DK153373B - Apparat til at udsaette et arbejdsstykke med plane og krumme flader for et vaerktoej - Google Patents

Description

i

DK 153373 B

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til at udsætte arbejdsstykker, fx ovallignende arbejdsstykker uden rotationssymmetri og bestående af plane og krumme flader for et værktøj, fx en laserstrålesvejseindret-ning, medens fladerne, medens de udsættes for værktøjet, holdes i et 5 fikseret plan i.forhold til dette, hvilket apparat har en grundplade i et i forhold til værktøjet fikseret plan, et støtteelement, som er fastgjort til grundpladen, en aksel, der er monteret i lejeorganer i støtteelementet, og som ved den ene ende har en opspændingspatron til at bære arbejdsstykket, organer til frembringelse af en relativ translationsbevægelse 10 mellem grundpladen, hvorpå arbejdsstykket er fastgjort, og værktøjet for at udsætte arbejdsstykkets plane flader for værktøjet, samt en drivindretning, der er forbundet med akselen for rotation af denne og dermed af det derpå fastgjorte arbejdsstykke omkring længdeakserne for de cirkelbueformede krummede flader, så at disse flader på arbejdsstykket udsæt -15 tes for værktøjet.

Lasersvejsning er en metode, der i stærkt øget udstrækning anvendes til sammenføjning af metaldele til ønskede færdigprodukter eller halvfabrikata. Ved lasersvejsning er det vigtigt, at laserstrålen fokuseres rigtigt på de af arbejdsstykkets flader, der skal sammenføjes. Hvis strålens fokus 20 ændrer sig under svejsningen, kan der opstå mange problemer, af hvilke det, at man kan få en dårlig svejsning som følge af forkert opvarmning af overfladerne, ikke er det mindst alvorlige. Ved lasersvejsning af dele, der er rotationssymmetriske, som f.eks. cylindriske rør, er det sædvanligvis mindre vanskeligt at holde strålen korrekt fokuseret, eftersom 25 delene da kan drejes omkring deres akser i en bestemt afstand fra denne linse, der samler laserstrålen. Når laserstrålen først er blevet fokuseret, bringes denne til at bevæge sig omkring sammenføjningsstedet ganske enkelt ved drejning af delene. Ved svejsning af dele, der ikke er rotationssymmetriske, har det imidlertid været et alvorligt problem at oprethol-30 de korrekt fokusering af strålen på arbejdsstykkets overflader, hvilket har begrænset brugen af lasersvejsning inden for produktionen.

Et eksempel på de problemer, der kan opstå ved lasersvejsning af dele, der ikke er rotationssymmetriske, er det kølegasrør, der anbringes i visse gasturbinemotorskovle for at lede køleluft igennem disse. Et sådant 35 typisk kølegasrør omfatter en langstrakt del med omtrentlig bæreplanprofil 2

DK 153373B

og med en kileformet del, hvilke dele har en ovallignende omkreds eller tværsnitsform, hvor de skal sammenføjes (fig. 1 og 2). Tidligere er den ovallignende omkredssamling omkring rørets dele blevet svejset ved elektronstrålesvej sning, idet samlingens mere eller mindre plane dele er blevet maskinsvejset, medens de krumme dele er blevet svejset manuelt. Denne svejseteknik er naturligvis ikke blot tidskrævende, men den kræver også talrige svejsetilpasningstrin under operationen. Forsøg på at lasersvejse hele omkredssamlingen er slået fejl som følge af det umulige i at holde strålen korrekt fokuseret, medens den bevæger sig fra svejsningens plane dele til de krumme dele, og også som følge af det umulige i at holde den korrekte indfaldsvinkel for strålen på overfladerne, medens den bevæges hen over disse.

Fra engelsk patentskrift nr. 417.565 kendes et apparat til indstilling af retlinjede og buede sømme på et arbejdsstykke i forhold til et svejseapparat. En væsentlig ulempe ved dette apparat er, at svejsningen ikke kan udføres kontinuerligt rundt langs hele arbejdsstykket, idet der må 5 foretages en omplacering af arbejdsstykket under svejseoperationen. Tilsvarende gælder svejsemaskinen ifølge tysk patentskrift nr. 289.391.

Apparatet ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at lejeorganerne omfatter et inderste og et yderste leje, idet akselen er monteret i det inderste leje, der er anbragt excentrisk i det yderste leje, at akselen og drivind-10 retningen er radialt indstillelige i forhold til hinanden mellem en første stilling, i hvilken akselen kan rotere om sin egen akse liggende på linje med den ene af længdeakserne af arbejdsstykkets krumme dele og en anden stilling, i hvilken akselen er drejelig excentrisk omkring centeraksen for det ydre leje, der ligger på linje med en anden længdeakse for 15 arbejdsstykkets krumme dele.

Med dette apparat er det muligt at svejse hele vejen rundt langs et ovalt arbejdsstykke uden afbrydelse af svejseoperationen, og uden at det er nødvendigt at omplacere arbejdsstykket på akselen.

DK 153373 B

3

Midtlinjerne for henholdsvis lejerne og patronakselen vil ligge i plan med de langsgående akser gennem de bueformede deles krumningscentre. Med henblik på en relativ bevægelse mellem arbejdsstykkets omkreds og værktøjet findes der organer til at frembringe en relativ translatorisk bevæ-5 gelse mellem grundpladen og værktøjet og til drejning af den modsat opspændingspatronen beliggende ende af patronakselen. Omkredssvejsning foretages typisk ved retliniet forskydning af grundpladen i forhold til de stationære komponenter, hvorved laserstrålen bringes til at bevæge sig hen over en plan del på den ovale omkredsflade. Når strålen når frem til 10 omkredsens første krumme del, aktiveres drivindretningen for drejning af det indre leje og den deri excentrisk i forhold til det ydre leje lejrede patronaksel. Denne excentriske bevægelse får igen arbejdsstykket til at dreje sig omkring længdeaksen gennem den første krumme dels krumningscentrum, hvorved den første krumme flade på arbejdsstykket vendes 15 mod laserstrålen, samtidig med, at den buede eller krumme flade fastholdes i samme plan, der fastlægges af arbejdsstykkets allerede færdigsvej-sede plane flade, hvorved der opretholdes en i hovedsagen konstant brændvidde mellem linsen og arbejdsstykkets overflade og en i hovedsagen konstant indfaldsvinkel for laserstrålen på arbejdsstykkets overflade.

20 Efter at den første krumme del er gennemløbet af laserstrålen, forskydes grundpladen igen retliniet i forhold til linsen og drivindretningen for svejsning af omkredsens anden plane del. Når strålen til sidst når frem til den anden krumme flade, aktiveres drivindretningen for drejning af akselen, der er lejret i det indre leje, omkring dens egen akse. Ved 25 denne ikke-excentriske bevægelse vil arbejdsstykket blive drejet omkring den anden længdeakse, hvorved laserstrålen bringes til at bevæge sig hen over arbejdsstykkets anden krumme flade, og drejningsbevægelsen bevirker, at den anden krumme flade fastholdes i samme plan som den allerede færdigsvejsede plane flade. Ved sådan skiftevis forskydnings- og drej-30 ningsbevægelse eller drejnings- og forskydningsbevægelse af arbejdsstykket i forhold til linsen kan laserstrålen bringes til kontinuert at følge hele det ovallignende arbejdsstykkes omkreds og dermed foretage svejsningen.

Ved en foretrukken udførelsesform for opfindelsen indeholder leje- og akselsamlingen justerbare dele for tilpasning til forskellige størrelser af 35 arbejdsstykkers ovallignende omkredse, dvs. at der findes mekanismer til ændring af det indre lejes excentricitet, så at afstanden mellem lejernes

DK 153373 B

4 akser kan varieres. Ved en endnu mere foretrukken udførelsesform for opfindelsen er den opspændingspatron, der holder arbejdsstykket, forsynet med en afskærmning til i hovedsagen at indkapsle arbejdsstykket og er desuden forsynet med organer til indføring af en beskyttelsesgas i 5 afskærmningen og/eller gennem arbejdsstykket.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 viser et typisk kølegasrør 10 til indsætning i en gasturbineskovl og set fra siden, fig. 2 et tværsnit gennem kølegasrøret efter linjen 2 - 2 i fig. 1, fig. 3 et typisk apparat ifølge opfindelsen set i perspektiv, 15 fig. 4 apparatets leje- og akselaggregat i større målestok fig. 5a - 5d skematisk de indbyrdes aksiale stillinger mellem apparatets dele før og under svejsningen , og fig. 6a - 6e skematisk en typisk svejsecyklus langs køle-20 gasrørsomkredsens plane og krumme dele.

Fig. 1 og fig. 2 viser et typisk kølegasrør til indsætning i en gasturbineskovl for at lede køleluft igennem denne. Kølegasrøret samles almindeligvis 25 af to dele nemlig en langstrakt del 2, der i hovedsagen har bæreplanprofil, og en kileformet del eller foddel 4. De to dele sammenføjes ved hjælp af en omkredssvejsning 6. Rørets dele er som vist hule og har en i hovedsagen oval tværsnitsform eller omkreds i samlingen, 30 og den ovale omkreds består af mere eller mindre plane dele 8a og 8b samt krumme dele 10a og 10b. Selv om rørets plane dele i nogen grad er bueformede, er disse deles krumning så lille, at det er uden betydning for den foreliggende opfindelses formål.

35

Fig. 3 viser en foretrukken udførelsesform for apparatet ifølge opfindelsen til brug ved lasersvejsning af omkreds-svejsningen 6 langs rørdelene, efter at disse er blevet hæfter-

DK 153373B

svejset. Apparatet indeholder en grundplade 12, der er monteret i et fast plan i forhold til en stationær samlelinse 14, hvis akse her er vist vinkelret på grundpladens plan. I forbindelse med grundpladen findes der konventionelle styre- og drivorganer (ikke vist) til at frembringe den translatoriske bevægelse af denne i 5 forhold til den stationære linse 14. På grundpladen er der monteret et leje- og akselaggregat til at holde arbejdsstykket på forudbestemt måde i forhold til linsen og til at frembringe den ønskede drejningsbevægelse af dette under svejsecyklussen. Som vist mere detaljeret 10 i fig. 4 indeholder aggregatet i store træk et indre leje 16 og et ydre leje 18 monteret i en understøtningsdel 20, der er fastgjort til grundpladen, og det indre leje er excentrisk anbragt inden i det ydre leje. For at muliggøre tilpasning til forskellige røromkredsdimensioner er 15 det indre leje monteret i en lejeblok 22, som igen er forskydeligt anbragt i en lejebloksholder 24. Holderen 24 er drejeligt anbragt i det ydre leje 18 og har flanger 24a, mellem hvilke lejeblokken er anbragt. En første aksel 26, der strækker sig gennem en udsparing 20 28 i lejebloksholderen, er lejret i det indre leje 16.

Denne første aksels ene ende er indrettet til at blive drejet f.eks. gennem en kobling 30, som kan forskydes i indgreb med en komplementær kobling 32 på en drivmekanisme 34's aksel, hvilken drivmekanisme 34 er monteret på en 25 platform 35 uafhængigt af og i en fast stilling i for hold til den bevægelige grundplade. Koblingerne 30 og 32 tillader grundpladen at blive forskudt translatorisk i forhold til drivmekanismen og tillader samtidig akselen 26 at blive drejet. Akselen 26's anden ende er kob-30 let til en anden aksel 28 ved hjælp af koblinger 36 og 38 på henholdsvis den første og den anden aksel. Som det vil blive forklaret nedenfor tillader koblingerne 36 og 38 i forbindelse med lejeblokken 22 og koblingerne 30 og 32, at kølegasrørets akser rettes ind efter det indre og 35 det ydre lejes akser. På den anden aksel 28's koblings frie ende er der monteret en hensigtsmæssig patron 40 til at holde kølegasrøret i den rette stilling i forhold til linsen og i forhold til lejernes akser.

DK 153373B

Fig. 5a - 5d viser skematisk de indbyrdes aksiale stillinger, som frembringes mellem apparatets forskellige dele for at opnå den ønskede bevægelse af arbejdsstykket. I fig. 5a er apparatet vist i begyndelsesstillingen, i hvilken det indre og det ydre leje 16's og 18's centrale 5 akser er sammenfaldende med hinanden og med dels akslerne 26's og 28's centrale akser og dels længdeaksen A gennem midtpunktet mellem krumningscentrene og R2 for røromkredsens krumme dele. I fig. 5b er akselen 28 vist forskudt i forhold til lejernes centrale akser et vist stykke ]_g ϋζΓ me(^ den halve afstend mellem krumningscentrene og R2. Denne forskydning retter, som man vil se, længdeaksen gennem krumningscenteret R2 ind efter det indre leje 16's centrale akse. Bevægelse af akselen 28 på denne måde fremkommer ved at forskyde koblingen 38 i forhold til koblings gen 36, og derpå låse denne kobling i den ønskede stilling f.eks. ved hjælp af låseskruer 42. Mikrometerorganer 44 fastgjort til koblingen 36 kan benyttes til at fastsætte denne forskydningsafstand nøjagtigt. Fig. 5c viser det sidste trin i denne retten ind på linje, hvor leje-20 blokken 22 er forskudt i forhold til de ydre lejes centrale akse et vist stykke lig med afstanden mellem krumningscentrene R^ og R2.. Som vist retter denne forskydning det ydre leje 18's centrale akse ind efter længdeaksen gennem krumningscenteret R^, hvorved det indre leje og akse-25 len 26 placeres excentrisk i forhold til det ydre leje. Mikrometerorganer 45 benyttes til præcist at placere lejeblokken 22. Når drivmekanismen 34 aktiveres i den i fig. 5c viste stilling, drejes akslerne 26 og 28 excentrisk omkring det ydre lejes centrale akse, og denne be-30 vægelse får kølegasrøret til at dreje sig omkring lasigdeak-sen gennem krumningscenteret R^. Når, som det fremgår af fig. 5d, grundpladen forskydes for at rette det indre leje 16's og akselen 26's centrale akser ind efter rotationsaksen for drivmekanismen 34, og nekanismen derpå aktive-35 res, vil røret imidlertid blive drejet omkring længdeaksen gennem krumningscenteret R^. Eftersom akserne for det indre og det ydre leje og akslerne ligger i samme plan som længdeakserne gennem krumningscentrene R^ og R,, holder de netop beskrevne drejningsbevægelser de krumme ΛδΙ ΛΤΤΔνΡ 1 arlnv 1 Ha r-\r-r 1 Π V\ A λΙλ-Ι- vn 1 A -C 4- 1 ^ -C A Λ denne måde kan røromkredsens krumme overflader blive eks poneret af laserstrålen under bibeholdelse af i hovedsa gen konstant brændvidde og indfaldsvinkel for strålen.

7

DK 153373B

5 Fig. 6a - 6d viser skematisk en typisk svejsecyklus, der benyttes til at svejse den ovale omkredssamling mellem rørdelene. Laserstrålen 50 fokuseres f.eks. på den plane overflade 8b, så at krumningscenteret ligger på laserstrålens forlængelse, fig. 6a. Derpå forskydes grundpla-den i pilens retning for som vist at frembringe en svejsesøm 52 på den plane overflade 8b. Når krumningscenteret R.2 ligger på laserstrålens forlængelse, drejes røret omkring længdeaksen gennem dette krumningscenter, fig. 6b, som beskrevet ovenfor. Halvdelen af omkredssamlingen er nu blevet svejset. I fig. 6c og 6d forskydes grundpladen igen for svejsning af den plane overflade 8a, og røret roteres omkring længdeaksen gennem R^ for svejsning af den krumme overflade 10a. Grundpladens forskydning og selve rørets drejning kan med fordel koordineres 20 £ rækkefølge ved hjælp af N/C-bånd, datamaskine eller andre automatiske organer. Selvfølgelig kan der benyttes en hvilken som helst følge af forskydninger og drejninger.

Når følgen som vist i fig. 6 styres automatisk, kan omkredssvejsningen omkring et typisk kølegasrør laves i løbet af ca. 10-20 sekunder.

En specielt foretrukken udførelsesform for apparatet i-følge opfindelsen til lasersvejsning af ovallignende omkredssamlinger indeholder desuden en afskærmning 54, der er fastgjort til patronindretningen 40 for at indkapsle det deri fastholdte kølegasrør (se fig. 3). Afskærmningen kan være en kvartscylinder, som tillader passage af laserlyset uden formindskelse i effekten. Gennem et passende rør 56, som er forbundet til en gaskilde, kan afskærm-ningen fyldes med en beskyttelsesgas, som f.eks. argon, helium eller lignende. Yderligere kan der indvendigt gennem patronen være anbragt et rør eller en kanal (ikke vist), 8

DK 153373B

der ligeledes leder beskyttelsesgas gennem rørets indre.

På akslerne 26 og 28 kan der være monteret slangeruller 58 og 60 for at tilvejebringe slanger af tilstrækkelig længde under arbejdsstykkets drejningsbevægelse. Fag-5 manden vil selvfølgelig indse, at kvartsafskærmningen og gasforsyningsrørene kan udelades, dersom apparatet ifølge opfindelsen indkapsles i et vakuumkammer eller tilsvarende.

10 Det indses også, at visse komponenter i det ovenfor detaljeret beskrevne apparat kan være unødvendige, dersom arbejdsstykkets størrelse ikke varierer. Hvis f.eks. ét og samme arbejdsstykke skal svejses eller på anden måde behandles, er organerne til justering af det indre leje 15 og akslerne 26's og 28's excentricitet i forhold til det ydre leje overflødige. Lejeblokken 22, lejebloksholderen 24 og mikrometerorganerne 44 og 45 vil derfor kunne udelades. Yderligere kan man, i stedet for at benytte to forskydningsaksler 26 og 28, benytte en enkelt aksel 20 lejret i det indre leje og med den ene ende drejeligt anbragt og den anden ende påmonteret patronen 40, når blot de foreskrevne aksiale forhold tilvejebringes mellem arbejdsstykket og lejeakslerne. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Samlelinsen 14 og drivmekanismen 34 kan også bevæges transla- 2 torisk i forhold til en fast grundplade, idet den vigtigste 3 betingelse for opnåelse af formålene og fordelene ved den fore 4 liggende opfindelse er fremskaffelse af den ønskede relative 5 bevægelse mellem maskindelene. Fagmanden indser selvfølgelig, 6 at andre arbejdsstykker, der har overllignende omkredse, kan 7 svejses eller behandles ved hjælp af dette apparat. Med "oval- 8 lignende" menes i denne forbindelse såvel tilnærmelsesvise som 9 virkelige ovale kurveformer. Således kan der eksempelvis i for 10 bindelse med apparatet ifølge opfindelsen tillades en mindre 11 afvigelse fra den nøjagtige ovale kurvefom som f.eks. den ringe kruming af de plane overflader 8a og 8b. På samme måde 9

DK 153373 B

er en mindre afvigelse hos de krumme overflader tilladelig. Den tilladelige afvigelse fra den nøjagtige ovale kurveform vil i første række afhænge af den type af operation, der skal udføres på arbejdsstykket.

5

Det skulle være indlysende, at apparatet ifølge opfindelsen kan benyttes ikke blot til lasersvejsning af ovallignende omkredssamlinger, men også kan indrettes til TIG-eller andre svej semetoder. Desuden kan apparatet finde 10 anvendelse ved maskinforarbejdningsoperationei; som f.eks.

fræsning eller slibning, ved kontroloperationer, som f.eks. røntgenstråleanalyser, ved belægnings- eller "coating"-operationer, ved varmebehandlingsoperationer eller ved mange andre slags operationer, som skal udføres 15 på et ovallignende arbejdsstykkes omkreds ved hjælp af værktøj sorganer.

20 25 30 35

Claims (8)

10 DK 153373B

1. Apparat til at udsætte arbejdsstykker, fx ovallignende arbejdsstykker uden rotationssymmetri og bestående af plane og krumme flader (8a, 8b, 10a, 10b) for et værktøj, fx en laserstrålesvejseindretning, medens fla- 5 derne, medens de udsættes for værktøjet, holdes i et fikseret plan i forhold til dette, hvilket apparat har en grundplade (12) i et i forhold til værktøjet fikseret plan, et støtteelement (20), som er fastgjort til grundpladen, en aksel (26), der er monteret i lejeorganer i støtteelementet, og som ved den ene ende har en opspændingspatron (40) til at bære arbejds-10 stykket, organer til frembringelse af en relativ translationsbevægélse mellem grundpladen (12), hvorpå arbejdsstykket er fastgjort, og værktøjet for at udsætte arbejdsstykkets plane flader (8a, 8b) for værktøjet, samt en drivindretning (34), der er forbundet med akselen (26) for rotation af denne og dermed af det derpå fastgjorte arbejdsstykke om-15 kring længdeakserne (R^, R2) for de cirkelbueformede krummede flader (10a, 10b), så at disse flader på arbejdsstykket udsættes for værktøjet, kendetegnet ved, at lejeorganerne omfatter et inderste og et yderste leje (16, 18), idet akselen (26) er monteret i det inderste leje (16), der er anbragt excentrisk i det yderste leje (18), at akselen (26) 20 og drivindretningen (34) er radialt indstillelige i forhold til hinanden mellem en første stilling, i hvilken akselen (26) kan rotere om sin egen akse liggende på linje med den ene (R2) af længdeakserne (R^, R2) af arbejdsstykkets krumme dele (10a, 10b), og en anden stilling, i hvilken akselen (26) er drejelig excentrisk omkring centeraksen for det ydre leje 25 (18), der ligger på linje med en anden længdeakse (R^) for arbejds stykkets krumme dele (10a, 10b).

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at grundpladen (12) er således monteret i forhold til det stationære værktøj, at den kan foretage en relativ bevæ-30 gelse i forhold til dette. 11 DK 153373B

3. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at drivindretningen (34) er monteret uafhængig af og i fast stilling i forhold til den bevægelige grundplade (12), og at drivindretningen har koblingsorganer (30, 32) til skridbart indgreb 5 med den ende af akselen (26), der ligger modsat opspændingspatronen (40).

4. Apparat ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, kendetegnet ved, at akselen (26) bærer opspændingspatronen (40) via en anden aksel (28), som er excentrisk anbragt i forhold til den 10 første aksel (26).

5. Apparat ifølge krav 4, kendetegnet ved, at de to aksler (26, 28) er sammenkoblet ved hjælp af en justerbar kobling (36, 38), der tillader indstilling af afstanden mellem de to akslers (26, 28) akser, og at der i det ydre leje (18) er 15 drejeligt monteret en glideholder (24), i hvilken en glider (22), som bærer det indre leje (16), indstilleligt føres for at tillade indstilling af excentriciteten for de to lejer (16, 18).

6. Apparat ifølge et hvilket som helst af kravene 1-5, kendetegnet ved, at opspændingspatronen (40) har et af- 20 skærmningsorgan (54), der omslutter det område af arbejdsstykkets periferi, der skal udsættes for værktøjet, og at der findes organer til at indføre en afskærmningsgas i afskærmningsorganet (54).

7. Apparat ifølge krav 5, kendetegnet ved, at afskærmningsorganet (54) består af 25 kvarts.

8. Apparat ifølge krav S eller 7, kendetegnet ved, at opspændingspatronen (40) yderligere har organer til indføring af en afskærmningsgas gennem arbejdsstykket.