DK165051B - Fremgangsmaade ved laserstraalesvejsning samt svejsehoved og arrangement af arbejdsstationer til brug ved udoevelse af fremgangsmaaden - Google Patents

Description

DK 165051 B

i

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til sam-5 mensvejsning af dele af metalplade, ved hvilken fremgangsmåde skårne eller formede dele, der skal sammensvejses, anbringes i så tæt kontakt, som deres overflader tillader, en fokuseret højenergilaserstråle bringes til at bevæge sig langs linien med nævnte kontakt og en forsyning af gas 10 ledes mod laserstrålens fokus for i det mindste delvis at afgrænse et plasma i det mindste dannet ved den fokuserede stråles anslag mod delene.

Opfindelsen angår endvidere et svejsehoved til brug ved ud-15 øvelse af fremgangsmåden, hvilket svejsehoved omfatter midler til fokusering af en højintensitetslaserstråle og gasforsyningsmidler rettet mod laserstrålens fokus.

Fremdeles angår opfindelsen et arrangement af arbejdsstati-20 oner til brug ved udøvelse af den ovennævnte fremgangsmåde til samling af metalplade ved svejsning, for eksempel jernholdig stålplade, i hvilket arrangement mindst to sådanne stationer tilvejebringes på separate steder indenfor en ar-bejdsfølgesekvens, idet hver station omfatter et bevægeligt 25 laserstrålefokuserende hoved, der selektivt kan kobles optisk til en optisk vej for en højintensitets laserstrålegenerator, der er fælles for de to eller flere sådanne ar-bej dsstationer.

30 Svejsningen af stålpladekanter, der støder op til hinanden, eller "stuksvejsning" foregår typisk ved at bevæge en svejsebue langs de nærliggende øvre kanter på pladen for at smelte og sammensmelte materialet. Da den smeltede zones dybde (penetration) imidlertid er begrænset, er det med 35 plader med større tykkelse nødvendigt også at svejse den anden side af de samlede plader. Dette må gøres ved enten 2

DK 165051 B

at løfte de delvis samlede plader og vende dem om før en anden arbejdsgang (hvilket kan forårsage skade og kan kræve en dyr kraninstallation) eller at udføre en anden arbejdsgang fra pladernes underside, hvilket er langsommere og me-5 re risikabelt for svejseren. Ved svejsning af de tykkeste plader er den samlede penetration stadig utilstrækkelig, og det er derfor yderligere nødvendigt i et indledende trin at affase pladekanterne ved top og bund og udføre svejsningen ved anvendelse af et fyldmateriale i de således dannede V-10 formede kanaler.

Et andet almindeligt svejsebehov er at svejse en plade til en anden i eller næsten i en vinkelret konfiguration, det vil sige som T-svejsning. Dette udføres typisk ved at skabe 15 en svejsesøm langs hvert indre hjørne, hvilket atter kræver to arbejdsgange. Behovet for at give de fæstnede pladehjørner en skrå retning eller affasning opstår også, hvis der anvendes kraftig plade. Lignende teknikker anvendes til fastgøring af valseformede eller i forvejen fremstillede 20 sektioner til en plade.

Laserstråler er kendte midler til skæring af en række materialer. Anvendelsen af laserskæring er foreslået til tyndere eller tynde plader, da det giver et rent snit med mini-25 mal termisk forspænding af pladen.

Den potentielle dybe nedtrængen af meget kraftige laserstråler har ført til, at de er blevet betragtet som en energikilde ved svejseprocesser. Indledende resultater med 30 lasersvejsning af tykkere jernholdige materialer har imidlertid ikke været opmuntrende; det har især vist sig at være nødvendigt først i fraværelse af oxygen at skære kanterne, der skal svejses, og derefter at rense disse kanter og høvle dem, så de passer i tæt berøringskontakt langs hele 35 deres længde. Kun under sådanne laboratorie-betingelser kan svejsning opnås.

3 I skibsbygning eller analog værkstedspraksis i tung maskin-teknik og konstruktion kan laboratorie-betingelser ikke opnås, og lasersvejsningsforsøg har vist sig at være mislykket. Årsagerne til dette synes at ligge i pladekanternes 5 tilstand. For det første kan den skårne kant være svagt bueformet snarere end retlinet, og for det andet er skæret typisk en let oxyderet overflade med grove ribber eller striber vinkelret på pladeoverfladen på grund af turbulens i skæregassen, når pladen til at begynde med skæres i stør-10 relse med oxygenbrændsel eller lasergas. Begge disse årsager bevirker gab, der kan være op til 1 til 2 mm brede og optræde tilfældigt eller systematisk mellem de op til hinanden stødende plader. For at overføre tilstrækkelig energi til at smelte et smeltebad af smeltet materiale må selv en 15 meget energirig laserstråle fokuseres meget skarpt (under 1 mm, for eksempel 0,5 mm), og gab med de størrelser, der findes i praksis, giver arealer, i hvilke den fokuserede del af strålen ikke er i kontakt med metal eller kun er i kontakt med dette over eller under fokus for strålen og 20 derfor ikke begynder smeltning.

Det er formålet med opfindelsen at angive en fremgangsmåde til lasersvejsning af metalplade, især jernholdig plade, hvilken fremgangsmåde ikke indebærer dyr forberedelse af 25 kontaktende pladedele i forvejen og overraskende tillader svejseoperationer at udføres fra kun den ene side af pladen, idet fremgangsmåden fuldt ud skal udnytte laserstrålens penetrationsegenskaber og derved egne sig til direkte anvendelse i skibsbygning og under lignende værkstedsbetin-30 gelser.

Dette formål opnås ved en fremgangsmåde af den indledningsvist angivne art, hvilken fremgangsmåde ifølge opfindelsen er særegen ved, at et separat, kompatibelt, strålestandsen-35 de metal, som er af samme sammensætning som delene eller er af en herfra lidt forskellig legering af samme generelle 4

DK 165051 B

art, i form af en tråd kontinuerligt tilføres for at blive anbragt i hovedsagen i laserstrålens fokus, hvorved et plasma dannes i det mindste af det strålestandsende materiale, hvis der fremkommer en spalte langs linien, og at for-5 syningen af gas udnyttes til at holde denne plasma -på plads for at tillade overførsel af energi til delene, der skal sammensvej ses.

Overfladerne på de dele, der skal svejses, behøver ikke 10 speciel forberedelse ud over normal klipning eller vals-ning, men naturligvis vil fremgangsmåden ifølge opfindelsen stadigvæk fungere, selv <?m dette sker.

Sædvanligvis er pladen og det strålestandsende materiale 15 begge jernholdige metaller. Anvendt sammen med jernholdigt metal betegner udtrykket "plade" generelt en plade med en tykkelse på mindst 3 mm. Et "kompatibelt" metal kan være identisk i sammensætning med pladernes, men er ofte en lidt afvigende legering med samme generelle natur.

20

Ved udøvelsen af fremgangsmåden ovenfor dannes et plasma i det mindste fra det strålestandsende materiale, det vil sige uanset om nogen del af pladen også afbryder den fokuserede stråle. Gasforsyningen holder dette plasma på plads, 25 i det mindste i en udstrækning, hvorved det kan vekselvirke tilstrækkeligt med laserstrålen til at bevirke energioverførsel til pladeoverfladerne på hver side af gabet og derved smelte disse overflader, men ikke så meget, at det afbryder strålen over svejsningens niveau. Det faktiske gas-30 forsyningsmønster kan indstilles af operatøren under hensyntagen til svejsebadets størrelse og strålens bredde. I praksis kan ikke-høvlede termisk skårne eller laserskårne pladekanter fra 3 mm op til 25 mm i tykkelse gennemsvejses i deres dybde ved én passage ved en sådan laserteknik. En 35 sådan svejsning kan naturligvis om ønsket gentages på undersiden, og laserteknikken indbyder til vertikale eller

DK 165051 B

5 horisontale svejsninger, enten ovenfra og ned eller muligvis endog nedefra og op.

Det strålestandsende materiale kan teoretisk være et pulver 5 eller finkornet materiale, der drysses ned igennem gabet og holdes på plads ved hjælp af en svejsebagstrimmel. Dette foretrækkes imidlertid ikke, og tilførsel af materiale under svejsningen er mere foretrukket, så den behøvede mængde kan styres. En måde at gøre dette på er at bringe granule-10 ret materiale i fokuszonen, men det er mere hensigtsmæssigt at tilføre en forsyning af tråd i fokuszonen til at afbryde strålen. Sædvanligvis fødes tråden fra området foran svejsningen, selv om det omvendte også er muligt.

15 Der kan trækkes en linie mellem inkorporering af en svejsetråd og den strålestandsende tråd. Svejsetråde er konventionelle og anvendes til at supplere mængden eller påvirke sammensætningen af en svejsesøm. De anbringes i svejselinien på svejsestedet, men energioverførslen foregår uselek-20 tivt fra kilden til svejsefladerne og tråden, hvorved begge smeltes. Ved den foreliggende opfindelse er anvendelse af en svejsetråd i sig selv ikke tilstrækkelig; en vilkårlig anvendt tråd skal anbringes nøjagtigt i forhold til fokus, hvorved, hvis der er et gab, fordampningen af tråden og 25 dannelsen af et plasma stadig foregår ved samlingen, og tillader overførsel af energi til de komponenter, der skal samles.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan let anvendes til 30 stuksvejsning som beskrevet ovenfor. Den indbyder endvidere til dannelse af svejsesømme, atter fra en side og ved en passage, hvis det ønskes, mellem staven og hovedet i en T-svejsning. I praksis vil laserstrålens akse gå ind på den ene side af den ønskede svejselinie i en vinkel på op til 35 20®, mere sædvanligt fra 5® til 15®, og strålen vil fokuse res på et standsende element ved eller lige inden for over- 6

DK 165051 B

fladerne på de plader, der skal forbindes. På lignende måde kan en T-lignende svejsning, i hvilken staven har en valset rand snarere end en skåret kant, fremstilles på en sådan måde.

5

Anvendelse af en for stor vinkel betyder sædvanligvis, at begge indre hjørner må svejses; dette er ganske acceptabelt, men naturligvis mistes den særlige engangs-passage-fordel ved opfindelsen.

10

Det i indledningen angivne svejsehoved er ifølge opfindelsen særegent ved, at svejsehovedet har midler til at føre en strålestandsende metaltråd til laserstrålens fokus, og at gasforsyningsmidlerne er indrettet til at kunne lokali-15 sere og indeholde det energioverførende plasma, der dannes ved den fokuserede laserstråles anslag mod det strålestandsende materiale.

Fra US patentskrift nr. 4.377.735 kendes et svejsehoved, 20 hvori en gasforsyning afgrænser og danner plasmaformen på et emne ved hjælp af en laser, men skriftet viser intet om tilvejebringelse af midler til at fremføre en metalstandsende tråd og heller intet om en ved gassen frembragt styring af de frembragte plasmaforhold.

25

Endvidere er det i indledningen angivne arrangement af arbejdsstationer ifølge opfindelsen særegent ved, at i det mindste en af arbejdsstationerne er en svejsestation, der anvender et svejsehoved som beskrevet ovenfor.

30 I det mindste en af arbejdsstationerne kan være en laserskærestation, det vil sige til indledende skæring og afretning. Laserskæring er en velkendt teknik for en lang række materialer. Den har med fordel været anvendt til skæring af 35 tynde jernholdige metalplader for at reducere den kastning, der forårsages af termisk skæring.

7

Typisk kan der anvendes· op til fem svejsningsstationer; flere er teoretisk muligt, men i praksis er dette antal et foretrukket maksimum (idet en hvilken som helst station ved anvendelsen stopper anvendelsen af andre).

5

Den selektive optiske forbindelse til den dannede stråle opnås ved hjælp af "bevægelig optik". Kraftige stålplader kan ikke hensigtsmæssigt bevæges, så en anlægslinie (svejselinie) passerer en stationært fokuseret laserstråle. På 10 lignende måde er højenergigeneratorer for en sådan stråle, for eksempel 5-25 kW lasere, tunge og dyre og kan heller ikke bevæges langs en svejselinie. Følgelig omfatter et typisk arrangement i henhold til den foreliggende opfindelse 15 a) en højintensitets laserstrålegenerator til tilvejebringelse af en ikke-fokuseret kohærentstråle, b) to eller flere i en vinkel anordnede laserstrålespejle anbragt på to eller flere steder, hvor hvert spejl selek- 20 tivt kan skydes ind i strålens vej, og c) et lige så stort antal bevægelige fokuserende hoveder, hvor hvert fokuserende hoved omfatter et yderligere laserstrålespejl og fokuseringsmidler til fokusering af strålen 25 på et lille tværsnit, hvorved selektiv indskydning af et laserstrålespejl i den dannede stråle afbøjer strålen til et givet fokuseringshovedspejl og derfra til fokuseringsmidlerne .

30 De i en vinkel anordnede spejle, der selektivt kan skydes ind i den primære stråle, kan selv være bevægbare i strålens længderetning.

Laserstrålespejlet på fokuseringshovedet kan selv være et 35 fokuserende spejl (og således udgøre eller være en del af fokuseringsmidlerne), især for højere laserenergier. En ty-

DK 165051 B

8 pisk operationel rækkefølge kan være (I) laserskæring eller -afretning af pladen, (II) 1aserstuksvejsning af pladeenheder til et panel, (III) laserafbrydnings-svejsning under anvendelse af den samme strålestandsningsmiddel-5 teknik til at fastgøre forstærkningsbjælker til panelet, og (IV) den samme laserafbrydnings-svejsningsteknik til at fastgøre store dragere med mellemrum tværs over bjælkerne og panelet.

10 Der kan eventuelt også anvendes den gennemsvejsningsteknik, der beskrives i den sideløbende patentansøgning, EP-A-0.126.547, for eksempel til at fastgøre forstærkningsbjælker til panelets underside eller til at fastgøre et panel over en samlet enhed fra trin (I) til (IV).

15

Opfindelsen beskrives nærmere i det nedenstående under henvisning til tegningen, hvor: fig. 1 i perspektiv viser en teoretisk 1asersvejsning 20 af to pladedele i enkelt arbejdsgang, der udfø res oppefra, fig. 2 viser et snit gennem en udførelsesform for et udstyr ifølge opfindelsen taget langs svejseli-25 nien, fig. 3 viser en laserstråle, der rammer en strålestandsende tråd i gabet mellem to plader, der skal svejses, 30 fig. 3a viser et typisk svejset tværsnit fremstillet derved, fig. 4 viser et tværsnit gennem en stuksvejsning frem-35 stillet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, 9 fig. 5 viser et tværsnit gennem en T-svejsning fremstillet ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, fig. 6a-6c viser hårdhedsmålinger over tre svejsesnit ud-5 taget som eksempel, fig. 7 viser et tværsnit gennem svejsninger fremstillet ved en anden teknik for 1asersvejsning, 10 fig. 8 viser et tværsnit gennem svejsninger fremstil let ved en teknik i lighed med den i fig. 7, fig. 9 viser et svejset bundpanel anvendt i skibskonstruktion, 15 fig. 10 viser en fast portal, der bærer en elementsamling til svejsning, især egnet til at danne de i fig. 4, 7 eller 8 viste svejsesømme, 20 fig. 10a viser et kompakt svejsehoved ifølge opfindelsen for en sådan samling, fig. 11 viser en alternativ mobil portal, der bærer et arrangement til svejsning, der især er egnet 25 til dannelse af svejsninger som vist i fig. 5 eller 6a-6c, fig. 12 viser en produktionslinie, der anvender lasersvejsningsteknik i overensstemmelse med opfin-30 delsen, og fig. 13 viser i skematisk form, hvorledes et dobbeltbe-klædt panel kan svejses.

35 Fig. 1 viser to pladedele 1 og 2, der støder teoretisk perfekt op til hinanden langs en linie 3. Ved denne linie ram-

DK 165051 B

10 mer en laserstråle 4, der fokuserer lige under overfladen. Energien i laserstrålen fordamper et "nøglehul" 5 gennem materialet,, idet damptrykket i "nøglehullet" holder de smeltede vægge 6 tilbage. I praksis forhindres dampen i at 5 slippe ud af toppen af "nøglehullet", hvor den kunne danne et laserblokerende plasma, ved hjælp af en kontrolleret strøm af helium (se fig. 2). Når laserstrålen bevæges langs samlingen, bevæges nøglehullet, da laserstrålen smelter materialet foran det eksisterende nøglehul, og materialet 10 størkner bag ved den. Der dannes en dyb indsmeltningssvejsning, sædvanligvis i en passage.

Fig. 2 viser i skematisk form i et snit langs en svejselinie de essentielle træk ved udstyr, der kan anvendes til 15 udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

Laserstrålen 7 rammer ved 10, lidt oven over sit fokus 11 på en tråd 12, der fødes kontinuerligt gennem en trådf ødedyse 9 fra forsyningsruller drevet af en ikke vist élek-20 trisk motor, Fødningen af tråden 12 kan, om ønsket, sammenknyttes med bevægelseshastigheden for svejsepasseringen og/eller målingen af det aktuelle gab mellem plader, for eksempel ved hjælp af en gabsensor foran svejsestedet.

25 Idet laserstrålen rammer tråden, fordampes denne, selv hvor der er et tværgående gab mellem pladerne, for eksempel på grund af stribedannelser 13 på de op til hinanden stødende overflader, der er fremkommet ved tidligere skæring. Trådens metal fordamper og danner et plasma.

30

En gasforsyningshætte 8 afgiver en beskyttelsesgas, der typisk indeholder helium, gennem en basiskanal 14, en centralkanal 15 og en omgivende kanal 16 i en gasflowkonfigu-ration til at afgrænse plasmaet. I GB patentskrift nr.

35 1.591.793 beskrives en typisk sådan hætte mere detaljeret.

Ved denne gasstrøms anslag ved 10 mod plasmaet absorberes 11 energi, der derefter overføres til det omgivende metal og kontinuerligt danner de smeltede vægge 19, der afgrænser "nøglehullet" 20 og progressivt størkner som en svejsesøm 21.

5

Fig. 3 viser i større skala og i skematisk form et idealiseret billede af teknikken i tværsnit vinkelret på billedet i fig. 2. Strålen 7 kommer på tråden 12 til dannelse af et plasma 7a, der holdes i gabet ved gasforsyningen (ikke 10 vist) og blæses således hverken fuldstændigt væk eller tillades at bygge op over gabets top for at forebygge laserstrålen i at nå den standsende tråd med fuld intensitet.

Fig. 3a viser et svejsesømtværsnit, der ofte, omend ikke 15 udelukkende fremstilles ved anvendelse af denne teknik (afhængig af tykkelse, gab, hastighed, materialer m.v.). I et sådant tværsnit kan der ved 21a ses en afrundet lednings-"skål"-zone, en noget smal taljezone 21b ved stedet for det aktuelle fokus, og en bredere bundzone 21c, hvor strålen 20 atter bredes ud, men stadig er tilstrækkelig intens til at have smeltet svejsematerialet.

Det har i praksis vist sig, at lasersvejsning som beskrevet ovenfor indfører langt mindre termisk kastning i arbejds-25 stykket end konventionel kendte teknikker. Ved anvendelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen har det også vist sig, at der er brede tolerancer i nøgleparametrene såsom positionen for fokus, fødehastigheden for tråden og samlingens målfyldning, det vil sige samlingens totallinie.

30

Fig. 4 viser et tværsnit i en typisk stuksvejsning ifølge opfindelsen. Den har den karakteristiske tværsnitsform 22 af svejsemetal, bredere ved toppen end ved bunden og med en svagt buet form, før den spidser til mod svejsesømmens 35 bund. På hver side af svejsemetallet er en lignende tilspidset zone 24 af varmepåvirket metal, mere snæver end

DK 165051 B

12 den, der ses under anvendelse af de fleste buesvejsnings-fremgangsmåder.

Fig. 5 viser en T-svejsning ifølge opfindelsen med lignende 5 smeltemetalzone 25 og varmepåvirkede zoner 26 som i fig. 4. Svejsningen i fig. 5 er lavet i en enkelt passage med udstyr som vist i fig. 2, men rettet, så det tillader laserstrålen 27 at trænge ind i gabet mellem pladerne i en vinkel på mellem 5° og 15° som vist.

10

Opfindelsen tillader således en svejsning i samlinger, der har dårlig pasning, ved indføring af en tråd til strålestandsning som ved den flade stuksamlingskonfiguration. Den standsende tråd kan udover at udgøre svejsemateriale også 15 anvendes til at modificere svejsesømmens metallurgiske sammensætning .

Selv om sunde forbindelser sædvanligvis dannes ved en enkelt passage fra én side ved denne afbrydningssvejs-20 ningsteknik, kan der anvendes en anden passage fra den anden side.

Fig. 6a viser et aktuelt eksempel på svejsesømshårdhedskarakteristika i en enkelt passage T-svejsning mellem to ens 25 plader, der hver er 6 mm tykke, med en med en luft-laser skåret kant, der til at begynde med er anbragt 0,3 mm fra fladen og med en svejsningshastighed på 6 mm/s under anvendelse af en standsende tråd af et lignende materiale. De angivne tal er Vickers pyramidehårdhed under anvendelse af 30 en 2,5 kg belastning.

Fig. 6b er lignende, men med en svejsehastighed på 8 mm/s.

Fig. 6c viser en tosidet svejsning (en passage pr. side) 35 oxygen-laserskåret kant med 0,3 mm afstand.

13

Fig. 7 viser i tværsnit en anden lasersvejsningsteknik, ikke i sig selv ifølge den foreliggende opfindelse, men beskrevet mere detaljeret i den samtidige patentansøgning, EP~a-0.126.547. I denne alternative teknik smeltes svejse-5 sømme 30 gennem to lag under anvendelse af en laserstråle i pilenes retning og størkner til dannelse af en stærk forbindelse mellem pladerne 31 og 32, imidlertid uden anvendelse af en tråd, der rammes, eller lignende standsende midler, som anvendes ved den foreliggende opfindelse. Det 10 har vist sig, at denne separate opfindelse kan anvendes i en produktionslinie sammen med svejseteknikken ifølge den foreliggende opfindelse til tilvejebringelse af fordele i den totale installation og de anvendte fremgangsmåder til fremstilling af store multisvejste enhedsstrukturer.

15

Fig. 8 svarer til fig. 7, idet den viser en tilsvarende lasergennemsvejsning 33, der forener plader 34 og 35. I dette tilfælde forener imidlertid en "understøtningssvejsning'' 36 ifølge den foreliggende opfindelse endvidere en 20 plade 37 i ret vinkel med pladen 35.

Fig. 9 viser et typisk sammensat panelprodukt, hvor svejseteknikken ifølge den foreliggende opfindelse hensigtsmæssigt kan anvendes ved fremstillingen. Det omfatter en flad 25 12 mm plade 38, som selv er lavet af stålstrimler, der er stuksvej set som i fig. 2, der for overskuelighedens skyld er vist som en integralplade. På en flade af denne plade er svejst afstivningselementer 39, hvoraf der på tegningen er vist otte, og hver er svejst langs sin længde til pladen 38 30 ved den i fig. 5 viste teknik. Tværs over afstivningselementerne 39 er svejst dybe ribber 40, som er i kontakt med både pladen 38 og (i det mindste på en side af recesser 40a) afstivningselementerne 39. Svejsning udføres ved den i fig. 5 viste teknik ved disse kontaktlinier. De dybe ribber 35 40 har sædvanligvis øvre valsede kanter 40a af årsager, der beskrives mere detaljeret nedenfor.

DK 165051 B

14 I dette eksempel med et panel med en længde på 10 m og en bredde på 8 m er den totale afstivningssamlingssvejselængde 80 m, og den tilsvarende dybprofilsamlingslængde 30 m.

5 I fig. 10 vises, hvordan en indretning til fremstilling af stuksvejsninger (fig. 2, 3 og 4) i praksis kan monteres på en fast portal med henblik på bevægelse til samling af nærliggende kanter på strimler af metal 42 og 43 langs en linie 44.

10

Portalen omfatter støtteben 41, der bærer et hult tværstykke 45, langs hvilket en tværvogn 46 kan bevæges. Ved en fremragende ende af tværstykket 45 er et spejl 47 monteret til at gå ind i en ufokuseret laserstråle 48 (som beskrevet 15 mere detaljeret nedenfor) og til at reflektere laserstrålen langs tværstykkets 45 inderside. Bevægeligt sammen med tværvognen 46 og anbragt i tværstykket 45 er et yderligere spejl 49, der altid går ind i den reflekterede laserstråle og reflekterer den nedad i en stilk 50 gennem en højde-20 følgende indstilling 51 til yderligere spejle 52, 53 i et drejeligt fokuseringshoved 54, og således fås en fokuseret laserstråle ved udgangen 55. En trådfødemekanisme 56 er også knyttet til stilken 50 til at tilvejebringe en kontinuerlig forsyning af en standsende tråd til laserstrålens 25 fokus i gabet mellem pladerne 42 og 43.

Fig. 10a viser en mulig konfiguration for udgangen 55 med gasforsyningskanaler ved 57 anbragt på den ene side af den fokuserede laserstråle 58 og trådefødestyr 59 på den anden 30 for at give en kompakt udformning.

Fig. 11 viser et svejsningsarrangement ifølge opfindelsen til fremstilling af svejsninger som vist i fig. 5 og 6a-6c, hvilket arrangement er anbragt på en mobil portal.

Den mobile portal omfatter støtteben 60, der kan bevæges 35

DK 165051 B

15 langs skinner 61. Støttebenene 60 bærer et tværstykke 62 med et spejl 63 ved en fremragende ende til at skyde ind i en ikke-fokuseret laserstråle 64 ligesom med laserstrålen 48 i fig. 10. En tværvogn 65, der kan bevæges langs tvær-5 stykket 62, bærer et spejl 66 inden i tværstykket for yderligere at afbøje laserstrålen. En flerakset robotarm 67 er anbragt (for at indtage pladsen for en simpel højdefølger 51 og et drejeligt fokuseringshoved 54 i fig. 10) for at klare de yderligere muligheder for bevægelse, og et fleksi-10 belt laserstrålestyr er anbragt inde i robotarmen for at ende ved et fokuseringshoved 68, der som ovenfor også fødes med en tråd (fra 69) og en gas. Det fremgår af fig. 11, at der tilvejebringes en forøget fleksibilitetsgrad for vertikal og horisontal bevægelse langs en ønsket svejselinie ved 15 dette arrangement, det vil sige en portalbevægelse, tværvognsbevægelse og bevægelse omkring robotarmakser.

Udstyret i fig. 10 og 11 kan inkorporeres i produktionsfaciliteter til svejsning af sammensatte paneler eller lig-20 nende strukturer. Dette vises i fig. 12. Før fig. 12 betragtes detaljeret, er det nødvendigt at forstå de kendte fremgangsmåder til konstruktion af de bundpaneler, der anvendes i skibskonstruktion, hvilke fremgangsmåder indebærer følgende: 25 (a) et indledende afretnings- og forberedelsestrin, i hvilket pladen, der modtages fra leverandøren, undersøges med hensyn til størrelse og afrettes om nødvendigt. Ved dette trin kan pladekanter også af fases for at lette svejsegen- 30 nemtrængningen i den efterfølgende stuksvejsning af to sådanne kanter til samling af det ønskede antal plader.

(b) svejsning udføres sekventielt i adskillige trin, idet pladen føres fra et trin til det næste på en kontinuerlig 35 bærer, der omfatter med afstand anbragte parallelle tværgående valser. En typisk sekvens af svejsetrin indebærer:

DK 165051 B

16 (I) stuksvejsning af flere af de forberedte plader til dannelse af en større plade med den ønskede størrelse. Sædvanligvis anbringes tre, fire eller fem sådanne plader, så de støder op til hinanden, og svejses termisk eller med bue, 5 først langs de øvre kanter på tilstødende overflader af en svejser, der styrer svejseværktøjet tværs over pladen, og for det andet langs underkanterne. Det sidste trin kan kun udføres som "nedefra og op"-svejsning eller ved at vende den halvsvejste plade om, hvilket kræver en dyr kraninstal- 10 lation og kan bevirke skade; (II) T-svejsning eller lignende procedurer udføres for at fastgøre afstivende eller forstærkende bjælker med en højde på for eksempel 100-500 mm tværs over det svejsede plans 15 overflade, enten på tværs eller parallelt med de første stuksvejsninger. Typisk svejses ti bjælker langs deres hele længde (en valset rand, om nogen) til det svejste panels overflade. Endvidere anvendes typisk to svejsepasseringer for hver bjælke, en langs hver sidekant.

20 (III) der svejses ved en 90°'s orientering til bjælkerne to eller flere i det væsentlige dybe ribbekonstruktioner til pladen og bjælkerne. Disse kan nå en højde på 1 meter eller mere over pladen og formes ved den nedre kant med bortskår- 25 ne dele, generelt for at kunne optage afstivningsbjælkerne, men også for at kontakte i det mindste en del af bjælkerne, for eksempel den ene side, for at tillade svejsning til en ensartet struktur; 30 (IV) (eventuelt, når der ønskes en dobbeltbeklædning) anbringes over den i trinene (I) og (II) fremstillede struktur et omvendt panel af den type, der produceres ved trinene (I), (II) og (III), og den svejses på plads. De større dybe ribber anbringes derved imellem og holder to samlede, 35 forstærkede paneler i en afstand. Den nødvendige svejsning udføres derefter fra indersiden af det således dannede

DK 165051 B

17 kryberum og er derfor et ubehageligt og dyrt arbejde.

Således involveres komplicerede kraninstallationer, flere separat udstyrede svejsestationer og dyre og farlige svej-5 seteknikker alle i dette typiske arrangement. Ligeledes kan der i praksis optræde termiske deformationer under svejsning, der kræver dyre klamper eller udretningsudstyr som hjælpeelementer ved udstyret.

10 Fig. 12 viser en produktionslinie ifølge et aspekt af den foreliggende opfindelse for sammensatte paneler fremstillet ved svejsning. Det viste eksempel omfatter frem i række anbragte arbejdsstationer I-V, der betjenes af en fælles skematisk vist hængekran 70 til simpel transportbevægelse, og 15 en fælles laserinstallation 71. Liniebredden er typisk egnet til plader på op til 12 m i maksimal dimension.

Station I omfatter en magnetisk vange 72 til at holde en pladestrimmel (ikke vist) med en kant over et inspektions-20 hul 73 og anbringe strimlen, så den støder op til en linie tværs over produktionsretningen for at ligge direkte under en portal med den i fig. 10 viste udformning. Laserstrålen 48 i fig. 10 når portalen som vist, og tværvognens 46 bevægelse fører et svejsehoved langs sammenstødslinien for at 25 fokusere laserstrålen og udføre svejsning som vist i fig.

2, 3 og 4. Et antal strimler kan således udformes til en plade 38 (jævnfør fig. 9). Denne station I kan om nødvendigt omfatte valser til bevægelse i liniens retninger, hvilket også de andre stationer'kan om ønsket.

30

Station II kan selv være monteret drejeligt ved 74. Den omfatter en konventionel skinnemonteret portal, der bærer fastspændingsudstyr 75 for indledende hæftesvejsning og positionering af afstivningselementer 39 tværs over den 35 stuksvejsede plade. Drejebordet tillader, at sådanne afstivningselementer ligger tværs over eller parallelt med de

DK 165051 B

18 indledende stuksvejsesømme (jævnfør fig. 9).

Station III omfatter en bevægelig portal af den i fig. 11 viste art. Laserstrålen 64 afbøjes langs tværstykket 62 til 5 tværvognen 65 og derfra ned i robotarmen i dens laserstrålestyr til fokuseringshovedet 68. Ved denne station kan afstivningselementer 39 (der allerede er fæstnet ved hæftesvejsning) svejses på den i fig. 5 viste måde til pladen 38, idet bevægelse af portalen, tværvognen og robotarmen 10 følger de nødvendige svejselinier.

Station IV ligner station III, men portalen, tværvognen og robotarmen bevæges forskelligt for at svejse de dybe ribber 40, der fremføres af kranen 70, til den ovennævnte element-15 samling.

Station V er en konventionel inspektions-, reparations- og udladningsstation.

20 Laserinstallationen 71 vil generelt være indlysende. Hensigtsmæssigt anvendes der to 10 kW lasere 76, 77 med en stråleudvider 78, hvorved strålerne kan forenes før afbøjningen udadtil til laserstrålerne 48, 64 og skæringen med vinkelspejlene 47 henholdsvis 63. De forskellige spejle er 25 naturligvis styrbare, så de kan positioneres selektivt i eller bevæges bort fra den ufokuserede strålevej.

Tilstedeværelsen af den tunge laserinstallation til svejseprocedurer i henhold til opfindelsen på linien i fig. 12 30 tillader, at yderligere udstyr eller stationer kan inkorporeres. For eksempel kan laserstrålen 48 udstrækkes videre i retning af pilen A, og strålen reflekteres og fokuseres hensigtsmæssigt til at operere en skæring eller afretning (ikke vist) på stålstrimler, som de modtages fra leverandø-35 rerne. Laserskæring er et kendt middel, og en stråle, der er kraftig nok til svejsning, vil være fuldt tilstrækkelig

DK 165051 B

19 til skæring.

Fig. 13 viser skematisk operationen udført i et yderligere fabrikationstrin, der er tænkt anbragt mellem stationerne 5 IV og V. Det sammensatte panel i fig. 9 kan i sig selv svejses (under anvendelse af de valsede kanter 40a på de dybe ribber) til en anden plade 38, 39 til dannelse af et dobbeltoverfladepanel, der er en standardenhed i skibskonstruktion. Under anvendelse af en portal som vist i fig. 11 10 (eller muligvis en portal som vist i fig. 10 med et dreje-bord) og en yderligere laserstrålevej til at føde fokusho-vedet, kan gennemsvejsninger som vist i fig. 7 og 8, som beskrives i den ovenstående separate ansøgning, tilvejebringes langs de prikkede linier 79 ved en simpel ovenfra 15 og ned svejseteknik. Således kan denne standardenhed fremstilles på en produktionslinie uden dyr eller farlig nedefra og op svejsning eller anvendelse af svejseudstyr i begrænsede og uhensigtsmæssige rum.

20 25

Claims (11)

1. Fremgangsmåde til sammensvejsning af dele (1, 2) af metalplade, ved hvilken fremgangsmåde skårne eller formede 5 dele, der skal sammensvejses, anbringes i· så tæt kontakt, som deres overflader tillader, en fokuseret højenergilaserstråle (4, 7) bringes til at bevæge sig langs linien med nævnte kontakt og en forsyning af gas ledes (15, 16) mod laserstrålens fokus (11) for i det mindste delvis at af-10 grænse et plasma i det mindste dannet ved den fokuserede stråles anslag mod delene (1, 2), kendetegnet ved, at et separat, kompatibelt, strålestandsende metal, som er af samme sammensætning som delene eller er af en herfra lidt forskellig legering af samme generelle art, i 15 form af en tråd (12) kontinuerligt tilføres for at blive anbragt i hovedsagen i laserstrålens fokus (11), hvorved et plasma dannes i det mindste af det strålestandsende materiale, hvis. der fremkommer en spalte langs linien, og at forsyningen af gas udnyttes til at holde denne plasma på 20 plads for at tillade overførsel af energi til delene (1, 2), der skal sammensvejses.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at metalpladen er stålplade (1, 2; 31, 32; 34, 35, 36) 25 på 3-25 mm i tykkelse.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at svejsningen udføres under anvendelse af en laserstråle (7) på 5-25 kW i en enkelt passage. 30

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at svejselinien (22) er en stuksvejsning mellem nærliggende, i det væsentlige berørende pladekanter (1, 2). 35

5. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 1, DK 165051 B 21 2 eller 3, kendetegnet ved, at svejselinien (25) er en T-svejsesøm mellem den skårne kant eller valsede rand af en plade og overfladen af en tilgrænsende plade, og at den fokuserede laserstråles akse ligger i en vinkel a på 5 mindre end 20° til den tilgrænsende plades overflade.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at vinklen α er 5-15°.

7. Svejsehoved til brug ved udøvelse af den i krav 1 angiv ne fremgangsmåde, hvilket svejsehoved omfatter midler til fokusering af en højintensitetslaserstråle (7) og gasforsyningsmidler (8) rettet mod laserstrålens fokus (11), kendetegnet ved, at svejsehovedet har midler (9) 15 til at føre en strålestandsende metaltråd til laserstrålens fokus (11), og at gasforsyningsmidlerne (8) er indrettet til at kunne lokalisere og indeholde det energioverførende plasma, der dannes ved den fokuserede laserstråles anslag mod det strålestandsende materiale. 20

8. Arrangement af arbejdsstationer til brug ved udøvelse af den i krav 1 angivne fremgangsmåde til samling af metalplade ved svejsning, for eksempel jernholdig stålplade, i hvilket arrangement mindst to sådanne stationer tilveje- 25 bringes på separate steder indenfor en arbejdsfølgesekvens, idet hver station omfatter et bevægeligt laserstrålefokuserende hoved, der selektivt kan kobles optisk til en optisk vej (47, 48, 49) for en høj intensitets laserstrålegenerator, der er fælles for de to eller flere sådanne arbejds-30 stationer, kendetegnet ved, at i det mindste en af arbejdsstationerne er en svejsestation, der anvender et svejsehoved (55) af den i krav 7 omhandlede art.

9. Arrangement ifølge krav 8, kendetegnet ved, 35 at op til fem af arbejdsstationerne er svejsestationer. DK 165051 B 22

10. Arrangement ifølge krav 8 eller 9, kendetegnet ved, at arrangementet omfatter (a) en højintensitets laserstrålegenerator til frembringel- 5 se af en ikke-fokuseret kohærent stråle, (b) to eller flere i en vinkel anordnede laserstrålespejle anbragt på to eller flere steder (48, 49), hvor hvert spejl selektivt kan skydes ind i strålens vej, og 10 (c) et lige så stort antal bevægbare fokuserende hoveder, hvor hvert fokuserende hoved omfatter et yderligere laserstrålespejl og fokuseringsmidler (52-54) til fokusering af laserstrålen på et lille tværsnit, hvorved 15 selektiv indskydning af et laserstrålespejl i den dan nede laserstråle kan afbøje strålen til et givet fokuseringshovedspejl og derfra til fokuseringsmidlerne.

11. Arrangement ifølge krav 10, kendetegnet 20 ved, at de i en vinkel anordnede spejle selv er bevægbare i laserstrålens længderetning.