密封地被与管壁22焊接。所有管10共同被称为管束23。管底2和所有管10由带有最高0.25%的碳含量的非合金的或低合金的钢制成。管10以管距t分布在管底2上，也就是说，它们彼此间具有轴向间距t。管底2和管束23支承在支座24上。
在图2a中详细示出了带有待焊入的管10的管底2、旋转装置7、激光头3、感应器12的区域。
感应器12布置在激光头3与管底2之间。在该实施例中，感应器12实施为环形的、单圈的空心型材。电流与冷却感应器12和感应器输入管路25的冷却剂一样经由感应器输入管路25来输送。感应器12的有效感应的部分、也就是说它的被电流流过的且在管底2中产生感应热的导体17朝向待焊接的管10a的轴线26通过内轮廓K来限制。此外，感应器12还在内轮廓K处具有保护装置27、例如石英玻璃。该保护装置27还继续在感应器12和管底2之间的延伸。在该示例中，在保护装置27与管底2之间存在间隙28。在此，该间隙28尽可能小。在这里未示出的实施形式中，保护装置27甚至可直接无隙地然而仅以非常小的按力贴靠在管底2处，以避免在保护装置27处以及在管底2处的损坏。
感应器12定位成使得在其内轮廓K与待焊接的管10a的轴线26之间平行于管底表面9的最小间距18最高为5个管距。
根据在此未示出的实施例，为了焊接部位、也就是说焊接区域的感应加热也可在接合部的两侧定位两个或多个单个感应器。例如，可布置四个棒形的直的以正方体的形式的感应器，其中，待焊接的管的轴线位于正方体的中心并且正方体的边长为10t。每个感应器与待焊接的管的最小间距在此为5t。
当这样构造和布置的感应器的长度及其与待焊接的管的轴线的间距被缩短和彼此协调成使得感应器的端点分别远离待焊接的管的轴线5t时，每个感应器的最大间距为刚好5t。
感应器也可环形地、例如以六边形的形式来构造，其中，待焊接的管的轴线位于六边形的中心。环形的感应器的内轮廓以最大为5t的最小间距包围待焊接的管的轴线。
图3a-c显示了环形的感应器12的另外的通常的定位可能性，其中，在图3a-c中所示的实施例环形地包围并排的孔21的单排。在此，在图3a中示出了在待焊接的管或所属的孔21a的轴线26与感应器12的面对该轴线26的内轮廓K之间的最小间距，其中，该间距小于管距。图3b显示了在待焊接的管的轴线26与感应器12的面对该轴线26的内轮廓K之间的最大间距，其中，该间距在所示的实施例中处于≤5个管距的根据本发明的最大间距的界限处。在图3c中示出一变体，在其中在待焊接的管的轴线26与感应器12的面对该轴线26的内轮廓K之间的间距处在≤5个管距的根据本发明的间距之内。
在图3a-c中示出的感应器分别具有弧形的区段，其分别围绕孔或者说位于孔中的管并且其内轮廓优选地离孔4-6mm。
确定的是，在根据本发明所定位的感应器12中实现在接合部29的两侧有效加热焊接区域，虽然由于管底2和管束23的如冷却肋那样起作用的管10的非常大的厚度可能有非常高的导热。然而，感应加热使能够快速加热到相对高的温度上，这在此与所提出的感应器12的定位相结合使在时间上和地点上能够极其集中地预热，使得在热量可在管底2的厚度方向上且在管10的长度上以重大的程度扩散之前已达到在焊接部位处必需的预热温度。与通过激光焊接(在其中高的焊接速度是可能的)的焊缝31的实施方案相联系，在短的时间之后已又离开焊接部位并且由此防止在管底2的厚度方向上和在管10的纵向上大范围加热。
利用以该方式定位的感应器12还可在焊接过程期间且也在焊接过程之后来加热。
图4a-j显示了感应器横截面的不同的设计可能性，其带有在待焊接的管10a的轴线26与感应器12的被电流流过的、在管底2中产生感应加热的导体17的面对该轴线18的内轮廓K之间的间距18的图示。其中：
图4a显示了带有倒圆的角的矩形的空心型材；
图4b显示了带有加厚的、面对管底的感应器壁的矩形空心型材；
图4c显示了由不同的材料构成的空心型材，其中，面对管底的感应器壁具有比侧向的感应器壁和上方的感应器壁更大的传导能力；
图4d显示了三角形的空心型材；
图4e显示了带有保护罩27的椭圆的空心型材；
图4f显示了在两侧带有保护装置的三角形的空心型材；
图4g显示了圆的实心型材；
图4h显示了由多个圆形的、相互连接的圆环型材构成的感应器12；
图4i显示了由多个圆形的、相互连接的实心型材构成的感应器12；以及
图4j显示了带有多个冷却通道的方形的型材。
现在又参考图2a。在此示出的激光头3具有半透的镜子4，其布置在激光束5的光路中。利用镜子4，使信号从管底表面9指向到带有不同功能的接收器处。在接收器中首先可测定管内轮廓32。利用评估单元可从这些信息中测定待焊接的管10a的轴线26的位置。装置1使旋转装置7的轴线16对准该位置。就此结合图10和11来详细研究。接收器和评估单元可布置在装置1的开关柜S中。因此，根据本发明的装置1可全自动地自己对准待焊接的管10a、然后定位激光焊接束5并且接着执行实际的焊接过程。
在另一步骤中，使半透的镜子4在接合部29旁边以间距ST0或在焊接结束之后在焊缝31旁边以间距STS对准管底2。在该部位处来测量管底温度。该间距处在0.2mm至2.0mm的数量级中。温度信号经由半透的镜子4被导引至在接收器中的温度传感器，其将该信号继续传输到高频发生器HG的调节装置处。
在图2b中示意性地从管底2的视线示出了激光头3及其圆形的轨迹8(其通过旋转装置7产生)以及被轨迹8包围的圆面16。此外，在剖面中可见流过有冷却剂的感应器输入或输出管路25，其带有冷却通道25a和电绝缘部25b。
图5a+b显示了一定位方案，在其中利用多个感应器12来加热孔21和管10。在此，(以未详细示出的方式)并行地以电流和冷却剂来供应三个相互连接的感应器12。示出了该情况，在其中管10a相对激光头3刚好来焊接并且管10b已被焊接在激光头3之下。在焊接与激光头3相对的管10a期间，之前的焊接部还在小的感应功率下被再加热。同时已预热了接下来的管10c或接下来的焊接部位，在此在当前的管10a之上两个管距。在此接下来的焊接部位10c由于感应器12的与管距t相比较大的尺寸与当前的焊接部位10a具有两个管距的间距。
图5b显示了三个感应器12向上的运动方向33。在另一顺序中，感应器12又撤回一个管距t到管10d上，其已通过邻近的管10a、10c的之前的焊接被预热。由此待焊接的管10的顺序例如取决于感应器12的尺寸和数量的大小情况。无论如何，激光头3向前运动成使得相应当前所焊接的管10a与下一待焊接的管10c 的距离保持较小，以便最佳地使用从当前的焊接部位继续传导的热量。
图6a显示了多个圆形地构造的感应器12的同心定位。作为感应器横截面，根据在图6b中所示的示例使用方形的空心型材，它带有保护装置27，其在外部的感应器12a中仅指向管底2。在此不必侧向地来保护外部的感应器12a，因为其不直接处于激光束5旁边。
如在图1、2a和5a中所示，插入孔21中的管10在预设的焊缝31的区域中至少在其整个高度上且沿着整个管周缘无隙地扩大，也就是说直到在那里管外侧30贴靠在孔壁22处。之前已使孔壁22的表面达到表面质量Rn。附加地，孔壁22和管外壁30的表面没有污物。在无隙地扩大之后，管端34和管底2被加工成使得管端34与管底表面9齐平并且两者如金属般光洁。
制造带有公称直径D0或公称半径R0(其关联有公称公差带R0min,R0max)的孔21。这意味着，实际孔直径或半径R1不允许小于公称公差带的下限R0min且不允许大于公称公差带的上限R0max。
然而，根据经验，在合格的制造中真正建立的实际公差带R1min,R1max明显比公称公差带R0min,R0max更窄，其中，然而大多未知该较窄的公差带R1min,R1max处于较宽的公称公差带R0min,R0max中何处。下面进一步说明用于测定实际公差带R1min,R1max的位置的一可能性。
在上面所提及的附图中示出的激光焊缝31被制造成使得其完全利用对于接合部29规定为必需的的焊缝深度遮盖公差带Rmin,Rmax(根据本发明的实施形式公称或实际公差带)。
焊缝31可实施成单层的或多层的。通过沿着相应的轨迹模型来引导激光焊接束5，利用单层的焊缝35可实现整个公差宽度的覆盖。
图7显示了对单层的激光焊缝35的根据本发明的实施方案的多个示例。由于单个焊缝比较窄，激光焊接束5在公差带Rmin,Rmax的整个宽度上、也就是说至少从界限至界限地来回引导，例如沿着之字形线35a、蛇形线35b、盘旋线35c、回环形的线35d或“八字形线”35e。由此增大了缝宽并且接合部9可靠地完全被焊缝35遮盖。根据实施方案35f的另一焊缝可由此来获得，即使用比对于根据图35a-e中任一项的实施形式所必需的更宽的、也就是说在直径中更大的激光焊接束5。由于功率现在被分布到更多面上，需要带有提高的激光功率的激光焊接装置以便又制造必需的焊缝深度。
图8a显示了根据现有技术单层地且圆形地来实施的激光焊缝36的理想状态。这样的焊缝36始终对称地在管外壁30与实际孔半径R1之间的实际接合部29处取向。这里，半个缝宽a0/2位于接合部29的两侧。为此，需要精确知道接合部29的真正的实际位置。为了测定或测量该实际位置，已知不同的方法和装置。在此，焊缝深度根据相应的应用情况按照相应的设计方法来确定。在焊接之前，以至少焊缝深度的长度的深度无隙地扩大管端。为了避免嵌入物，孔壁22以至少N7质量的表面粗糙度Rn来实施。
图8b示出了带有公称孔半径R0的真实孔21的公称公差带R0min,R0max。该公称公差带向上由最大孔半径R0max而向下由最小孔半径R0min限制。
在图8c中示出了错误焊接的情况，此时孔21以位于图8b中的公称公差带的下限R0min上的实际孔半径R1来实施，并且激光焊缝36与在图8a中相似地单层地且圆形地来实施，然而在没有注意接合部29的实际位置的情况下在公称孔半径R0处取向。激光焊缝36处于接合部29旁边，从而管10不或仅不完整地连结到管底2处。
图8d显示了根据本发明所实施的单层的焊缝31、35，其在公称孔半径R0处取向并且完全遮盖了从下限R0min直至上限R0max的整个公称公差带。在此，在公称公差带的整个范围上的焊缝深度至少相应于理论焊缝深度h，其对于焊缝36根据现有技术来确定，也就是说，相应于如对于在图8a中示出的焊缝(在其中精确已知接合部29的位置)那样的焊缝深度。由于通常焊缝具有焊缝侧面的轻微倾斜，在管底表面9的高度上的焊缝宽度比孔的公差带略微更宽。因此利用根据本发明所实施的焊缝31可靠地来一起焊接接合部29，而其精确位置未知。
在图9a-9c中，根据本发明的焊缝31实施为双层焊缝37，其中，这两个层38、39彼此并排并且彼此相叠。该重叠区域40、也就是说焊缝37的中间在公称孔直径的半径R0处取向。焊缝37完全遮盖带有界限R0max和R0min的公称公差范围。如果焊缝37的两个层38、39以短的时间间隔相继来实施，第二层39在第一层38又完全冷却之前到达第一层38。结果，这两个层38、39的根部(Wurzel)也部分地相互融合。
图9a显示了该情况，此时实际孔半径R1位于公称孔半径R0上。焊缝37那么均匀地分布在接合部29的两侧上。
图9b显示了根据本发明的、如在图9a中在公称孔半径R0处取向的焊缝37的该情况，此时实际孔半径R1然而位于公称公差范围的下限R0min上。尽管如此，通过焊缝37的宽度将接合部29一起焊接，也就是说，满足了如其在用于现有技术的图8a中所示的要求。
图9c显示了与在图9b中相似的根据本发明的焊缝37，区别是，在此实际孔直径的半径R1处在上公称公差极限R0max上。
图10显示了根据本发明所实施的焊缝31，在其制造中已知实际公差带R1min,R1max并且通过统计地来测定实际孔半径R1的位置来确定该实际公差带的位置。对此，在钻孔之前(也就是说在将管10插入管底2的孔21中之前)至少对于管底2的包含用于待焊接的管10a的孔21a的部分来测定实际孔直径的代表性抽样。从该抽样又来计算用于管底2的该部分的平均实际孔直径。然后将该平均实际孔直径与孔底部2的该部分的孔模型一起输入CNC控制部的数据库中。由平均的实际孔直径通过减半来计算平均的实际孔半径R1。
在另一步骤中，来测定扩大的待焊接的管10a或孔21a的圆形横截面的中点。对此，在管10a扩大之后，在周向上在所设置的焊缝31的高度上来扫描管内壁32并且从扫描值来计算管10a和由此孔21a的圆心。
现在，激光束5借助于CNC控制部与圆心有间距地来定位，其中，该间距在使用平均实际孔半径R1的情况下来确定。例如，为了实施两层的焊缝37可将激光束5相继地定位或引导到两个彼此同心的圆形轨迹38、39上。在另一示例中，也可为了实施根据在图7中示出的可能性中的一个的单层的焊缝35来定位和引导它。
图10显示了用于制造这样的根据本发明的双层焊缝37的方式。从所测定的圆心和平均实际孔半径R1出发，激光头3例如首先向内移动路段ΔR到半径R1i。在实施圆形的第一焊接层39之后，从平均的实际孔直径R1出发，激光头3向外移动路段ΔR到直径R1a上，以便在那里实施圆形的第二焊接层38。在此，始终遵循条件，即R1i至少与下实际公差极限R1min同样大并且R1a最多与下实际公差极限R1max同样大。
图11显示了根据本发明的单层的、实施为轨迹模型(例如在图7中所示)的焊缝35，其在实际孔半径R1处取向。
图12显示了两个彼此独立的装置1a、1b，其在不同的部段A、B、C、D中(在所示出的实施例中在象限A和B中或在象限C和D中)同时执行管焊接。这两个装置1a、1b分别具有单独的带有自己的激光发生器LG的激光头3且具有单独的带有自己的高频发生器HG的感应器12。在象限A和B中仅示意性地各示出一工具基座41，其包含工具架、行驶装置和其它用于保持和引导激光头3和感应器12的附加装置。
图13显示了装置1，在其中高频发生器HG以电流供应多个感应器12并且在其中激光发生器LG以激光供应多个激光头3。在此，根据边界条件同时或相继以电流供给感应器12。激光发生器LG优选地交替地经由变换系统以激光供应各个激光头3。也可彼此独立地同时在同一管底2处应用两个或多个这样的装置1，与在图12中所示类似。
图14显示了对于完整的加热循环在焊接区域中的管底温度和感应功率的曲线。感应器12之前已正确地被定位在其工作部位处。阶段a表示预热过程。其在时刻t0以最大功率P0开始。接着，在管底2上温度稍微延迟地从T0开始上升。如果达到温度Tr1(其小于理论温度T理论)，则通过温度调节将感应功率减小到较小的功率P1。这是必要的，由此温度不超过理论温度T理论，如以42所示。接下来还等待直到管底温度恒定地保持在温度T理论。预热温度处在310℃至500℃的范围中并且由此在引起组织转变的温度之下。
现在，阶段b在时刻tb开始焊接过程，其在tc结束。优选地，在焊接期间也来感应加热。
在阶段c中，管底2通过在平面或面方向上和在厚度方向上的导热而冷却。为了减小冷却速度，在该冷却阶段期间也可感应地再加热。基于所测得的管底温度来调节感应功率。用于冷却速度的标准是临界的所谓的t8/5时间，在其内温度从800℃冷却到500℃。绝不允许低于该时间，否则存在硬化的风险。冷却阶段在时刻tr2结束，在该时刻达到小于500℃的温度Tr2。如果低于该温度，则组织转变实际上不再受冷却速度影响，从而可在该时刻中断感应加热。
在阶段d中，使感应器12对准下一焊接部位。由于其已通过之前的焊接部位或通过另一感应器12预热，在较高的初始温度T0'(其在多次管焊接之后在其水平中波动越来越小)中开始新的循环。当导热局部变大(例如在管区或者说管束23的边缘处)时，可出现例外，因为管底2在其边缘区域中、也就是说在管束23之外不具有孔21。在此，在面方向上的导热明显更强，使得在此存在其它的开始温度并且所有加热时间也会更长。
图15以图13的部段A、B、C和D为例对两个加热循环Z1和Z2显示了各个加热阶段a、b、c和d的可能的时间顺序。由此，很大程度上避免停止时间并且由此最佳地利用了成本集中的设备部件：高频发生器HG和激光发生器LG。

Claims (31)

1. 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。
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(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(10a)。
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且优选地大8-12mm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、优选地在330℃至450℃的范围中且特别优选地在350℃至400℃的范围中的预热温度上。
8. 根据前述权利要求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)中并且然后将所述管(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. 一种用于借助于激光焊接将管束(23)的管(10)焊接到管底(2)的孔(21)中的方法，其中，尤其不仅所述管(10)而且所述管底(2)由带有最高0.25%的碳含量的非合金的或低合金的钢形成，并且其中，所述孔(21)具有带有公差带的直径，所述方法带有以下步骤：
a)至少在所设置的焊缝(31)的区域中至少在其整个高度上且沿着整个管周缘来扩大插入所述孔(21)中的所述管(10)，直到在那里管外侧(30)贴靠在管壁(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)。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，分别利用两层的圆形的焊缝(37)将所述管(10)焊接到所述孔(21)中，其中，两个层(38,39)分别被焊接为同心地彼此错位的环形层。
13. 根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述步骤c)包括用于定位用于所述激光焊接的激光束的以下步骤：
c1)在制管之前，至少对于所述管底(2)的包含用于待焊接的所述管(10a)的孔(21a)的部分来测定实际孔直径的代表性的抽样，并且由此来测定对于所述部分的平均的实际孔直径；
c2)将平均的所述实际孔直径与所述管底(2)的该部分的孔模型一起输入CNC控制部的数据库中；
c3)在扩大之后，在周向上在所设置的所述焊缝(31)的高度上扫描管内壁(32)，并且从扫描值中计算圆心(26)；
c4)作为步骤c1)中的平均的实际孔直径的一半来计算平均的实际孔半径(R1)；
c5)借助于所述CNC控制部与步骤c3)中的圆心(26)有间距地来定位所述激光束(5)，其中，在使用步骤c4)中的所述实际孔半径(R1)的情况下来确定所述间距。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，分别以单层的圆形的焊缝(35)在合适地匹配的激光功率的情况下将所述管(10)焊接到所述孔(21)中，并且将在权利要求13的步骤c4)中所测定的实际孔半径(R1)确定为大于所述激光束(5)与所述圆心(26)的间距。
15. 根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，对于内部的环形焊缝(39)将半径R1i=R1-ΔR而对于外部的环形焊缝(38)将半径R1a=R1+ΔR确定为所述激光束(5)与所述圆心(26)的间距，其中，ΔR处在0.05mm至0.25mm的范围中且优选地在0.10mm至0.20mm的范围中。
16. 根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤c)包含根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
17. 根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，在预热之前来执行根据权利要求11所述的步骤a)和b)，并且预热是根据权利要求11至15中任一项所述的步骤c)的部分。
18. 根据前述权利要求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的范围中且优选地在3.0m/min至3.5m/min的范围中。
19. 根据前述权利要求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)。
20. 根据权利要求19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)。
21. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，与管(10a)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)。
22. 一种用于借助于激光焊接将管束(23)的管(10)焊接到管底(2)的孔(21)中的装置，其中，不仅所述管(10)而且所述管底(2)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(10)以预设的管距(t)分布在所述管底(2)上，其特征在于：
至少一个激光发生器(LG)；
至少一个激光头(3)，其联接在所述激光发生器(LG)处并且设立成用于发出焊接-激光束(5)；
激光头引导装置(4)，其设立成通常沿着圆周线(8)引导至少一个所述激光头(3)；以及
至少一个感应器(12)，其设立成加热所述管底(2)的区段(14)并且关于至少一个所述激光头(3)定位成使得在通过所述圆周线(8)的中点垂直于由所述圆周线(18)所限制的圆面(16)伸延的轴线(15)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(15)的内轮廓(K)之间平行于所述圆面(16)的最小间距(18)最高为5个管距。
23. 根据权利要求22所述的装置，其特征在于，至少一个所述感应器(12)成形成且关于至少一个所述激光头(3)定位成使得在所述轴线(15)与所述内轮廓(K)之间平行于所述圆面(16)的最大间距最高为5个管距。
24. 根据权利要求22或23所述的装置，其特征在于，至少一个所述感应器(12)构造成环形并且包围所述圆周线(8)。
25. 根据权利要求22或23所述的装置，其特征在于至少一个第二感应器(12)，其不包围所述圆周线(8)。
26. 根据权利要求24或25所述的装置，其特征在于，环形的、包围仅仅一个管(10)的感应器(12)构造有比所述孔直径大1-16mm且优选地大8-12mm的内直径。
27. 根据权利要求22至26中任一项所述的装置，其特征在于，每个感应器(12)构造为空心铜型材，其为了冷却能够联接到载热体循环处。
28. 根据权利要求22至27中任一项所述的装置，其特征在于，在感应器(12)与管底(2)之间和/或在每个感应器(12)的内轮廓(K)上布置有合适的保护装置(27)、优选地石英玻璃。
29. 根据权利要求22至28中任一项所述的装置，其特征在于，所述激光头(3)和激光发生器(LG)利用光导纤维(6)相互连接。
30. 根据权利要求22至29中任一项所述的装置，其特征在于至少两个激光头(3)。
31. 根据权利要求30所述的装置，其特征在于，至少两个所述激光头(3)联接在同一激光发生器(LG)处，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)。
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