專利名稱：激光焊接鍋爐管壁板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總地涉及焊接領域，尤其涉及一種用激光焊接鍋爐管壁板的新的和有用的方法。
背景技術：
本發(fā)明能夠焊接所有類型的鍋爐管壁板或隔板。這些壁板或者焊接在一起，并排的管子帶有其中的切向管焊縫，或者若干管子與若干稱為隔板的窄平板或若干圓桿或棒交替以形成一氣密壁。管子外徑為約11/2至3英寸，其壁厚為約0.15至0.30英寸。管子之間的板的厚度為約1/4至3/8英寸，寬度可達約3英寸。這樣板的寬度從零至3英寸，零尺寸表示相鄰管子之間沒有板，即是一切向管焊縫。圓桿或棒的直徑為約1/8至1/2英寸。組合這些鍋爐管壁板零件所需的焊縫必須是約10至60英尺長或更長些，這些由于壁板可能是這長度。壁板也可以是僅為兩個切向焊接的管那樣窄和直至8英尺寬以及是切向焊接的、隔板或圓桿類型。
可以由多種金屬制成管壁板，這些金屬從價廉的碳鋼到鉻鉬合金、到帶有冶金結合的不銹鋼或碳鋼上包復Inconel(一商標)復層的復合材料。使用的合金的例子是被稱為SA-213 T22的Croloy 2-1/4(21/4鉻-1鉬)，以及被稱為SA-213 T23的另一合金。
對于鍋爐管壁板的特性和目前在制造它們時所使用的焊接工藝的一般敘述，讀者可參閱1992年出版的《蒸汽/它的產生和使用(第40版)》中第22和38章，作者是美國俄亥俄州Barberton Babcock and Wilcox公司，其原文全部內容結合在此供參考。
已知使用SAW(水下電弧焊接)和GMAW(氣體金屬電弧焊)來將若干鍋爐管壁板焊接在一起。這些加工過程緩慢，還由于這些焊接加工將很多的熱量施加于被焊在一起的管子和/或板或桿，導致壁板產生變形。由于需要定位電弧和焊條通過焊劑(SAW)，同時為了保護焊接工人免受電弧燒傷(GMAW)，很難控制這些加工過程。還必須從壁板的兩面進行焊接，以在壁板的兩面上產生焊縫。這又需要很長時間和在長的、難以操縱的壁板上進行輕擊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NdYAG激光相互焊接多種類型的金屬。例如，可參見在下列網址的、全部標題為“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；在下列網址的“激光焊接論文”http//www.uslasercorp.com/Envoy/welding.htm；在下列網址的“NdYAG激光焊接(2001年3月)”http//www.twi.co.uk/j32k/protected/band-3/kspachoo2.htm1；在下列網址的“二氧化碳激光”(2000年2月)http//www.twi.co.uk/j32k/protected/band-3/kspahoo2.htm1；以及在下列網址的“用激光束焊接的操作經驗”http//www.alspi.com/lsrweld.htm。
已使用激光焊接來焊接薄金屬板或進行點焊，但不能將一鍋爐管壁板的諸零件焊接在一起，相比較這些零件相當厚以及要求深的氣密焊接。
還請參閱美國專利4,990,741；6,300,591；5,760,365；5,229,571；6,211,483和5,563,391。
仍舊需要將一鍋爐管壁板的諸零件焊接在一起的一有效的和改進的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種將一鍋爐管壁板的諸零件焊接起來的方法，它包括將要焊接的壁板的至少兩個零件沿一直線放置，相互靠近，以及使用一激光束沿該直線形成一焊縫。
因為現(xiàn)在激光有能力在一工業(yè)機位進行焊接，所以本發(fā)明是可以實現(xiàn)的。在一實施例中，只要適當放置和固定壁板零件，能利用激光代替SAW和GMAW焊接。該方法能有利地同時在鍋爐管壁板的兩面上形成一焊縫，從而降低了應力集中。因此能夠利用該方法僅從壁板的一面焊接鍋爐管壁板，同時仍舊產生一條完全穿透焊縫，即穿透到壁板的相對面的一焊縫。這又降低了焊接時間和變形。因為激光焊接傳給要形成一焊縫的壁板零件的熱量較少，所以也降低了變形。
因為激光焊接易于控制，所以激光焊接進一步降低了花費的時間和變形以及疵品的發(fā)生。還能夠利用激光焊接一壁板的某些區(qū)域，這些區(qū)域由于進出通道有限而用其它方法不能實施焊接。由于利用激光焊接還大大降低了壁板焊接機器的龐大體積，并且保護焊接工人免受電弧的傷害。
在另一實施例中，本發(fā)明包括組合GMAW焊接和激光焊接。該實施例是一種用于將一鍋爐管壁板的至少兩個零件沿一焊接線(weld line)焊接在一起的方法，它包括將該壁板的至少兩個零件相互靠近放置，和利用一激光束和一GMAW工藝沿該焊接線形成一焊縫。
在應用于鍋爐管壁板的一隔板的另一實施例中，對要沿一直線焊接到一根鍋爐管上的隔板沿鄰近鍋爐管的焊接線斜削。該實施例是一種用于沿一焊接線將至少一根鍋爐管和至少一塊鍋爐管隔板焊接在一起的方法。該方法包括提供至少一根鍋爐管和至少一塊鍋爐管隔板。至少一塊隔板具有一第一縱向邊緣、一第二縱向邊緣和沿第一縱向邊緣的一斜角。至少一根鍋爐管和至少一塊鍋爐管隔板相鄰放置，使第一和第二縱向邊緣靠近至少一根鍋爐管。利用一激光束和一GMAW工藝沿第一縱向邊緣形成一焊縫。
在形成本說明書的一部分的所附權利要求書中指出了特征本發(fā)明的多個新穎特點。為更好理解本發(fā)明，參照附圖和以敘述本發(fā)明的較佳實施例的方式說明了它的工作優(yōu)越性和通過它的使用所實現(xiàn)的特定目的。
附圖概述在附圖中，

圖1是本發(fā)明的一實施例的示意圖，表示了用激光將管子之間有隔板的一鍋爐管壁板的諸零件焊接在一起；
圖2是本發(fā)明的另一實施例的、與圖1相類似的示意圖，表示了用激光將諸管子之間的諸圓桿或棒與一鍋爐管壁板的諸零件焊接在一起；圖3是本發(fā)明的一實施例的、與圖1相類似的示意圖，表示了用激光通過管子之間的切向焊縫將一鍋爐管壁板的諸零件焊接在一起；圖4是一示意圖，表示了按照本發(fā)明焊接各種壁板結構的諸零件的一激光焊接束的方向；圖5是一示意圖，示出了用于激光焊接一鍋爐管壁板的本發(fā)明的一實施例的一配置；圖6是按照圖5的實施例焊接一塊壁板和鍋爐管的一局部橫剖視圖；圖7是一示意圖，示出了將激光與GMA焊接組合的本發(fā)明的一實施例的一配置；以及圖8是按照本發(fā)明的一實施例用于一鍋爐管壁板的一塊壁板的一橫剖視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照附圖，其中相同的標號用于表示相同或類似的部分，圖1示出了用于將一鍋爐管壁板10的至少兩個零件焊接在一起的方法，例如采用一激光束將一根第一管12沿一焊接線16焊接到第一隔板14的一第一側，并沿焊接線16形成一焊縫，該激光束產生并來自于一激光源20，并經一反射鏡22反射。或者，激光束18可以通過光纖從激光源20傳送到焊接線16。利用該領域的已有技術，可以將激光束18分裂成多個光束，同時產生多條平行的焊縫。
帶有夾具(未示出)的一滑架(未示出)支承和保持壁板的諸零件，使它們相互處于正確定向，并沿箭頭“A”的方向移動它們，在激光束18的作用之下以一正確的線速度形成焊縫。在產生第一焊縫16之后，滑架沿垂直于箭頭“A”的方向移動，將激光束18的撞擊點帶到要產生的下一條焊縫的起始位置。然后滑架再次移動，但這次移動的方向與箭頭“A”相反，形成下一條焊縫。重復這樣的操作直至形成所有焊縫?；蛘撸す馐?8可以移動，同時鍋爐壁板10的諸零件保持不動。
圖2和3示出了用于將圓桿或棒24加管子12的壁板的諸零件焊接在一起的(圖2)和兩根或多根管子12制成的切向焊接壁板的(圖3)的類似配置。
圖4示出了用于激光加工方向L的多種定向，以及由本發(fā)明能夠焊接的多各鍋爐壁板類型。
市場上可購得的CO2或NdYAG激光器能夠用作激光源。
圖5示出了用于本發(fā)明的第一實施例的本發(fā)明的一較佳配置，其中利用一激光束18形成焊接線16。按照這實施例，激光束18以相對于與焊接線16垂直的一平面傾斜一激光束角度α有利地射向焊接線16，該角度在約2°至15°范圍內，較佳地在約5°至10°范圍內。
在以上僅用激光的實施例的一實驗室試驗中，利用下列加工參數，僅從隔板14的一面沿焊接線16將隔板14連續(xù)地焊接到一管子12激光器運行速度 每分鐘約35英寸激光器功率 5.5千瓦激光束18以約5°的激光束角度射于焊接點P。試驗中使用的管子12是外徑1.5英寸、壁厚0.203英寸的碳鋼管。隔板14是用厚度0.25英寸、寬度0.5英寸的A36鋼制成的。
有意義的是，僅從隔板14的一面，在一個行程中，即沿一條焊接線將隔板14焊接到鍋爐管12，但仍產生一條完全穿透焊縫，即穿透到隔板14的相反面的一條焊縫。有利地，該方法不僅產生了沿焊接線16的一焊接側焊縫32，還產生了如圖6所示的一背側焊縫34。背側焊縫34連接鍋爐管12和隔板的與焊接線16相反的側面，從而降低在這位置的應力集中。由于在一鍋爐管壁板的兩面上進行焊接是關于產生在隔板的兩面上都有一條角焊縫的一完全穿透隔板焊接的一個長期保持的工業(yè)標準，所以以上結果是未期待的。
圖7示出了本發(fā)明的第二實施例的一較佳配置，它組合了一已知的GMAW焊接頭26和激光束18，以形成焊接線16。對于一固定的激光器功率，附加GMAW焊接頭26使本發(fā)明的方法在生產環(huán)境中更加可靠。
如圖7所示，在激光+GMAW的實施例中，激光束18有利地以相對于與焊接線16垂直的一平面呈一激光束角度2射向焊接線16，該角度在約2°至15°范圍內，較佳地在約5°至10°范圍內，GMA焊接軸線(welding axis)以離開垂直于焊接線16的一平面約5°的一焊矩角指向焊接線16，也如圖7所示(或在約2°至15°范圍內)。并且，GMA焊接軸線以相對于運動方向A的一導前角6設置，這角度在約10°至50°范圍內或較佳地在約20°至40°范圍內。
僅僅為了說明的目的，考慮一情況，其中在焊接線16上的一點P處平行于管子12的縱向軸線的一直線限定了一水平方向和在點P處垂直于水平方向限定了一垂直方向。然后相對于通過焊接線16的一垂直平面限定了激光束角度2和焊矩角4，以及相對于通過焊接線16的一水平面限定了一導前角6。
圖8示出了本發(fā)明的第三實施例的一較佳配置，其中對隔板14改進以包含沿鄰近焊接線16的邊緣的一斜角30。以一斜削角b將隔板14′斜削至深度d。
在帶有一被斜削的隔板14′的激光+GMAW的實施例的一實驗室試驗中，利用下列參數、僅從隔板的一面將被斜削的隔板14′沿焊接線16連續(xù)地焊接于一根管12激光器和GMAW運動速度每分鐘約31英寸激光器功率 5千瓦GMAW保護氣體100％氦GMAW焊絲直徑0.035英寸ER70S-3GMAW焊絲進給速度每分鐘約100英寸GMAW電壓約25伏GMAW峰值電流100安培GMAW本底電流30安培以約5°的焊矩角4和約32°的導前角6將GMAW焊接頭26指向焊接點P。以約5°到10°的激光束角2將激光束18指向焊接點P。在試驗中所使用的管子是外徑0.15英寸、壁厚0.203英寸的低合金碳鋼管。由厚度t為0.25英寸寬度W為0.5英寸的A36鋼制成隔板14。如圖8所示，將隔板14較佳地修改為包括沿鄰近焊接線16的邊緣的一斜角30。以1/16英寸深度d、約30°斜削角b對隔板14斜削。
重要的是注意到上述示例中所標明的諸試驗參數是在能或不能完全代表生產加工條件的實驗室加工條件下得到的。
在為說明本說明原理的實用而詳細示出和敘述本發(fā)明的特定實施例的同時，將可理解的是在不脫離這些原理的情況下還可按其它方式體現(xiàn)本發(fā)明。
權利要求
1.一種將一鍋爐管壁板的至少兩個零件沿一焊接線焊接在一起用的方法，該方法包括將壁板的至少兩個零件相互靠近放置，利用一激光束沿焊接線形成一焊縫。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，鍋爐管壁板零件包括至少兩根管子，該方法包括焊接諸管子之間的一切向焊縫。
3.按照權利要求2的方法，其特征在于，每根管子的外徑為約11/2到3英寸，其壁厚為約0.15至0.30英寸。
4.按照權利要求1的方法，其特征在于，鍋爐管壁板零件包括至少一根管子和至少一塊板，該至少一塊板具有靠近該至少一根管子的一第一邊緣和一第二邊緣，該方法包括將該至少一塊板的一第一邊緣焊接到該至少一根管子的外表面。
5.按照權利要求4的方法，其特征在于，還包括沿第一邊緣在至少一根管子和至少一塊板之間產生一第一焊縫；沿第二邊緣在至少一根管子和至少一塊板之間產生一第二焊縫；以及從而通過沿一焊接線進行焊接產生第一和第二焊縫。
6.按照權利要求5的方法，其特征在于，沿焊接線斜削該板。
7.按照權利要求4的方法，其特征在于，還包括以相對于與焊接線垂直的一平面為約2°到15°的一角度為激光束導向。
8.按照權利要求4的方法，其特征在于，管子的外徑為約11/2到3英寸，其壁厚為約0.15到0.30英寸；板的厚度為約1/4到3/8英寸，其寬度為0到約3英寸。
9.按照權利要求1的方法，其特征在于，鍋爐管壁板零件包括至少一根管子和至少一根圓桿，該方法包括將該圓桿焊接到該管子的外表面。
10.按照權利要求6的方法，其特征在于，圓桿的直徑為約1/8到1/2英寸。
11.按照權利要求1的方法，其特征在于，焊接線長度為約10到60英尺。
12.按照權利要求1的方法，其特征在于，還包括以相對于與焊接線垂直的一平面為約2°到15°的一角度為激光束導向。
13.一種將一鍋爐管壁板的至少兩個零件沿一焊接線焊接在一起用的方法，該方法包括將壁板的至少兩個零件相互靠近地放置，利用一激光束和一GMAW工藝沿焊接線形成一焊縫。
14.按照權利要求13的方法，其特征在于，還包括以相對于焊接線一角度為激光束導向和以相對于焊接線一不同的角度為一GMAW焊接頭導向。
15.按照權利要求13的方法，其特征在于，還包括以相對于與焊接線垂直的一平面為約2°到15°的一角度為激光束導向。
16.按照權利要求13的方法，其特征在于，還包括以相對于與焊接線垂直的一平面為約2°到15°的一第一角度和以相對于焊接線為約10°到50°的一第二角度為一GMAW焊接頭導向。
17.按照權利要求16的方法，其特征在于，還以相對于與焊接線垂直的一平面為約2°到15°的一角度為激光束導向。
18.按權利要求13的方法，其特征在于，還包括沿焊接線在至少一塊鍋爐管隔板和至少一根鍋爐管之間產生一第一焊縫；在至少一塊鍋爐管隔板和至少一根鍋爐管之間、在焊接線的對面產生一第二焊縫；以及從而通過僅沿一焊接線進行焊接產生第一和第二焊縫。
19.一種將至少一根鍋爐管子和至少一塊鍋爐管隔板沿一條焊接線焊接在一起用的一方法，該方法包括提供至少一根鍋爐管子；提供至少一塊鍋滬管隔板，該至少一塊隔板具有一第一縱向邊緣、一第二縱向邊緣和沿第一縱向邊緣的一斜角；將至少一根鍋爐管和至少一塊鍋爐管隔板相互靠近地放置，其中第一和第二縱向邊緣靠近至少一根鍋爐管；以及用一激光束和一GMAW工藝沿第一縱向邊緣形成一焊縫。
20.按照權利要求19的方法，其特征在于，還包括通過沿至少一塊鍋爐管隔板的第一縱向邊緣形成一焊縫產生一條第一焊縫和一條第二焊縫；在至少一塊鍋爐管隔板的第一縱向邊緣和至少一根鍋爐管之間產生的第一焊縫；以及在至少一塊鍋爐管隔板的第二縱向邊緣和至少一根鍋爐管之間產生的第二焊縫。
21.按照權利要求20的方法，其特征在于，還包括以相對于與焊接線垂直的一平面為約2°到15°的一第一角度和以相對于焊接線為10°到50°的一第二角度為一GMAW焊接頭導向；以及以相對于與焊接線垂直一平面以約2到15度的一角度為激光束導向。
全文摘要
一種將一鍋爐管壁板的零件焊接在一起用的方法包括將要焊接的壁板的至少兩個零件沿一焊接線相互靠近地放置和用一激光束沿該焊接線形成一焊縫。能夠有利地使用該方法僅從壁的一面焊接鍋爐管壁板。還能夠將GMAW工藝與激光束組合使用以形成焊縫。其中鍋爐管壁板包括管子之間的一隔板，可以斜削該隔板。
文檔編號F22B37/10GK1468680SQ0314239
公開日2004年1月21日 申請日期2003年6月6日 優(yōu)先權日2002年6月19日
發(fā)明者G·H·哈斯三世, G H 哈斯三世 申請人:巴布考克及威爾考克斯公司