CN106040778B - 一种高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，包括主机台，主机台上固定设置有一对直线齿条，一对直线齿条之间设置有主轴座，主轴座上设置有可旋转卡盘，所述卡盘由设置在主轴座的卡盘旋转电机驱动旋转，主机台上与卡盘相对的另一侧设置有双悬臂模架，双悬臂模架一侧面贴合有成型模，双悬臂模架上方设置有光纤激光器，待焊接钢带沿Y轴方向送料且经过设置在双悬臂模架一侧的导向轮、智能超高频涡流加热机、恒温油箱后延伸至成型模与双悬臂模架之间，光纤激光器射出的激光束射向钢管和钢带挤压处进行焊接从而在钢管表面形成螺旋状翅片，本发明的有益效果为：本设备整体的精度、效率和成型出来的产品质量都有了较大的提高。

Description

一种高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备

技术领域

本发明涉及螺旋翅片管生产技术领域，具体涉及一种高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备。

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。

中国专利CN201410467460.5公开了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，该方法结合激光成型技术，不改变金属的金相组织，大大提升翅片与钢管之间的结合效果，强度好，产品质量好，但是该设备在对钢带成型螺旋型翅片工艺中，使用的冷成型工艺，钢带的拉伸性(延展性)不好，易发生断裂，同时当钢管在旋转过程，由于钢管的尺寸有偏差，不能始终保持同轴心自转，另外焊接过种中，产生大量的渣垢难以有效的排走，累积的渣垢使成型模具精度降低，焊道的抗氧化性不好；同时直线行走小车通过电机皮带传动，精度较低。

发明内容

针对上述不足，本发明目的之一在于，提供一种精度、效率和品质更好的高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的。

一种高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，包括主机台，主机台上固定设置有互相平行且沿X轴方向延伸的一对直线齿条，一对直线齿条之间设置有可沿X轴方向行走的主轴座，主轴座上设置一对行走电机，一对行走电机传动连接与所述一对直线齿条啮合的一对齿轮，从而驱动主轴座在主机台上行走，主轴座上设置有一用于夹紧钢管端头的可旋转卡盘，所述卡盘由设置在主轴座的卡盘旋转电机驱动且能够带动钢管绕X轴旋转，主机台上与卡盘相对的另一侧设置有双悬臂模架，双悬臂模架上设置有钢管通过孔，双悬臂模架一侧面贴合有成型模，所述双悬臂模架上方设置有光纤激光器，待加工钢管平行于X轴方向放置，其一端被卡盘夹紧，另一端穿过双悬臂模架上的钢管通过孔并被设置在主机台的同心定位校正机构进行卡紧定位，待焊接钢带沿Y轴方向送料且经过设置在双悬臂模架一侧的导向轮、智能超高频涡流加热机、恒温油箱后延伸至成型模与双悬臂模架之间，且钢带一侧边挤压钢管，所述光纤激光器射出的激光束射向钢管和钢带挤压处进行焊接从而在钢管表面形成螺旋状翅片，双悬臂模架一侧还设置有校正翅片垂直度的校正轮，双悬臂模架的下方还设置有控制钢管和钢带挤压力的挤压力控制机构。

作为本发明的一种改进，所述成型模上与双悬臂模架相贴合的一侧面设有螺旋面。

作为本发明的一种改进，所述双悬臂模架和成型模上设有热流道，热流道内通以热油并将热量传递至钢带以提高钢带的延展性，所述热油由设置在主机台底部的温控热油箱进行加热。

作为本发明的一种改进，所述双悬臂模架为采用真空热处理的DC53合金模具钢材质构件，所述双悬臂模架上与钢带接触区域设置有钴基碳化钨合金材质的镶嵌块，所述双悬臂模架底端通过两个悬臂铰接在主机架上。

作为本发明的一种改进，所述双悬臂模架上位于钢管通过孔周围还设置有排渣垢通道和吹氩气装置。

作为本发明的一种改进，所述光纤激光器采用IPG高功率连续型光纤激光器或QCW准连续型光纤激光器，所述光纤激光器焊接头上设置有水冷和气刀装置。

作为本发明的一种改进，还包括一工业控制PC系统，所述光纤激光器、行走电机、卡盘旋转电机、恒温油箱、智能超高频涡流加热机均由工业控制PC系统全自动控制，还包括一冷却系统，所述冷却系统通过冷水对光纤激光器和工业控制PC系统进行冷却。

作为本发明的一种改进，所述主机台的邻侧还设有对钢管进行支撑的钢管支撑架。

作为本发明的一种改进，所述同心定位校正机构包括多个环绕钢管设置的轴承，多个轴承通过支架设置在主机台上，多个轴承的中心轴线与卡盘轴心线之间的间距相同。

作为本发明的一种改进，所述挤压力控制机构包括一设置在双悬臂模架下方的气缸，气缸通过连杆推动一顶出件向上顶出，所述顶出件的顶部连接一铰接件的下侧，铰接件的一端铰接至双悬臂模架，铰接件的上侧抵接至钢带侧边以控制钢带与钢管之间的挤压力。

本发明的有益效果为：1、本发明的激光器采用美国IPG公司的YLR/S-1000～4000高功率光纤激光器自主进行二次开发，集成在CNC五轴工业数控系统中；所有的智能控制如油箱恒温、智能超高频涡流加热、五轴运动控系统实现集成在统一的工业控制PC系统中；2、采用双悬臂模架设计，模架结构更加轻便，强度更高；3、在双悬臂模架上设置有热流道，另设置有智能超高频涡流加热机，从而始终保持钢带的高温，提高了钢带的延展性，使钢带更加易于拉伸成型；4、设置有挤压力控制机构，能够对钢带和钢管之间的挤压力进行调节；5、双悬臂模架上设置排渣垢通道和吹氩气装置，可以有效地将焊接过程中产生渣垢排走的同时保持了焊道的抗氧化性；6、双悬臂模架上与钢带接触区域设置有钴基碳化钨合金材质的镶嵌块，利用钴基碳化钨合金在高温高硬度下的高耐磨性，从而满足了设备高寿命要求；7、主轴座通过一对高精度立式伺服电机驱动齿轮在直线齿条上行走，传动距离短，精度更高；8、增加了了同心定位校正机构，保证了钢管在旋转和拖动过程中，其轴心线始终与X轴方向平行而不发生偏离；总而言之，通过以上各点的改进，使设备整体的精度、效率和成型出来的产品质量都有了较大的提高。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的主机台部分的结构示意图。

图3是本发明的主机台上各机构的结构示意图。

图4是本发明的钢带沿Y轴方向送料的结构示意图。

图5是本发明的主模架的结构示意图之一。

图6是本发明的主模架的结构示意图之二。

图7是本发明的主模架的结构示意图之三。

图8是本发明的成型模的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

参见图1至图8，一种高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备的实施例，包括主机台1，一对直线齿条11沿X轴方向水平设置在所述主机台1上，所述主轴座12活动设置在所述主机台1上且位于一对直线齿条11之间，主轴座12上呈立式设置有一对行走电机121，一对行走电机121传动连接与所述一对直线齿条11啮合的一对齿轮122，从而驱动主轴座12在主机台1上行走，进而拖动钢管100在X轴方向运动；所述卡盘旋转电机123固定在所述主轴座12上，该卡盘旋转电机123通过变速齿轮箱驱动卡盘124绕X轴方向旋转，从而带动钢管100发生360度自转，进而使钢带101弯曲成型后的螺旋型翅片360度布满钢管100的周身；该卡盘124通过其上的三爪卡头夹持的钢管100的一端，并保持钢管100的轴线与主轴座12的行走轨迹均平行于X轴方向。

主机台1上与卡盘124相对的另一侧设置有双悬臂模架16，双悬臂模架16底端通过两个悬臂161铰接在主机架1上，双悬臂模架16上设有让钢管100另一端穿过的钢管通过孔164，双悬臂模架16一侧面贴合设置有成型模17，成型模17与双悬臂模架16相贴合的一面上设有螺旋面170，用于将直线平面型钢带101弯曲成螺旋型翅片，待加工钢管100的一端被卡盘124夹紧，另一端穿过双悬臂模架16上的钢管通过孔164并被设置在主机台1的同心定位校正机构15进行卡紧定位，同心定位校正机构15包括多个环绕钢管100设置的轴承，多个轴承通过支架设置在主机台1上，多个轴承与卡盘124轴心线之间的间距相同，从而保证了钢管100在旋转和拖动过程中，其轴心线始终与X轴方向平行而不发生偏离。

待焊接钢带101沿Y轴方向送料且依次经过设置在双悬臂模架16一侧的导向轮21、智能超高频涡流加热机22和恒温油箱23后，再延伸至成型模17与双悬臂模架16之间的螺旋面170，其中导向轮21对钢带101沿Y轴方向的运动进行导向，智能超高频涡流加热机22对钢带101进行加热以提高其拉伸性(或延展性)便于其后续弯曲成型，恒温油箱23对钢带101进行润滑和保温，减少钢带101向前移动的阻力，当钢带101依次经过上述机构后，再经过钢管通过孔164外侧，钢带101的一侧边挤压钢管100周身，此时设置在双悬臂模架16的上侧的光纤激光器14射出连续的激光束，对钢管100和钢带101挤压处进行焊接使两者结合，随着钢管100不断沿X轴方向拖动，从而在钢管100周身表面形成螺旋状翅片，双悬臂模架16一侧还设置有校正翅片垂直度的校正轮18，所述校正轮18的技术细节已在中国专利CN201410467460.5中公开，在此不做赘述，所述双悬臂模架16的下方还设置有控制钢管100和钢带101挤压力的挤压力控制机构19，挤压力控制机构19包括一设置在双悬臂模架下方的气缸191，气缸191通过连杆192推动一顶出件193向上顶出，所述顶出件193的顶部连接一铰接件194的下侧，铰接件194的一端铰接至双悬臂模架16，铰接件194的上侧抵接至钢带101侧边以控制钢带101与钢管100之间的挤压力。

双悬臂模架16和成型模17上设有沿Y轴方向延伸的热流道160，热流道160内通以热油，并将热量传递至钢带101以提升钢带101的延展性便于钢带弯曲成型为螺旋型，所述热油由设置在主机台1底部的温控热油箱13提供并进行加热。

双悬臂模架16上位于钢管通过孔164的周围还设置有排渣垢通道162和吹氩气装置(图中未示出)以将焊接过程中产生渣垢排走，双悬臂模架采用真空热处理的DC53合金模具钢材质，双悬臂模架16上与钢带101接触区域设置有钴基碳化钨合金材质的镶嵌块163，利用钴基碳化钨合金在高温高硬度下的高耐磨性，从而满足高寿命要求。

本发明提供的热拉成型焊接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100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。

一种高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备的焊接成型方法，本实施例中，选用美国IPG公司的YLR/S-1000～4000光纤激光器进行自主二次开发，集成在CNC五轴工业数控系统中；所有的智能控制如油温恒温、智能超高频涡流加热、五轴运动控制系统实现集成在统一的工业控制PC系统中。

更具体的，生产工艺操作流程如下。

a.目视检测模具是否安装完好,有无漏水、漏汽、漏电现象。

b.首先送片起头，系统设置开始程式会自动完成。

c.使用工具：系统准备微型汽动式冲床在模具制作钢带起头形状1000。

d.双悬臂模架内集成了热油恒温、吹氩气装置。

e.钢带经送料架送入→汽动式冲床→智能超高频涡流加热机→恒温油箱→模架机构→起动激光焊接机开始程序(开始程序段)→开始的一圈进入校正机构→焊接三圈后(等系统温度达到设定值)，程式自动进入系统全速焊接程式直到程序结速。

f.如果焊接的钢管100过长，可在主机台1一侧设置一钢管支撑架3用于支撑钢管100端部。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，其特征在于：包括主机台，主机台上固定设置有互相平行且沿X轴方向延伸的一对直线齿条，一对直线齿条之间设置有可沿X轴方向行走的主轴座，主轴座上设置一对行走电机，一对行走电机传动连接与所述一对直线齿条啮合的一对齿轮，从而驱动主轴座在主机台上行走，主轴座上设置有一用于夹紧钢管端头的可旋转卡盘，所述卡盘由设置在主轴座的卡盘旋转电机驱动且能够带动钢管绕X轴旋转，主机台上与卡盘相对的另一侧设置有双悬臂模架，双悬臂模架上设置有钢管通过孔，双悬臂模架一侧面贴合有成型模，所述双悬臂模架上方设置有光纤激光器，待加工钢管平行于X轴方向放置，其一端被卡盘夹紧，另一端穿过双悬臂模架上的钢管通过孔并被设置在主机台的同心定位校正机构进行卡紧定位，待焊接钢带沿Y轴方向送料且经过设置在双悬臂模架一侧的导向轮、智能超高频涡流加热机、恒温油箱后延伸至成型模与双悬臂模架之间，且钢带一侧边挤压钢管，所述光纤激光器射出的激光束射向钢管和钢带挤压处进行焊接从而在钢管表面形成螺旋状翅片，双悬臂模架一侧还设置有校正翅片垂直度的校正轮，双悬臂模架的下方还设置有控制钢管和钢带挤压力的挤压力控制机构,所述双悬臂模架和成型模上设有热流道，热流道内通以热油并将热量传递至钢带以提高钢带的延展性，所述热油由设置在主机台底部的温控热油箱进行加热。

2.根据权利要求1所述的高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，其特征在于，所述成型模上与双悬臂模架相贴合的一侧面设有螺旋面。

3.根据权利要求1所述的高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，其特征在于，所述双悬臂模架为采用真空热处理的DC53合金模具钢材质构件，所述双悬臂模架上与钢带接触区域设置有钴基碳化钨合金材质的镶嵌块，所述双悬臂模架底端通过两个悬臂铰接在主机架上。

4.根据权利要求1所述的高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，其特征在于，所述双悬臂模架上位于钢管通过孔周围还设置有排渣垢通道和吹氩气装置。

5.根据权利要求1所述的高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，其特征在于，所述光纤激光器采用IPG高功率连续型光纤激光器或QCW准连续型光纤激光器，所述光纤激光器焊接头上设置有水冷和气刀装置。

6.根据权利要求1所述的高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，其特征在于，还包括一工业控制PC系统，所述光纤激光器、行走电机、卡盘旋转电机、恒温油箱、智能超高频涡流加热机均由工业控制PC系统全自动控制，还包括一冷却系统，所述冷却系统通过冷水对光纤激光器和工业控制PC系统进行冷却。

7.根据权利要求1所述的高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，其特征在于，所述主机台的邻侧还设有对钢管进行支撑的钢管支撑架。

8.根据权利要求1所述的高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，其特征在于，所述同心定位校正机构包括多个环绕钢管设置的轴承，多个轴承通过支架设置在主机台上，多个轴承的中心轴线与卡盘轴心线之间的间距相同。

9.根据权利要求1所述的高功率连续光纤激光器螺旋翅片管热拉成型焊接设备，其特征在于，所述挤压力控制机构包括一设置在双悬臂模架下方的气缸，气缸通过连杆推动一顶出件向上顶出，所述顶出件的顶部连接一铰接件的下侧，铰接件的一端铰接至双悬臂模架，铰接件的上侧抵接至钢带侧边以控制钢带与钢管之间的挤压力。