CN1318178C - 焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种将一锅炉管壁板的零件焊接在一起用的方法包括将要焊接的壁板的至少两个零件沿一焊接线相互靠近地放置和用一激光束沿该焊接线形成一焊缝。能够有利地使用该方法仅从壁的一面焊接锅炉管壁板。还能够将GMAW工艺与激光束组合使用以形成焊缝。其中锅炉管壁板包括管子之间的一隔板，可以斜削该隔板。

Description

焊接方法
技术领域
本发明总地涉及焊接领域，尤其涉及一种用激光焊接锅炉管壁板的新的和有用的方法。
背景技术
本发明能够焊接所有类型的锅炉管壁板或隔板。这些壁板或者焊接在一起，并排的管子带有其中的切向管焊缝，或者若干管子与若干称为隔板的窄平板或若干圆杆或棒交替以形成一气密壁。管子外径为约38.1至76.2毫米(1.5至3英寸)，其壁厚为约3.81至7.62毫米(0.15至0.30英寸)。管子之间的板的厚度为约6.35至9.525毫米(1/4至3/8英寸)，宽度可达约76.2毫米(3英寸)。这样板的宽度从零至76.2毫米(零至3英寸)，零尺寸表示相邻管子之间没有板，即是一切向管焊缝。圆杆或棒的直径为约3.175至12.7毫米(1/8至1/2英寸)。组合这些锅炉管壁板零件所需的焊缝必须是约3.048至18.288米(10至60英尺)长或更长些，这些由于壁板可能是这长度。壁板也可以是仅为两个切向焊接的管那样窄和直至2.4384米(8英尺)宽以及是切向焊接的、隔板或圆杆类型。
可以由多种金属制成管壁板，这些金属从价廉的碳钢到铬钼合金、到带有冶金结合的不锈钢或碳钢上包复Inconel(一商标)复层的复合材料。使用的合金的例子是被称为SA-213 T22的Croloy 2-1/4(21/4铬-1钼)，以及被称为SA-213 T23的另一合金。
对于锅炉管壁板的特性和目前在制造它们时所使用的焊接工艺的一般叙述，读者可参阅1992年出版的《蒸汽/它的产生和使用(第40版)》中第22和38章，作者是美国俄亥俄州Barberton Babcock and Wilcox公司，其原文全部内容结合在此供参考。
已知使用SAW(水下电弧焊接)和GMAW(气体金属电弧焊)来将若干锅炉管壁板焊接在一起。这些加工过程缓慢，还由于这些焊接加工将很多的热量施加于被焊在一起的管子和/或板或杆，导致壁板产生变形。由于需要定位电弧和焊条通过焊剂(SAW)，同时为了保护焊接工人免受电弧烧伤(GMAW)，很难控制这些加工过程。还必须从壁板的两面进行焊接，以在壁板的两面上产生焊缝。这又需要很长时间和在长的、难以操纵的壁板上进行轻击以便焊接壁板的背面。
一般，也已知可以利用激光、尤其是CO2和Nd:YAG激光相互焊接多种类型的金属。例如，可参见在下列网址的、全部标题为“激光焊接”的四篇文章：
http://www.laserage.com/welding.htm；
http://www.lmclaser.com.au/welding.htm；
http://www.convergentprima.com/Laser-Applications/Laser-Beam-Machining/Welding/Welding.htm；以及
http://www.alspi，com/welding.htm；
在下列网址的“激光焊接论文”：
http://www.uslasercorp.com/Envoy/welding.htm；
在下列网址的“Nd：YAG激光焊接(2001年3月)”：
http://www.twi.co.uk/j32k/protected/band-3/kspachoo2.html；
在下列网址的“二氧化碳激光”(2000年2月)：
http://www.twi.co.uk/j32k/protected/band-3/kspahoo2.html；以及
在下列网址的“用激光束焊接的操作经验”：
http://www.alspi.com/lsrweld.htm。
已使用激光焊接来焊接薄金属板或进行点焊，但不能将一锅炉管壁板的诸零件焊接在一起，相比较这些零件相当厚以及要求深的气密焊接。
还请参阅美国专利4,990,741；6,300,591；5,760,365；5,229,571；6,211,483和5,563,391。
仍旧需要将一锅炉管壁板的诸零件焊接在一起的一有效的和改进的方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种将一锅炉管壁板的诸零件焊接起来的方法，它包括将要焊接的壁板的至少两个零件沿一直线放置，相互靠近，以及使用一激光束沿该直线形成一焊缝。
因为现在激光有能力在一工业机位进行焊接，所以本发明是可以实现的。在一实施例中，只要适当放置和固定壁板零件，能利用激光代替SAW和GMAW焊接。该方法能有利地同时在锅炉管壁板的两面上形成一焊缝，从而降低了应力集中。因此能够利用该方法仅从壁板的一面焊接锅炉管壁板，同时仍旧产生一条完全穿透焊缝，即穿透到壁板的相对面的一焊缝。这又降低了焊接时间和变形。因为激光焊接传给要形成一焊缝的壁板零件的热量较少，所以也降低了变形。
因为激光焊接易于控制，所以激光焊接进一步降低了花费的时间和变形以及疵品的发生。还能够利用激光焊接一壁板的某些区域，这些区域由于进出通道有限而用其它方法不能实施焊接。由于利用激光焊接还大大降低了壁板焊接机器的庞大体积，并且保护焊接工人免受电弧的伤害。
在另一实施例中，本发明包括组合GMAW焊接和激光焊接。该实施例是一种用于将一锅炉管壁板的至少两个零件沿一焊接线(weld line)焊接在一起的方法，它包括将该壁板的至少两个零件相互靠近放置，和利用一激光束和一GMAW工艺沿该焊接线形成一焊缝。
在应用于锅炉管壁板的一隔板的另一实施例中，对要沿一直线焊接到一根锅炉管上的隔板沿邻近锅炉管的焊接线斜削。该实施例是一种用于沿一焊接线将至少一根锅炉管和至少一块锅炉管隔板焊接在一起的方法。该方法包括提供至少一根锅炉管和至少一块锅炉管隔板。至少一块隔板具有一第一纵向边缘、一第二纵向边缘和沿第一纵向边缘的一斜角。至少一根锅炉管和至少一块锅炉管隔板相邻放置，使第一和第二纵向边缘靠近至少一根锅炉管。利用一激光束和一GMAW工艺沿第一纵向边缘形成一焊缝。
在形成本说明书的一部分的所附权利要求书中指出了特征本发明的多个新颖特点。为更好理解本发明，参照附图和以叙述本发明的较佳实施例的方式说明了它的工作优越性和通过它的使用所实现的特定目的。
附图概述
在附图中，图1是本发明的一实施例的示意图，表示了用激光将管子之间有隔板的一锅炉管壁板的诸零件焊接在一起；
图2是本发明的另一实施例的、与图1相类似的示意图，表示了用激光将诸管子之间的诸圆杆或棒与一锅炉管壁板的诸零件焊接在一起；
图3是本发明的一实施例的、与图1相类似的示意图，表示了用激光通过管子之间的切向焊缝将一锅炉管壁板的诸零件焊接在一起；
图4是一示意图，表示了按照本发明焊接各种壁板结构的诸零件的一激光焊接束的方向；
图5是一示意图，示出了用于激光焊接一锅炉管壁板的本发明的一实施例的一配置；
图6是按照图5的实施例焊接一块壁板和锅炉管的一局部横剖视图；
图7是一示意图，示出了将激光与GMA焊接组合的本发明的一实施例的一配置；以及
图8是按照本发明的一实施例用于一锅炉管壁板的一块壁板的一横剖视图。
具体实施方式
现在参照附图，其中相同的标号用于表示相同或类似的部分，图1示出了用于将一锅炉管壁板10的至少两个零件焊接在一起的方法，例如采用一激光束将一根第一管12沿一焊接线16焊接到第一隔板14的一第一侧，并沿焊接线16形成一焊缝，该激光束产生并来自于一激光源20，并经一反射镜22反射。或者，激光束18可以通过光纤从激光源20传送到焊接线16。利用该领域的已有技术，可以将激光束18分裂成多个光束，同时产生多条平行的焊缝。
带有夹具(未示出)的一滑架(未示出)支承和保持壁板的诸零件，使它们相互处于正确定向，并沿箭头“A”的方向移动它们，在激光束18的作用之下以一正确的线速度形成焊缝。在产生第一焊缝16之后，滑架沿垂直于箭头“A”的方向移动，将激光束18的撞击点带到要产生的下一条焊缝的起始位置。然后滑架再次移动，但这次移动的方向与箭头“A”相反，形成下一条焊缝。重复这样的操作直至形成所有焊缝。或者，激光束18可以移动，同时锅炉壁板10的诸零件保持不动。
图2和3示出了用于将圆杆或棒24加管子12的壁板的诸零件焊接在一起的(图2)和两根或多根管子12制成的切向焊接壁板的(图3)的类似配置。
图4示出了用于激光加工方向L的多种定向，以及由本发明能够焊接的多各锅炉壁板类型。
市场上可购得的CO2或Nd:YAG激光器能够用作激光源。
图5示出了用于本发明的第一实施例的本发明的一较佳配置，其中利用一激光束18形成焊接线16。按照这实施例，激光束18以倾斜一激光束角度2有利地射向焊接线16，该角度从一垂直于板的平面的一线L1算起并在一垂直于焊接线16的一平面中，该角度在约2°至15°范围内，较佳地在约5°至10°范围内。
在以上仅用激光的实施例的一实验室试验中，利用下列加工参数，仅从隔板14的一面沿焊接线16将隔板14连续地焊接到一管子12：
激光器运行速度：  每分钟约889毫米(35英寸)
激光器功率：      5.5千瓦
激光束18以约5°的激光束角度射于焊接点P。试验中使用的管子12是外径38.1毫米(1.5英寸)、壁厚5.1562毫米(0.203英寸)的碳钢管。隔板14是用厚度6.35毫米(0.25英寸)、宽度12.7毫米(0.5英寸)的A36钢制成的。
有意义的是，仅从隔板14的一面，在一个行程中，即沿一条焊接线将隔板14焊接到锅炉管12，但仍产生一条完全穿透焊缝，即穿透到隔板14的相反面的一条焊缝。有利地，该方法不仅产生了沿焊接线16的一焊接侧焊缝32，还产生了如图6所示的一背侧焊缝34。背侧焊缝34连接锅炉管12和隔板的与焊接线16相反的侧面，从而降低在这位置的应力集中。由于在一锅炉管壁板的两面上进行焊接是关于产生在隔板的两面上都有一条角焊缝的一完全穿透隔板焊接的一个长期保持的工业标准，所以以上结果是未期待的。
图7示出了本发明的第二实施例的一较佳配置，它组合了一已知的GMAW焊接头26和激光束18，以形成焊接线16。对于一固定的激光器功率，附加GMAW焊接头26使本发明的方法在生产环境中更加可靠。
如图7所示，在激光+GMAW的实施例中，激光束18有利地倾斜激光束角度2射向焊接线16，该角度在约2°至15°范围内，较佳地在约5°至10°范围内，GMA焊接轴线(welding axis)以从一垂直于板的平面并包含焊接线16的一平面PL计量约5°的一焊矩角4指向焊接线16，也如图7所示(或在约2°至15°范围内)。并且，GMA焊接轴线以相对于运动方向A的一导前角6设置，这角度在约10°至50°范围内或较佳地在约20°至40°范围内。
仅仅为了说明的目的，考虑一情况，其中在焊接线16上的一点P处平行于管子12的纵向轴线的一直线限定了一水平方向和在点P处垂直于水平方向限定了一垂直方向。然后相对于通过焊接线16和垂直于板的平面的一垂直平面PL限定了激光束角度2和焊矩角4，以及相对于通过焊接线16的一水平面限定了一导前角6。
图8示出了本发明的第三实施例的一较佳配置，其中对隔板14改进以包含沿邻近焊接线16的边缘的一斜角30。以一斜削角b将隔板14′斜削至深度d。
在带有一被斜削的隔板14′的激光+GMAW的实施例的一实验室试验中，利用下列参数、仅从隔板的一面将被斜削的隔板14′沿焊接线16连续地焊接于一根管子12：
激光器和GMAW运动速度：    每分钟约787.4毫米(31英寸)
激光器功率：              5千瓦
GMAW保护气体：            100％氦
GMAW焊丝：                直径0.889毫米(0.035英寸)ER70S-3
GMAW焊丝进给速度：        每分钟约2540毫米(100英寸)
GMAW电压：                约25伏
GMAW峰值电流：            100安培
GMAW本底电流：            30安培
以约5°的焊矩角4和约32°的导前角6将GMAW焊接头26指向焊接点P。以约5°到10°的激光束角2将激光束18指向焊接点P。在试验中所使用的管子是外径3.81毫米(0.15英寸)、壁厚5.1562毫米(0.203英寸)的低合金碳钢管。由厚度t为6.35毫米(0.25英寸)宽度W为12.7毫米(0.5英寸)的A36钢制成隔板14。如图8所示，将隔板14较佳地修改为包括沿邻近焊接线16的边缘的一斜角30。以1.5876毫米(1/16英寸)深度d、约30°斜削角b对隔板14斜削。
重要的是注意到：上述示例中所标明的诸试验参数是在能或不能完全代表生产加工条件的实验室加工条件下得到的。
在为说明本说明原理的实用而详细示出和叙述本发明的特定实施例的同时，将可理解的是在不脱离这些原理的情况下还可按其它方式体现本发明。

Claims (33)

1.一种焊接方法，用于将一锅炉管壁板的至少两个零件沿一焊接线焊接在一起，锅炉管壁板具有两侧，该方法包括：将锅炉管壁板的至少两个零件相互靠近放置，同时，利用一激光束通过单遍形成一完全渗透焊接在锅炉管壁板的两侧产生一焊缝，该焊接沿来自仅仅在锅炉管壁板的一侧的焊接线，该激光束以一从垂直于锅炉管壁板的一平面的一线算起的激光束角度并在一垂直于焊接线的平面中被引导。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，锅炉管壁板零件包括至少两根管子，该方法包括焊接诸管子之间的一切向焊缝。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，每根管子的外径为38.1到76.2毫米，其壁厚为3.81到7.62毫米。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，锅炉管壁板零件包括至少一根管子和至少一块板，该至少一块板具有靠近该至少一根管子的一第一边缘和一第二边缘，该方法包括将该至少一块板的一第一边缘焊接到该至少一根管子的外表面。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，还包括：
沿第一边缘在至少一根管子和至少一块板之间产生一第一焊缝；
沿第二边缘在至少一根管子和至少一块板之间产生一第二焊缝；以及
从而通过沿一焊接线进行焊接产生第一和第二焊缝。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于，沿焊接线斜削该板。
7.按照权利要求4的方法，其特征在于，管子的外径为38.1到76.2毫米，其壁厚为3.81到7.62毫米；板的厚度为6.35到9.525毫米，其宽度为0到76.2毫米。
8.按照权利要求1的方法，其特征在于，锅炉管壁板零件包括至少一根管子和至少一根圆杆，该方法包括将该圆杆焊接到该管子的外表面。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于，圆杆的直径为3.175到12.7毫米。
10.按照权利要求1的方法，其特征在于，焊接线长度为3.048至18.288米。
11.按照权利要求1的方法，其特征在于，还包括以2°到15°的一激光束角度引导激光束。
12.一种焊接方法，用于将一锅炉管壁板的至少两个零件沿一焊接线焊接在一起，锅炉管壁板具有两侧，该方法包括：将锅炉管壁板的至少两个零件相互靠近放置，同时，利用一激光束和一GMAW工艺通过单遍形成一完全渗透焊接在管壁板的两侧产生一焊缝，该焊接沿来自仅仅在锅炉管壁板的一侧的焊接线，该激光束以一从垂直于锅炉管壁板的一平面的一线算起的激光束角度并在一垂直于焊接线的平面中被引导。
13.按照权利要求12的方法，其特征在于，还包括以一焊矩角和一导前角引导一GMAW焊接头，所述焊矩角相对于一垂直于板的平面并包括焊接线的一平面被限定，所述导前角相对于一经过焊接线的水平面被限定。
14.按照权利要求12的方法，其特征在于，还包括以2°到15°的一激光束角度引导激光束。
15.按照权利要求12的方法，其特征在于，还包括以2°到15°的焊矩角和10°到50°的导前角引导一GMAW焊接头。
16.按照权利要求15的方法，其特征在于，还以2°到15°的一激光束角度引导激光束。
17.按权利要求12的方法，其特征在于，锅炉管壁板零件包括至少一个锅炉管和至少一个锅炉管隔板，至少一个隔板具有与至少一个锅炉管相邻的一第一边缘和一第二边缘，该方法还包括：
沿焊接线在至少一块锅炉管隔板和至少一根锅炉管之间产生一第一焊缝；
在至少一块锅炉管隔板和至少一根锅炉管之间、在焊接线的对面产生一第二焊缝；以及
从而通过仅沿一焊接线进行焊接产生第一和第二焊缝。
18.一种焊接方法，用于将至少一根锅炉管子和至少一块锅炉管隔板沿一条焊接线焊接在一起，至少一个锅炉管和隔板具有两侧，该方法包括：
提供至少一根锅炉管子和至少一块锅沪管隔板，该至少一个锅炉管隔板具有一第一纵向边缘、一沿第一纵向边缘的第二纵向边缘；
将至少一根锅炉管和至少一块锅炉管隔板相互靠近地放置，其中第一和第二纵向边缘靠近至少一根锅炉管；以及
同时，利用一激光束和一GMAW工艺通过单遍形成一完全渗透焊接在锅炉管和隔板的两侧产生一焊缝，该焊接沿仅仅来自在锅炉管和锅炉管隔板的一侧的第一纵向边缘，该激光束以一从垂直于锅炉管壁板的一平面的一线算起的激光束角度并在一垂直于焊接线的平面中被引导。
19.按照权利要求18的方法，其特征在于，还包括：
通过仅仅沿至少一块锅炉管隔板的第一纵向边缘形成一焊接产生一条第一焊缝和一条第二焊缝；
在至少一块锅炉管隔板的第一纵向边缘和至少一根锅炉管之间产生的第一焊缝；以及
在至少一块锅炉管隔板的第二纵向边缘和至少一根锅炉管之间产生的第二焊缝。
20.按照权利要求19的方法，其特征在于，还包括：
以相对于一与壁板的平面垂直并包含焊接线的平面为2°到15°的一焊矩角和以相对于经过焊接线的水平平面为10°到50°的一导前角引导一GMAW焊接头；以及
以2°到15°的一激光束角度引导激光束。
21.一种焊接方法，用于将一锅炉管壁板的至少两个零件沿一焊接线焊接在一起，该方法包括：将壁板的至少两个零件相互靠近放置，利用一激光束和一GMAW工艺沿焊接线形成一焊接，所述GMAW工艺包括如下步骤：
以相对于一与壁板的平面垂直并包含焊接线的平面为2°到15°的一焊矩角和以相对于经过焊接线的水平平面为10°到50°的一导前角引导一GMAW焊接头。
22.一种焊接方法，用于将一锅炉管壁板的至少两个零件沿一焊接线焊接在一起，该方法包括：将壁板的至少两个零件相互靠近放置，利用一激光束和一GMAW工艺沿焊接线形成一焊缝，该激光束以一从垂直于锅炉管壁板的一平面的一线算起的2°到15°的激光束角度并在一垂直于焊接线的平面中被引导，所述GMAW工艺包括如下步骤：
以相对于一与壁板的平面垂直并包含焊接线的平面为2°到15°的一焊矩角和以相对于经过焊接线的水平平面为10°到50°的一导前角引导一GMAW焊接头。
23.一种焊接方法，用于将至少一根锅炉管子和至少一块锅炉管隔板沿一条焊接线焊接在一起，该方法包括：
提供至少一根锅炉管子和至少一块锅沪管隔板，该至少一个锅炉管隔板具有一第一纵向边缘、一第二纵向边缘和一沿第一纵向边缘的斜角，并将至少一根锅炉管和至少一块锅炉管隔板相互靠近地放置，其中第一和第二纵向边缘靠近至少一根锅炉管；以及
利用一激光束和一GMAW工艺通过仅仅沿至少一个锅炉管隔板的第一纵向边缘形成一焊接来产生一第一焊缝和第二焊缝，第一焊缝产生在至少一个锅炉管隔板的第一纵向边缘与至少一个锅炉管之间，第二焊缝产生在至少一个锅炉管隔板的第二纵向边缘与至少一个锅炉管之间，
以相对于一与壁板的平面垂直并包含焊接线的平面为2°到15°的一焊矩角和以相对于经过焊接线的水平平面为10°到50°的一导前角引导一GMAW焊接头；并且
以一从垂直于锅炉管壁板的一平面的一线算起的2°到15°的激光束角度并在一垂直于焊接线的平面中引导一激光束。
24.按照权利要求12的方法，其特征在于，锅炉管壁板零件包括至少两根管子，该方法包括焊接诸管子之间的一切向焊缝。
25.按照权利要求24的方法，其特征在于，每根管子的外径为38.1到76.2毫米，其壁厚为3.81到7.62毫米。
26.按照权利要求12的方法，其特征在于，锅炉管壁板零件包括至少一根管子和至少一块板，该至少一块板具有靠近该至少一根管子的一第一边缘和一第二边缘，该方法包括将该至少一块板的一第一边缘焊接到该至少一根管子的外表面。
27.按照权利要求26的方法，其特征在于，沿焊接线斜削该板。
28.按照权利要求26的方法，其特征在于，管子的外径为38.1到76.2毫米，其壁厚为3.81到7.62毫米；板的厚度为6.35到9.525毫米，其宽度为0到76.2毫米。
29.按照权利要求12的方法，其特征在于，锅炉管壁板零件包括至少一根管子和至少一根圆杆，该方法包括将该圆杆焊接到该管子的外表面。
30.按照权利要求29的方法，其特征在于，圆杆的直径为3.175到12.7毫米。
31.按照权利要求12的方法，其特征在于，焊接线长度为3.048至18.288米。
32.按照权利要求18的方法，其特征在于，至少一个锅炉管的外径为38.1到76.2毫米，其壁厚为3.81到7.62毫米。
33.按照权利要求18的方法，其特征在于，至少一个锅炉管隔板沿第一纵向边缘以30°的角被斜削。
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