CN104325219A - 数控螺旋翅片管激光焊接成型设备及其焊接成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其包括机架、直线行走小车、齿条、旋转装置、钢管夹头、激光器、钢带输送装置、加油装置和校正装置；还公开了一种该数控螺旋翅片管激光焊接成型设备的焊接成型方法，本发明提供的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备的结构设计合理，巧妙结合激光成型技术，不改变金属的金相组织，同时又是冶金结合，大大提升翅片与钢管之间的结合效果，强度好，不仅保证产品质量，且热交换效率高，抗腐性高，使用寿命长，而且焊接操作步骤简单、方便，工作效率高；本发明提供的焊接成型方法易于实现，效率高，能快速生产出抗腐蚀、结合效果好、热转换效率高且使用寿命长的螺旋翅片管。

Description

数控螺旋翅片管激光焊接成型设备及其焊接成型方法

技术领域

本发明涉及螺旋翅片管生产技术领域，具体涉及一种数控螺旋翅片管激光焊接成型设备及其焊接成型方法。 

背景技术

螺旋翅片管作为换热元件，长期工作于高温烟气的工况下，比如锅炉换热器用翅片管使用环境恶劣，高温高压且处于腐蚀性气氛，这要求翅片管应具有很高的性能指标。如防腐性能、耐磨性能、低的接触热阻、高的稳定性和防积灰能力等。 

传统的螺旋翅片管生产方法主要有几下几种。 

1、套装翅片：套装翅片工艺是预先加工出一批单个的翅片，然后用人工或机械方法，按一定的翅距，靠过盈配合把翅片套装在管子外表面上，该工艺的配合效果差，热转换效率低。 

2、内镶式螺旋翅片：镶嵌式螺旋翅片管是在钢管上先加工出一定宽度和深度的螺旋槽，然后在车床上把钢带镶嵌在钢管上，在缠绕。该工艺复杂，生产效率低，热转换效率低。 

3、钎焊螺旋翅片管：钎焊螺旋翅片管的加工分两步进行。首先，将钢带平面垂直于管子轴线按螺旋线方式缠绕在管子外表面上，并把钢带两端焊在钢管上固定，然后消除钢带和钢管接触处的间隙，用钎焊的方法将钢带和钢管焊在一起。该工艺效率低，不环保，且产品不抗腐蚀，使用寿命短，热转换效率低。 

4、高频焊螺旋翅片：高频焊螺旋翅片管是目前应用最为广泛的螺旋翅片管之一，现广泛应用于电力、冶金、水泥行业的余热回收以及石油化工等行业。高频焊螺旋翅片管是在钢带缠绕钢管的同时，利用高频电流的集肤效应和邻近效应，对钢带和钢管外表面加热，直至塑性状态或熔化，在缠绕钢带的一定压力下完成焊接。这种高频焊实为一种固相焊接。它与镶嵌、钎焊等方法相比，无论是在产品质量，还是生产率及自动化程度上，较为为先进。但产品不环保，达不到国际环保要求，不抗腐蚀；使用寿命短。 

5、三辊斜轧整体型螺旋翅片管：三辊斜轧整体型螺旋翅片管其生产原理为：在光面管内衬一芯棒，经轧辊刀片的旋转带动，无缝钢管通过轧槽与芯头组成的孔腔在其外表面上加工出翅片。这种方法生产出的翅片管因基管与外翅片是一个有机的整体,因而不存在接触热阻损。采用该工艺制得的产品，其结合强度低，不抗腐蚀，热转换效率低。 

发明内容

针对上述不足，本发明目的之一在于，提供一种结构设计巧妙、合理，能快速生产出抗腐蚀、结合效果好、热转换效率高且使用寿命长的螺旋翅片管的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备。 

本发明目的还在于，提供一种易于实现，效率高，环保的螺旋翅片管激光焊接成型方法。 

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：一种数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其包括机架、直线行走小车、齿条、旋转装置、钢管夹头、激光器和钢带输送装置，所述齿条水平设置在所述机架上，所述直线行走小车活动设置在所述机架上，且与所述齿条相啮合，所述旋转装置固定在所述直线行走小车上，所述钢管夹头设置在该旋转装置的输出轴上，且使该钢管夹头上所夹持的钢管的轴线与所述直线行走小车的活动轨迹相平行，所述钢带输送装置对应钢管夹头的一侧位置设置在机架上，且设有让钢管穿过的配合焊接孔，该配合焊接孔上设置有钢带成型翅片模具，所述激光器设置在钢带输送装置的一侧位置，且使该激光器所发的激光束朝向所述钢带成型翅片模具。 

作为本发明的一种改进，所述钢带成型翅片模具包括主模和与该主模相贴合的副模，所述主模的下部设有弧形缺口，所述副模与该主模相贴合的贴合面上设有与该弧形缺口相对应的螺旋面，该螺旋面用来控制螺旋翅片管的翅片节距及螺旋升角。在所述弧形缺口位置处内镶钨钢部件。内镶有钨钢部件，利用钨钢部件于高温高硬度下的高耐磨性，从而满足高寿命要求，进一步延长使用寿命。所述主模和副模上设有冷却水道和/或吹气孔。在焊接及成型的过程必然产生热量的积累，增加有冷却水道后和/或吹气孔，能用水冷方式和/或风冷方式把热量迅速带走。所述主模和副模采用DC53材料经真空热处理制成，硬度达62～63HRC，硬度高，强度好，使用寿命长。 

作为本发明的一种改进，所述直线行走小车包括行走电机、驱动轮、车体和设置在该车体底部的车轮，所述驱动轮上设有与所述齿条相啮合的齿牙，所述行走电机固定在所述车体上，且通过传动件与所述驱动轮相连接。 

作为本发明的一种改进，所述旋转装置包括伺服电机和变速齿轮箱，所述伺服电机固定在该变速齿轮箱的顶部，且该伺服电机的驱动轴与所述变速齿轮箱的输入轴相连接。 

作为本发明的一种改进，所述钢带输送装置包括模架、固定座、支架、钢带张紧调节机构和钢带导向轮，所述模架垂直固定在所述固定座的一侧，所述配合焊接孔设置在该模架的上部，所述支架设置在所述固定座的另一侧，所述钢带张紧调节机构和钢带导向轮间隔排列在所述支架上。 

作为本发明的一种改进，其还包括加油装置，该加油装置包括加油槽和与油管相连接的油嘴，所述加油槽位于所述钢带张紧调节机构和钢带导向轮之间的位置处，所述油嘴位于所述加油槽的正上方。 

作为本发明的一种改进，其还包括校正装置，该校正装置位置于钢带成型翅片模具的下方靠近所述钢管夹头的一侧位置，该校正装置包括一转轴及多个间隔设置在该转轴上的校正轮，相邻两校正轮之间的间隔等于或略大于所成型的翅片的厚度，所述校正轮的厚度等于或略中于所成型的翅片的节距。 

一种上述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备的焊接成型方法，其特征在于，其包括如下步骤：（1）装夹：将钢管装夹在钢管夹头上；（2）剪头：将钢带的首端剪成尖圆角刀形；（3）送料：钢带的首端在钢带输送装置的输送下进入钢带成型翅片模具，该成型翅片模具对所述钢带进行成型形成翅片，该翅片紧压在钢管的表面；（4）起头焊接：启动激光器，该激光器所发出的激光束射在翅片与钢管的接合处，使得所述翅片与钢管的连接部位与所述钢管与翅片的连接部位相互熔合，实现将翅片焊接在钢管上；随后，旋转装置和直线行走小车同时启动，实现将钢管转动的同时，还向远离所述钢带成型翅片模具的一侧方向移动；当翅片进入至校正装置时，起头焊接步骤完毕；（5）全速焊接：全速焊接至所需螺旋翅片管的长度，获得螺旋翅片管制品；所述步骤（1）、（2）无先后顺序。 

本发明的有益效果为：本发明提供的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备的结构设计合理，巧妙结合激光成型技术，不改变金属的金相组织，同时又是冶金结合，大大提升翅片与钢管之间的结合效果，强度好，不仅保证产品质量，且热交换效率高，抗腐性高，使用寿命长，而且焊接操作步骤简单、方便，工作效率高；本发明提供的焊接成型方法易于实现，效率高，能快速生产出抗腐蚀、结合效果好、热转换效率高且使用寿命长的螺旋翅片管。 

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图。 

图2是本发明中直线行走小车的结构示意图。 

图3是本发明中钢带输送装置的结构示意图。 

图4是本发明中主模的结构示意图。 

图5是图4的A-A剖视的结构示意图。 

图6是本发明中副模的结构示意图。 

图7是图6的仰视的结构示意图。 

具体实施方式

参见图1至图7，本实施例提供的一种数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其包括机架1、直线行走小车2、齿条3、旋转装置4、钢管夹头10、激光器5和钢带输送装置7，所述齿条3水平设置在所述机架1上，所述直线行走小车2活动设置在所述机架1上，且与所述齿条3相啮合，所述旋转装置4固定在所述直线行走小车2上，所述钢管夹头10设置在该旋转装置4的输出轴上，且使该钢管夹头10上所夹持的钢管11的轴线与所述直线行走小车2的活动轨迹相平行，所述钢带输送装置7对应钢管夹头10的一侧位置设置在机架1上，且设有让钢管11穿过的配合焊接孔，该配合焊接孔上设置有钢带成型翅片模具6，所述激光器5设置在钢带输送装置7的一侧位置，且使该激光器5所发的激光束朝向所述钢带成型翅片模具6。即使该激光器5的激光头朝向所述钢带成型翅片模具6，以使该激光头51所发的激光束52能对准在所述钢带成型翅片模具6上已经进行接合的翅片13与钢管11的接合处。优选的，所述钢管夹头10优选为三爪夹头，装夹方便，使用简单。 

具体的，所述钢带成型翅片模具6包括主模61和与该主模61相贴合的副模62，参见图4，所述主模61的下部设有弧形缺口611，有效减小起头阻力，起头容易，给生产带来极大的方便。参见图6和图7，所述副模62与该主模61相贴合的贴合面上设有与该弧形缺口611相对应的螺旋面621。该螺旋面621用来控制螺旋管的翅片13节距及螺旋升角。参见图4和图6，为提升散热效果，还在所述主模61和副模62上设有冷却水道63和吹气孔64。冷却水道63与冷却水箱65相连接，该冷却水箱65内装清水，用于冷却模具。吹气孔64与气泵相连接。其它实施例中，可以仅设有冷却水道63或吹气孔64。较佳的，还在所述弧形缺口611位置处内镶钨钢部件612，利用其高温高硬度下的高耐磨性，从而满足高寿命要求。 

具体的，参见图2，所述直线行走小车2包括行走电机21、驱动轮22、车体23和设置在该车体23底部的车轮24，所述驱动轮22上设有与所述齿条3相啮合的齿牙，所述行走电机21固定在所述车体23上，且通过传动件25与所述驱动轮22相连接。本实施例中，该传动件25为皮带。所述旋转装置4包括伺服电机41和变速齿轮箱42，所述伺服电机41固定在该变速齿轮箱42的顶部，且该伺服电机41的驱动轴与所述变速齿轮箱42的输入轴相连接。 

参见图3，所述钢带输送装置7包括模架71、固定座72、支架73、钢带张紧调节机构74和钢带导向轮75，所述模架71垂直固定在所述固定座72的一侧，所述配合焊接孔设置在该模架71的上部，所述支架73设置在所述固定座72的另一侧，所述钢带张紧调节机构74和钢带导向轮75间隔排列在所述支架73上。钢带导向轮75用来引导钢带12的行走。钢带张紧调节机构74用来控制钢带12的张紧力。 

本实施例中，本发明数控螺旋翅片管激光焊接成型设备还包括加油装置8，用于翅片13拉伸润滑。该加油装置8包括加油槽81和与油管相连接的油嘴82，所述加油槽81位于所述钢带张紧调节机构74和钢带导向轮75之间的位置处，所述油嘴82位于所述加油槽81的正上方。加油槽81用来存储抗磨润滑油，提前给拉伸钢带12加润滑油。油嘴82与自动加油机相连接，用来滴油。 

本实施例中，本发明数控螺旋翅片管激光焊接成型设备还包括校正装置9，用于校正翅片13的垂直度，进而保证产品质量，该校正装置9位置于钢带成型翅片模具6的下方靠近所述钢管夹头10的一侧位置，该校正装置9包括一转轴91及多个间隔设置在该转轴91上的校正轮92，相邻两校正轮92之间的间隔等于或略大于所成型的翅片13的厚度，所述校正轮92的厚度等于或略中于所成型的翅片13的节距。 

本发明提供的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备的结构设计合理，巧妙结合激光成型技术，不改变金属的金相组织，同时又是冶金结合，大大提升翅片13与钢管11之间的结合效果，强度好，不仅保证产品质量，且热交换效率高，抗腐性高，使用寿命长，而且焊接操作步骤简单、方便，工作效率高。 

一种上述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备的焊接成型方法，本实施例中，选用YAG固态激光器AXL-700AW；此YAG激光机集成了CNC 四轴数控系统，与螺旋翅片管各传动及控制系统集成到一个CNC系统中，实现高智能自动控制。具体实施例中，可以采用其它型号的激光器。具体的，其包括如下步骤：（1）装夹：将钢管11装夹在钢管夹头10上；（2）剪头：将钢带12的首端剪成尖圆角刀形，类似三角形状；所述步骤（1）、（2）无先后顺序。（3）送料：钢带12的首端在钢带输送装置7的输送下进入钢带成型翅片模具6，该成型翅片模具对所述钢带12进行成型形成翅片13，该翅片13紧压在钢管11的表面；（4）起头焊接：启动激光器5的第一参数程式（又称起头程式，包括电流、脉宽、频率；因为激光器是闭环控制，调试好后永远记忆不需重设；例如目前YAG固态AXL700AW激光机参数设定为：电流95A、脉宽5.2ms、频率3HZ进行起头，该激光器5所发出的激光束52射在翅片13与钢管11的接合处，使得所述翅片13与钢管11的连接部位与所述钢管11与翅片13的连接部位相互熔合，实现将翅片13焊接在钢管11上；随后，旋转装置4和直线行走小车2同时启动，实现将钢管11转动的同时，还向远离所述钢带成型翅片模具6的一侧方向移动；当翅片进入至校正装置9时，即起头的长度约超过180度或半圈后，起头焊接步骤完毕；（5）全速焊接：起头焊接步骤完毕后，激光器5自动转入第二参数程式(又称全速焊接程式，当起头超过180度即过半圈以后就可全速100%运行，焊接此过程是全自动控制,例如设定长度，何时停止，或中途间隔不焊等，例如正常生产时AXL700AW激光机设定的一组参数为：电流92A、脉宽4.8ms、频率21HZ、生产速度为100%)，全速焊接至所需螺旋翅片管的长度，获得螺旋翅片管制品。 

本发明提供的焊接成型方法易于实现，效率高，能快速生产出抗腐蚀、结合效果好、热转换效率高且使用寿命长的螺旋翅片管。 

采用激光成型技术基本不改变金属的金相组织，同时又是冶金结合，结合强度是其他同类产品强度的1.5倍以上。所以在相同材质下比其它工艺成型的螺旋翅片管都要抗腐蚀。具体的本发明具有以下优点：1、抗腐蚀好：传统采用高频焊则大范围的改变了金属原有的金相组织，即原有不锈钢中各种原子的排列结构发生变化故会生锈，所以不耐腐蚀。而激光束52高能量的焊接热影响区非常小，焊接时基材的温度约为55℃以下，基本不改变金属的金相组织，所以保留原有材料的抗腐蚀性能，抗腐蚀好，在高温高腐蚀环境下使用寿命将大大延长。2、强度高：由于激光束52的高能量使两基材瞬间熔合，原子密度在焊缝处比基材更密所以强度更高。3、热转换效率高：本发明制得的螺旋翅片管的翅片间距（最小可做到2.0mm）是传统高频焊翅片管（高频焊螺旋翅片管翅片间距最小为6.5mm）间距的1/3，相同面积是传统高频焊螺旋翅片管热转换效率的三倍，体积缩小三倍，占用空间缩小三倍，节约大量的资源。4、节能：生产能耗低，本发明数控螺旋翅片管激光焊接成型设备的功率为22KW（实际每小时仅10度电左右）；而传统的高频焊接功率为110KW～220KW。5、清洁环保：由于焊接时工件温度极低及内冷却，工作条件轻松，工作环境非常清洁，环保性好。 

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似结构而得到的其它成型设备及其成型方法，均在本发明保护范围内。 

Claims (10)

1. 一种数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其特征在于：其包括机架、直线行走小车、齿条、旋转装置、钢管夹头、激光器和钢带输送装置，所述齿条水平设置在所述机架上，所述直线行走小车活动设置在所述机架上，且与所述齿条相啮合，所述旋转装置固定在所述直线行走小车上，所述钢管夹头设置在该旋转装置的输出轴上，且使该钢管夹头上所夹持的钢管的轴线与所述直线行走小车的活动轨迹相平行，所述钢带输送装置对应钢管夹头的一侧位置设置在机架上，且设有让钢管穿过的配合焊接孔，该配合焊接孔上设置有钢带成型翅片模具，所述激光器设置在钢带输送装置的一侧位置，且使该激光器所发的激光束朝向所述钢带成型翅片模具。

2.根据权利要求1所述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其特征在于，所述钢带成型翅片模具包括主模和与该主模相贴合的副模，所述主模的下部设有弧形缺口，所述副模与该主模相贴合的贴合面上设有与该弧形缺口相对应的螺旋面。

3.根据权利要求2所述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其特征在于，所述主模和副模上设有冷却水道和/或吹气孔。

4.根据权利要求2所述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其特征在于，所述弧形缺口位置处内镶钨钢部件。

5.根据权利要求1所述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其特征在于，所述直线行走小车包括行走电机、驱动轮、车体和设置在该车体底部的车轮，所述驱动轮上设有与所述齿条相啮合的齿牙，所述行走电机固定在所述车体上，且通过传动件与所述驱动轮相连接。

6.根据权利要求1所述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其特征在于，所述旋转装置包括伺服电机和变速齿轮箱，所述伺服电机固定在该变速齿轮箱的顶部，且该伺服电机的驱动轴与所述变速齿轮箱的输入轴相连接。

7.根据权利要求1所述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其特征在于，所述钢带输送装置包括模架、固定座、支架、钢带张紧调节机构和钢带导向轮，所述模架垂直固定在所述固定座的一侧，所述配合焊接孔设置在该模架的上部，所述支架设置在所述固定座的另一侧，所述钢带张紧调节机构和钢带导向轮间隔排列在所述支架上。

8.根据权利要求7所述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其特征在于，其还包括加油装置，该加油装置包括加油槽和与油管相连接的油嘴，所述加油槽位于所述钢带张紧调节机构和钢带导向轮之间的位置处，所述油嘴位于所述加油槽的正上方。

9.根据权利要求1或8所述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备，其特征在于，其还包括校正装置，该校正装置位置于钢带成型翅片模具的下方靠近所述钢管夹头的一侧位置，该校正装置包括一转轴及多个间隔设置在该转轴上的校正轮，相邻两校正轮之间的间隔等于或略大于所成型的翅片的厚度，所述校正轮的厚度等于或略中于所成型的翅片的节距。

10.一种权利要求1-9之一所述的数控螺旋翅片管激光焊接成型设备的焊接成型方法，其特征在于，其包括如下步骤：

（1）装夹：将钢管装夹在钢管夹头上；

（2）剪头：将钢带的首端剪成尖圆角刀形；

（3）送料：钢带的首端在钢带输送装置的输送下进入钢带成型翅片模具，该成型翅片模具对所述钢带进行成型形成翅片，该翅片紧压在钢管的表面；

（4）起头焊接：启动激光器，该激光器所发出的激光束射在翅片与钢管的接合处，使得所述翅片与钢管的连接部位与所述钢管与翅片的连接部位相互熔合，实现将翅片焊接在钢管上；随后，旋转装置和直线行走小车同时启动，实现将钢管转动的同时，还向远离所述钢带成型翅片模具的一侧方向移动；当翅片进入至校正装置时，起头焊接步骤完毕；

（5）全速焊接：全速焊接至所需螺旋翅片管的长度，获得螺旋翅片管制品；

所述步骤（1）、（2）无先后顺序。