具有主管和支管的金属容器的结构其制造方法及设备的制作方法

专利名称：具有主管和支管的金属容器的结构其制造方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有诸如气体隔离开关壳体这样的有主管和支管的金属容器的结构，尤其是涉及焊接的金属容器的结构，它有主管、焊到它上面的支管、以及焊到主支管每个端部的法兰，还涉及其制造方法和设备。
制造有主管和支管的金属容器，例如，气体隔离开关的壳体，它有若干焊到主管上的支管，要求将法兰精确地焊到主管和支管的端部去。为此目的使用电弧焊。然而，焊接中，此电弧焊要求完全焊透以便确保气密性。当要求精密性时焊后法兰面必需加工。激光焊接被用来连接管部和法兰，如由日本待审专利特开昭59-189092/1984，processing of LAMP′87′大坂(1987五月)第157-162页由seigo HIRAMOTO等的“Deep Penetration Welding With High Power CO Laser”及三菱电机月报No 10，1989第37-40页所公开。
上述现有技术没有注意到说明加工方法，其中法兰和主管之间焊接仅仅是从电弧焊转换成激光焊。在实际的金属容器，即广泛使用的有支管的金属容器，诸如有许多个支管的气体隔离开关的壳体的结构中没有考虑到这点，因此，电弧焊仍旧用于制造有支管的金属容器。
当主管和法兰由电弧焊来连结时，法兰可能由于焊接的热量而凹陷，以及对此不得不加以限制。
例如，焊接条件如下主管直径 600mm，主管长度 2000mm，主管厚度 6mm～12mm，焊缝宽度(焊道宽度)6mm～8mm，焊接的法兰倾斜或凹陷约2mm，因此发生平行度和垂直度的不精确性。为了加强容器的精度，法兰必需焊后加工，这将带来一些麻烦问题。
除非支管和主管的端部在焊后仔细地加工过，否则它们难予与法兰焊接。这使得必需加工端部，但法兰在焊接时不可避免地要变形，因此必需用加工法兰来保持它精确性以便使焊后法兰表面的平度和法兰间距离达到适当的水平以及消除法兰表面的歪斜。这造成生产中的严重问题。
在容器较大时现有技术要求大尺寸的机床来加工法兰。这种必要性冲淡了在焊接前完成加工的作用。然而，这种冲淡没有考虑到在大尺寸容器时引起了另一个严重问题。
此外，在传统技术中，法兰上开一个深为0.2-3mm的槽，管子的端部插入此槽。将激光来加到要焊接的部份，当旋转工件时在激光射出方向实现工件的焊接。
激光束加到要焊接的表面的角度约为3-20°。即激光束是斜加到要焊接表面的。因此，法兰和管的熔深变得不均匀，在有此情况下一层焊(一次焊接操作)不能得到具有良好熔深的焊道。
一般，管子外径根据日本工业标准(JIS)有±1%的公差。所以，甚至正常管径的槽被切削在法兰的一个面上，当管子的外径有某个公差值时，管子也难以插入法兰的槽中，或者管和槽之间间隙变大，即使管子装入槽中在有些情况下这样的法兰和管也不适合于焊接。
因而，如果管径为大约50mm(约2时)用上面描述的传统焊接工艺将它焊到法兰上去，由于这样的直径公差，较小管子可以插入法兰上的槽中且可以恰当地焊接。然而，当直径约744mm的大尺寸管子，将它焊到法兰上在许多情况下因为公差大达±7.4mm而焊接不能进行。
一种用由激光发生器发出的激光束来切割或焊接工件的激光加工设备已由例如日本待审专利特开昭60-227987/1985公开。
在工作台上依次安置有焊接头、切割头和热处理头且在底部放有激光发生器，使得工件可以在由激光发生器输出的激光束相同的方向上移动。焊接头和切割头可在工作台上相对于激光输出方向移动90度。
根据加工工件的不同的用途，或者焊接头或者焊接头和切割头被相对于激光束输出方向移动90度，要使激光束不被妨碍而能进入加工头。工件则移动得要使工件正好定位于在操作中的加工头下面。
根据上述现有技术，各个加工头是各自独立地固定在工作台上的，故加工头必需根据加工工件的用途每次都要移动，工件必需按照加工用途恰好定位于加工头下面，这就出现加工能力方面的问题。然而，如果工件小，各加工头不需要离得太远，但如果工件大则需离得远。结果，系统作为一整体变庞大的缺陷就出现了。当加工头一旦移动，在做预定的加工工件之前要返回其原来位置，必需将由激光发生器出来的激光束的光轴和折光镜的中心对准，折光镜是放在加工头中来改变上述激光束的路径。这种对准是困难的，为每次加工而移动的加工头进行定位是非常麻烦的。更糟的是，上述的现有技术既没有考虑切割管状容器的端面，像气体绝缘控制装置的接合点，也没有考虑校正管子和法兰槽之间的间隙，这在实际焊接时总要发生问题的，也没有考虑校正错位。
本发明的一个目的是提供一种焊接的金属容器，像气体隔绝开关的壳体，在这种容器中用焊接法以高精确度和以较少步骤将法兰连接到主管的各端部以及将支管连接到主管上。
为了完成本发明的目的，提供了一种焊接的金属容器，其中金属的主管和从主管轴向地分支的支管用电弧焊或激光束焊接法焊接起来，且法兰连接到支管和主管各端部是用激光束焊接起来的。
本发明的另一目的是提供一种制造管状容器的方法，它能使甚至是带支管的容器并且有法兰接合在主管和支管的端部时焊接变形减至最低限度，因省略机加工工序而减少工时，这类加工工序是此种传统方法在法兰焊到管上去之后实施的，因此本方法可获得较高精度的焊接管状容器。
本发明的目的用以下办法达到将主管和支管用电弧焊接合起来，用机械切削或激光切削主管和支管要和法兰结合处的端表面，用激光焊接将已机械方法处理过的法兰连接到已处理过的主管和支管的端表面上。
按照本发明，主管和支管用电弧焊连接起来有热变形。然而，经过对变形部分机械处理后使管子的精度达到适当水平，法兰可以用激光束焊接连接到该管子的端部去，这种焊接造成最小的热变形。因此，在管子和法兰最后焊好之后不必进行机加工处理，可以以较少的工时得到高精度的管状容器。特别是，在生产由多个机件组合而成的装置的壳体，像气体隔离开关装置的情况下，这些优点更明显地显示出来。
本发明再一个目的是提供二个构件的对接焊接技术，它可以在一个焊道就得到良好熔透焊道。
本发明的这目的用下列焊接方法达到两个构件的平行表面靠在一起并焊接起来，其特征在于一个构件的要焊接的表面相对于周围表面突出，另一构件的要焊接表面和它彼此靠在一起，热量从包括要焊接的表面的平面上一个地点以基本上平行于要焊接的表面方向加到这些表面上，在此处该表面互相焊接起来。
本发明又一个目的可以用管子焊接设备来达到，此设备包括固定基座，在基座上的旋转装置，一旋转体由旋转装置带动旋转，装在旋转体上的驱动装置并用来在需要焊接的管状材料两个开口端部支撑它及驱动它，旋转体的旋转轴线和由驱动装置驱动的管状材料的轴线互相正交，当旋转体旋转时旋转体的旋转轴线和管状材料的轴线要互相对准。
当两个构件互相靠上及焊接时，一个构件的靠近要焊接表面的部分预先削成锥度。
由于这个锥度部分，焊接热可以从包括要焊接的那些表面的平面一个地点以平行于这些表面的方向加到这些表面上。
这些要焊接的表面在于一个平面内，而不是不少于二个平面内。
因此，熔深在两个构件相邻于要焊接的表面的部分内变得均匀。
当要焊接的各构件有不少于二个要焊的表面，其垂线之间相互的直角相交，如在这样的情况法兰要焊到相正交的整体组合管中的每个管上，要焊的一个表面在相关的构件绕该表面相垂直的轴线旋转时先焊上，另一要焊表面则在相关的构件绕该表面相垂直的线，即其轴线旋转时随后焊上。
假如焊接按顺序进行，有不少于二个要焊表面且互相之间有预定角度，也能以高效率地焊成。
本发明又一个目的是提供一种激光加工系统，它特别适合于切削管状容器的端部及利用设计的加工头，使用激光束于一系列连续的加工步骤，根据加工用途可以移动工件将管状容器和法兰焊起来。
本发明另一个目的是提供一种激光加工系统用于达到上面说明的目的，它使用了校正管端和法兰槽间的间隙和错位，使用了一种根据工件加工用途能使切削和焊接操作容易的加工装置，和使用了一种定位装置，它使得甚至在法兰是焊到管状容器端部去的情况下也能容易地既校正管端和法兰槽间的间隙，也校正错位。
为了达到上面说明的目的，按本发明，提供如下各点一激光加工系统，包括传送装置传送要加工的条件;一激光发生器产生激光束加工在所述传送装置上所说工件;一光束传导器传导由所说激光发生器发出的激光束，还包括折光镜为改变所说激光束的路径;若干加工头，适于根据工件加工用途来更换，并可将激光束照到工件的同一位置上，该激光束路径可改变并由所说的光束传导器引导;
一激光加工系统，其中多个加工头相对一个盘的枢轴同心地多头排列于该盘的周边上，根据工件加工用途，转动该盘可选择加工头;
一激光加工系统，包括传送装置传送其端部装配好法兰的管状容器;一激光发生器用来产生激光束去切割所说传送装置上的所说管状容器或者焊接该容器于法兰上;一光束引导器用来引导由所说激光发生器输出的激光束;切割头及焊接头，可按所说管状容器的切割操作或者所说法兰的焊接操作来移动，以发射激光束，后者由光束引导器引导，这样来实现所说管状容器的切割操作或所说法兰的焊接操作;
一种加工设备，包括一转盘，若干加工头，同心地以预定的距离布置在所说转盘的周边上，对被加工的工件辐射是从激光发生器来的并经一光学系统的激光束加工所说的工件;以及驱动装置，用以驱动所说的转盘和所说的加工头一起转动，其中来自激光发生器所说的激光束的光轴和在所说转盘上的所说加工头的光学系统的光轴互相对准。
一个定位装置，包括宽度调节机构，用以校正待焊接的管状构件对接部分的轴向间隙;一个扩管机构，用以校正所说管状构件对接部分的径向错位;和一个旋转机构，用以在转动所说管状构件同时由所说扩管机构将该构件扩涨。
一个加工头，包括一个一般是园柱形的喷咀，用以引导从激光发生器来的激光束到待加工工件的附近;一个聚光镜，置于所说喷咀内的中途处，用以将所说激光束聚集，将已集聚的激光束辐射所说工件;保护气体导入装置，用以导入防护气体，它是用于防护在所说喷咀内激光束对壁表面的作用;且在引导所说激光束时喷到所说工件上，其中所说喷咀在其顶部有可变的孔;以及，一个激光加工系统，包括第一传送装置，用以传送事先装有支管的主管到其预定位置;切削站，用以切削由所说传送装置传送的有支管的主管;一法兰装配站，用以相对于第一传送装置成直角布置的第二传送装置传送的法兰装配到由所说第一传送装置传送的经所说的切削站切削的带支管的主管的每一个端部上去;以及一个焊接站，以激光束焊接由所说第一传送装置传送的并在所说法兰装配站上和法兰装配了的带支管的主管上各端部中每一个端部和它的装好了法兰的部分。
在本发明的激光加工系统中，当工件被传送装置送到预定地点，它被激光束辐照以受到一种预定的加工，譬如焊接或者切削。而且，工件可以在同一地点连续地被焊接或切削，而只要根据工件本身的加工要求来更换、选择或转动多个加工头即可。然而，带支管的主管是在法兰加于其上之前用激光束切削其端部的，且它的装法兰的部分是用激光束来焊接的。结果，在焊后不再要加工，所以加工工作可以连续地完成。
在本发明的加工设备中，多个加工头以对转盘枢轴同心地布置在转盘园周处，且可靠地装了旋转驱动系统。其结果是，激光束的光轴和加工头的光学系统的光轴可以对准以防止激光束散焦。
在本发明的定位装置中，待焊管状构件对接部分的轴向间隙由宽度调节机构来校正，而管状构件的对接部分径向错位由扩管机构来校正。同时，由上述扩管机构扩涨的管状构件可由旋转机构转动。结果，对接部位的轴向间隙和错位能可靠地被校正以保证激光束焊接。


图1是表示本发明的焊接的金属容器一个实施例的透视图。
图2是表示本发明的焊接的金属容器另一个实施例的透视图。
图3是图2的剖面图。
图4是表示主管端和法兰接合部的剖面图。
图5是表示支管端和法兰接合部的剖面图。
图6是根据本发明的气体隔离开关的顶视图。
图7是图6沿A线的正视图。
图8是表示制造用于气体隔离开关的压力容器的流程图，构成根据本发明制造管状容器的方法的一个实施例。
图9a到9c是用于管状容器的焊接点各种形状的剖面图。
图10和11说明本发明实施例切削管状容器管端表面方法。
图12a到12c是表示用一个实施例的焊接方法焊接管和法兰的各步骤的剖面图。
图13是说明实施例焊接方法应用例的剖面图。
图14和15说明其他实施例的焊接设备。
图16是表示本发明激光加工系统整个结构的一个实施例的透视图。
图17是表示用于激光加工系统中的加工设备的正视图。
图18是图2的顶视图。
图19是用于本实施例系统的定位装置的剖面图。
图20是图19的P方向的侧视图。
图21是表示主管和法兰对接部分细节的剖面图。
图22是说明根据本发明用边缘对齐机构实施例的错位测量方法。
图23是法兰加到主管上步骤的流程图。
图24是图17的A-A线的视图。
图25是孔径小时的剖面图。
图26是图25的B-B方向的视图。
图27a到27d表示法兰加到带支管的主管上去的情况各加工步骤的流程图。
图28表示本发明激光加工系统另一实施例整个结构的透视图。
图1表示本发明一个实施例。用于气体隔离开关的壳体1由主管2、支管3和31、法兰4a、4b、4c、4d组成，支管通常用电弧焊在A处相对于管轴向成直角地连接，法兰4a、4b连接于主管2的两端部，法兰4c，4d连接于支管3和31的端部。壳体1由使用激光束焊接LB将主管4a、4b连结、将支管3和31和法兰4c和4d连结而构成。
在本实施例中，由电弧焊A引起的热变形在电弧焊A后实施激光束焊接来解决的。在电弧焊A后，主管2和支管3和31的端部被精细地加工，法兰4a，4b，4c，和4d用激光束焊接LB焊到主管2和支管3及31上。结果，壳体1得到了高度精确的施工性能，以及在装配的壳体1可以得到改善了的装配精度。
例如，当焊接条件如下主管直径 600mm，主管长度 2000mm，主管厚度 4.5mm～12mm，焊缝宽度(焊道宽度) 2mm～3mm，激光输出功率 5kw～10kw由激光束焊接的法兰歪斜或下陷约0.3mm。因此，在平行度和垂直度方面的精确性是主要的。
在表示本发明的第二个实施例的图2和图3中，壳体1A由主管21、接到主管21的支管32、法兰4e、4f和4g各接到主管两端和支管32的端部、以及底脚5和51组成。
在本实施例中，激光束焊接LB用于主管21和法兰4e和4f之间、支管32和法兰4g之间、主管21和底脚5和51之间以及主管21和支管32之间。特别是，在所示实施例场合中，缓冲了事先实行的电弧焊A的方法，其后再用激光束焊接完成高精确的焊接。因此，可以较容易地提供高精确的管状容器。
激光束焊接不适用于角部。在示于图2和图3的实施例中，支管32端部预先扩口，再把支管32用激光束焊接LB连结到主管21。结果，容易应用低应变的自动焊接系统并制造出来高精确的壳体。
附带地，法兰4e和主管21之间和法兰4g和主管32之间接合部和截面细节示于图4和图5。如所示，不仅主管端部和法兰4e、支管32端部和法兰4g用激光束焊接，并且角部也用激光束焊接LB从里边和外边进行填角焊。因而法兰4e和4g的下陷与利用电弧焊比较要减轻，以及用于预变形、整形和焊后的加工方面费用也减少了。
图6和7是本发明用于气体隔离开关(下面简称为GIS)的例子。GIS由断路器11、隔离开关13，制动器14和单相汇流管15构成。在这些单元中，三相汇流管16的主回路管17由绝缘体支撑在壳体1上，壳体1有如图1所示的焊接结构，该结构内空间封装有高度隔离的SF气体。各单元通过壳体1的法兰4a到4g用螺栓连起来。通常容器内封有低于4到5大气压的SF气体。这种封装在安装的时候完成。壳体1的法兰4a到4g要求平度以保证贴在其上的接触性和O形环的密封性能，也要求关于支管3、31和32的法兰4c、4d和4g的正交性，该支管和位于在断路器11轴线上的主管2和21下面的另一壳体1成直角，该另一壳体1包复主汇流管的导体17，还要求关于最后提到的另一壳体1的主管2和21的法兰4a，4b，4e和4f的正交性。
在本实施例中，容纳每一个装置的壳体采用下列结构，即主管和法兰，以及支管和法兰用激光束焊接，结果上述精度可容易地达到，并且改进了装配效率。
图8表示如图1和图2所示的壳体1和GIS的容器1A的制造过程的流程图。GIS用的壳体分成四个构件，即主管121、支管122、主管法兰109和和支管法兰110。每一个构件均独立地准备，随后在主管121上开出接支管122的膛孔。支管切削得使接点端部的形状和在主管121上所开的孔相适应。在主管法兰109和支管法兰110上做出连接孔，对这些法兰进行表面修整及进行装到壳体上去相对应的加工。主管121和支管122用电弧焊接连接起来，电弧焊好的主管121和支管122的端部用激光束切削或者在如图8所示的随后的工序中进行加工。镗好孔及表面修整完毕的主管法兰109和支管法兰110用激光焊连接到经激光切削或加工好的主管121和支管122的端部而制成管状壳体。
在图9a、9b和9c所示的焊接结构部件中，管端以T型接头焊到法兰端面，管端互相对接焊。由于这些接头的坡口部分都如图示的机械处理过，接头的精度得以改进，可以应用激光焊。这可以防止接头的焊接变形。所以，甚至法兰包括要求密封的面事先经机械处理了的然后用激光束焊接，密封壳体的性能也是第一流的。
在法兰面的尺寸和方向相对于主管101不要求高精度场合，如构成检修孔的支管，形成检修孔的支管12和法兰13事先用电弧焊接合在一起，然后形成检修孔的法兰113进行机械加工处理。最后的法兰113用电弧焊焊到主管1上去，所得到的产品再进行如图8所表示的同样步骤。
图10表示如图8所示切割管端面的装置的例子，其中带支管的主管221的端部用来自激光发生器214的激光束经由一个处理头215加到端表面上，同时转动带支管的主管230。工件由一定位器240定位。
图11表示切割如图8所示管端面的装置的例子。其中带支管的主管230的端部用加激光束到端表面来进行切割而同时转动激光处理头152。激光切割的优点在于用使被加工管子或处理头的转一整周来得到高精度的切割表面而不论管子端表面切割长度如何。
根据上面叙述的实施例，法兰可以以单件的形式被机械加工。所以，法兰可以用集中的方式单独处理，可以使用较小尺寸的加工机。这可以使装工具时间不包括切割时间的时间被节约下来。
由于管子部件加工和焊接工序和法兰加工工序可以同时进行，壳体制造周期可降低约40%。此外，由于主管的弯曲和支管歪斜可以用对管端面的机械处理和激光切割所排除，用于在支管被焊到主管上去之后进行的管子校形工作的时间也可减少大约50～70%。
图12a、12b和12c表示用焊接方法将管子301和法兰302焊到一起的步骤的各剖面图。图13表示对应用本实施例焊接方法进行说明的一个例子的剖面图。
图12a表示管子301和法兰302还没有进行焊接的状态。两法兰表面302a和302b如图所示是平行的。
图12b表示把用虚线303标出的部分削去后法兰302削斜的样子。假如法兰302以这样方式处理，它的对着要焊接的管子301的表面306b的表面变成只有焊接的部分306a和表面306b平行。削斜表面的倾斜角定为约9°。
图12c表示削斜后的法兰302和管301对接上并用激光焊在一起。由于法兰302是削斜的，激光束可以以箭头304方向加到待焊表面306a和306b上。结果，用虚线标出的待焊表面306a和306b的熔深305基本上均匀。假如法兰和管子在它的待焊表面加工成预定的表面精度然后再焊接，它仍可以在一个焊道内完全熔透。
甚至在管子外径有公差时，管子301和法兰302的待焊表面306a、306b之间也没有公差，因此可进行稳定的激光焊接操作。
图13是一个带支管的压力容器330的主要部分的剖面图，做为一个应用上述实施例的例子。
这个压力容器330是用于GIS的压力容器，用于气体隔离变换机器，其中封装有像SF气体这类隔离气体。
压力容器330由两个正交的管子331，333和焊到这些管子331，333端面上的法兰332a，332b，333a所构成。
假如在图12a到12c中描述的实施例的焊接方法被用到焊接法兰332a、332b、和333a到这些管子上，它们可以可靠地用激光焊接，隔离气体的漏泄可以被防止。
图14表示了实施例的一种焊接设备。
这个焊接设备340有一固定座341，转动单元342和342座落在固定座341上，转盘343由转动单元342转动，两个对着的转动单元344和345置于转盘343上，转盘的转轴轴线和由两个转动单元344和345拖动旋转的构件的轴线互相正交。
待焊的材料是由两个转动单元344、345带动旋转，三个法兰348、349、350被激光焊到两个正交管子346、347的端面上，如图所示。
用激光焊接这些部件的设备由激光发生器351，用于改变由激光发生器351发射出来的激光束352的路径的折光镜354，和用于把其路径已经改变了的激光光束355加到待焊表面的加工头353所组成。
现在叙述用这个设备把管子346、347和法兰348、349、350焊到一起的工序。
从激光发生器351输出的激光束352的路径被折光镜354所改变，最后的激光束被引到可绕枢轴转动的加工头353中。被集聚的激光束356被以垂直向下的方向加到削斜的法兰350和管347之间的槽进行焊接。
在这种场合，管子347被转动单元344，345的旋转运动带动在α方向旋转，这里可进行法兰350和管子347整周的焊接。
法兰348和第347的焊接由转盘343转过180°园弧来进行，这样就可把激光束356加到法兰348和管347上去。
如果提供一台以上的激光发生器，则法兰348、350可一次被焊到管347上去。
为了将法兰349焊到管346上去，加工头353转过90°弧设定在水平位置如用点划线所示，这样激光束就可加到待焊表面。
当转盘由转动单元342、342′转动时，管346在β方向转动，使管346和法兰349可进行整周的焊接。
当使用第二实施例的焊接设备340时，法兰和带支管的管状压力容器的管子的焊接能容易地做到。
图15说明另一种焊接方法，它用激光焊接法兰和带支管的管状压力容器的管子。
这个带支管的管状压力容器471的形状基本上和图13中的带支管的管状压力容器形状是一样的，容器471有二个管，即管465，和另一个和管465正交的管(沿图15的表面成直角而沿伸)，这些管子的端部适合于和连到它上面的法兰462、463、464进行激光焊接。
将这些法兰用激光焊到各管去的设备配有一个发生器467，和一旋转的加工头466，它可将从发生器467发射的激光束加到待焊表面，此加工头可在箭头469方向旋转。
转动单元461可带动带支管的管状容器471自由地并实际上是水平地转动。
现在叙述对工件作激光焊接的每一个设备的操作。
从激光发生器467输出的激光束通过加工头466被加到装于转动单元461上的带支管的管状压力容器471上，进行对管465和法兰464的全园周的焊接。
在完成了对管465和法兰464互相的焊接后，转动单元461在箭头470方向上转动90°园弧，进行法兰463的焊接。转动单元461然后再转90°园弧进行法兰462的焊接。
按照本实施例的焊接方法，法兰和带支管的管状压力容器的管子的焊接会很容易。不大于500mm直径的法兰和管子的激光对接焊也可以做到。因此，带支管的管状压力容器的制造成本可大大降低。
图16表示一个激光加工系统的一个实施例的系统结构。在此系统中，沿气体隔离控制设备的汇流管的主管和法兰的焊接和主管的镗孔是用激光束来完成的。
在传送导轨501上的传送架502运转起来而构成第一条传送线。上述传送架502带着工件或主管503以箭头X1方向传送它到第一传送线的中途。传送带504布置在上述第一传送线的两边一般对所说第一传送线成直角以箭头y1和y2方向传送待焊法兰505到主管503的两端，这就构成第二传送线。法兰装配机506安置在传送导轨501两边以便将在传送带504上传送的法兰505在改变了该法兰505方向后装配到上述主管503的两端。由法兰装配装置506装好法兰505的主管503因而被在传送导轨501上的传送架502以箭头X2方向传送到下一步。定位装置507布置在传送导轨501的中途可旋转地支撑以X2方向传送的并装配好法兰505的主管503来校正法兰505和主管503对接部分的轴向间隙和径向错位。旋转加工机508用激光束来焊接由定位装置507支撑起来的带法兰主管503和法兰505以及对主管503镗孔。旋转加工机508有可转动地布置的焊接头508a和镗孔头508b。该旋转加工机508由吊架509吊着它可在x和y方向移动。焊接头508a和切割头508b可在Z方向(垂直方向)移动，并通过光束引导器510连到激光发生器511上。附带地，控制单元512控制整个系统。
下面，对旋转加工机508将参考图17和图18详细描述。
如图所示，旋转加工机508由若干个焊接和切割头8a到8d组成，它们以预定的位置布置在转盘513端部并对枢轴514同心。转盘513由驱动马达515驱动旋转。此驱动马达515装在垂直移动的底座516上，底座的一端装有一螺母和螺杆518配合。这样，整个装置可以经直接和螺杆518连接的垂直运动电动机519的驱动作垂直运动(Z方向)。防尘盖520加在垂直移动底座516上。此防尘盖520遮盖下使用的加工头的光学系统521如图18所示以对光学系统521防尘。上述光学系统521这样安装于转盘513上，使其光轴和经光束引导器引导的激光束522的光轴对准，该激光束522的路径由折光镜523改变而向下。
下面，将参考图19，20及21详细描述定位装置507。
图21表示了主管503和法兰505对接焊时的接口部分。通常，主管503和法兰505互相对接时会出现宽度方向的间隙g和外错位δ。在激光焊场合，容许的数值是g≤0.8mm及δ＝0.5mm。定位装置用来使定位到上述规定的数值之内。
在图19和20中，在固定的基础531上装有间隙宽度调整电动机532，它的输出轴接有驱动螺杆533。螺杆533被盖以一可移动的台板535，该台板支撑在导轨534上。在可移动的台板535的一端，装有一扩管汽缸537，它由三角架536支撑着。有一台液压马达537a通过液压电磁阀537b接到扩管汽缸537上。扩管汽缸537有汽缸连杆538通过离合器539连到多槽轴540，此汽缸连杆538和多槽轴540被安置成同轴线。
管子旋转电动机542输出轴装有齿轮543和花键轴承541啮合，以便传递转动和滑动。
另一方面，在上述可移动的台板535的前面装有支持板544用来支持扩管多槽轴。一个旋转导块546通过轴承545连到支持板544。加压板546a接到旋转导块546的端头上用来和待焊到主管503上的法兰505的端面相接触，还装有滑动导块547用来支持扩管芯子548。在前述多槽轴540的前端上装有带锥度的杆549，它的斜边通过滑动导块554支撑着扩管芯子548。
另一方面，在前述固定的基础531的端头处装有法兰的滚子552用来顶住法兰505，还装有主管的滚子553用来顶住主管503。
下面，将叙述定位机构的定位操作。
首先，当扩管汽缸537由于液压电磁阀537b动作而缩回，锥度杆549也缩回，扩管芯子548涨起。若扩管汽缸537前进，扩管芯子548从中心轴线径向收缩。假如旋转电动机542在Q方向旋转，多槽轴540通过齿轮543和花键轴承541转起来。与此同时，此转动也传递给锥度杆549。由于扩管汽缸537的汽缸连杆538和多槽轴540是由带内装轴承的离合器549连接起来的，转动在此处被阻断。
进而，若在固定的基础531上的间隙宽度调节电动机532转起来，驱动螺杆532也转了，可动台板535在滑动导轨534上在主管503的x方向移动，使得法兰接触板546a调节法兰505的宽向位置。此时，在收缩状态的扩管汽缸537被从由各自的顶滚552和553顶住主管503和法兰505的端头插入。扩管汽缸537前进，扩涨的管暂时在汽缸537和主管内壁接触时停止。然后，间隙宽度调节电动机532转动地向前移动了可动台板535，带动法兰505和主管503互相靠近。此后，扩管汽缸537进一步前进使管子扩涨，而在法兰505和主管之间的错位进入容许的范围时扩涨就停止。其次，旋转电机542转起来将主管503的法兰505一起转动。此后，用定位在其上的焊接头508a辐射出来的激光束实施焊接。
现在参考图22来描述定位装置。用来消除管间错位的扩管杆805和扩管块806被插入待焊管801a，801b之内，高度传感器802a，802b装在管801a，801b的外园周面上面。高度传感器802a，802b的信号线连接到比较器803上，后者的信号线通过液压单元807连到液压缸804。其边缘对准的工件，即管801a，801b的高度h2、h1相关的数据被送到比较器803，在这里计算h1和h2间的差值δ。计算结果被传到液压单元807用以操作液压缸804。随之液压缸的压力增加引起锥度杆805和扩管块806动作，使管801a、802b做对准动作。在此操作期间，高度传感器802a、802b随时进行测量并输出代表测量结果的信号到比较器803。此操作一直进行到差值δ变零为止。当差值δ变零，对准动作停止，完成了排除管间错位。
管子和法兰相对的边缘之间的气隙量的测量和消除间隙的机构将被描述。间隙传感器813被设置在管801a和801b，即待焊在一起的工件相对的边缘部分外园周表面之上的地方，间隙传感器的信号线接到比较器814以便通过液压单元817驱动液压缸815。推压头816装在液压缸815的前部。将描述这个机构的工作。在管801a和801b之间的间隙g在间隙传感器813上测量，测量的数据传送到比较器814。测出间隙g后液压缸815通过液压单元817而动作，在x方向移动推压头816，从而间隙g可被消除。按照此实施例，相对的边缘的对准在管对管、或者管对法兰对焊在一起时可以自动地进行。因此，这个实施例当它应用于激光焊接系统时产生很大的效果。
下面，参考图16描述按本实施例的激光加工系统的工作。
本系统针对下列情况，即用于气体隔离控制系统的构成汇流管的主管和法兰要焊起来或者是为了装支管要对主管镗孔。汇流管通常要把加工好的法兰505和管503连结起来，主管503再镗出装支管的孔，如图23a，23b和23c所示。这些加工工作用本系统以激光束连续完成的。
首先，主管503放上并由传送架502在x1方向传送直到在法兰装配设备506的中心处定位并停住。此时，法兰装配设备506的工作台面向上。由法兰传送带504传送的法兰在法兰装配设备的工作台面上被抓住，夹住主管503，翻转90°后法兰和主管503装起来。装好法兰505的主管503被上述传送架502传送到恰好在焊接头508a之下面，并定位于定位装置507的中心部去进行扩管，间隙宽调节和旋转操作。在此定位装置507中，扩管头被从法兰505的两边插入进行扩涨及定位到预定的尺寸。此后，主管503和法兰505用来自焊接头508a的激光束对接焊。主管503的两端焊接完毕后焊接头换成切割头508b，来自它的激光束加工主管503的孔。装好法兰镗好孔的主管再放上传送架507传送到下一工序。
根据本实施例，如已经以各种方式叙述过了，当管状容器是由主管和支管组成的并且制造成象气体隔离控制装置的汇流管那样时，工件的传送、定位、旋转和扩涨能够按顺序地自动进行。结果，当使用一台激光发生器可轮换地用于焊接和切割工作时生产费用可大大地降低。还可能制造出微小热变形的管状容器。
按照本实施例的加工装置，多个加工头布置在和转盘枢轴同心的园周上，旋转驱动系统的底板被可靠地固定。结果可以使在回转时由折光镜反射的激光束的光轴和加工头的光学系统的光轴仍对准，避免了激光束散焦。因为其余不用的加工头有防尘盖保护着，能够防尘不会在对光束散焦时引起麻烦。
按照本实施例的定位装置，所有从主管内部来扩涨的扩管芯子因锥状杆的横向运动而均匀地径向移动，从而变形的管校正为正确的园。再者，锥状杆的横向驱动源，如果在液压缸和其油压回路中没有导阀检测控制的话，仍可以保持被扩管的尺寸为锥状杆的尺寸。然后，此尺寸在焊接时不改变。如果在油压回路中使用释放阀，任何液压马达不会受损，即使它用作间隙宽度驱动源，甚至在管槽已互相接触加压时。
以下将参考图24、25和26叙述用本系统的加工头的另一实施例。
在本实施例中，如图所示，一个底板在它的下表面上装有加工头，该加工头带可变孔径的喷咀652，用于喷保护气体，还有传导器653，用于调节喷咀652的直径。聚焦镜654置于上述可变孔径喷咀652之中，上述传导器653被接到气缸655用于垂直移动所说的传导器653。
另一方面，在上述喷咀652上面的喷头656构成一个保护气体导咀657，在它的前端用管子接到之通路电磁阀658用于变换气体。
其次，以下描述其工作。来自激光发生器的激光束622被折光镜623反射入加工头的聚光镜654。可变孔径的喷咀652的头部是分瓣的，如图24所示。气缸655在最低位置时，传导器653也在最低位置，由于上述喷咀652中的弹簧作用下得到最大开口φdo。当气缸655移到最高位置时，传导器653收缩喷咀652的开口到最小开口φdS，如图26所示。在最大开口状态，例如较多的O2气体由打开三通路电磁阀658的一个输入通路而引入喷咀652。在最小开口状态，相反，可由打开三通路电磁阀658另一个输入通路引入Ar气体。
如在这以前已叙述过，根据用途(焊接或切割工作)通过改变加工头喷咀直径及通过变换喷射的气体种类，可在一个加工头中完成用激光进行的切割和焊接操作。所以，通过引入激光加工系统，可实现激光混合加工系统。
下面，再一个激光加工系统的实施例将描述如下。
在大多数气体隔离控制设备的汇流管上，不仅接有上述的法兰还接有支管。那么，本系统也适用于要用激光束完成支管端面的切割和焊接法兰的情况。
首先，加工过程将参考图27a到27d用图示来说明。主管603上有事先焊上的支管603a(如图27a所示)其管端用激光束切割，如图27b所示。此后，法兰605、605′和605a被装到主管603和支管603a的端部，如图27c所示。之后，用激光束把各法兰605、605′和605a焊到各管603和603a上，如图27d所示。
其次，将参考图28将上面叙述的工作过程所用的系统描述如下。
带事先用电弧焊焊上去的支管603a的主管603被在传送导轨601上的传送架602送到切割站 。切割站 一般设有一个转盘660，它能带着有支管的主管603的y方向移动在a方向转动，还设有一回转工作台662，它通过一激光束传导器610a连到激光发生器611，并能带着切割头661在Q方向回转。然后，转盘660转起来把主管603或支管603a的端部带到切割位置，在此位置回转工作台662转动着同时从切割头辐射出激光束来切割管端。当主管603的两端和支管603a的端部被切去，工件被送到下一工序的法兰装配站
。法兰装配站
的结构实质上和参照图16描述过的法兰装配设备是相似的，重复的叙述就省略了。经在主管603的两端及其支管603a的端头装了法兰605，被从法兰装配站
送到相继工序的焊接站
。在此如果主管603和支管603a有相同的直径，它们可以在二条传送带上的各自装法兰605。如果支管603a的直径较主管603的小，此二管可以装各自的法兰用一条传送带传送直径和主管603的直径匹配的法兰，而另一传送带传送直径和支管603a的直径相匹配的法兰。焊接站
的结构实质上与切割站
相似，只是在回转工作台662上配备焊接头663代替切割头。还有，主管603或者支管和法兰605和605a用从焊接头663辐射激光发生器11的激光束同时转动回转工作台662来进行焊接。
按照本实施例，如在此之前已叙述过的，加工可在每个部分的各单元中完成，法兰可被焊接好而不必担心热变形，这本来在标准焊接中是会发生的。还有，用大型机床在激光焊之后进行加工操作也不需要了，这就可以大大降低生产费用。再有，组合式的用激光的加工系统可被生产出来。
前面的各实施例中，激光发生器对每个切割站和焊接站都可以设立，但也可以此二站共用。
权利要求
1.一种焊接的金属容器的结构，其特征在于该结构包括有端部的主金属管；支管，其端部被焊到所说主管外周壁上；法兰，被焊到主金属管和支管的端部上，至少所说的法兰用激光束焊接焊到主管和支管相应的端部上。
2.根据权利要求1所述的焊接金属容器的结构，其特征在于每个法兰被用激光束焊接到主金属管和支管的相应端部上，支管用电弧焊焊到主管的外周壁上。
3.根据权利要求1所述的焊接金属容器的结构，其特征在于，支管用激光束焊接到主管的外周部份上。
4.一种气体隔离开关的壳体，内容纳断路器、隔离开关、封装有隔离气体的汇流管以及法兰、结合到壳体的端部并用螺栓紧固，其特征在于壳体和结合到壳体端部的法兰用激光束焊接起来。
5.一种制造焊接金属容器结构的方法，其特征在于，该方法包括将支管端部焊到带有端部的主管的外周壁上，使所说的支管从所说的主管径向延伸;在主管和支管焊接之后用激光束焊接将法兰焊到主管和支管的所说端部的每一个上去。
6.根据权利要求5所述的制造焊接的金属容器结构的方法，其特征在于，用电弧焊将支管的一端部焊到有一端部的主金属管外周壁上，使支管从主管径向延伸;用机械法切割或激光切割在焊后切割主金属管和支管的每一端表面部分，法兰被结合到主金属管和支管的这些端面;以及用激光焊法将已机械处理过的法兰结合到已处理好的主管和支管的端表面上。
7.一种激光加工系统，其特征在于该系统包括传送待加工的工件的传送装置;激光发生器用于产生激光束加工在传送装置上的工件;一光束传导器用于传导从激光发生器发射出的激光束以及还包括折光镜用于改变激光束的路径;和多个加工头，该加工头可按照工件的加工用途变换，用于将激光束辐射到工件的相同位置，该激光束的路径经变换到相同的地方并由光束传导器引导。
8.一种激光加工系统，其特征在于，该系统包括传送待加工工件的传送装置;激光发生器用于产生激光束加工在传送装置上的工件;一光束传导器用于传导由激光发生器发射出的激光束以及还包括折光镜用于改变激光束的路径;和多个加工头可按照工件的加工用途来选择，用于将激光束辐射到工件的相同位置，该激光束的路径经变换到相同的地方并由光束传导器引导。
9.一种激光加工系统，其特征在，该系统包括传送待加工工件的传送装置，激光发生器用于产生激光束去加工在传送装置上的工件;一光束传导器用于传导由激光发生器发射出的激光束;和多个加工头可按照工件的加工用途被旋转地移动，用于将激光束辐射到工件上，该激光束被光束传导器所引导。
10.一种激光加工系统，其特征在于，该系统包括传送待加工工件的传送装置;激光发生器用于产生激光束去加工在传送装置上的工件;一光束传导器用于传导由激光发生器发射出的激光束;和多个加工头，用于辐射经光束传导器引导的激光束到工件，其中多个加工头可按照工件的加工用途被移动。
11.一种激光加工系统，其特征在于，该系统包括传送待加工工件的传送装置;激光发生器用于产生激光束去加工在传送装置上的工件;一光束传导器用于传导由激光发生器发射出的激光束;和多个加工头，布置在和一个盘的枢轴同轴线并在该盘园周上可按照工件加工用途靠旋转该盘来选择，以及把经光束传导器引导的激光束照射于工件。
12.一种激光加工系统，其特征在于，该系统包括传送待加工工件的传送装置;激光发生器，用于产生激光束去加工在传送装置上的工件;一光束传导器，用于传导由激光发生器发射出的激光束;和一个加工头，用于把经光束传导器传导的激光束照射到工件上，其中多个加工头对一个盘的枢轴同轴地布置在该盘的园周上，并可按照工件的加工用途靠回转盘来选择。
13.根据权利要求9、10、11或12所述的激光加工系统，其特征在于，折光镜用于引导由光束传导器传导的激光束到加工头去时改变激光束的路径。
14.一种激光加工系统，其特征在于，该系统包括传送装置，用于传送其端部装有法兰的管状容器;一个激光发生器，用于产生激光束去切割在传送装置上的管状容器或者将法兰焊到该容器;一个光束传导器，用于传导从激光发生器输出的激光束;切割头和焊接头，可按照管状容器的切割操作或对法兰的焊接操作而移动，它辐射由光束传导器传导的激光束去实施管状容器的切割操作或对法兰的焊接操作。
15.根据权利要求14所述的激光加工系统，其特征在于，该系统包括定位装置，用来支撑传送装置传送的并装配以法兰的管状容器，当管状进入焊接头的位置，定位容器要焊到法兰去的位置。
16.根据权利要求15所述的激光加工系统，其特征在于，定位装置包括宽度调节机构，用来校正被焊部份的配合间隙，还包括扩管机构，用来校正焊接部分的错位。
17.一种激光加工系统，其特征在于，该系统包括第一传送线，用来传送管状容器;第二传送线，一般其走向为相对于第一传送线成直角，用来传送和管状容器的端部相连合的法兰;法兰装配装置，置于第一传送线的中途，用来将在第二传送线上传送的法兰结合到管状容器的端部;一激光发生器，用来产生激光束以实施或者对在第一传送线上传送的、并由法兰装配装置将法兰装到其端部后的管状容器进行切割操作，或者把法兰焊到该容器去而进行的焊接操作;一个光束传导器，用来引导从激光发生器输出的激光束;切割头及焊接头，可按照管状容器的切割操作或者对法兰的焊接操作而被移动，用于辐射经光束传导器引导的激光束进行管状容器的切割操作或对法兰的焊接操作;定位装置，用来支撑在第一传送线上传送的、被装上法兰的管状容器，当管状容器进入焊接头的位置，把该容器待定位到要焊到法兰上的部件。
18.一种加工设备，其特征在于，该设备包括一转盘，多个加工头同心地以预定的间隔布置在转盘的园周上，用来将通过一个光学系统使来自一个激光发生器的激光束照射到待加工工件上并且加工该工件，和驱动装置，用来驱动带加工头的转盘转动，其中来自激光发生器的激光束的光轴线和在转盘上的加工头的光学系统的光轴线互相对准。
19.根据权利要求18所述的加工设备，其特征在于，该设备进一步包括一个防尘盖，用来遮盖除了以激光束来加工工件的加工头以外的那些加工头的光学部分。
20.根据权利要求18所述的加工设备，其特征在于，转盘的驱动装置固定在底板上，以及底板通过一根丝杠连到提升装置，使得带加工头的转盘可以利用驱动提升装置而被垂直移动。
21.一个定位装置，其特征在于，该装置包括间隙宽度调节机构，用来校正待焊管状部件对接部分的轴向间隙;一扩管机构，用来校正管状部件对接部分的辐向错位;以及一旋转机构，用来转动扩管机构扩涨的管状部件。
22.一个定位装置，其特征在于，该装置包括间隙宽度调节电动机，它装在固定的基础上;接在间隙宽度调节电动机输出轴上的间隙宽度调节驱动轴;可移动底板，支撑在间隙宽度调节驱动轴之上;扩管汽缸，通过三角架支撑在可移动底板的一头;多槽轴，其一端通过离合器连到扩管液压缸的连杆;带锥度的杆，固定在多槽轴的另一端;多个扩管芯子，径向地通过滑动导块布置在带锥度的杆的斜边上;支持板，装在可移动底板的另一头，用来支撑多槽轴;旋转传导块，由支撑板通过轴承可旋转的支承着;导块，接在旋转导块的端部，用来支持加压板和待校正的管状部件的端部以及在长度方向上和扩管芯子相接触;驱动电动机，驱动多槽轴旋转。
23.一个加工头，其特征在于，该加工头包括一通常是园柱形的喷咀，用来引导在被加工工件附近的、来自激光发生器的激光束;聚光镜，置于所说的喷咀的中间，用来聚集激光束，将已聚集的激光束照射工件;以及保护气体引导装置，用来引导被用于保护喷咀内的激光束对壁面作用的保护气体，在引导该激光束同时它被喷射到工件上，其中喷咀在其顶部有可变的孔。
24.一加工头，其特征在于，该加工头包括一个一般是园柱形的喷咀，用来引导在被加工工件附近的、来自激光发生器的激光束;一聚光镜，置于所说的喷咀的中间，用来聚集激光束，将已聚集的激光束照射工件;以及一保护气体引导装置，用来引导被用于保护喷咀内的激光束对壁面作用的保护气体，在引导该激光束同时它被喷射到工件上，其中喷咀在其顶部在园周方向上被分瓣，使得分开的各瓣径向可涨大及缩小。
25.一加工头，其特征在于加工头包括一个一般是园柱形的喷咀，用来引导在被加工工件附近的、来自激光发生器的激光束;一聚光镜，置于喷咀的中间，用来聚集激光束，将已聚集的激光束照射工件;一个保护气体引导装置，用来引导被用于保护喷咀内的激光束对壁面作用的保护气体，在引导该激光束同时它被喷射到工件上;以及一个用第一次命名的喷咀的外园周安置的咀并可以顺第一次命名的喷咀的外壁引导垂直地移动使得该喷咀顶端的孔由引导器的垂直移动而改变。
26.根据权利要求23，24或25所述的加工头，其特征在于，保护气体引导装置包括一个开关机构，用来根据工件的加工用途开关所引导的保护气体。
27.根据权利要求25所述的加工头，其特征在于，引导器包括一垂直驱动机构，用来向上及向下移动引导器。
28.一种激光加工系统，其特征在于该系统包括第一传送装置，用来传送事先装以支管的主管到预定地点，切割站，用来切割由传送装置传送的带支管的主管;法兰装配站，用来把由通常相对于第一传送装置成直角安置的第二传送装置所传送的法兰装配到由第一传送装置传送的带支管的主管的那些端部的每一个上去，这带支管的主管在切割站被切割过;以及一个焊接站，用来用激光束焊接由第一传送装置所传送的、在法兰装配站上被装以法兰的带支管的主管的那些端部的每一个和它的装法兰部分。
29.根据权利要求28所述的激光加工系统，其特征在于，切割站包括导轨，通常相对于第一传送装置的传送方向成直角安置;转盘，在导轨上可以垂直于第一传送装置的传送方向作运动和在水平方向的转盘，以及回转工作台，包括一个切割头，它放射来自激光发生器的激光束以便切割带支管的主管每一个端部。
30.根据权利要求28所述的激光加工系统，其特征在于，焊接站包括导轨，通常布置为相对于所说第一传送装置的传送方向成直角;转盘，在导轨上可以垂直于第一传送装置的传送方向运动，和在水平方向的转盘;以及一回转工作台，它的回转轴线通常和在转盘上的待焊的装了法兰的带支管主管的中心轴线对准，使得它能以相对于转盘的旋转方向成直角的回转线作回转，回转工作台包括一焊接头，用来放射来自激光发生器的激光束以便把每个带支管的主管的端部和法兰焊接起来。
31.根据权利要求28的激光加工系统，其特征在于，输出被传导到切割站和焊接站的激光束的激光发生器是对各站的每一个单独提供。
32.根据权利要求28所述的激光加工系统，其特征在于，输出被引导到切割站和焊接站的激光束的激光发生器在数量上只提供一个，所以它可被各站共同分享。
全文摘要
用于气体隔离开关的壳体1的焊接金属容器包括主管2和用电弧焊A或激光束焊接LB焊到主管2上去的支管3、31以及用激光束焊接焊到主管2和支管3、31的每一个端部去的法兰。在电弧焊以后，主管和支管3、31的各端部被精确地加工过，法兰4a、4b、4c、4d、被焊到主管2和支管3、31的各端部。
文档编号B23K26/00GK1060929SQ91109579
公开日1992年5月6日 申请日期1991年9月17日 优先权日1990年9月17日
发明者一色治, 村下雅纪, 松岛修, 中川贞夫, 中野清藏, 后藤浩二, 桥浦雅义, 小林丰, 佐藤孝志, 太田胜郎, 菊地英明, 福田伸二 申请人:株式会社日立制作所