MESTER, Ulrich, Gustav, Friedrich (Am Kessel 25, Ratingen, 40885, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Membranwand (1), insbesondere für den Einsatz in gefeuerten Kessein, in einem Kohiekraftwerk, einer Biomasse- Anlage, einem Industrie-Kessel, in Steam-Blöcken, einer Müllverbrennungsanlage oder ähnlichem, wobei wenigstens ein Membranwandrohr (2) und wenigstens ein Membranwandsteg (3) unter Bildung einer Schweißnaht (4, 5) miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht mittels Laserschweißen hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht mittels eines Faserlasers hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht mittels eines CO 2 -Lasers hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 m/Minute hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserschweißen von lediglich einer Seite der Membranwand (1) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranwandrohr (2) und der Membranwandsteg (3) restspaltfrei miteinander verschweißt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranwandrohr (2) und der Membranwandsteg (3) vor dem Schweißen wenigstens teilweise einer Oberflächenbearbeitung unterzogen werden. " 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranwandrohr (2) und der Membranwandsteg (3) vor dem Schweißen wenigstens teilweise erwärmt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißen unter Zusatz eines Zusatzwerkstoffs erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:
Auswählen des Schutzgases,
Auswählen des Fokus-Abstands des Lasers von der Naht,
Auswählen der Laserleistung und
Auswählen des Einstrahlwinkels des Laserstrahls. |
Verfahren zur Herstellung einer Membranwand
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Membranwand, insbesondere für den Einsatz in gefeuerten Kesseln in einem Kohlekraftwerk, einer Biomasse-Anlage, einem Industrie-Kessel, in Steam-Blöcken, einer Müllverbrennungsanlage oder ähnlichem, wobei wenigstens ein Membranwandrohr und wenigstens ein Membranwandsteg unter Bildung einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden.
Membranwände sind allgemein bekannt, und werden insbesondere in Kraftwerken dazu verwendet, Wärmeenergie aus dem Kesselbereich abzuführen. Derartige Membranwände bestehen im Wechsel aus Membranwandrohren und Membranwandstegen, welche miteinander verschweißt sind. Der Nachteil der bisherigen Schweißverfahren für Membranwände ist, daß eine Membranwand beidseitig geschweißt werden mußte, da bei einer einseitigen Schweißung ein zu hoher Einbrand entstehen würde, der zu einer Beschädigung des relativ dünnwandigen Membranwandrohrs bzw. Membranwandstegs führen würde. Zudem werden bisherige Schweißverfahren mit einer Schweißgeschwindigkeit von etwa 0,9 bis 1 ,1 m/min durchgeführt, wodurch ein derartiger Schweißvorgang relativ lange dauert, so daß der Bedarf besteht, ein Schweißverfahren bereitzustellen, welches eine Verschweißung unter geringerem Zeitaufwand und somit kostengünstiger erlaubt.
Ausgehend von dem Vorbeschriebenen ist es die A u f g a b e der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Membranwand bereitzustellen, welches ein Verschweißen der Membranwand unter sehr geringem Zeitaufwand und somit geringem Kostenaufwand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 g e l ö s t.
Erfindungsgemäß wird die Schweißnaht mittels Laserschweißen hergestellt, wodurch eine hohe Genauigkeit der Verschweißung gegeben ist, was zudem vieie im Folgenden beschriebene Vorteile mit sich bringt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Membranwand mittels eines Faserlasers geschweißt. Da der Faserlaser relativ klein und leicht ist, bietet er den Vorteil, problemlos auf einem Lastwagen transportiert zu werden, so daß das Laserschweißen vor Ort erfolgen kann. Zudem ist ein Faserlaser sehr flexibel handhabbar, so daß sich im Kesselbau viele Anwendungsmöglichkeiten für einen Faserlaser ergeben, wobei zudem auch Handschweißungen mittels einer Handschweißmaschine durchgeführt werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Membranwand mittels eines CO 2 -Lasers geschweißt wird. Gegenüber dem Faserlaser bietet ein CO 2 -Laser als stationäre Anlage eine höhere Leistung, verlangt aber einen Werkstücktransport zur Schweißanlage. Desweiteren sind ein CO 2 - und ein Faserlaser kompatibel, fordern aber anlagentechnische Besonderheiten, die bei einer Konzeptplanung für eine entsprechende Anlage berücksichtigt werden müssen.
Geeignet sind auch weitere zur Zeit geläufige Laser-Schweißverfahren, beispielsweise ND-YAG oder dergleichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Membranwand mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 m/min geschweißt. Dieses ist eine weitere enorme Steigerung der Schweißgeschwindigkeit im Vergleich zu den bisherigen Schweißverfahren, welche eine Schweißgeschwindigkeit von etwa 1 m/min aufweisen, so daß nicht nur durch das nur einseitige Schweißen, sondern auch durch diese hohe Schweißgeschwindigkeit viel Zeit gespart und somit Kosten minimiert werden können, da eine Verschweißung einer Membranwand mit einer ungefähr 10-fachen Geschwindigkeit im Vergleich zu bisherigen Schweißverfahren erfolgen kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Laserschweißen von lediglich einer Seite der Membranwand erfolgt. Dieses stellt einen besonderen Vorteil des Laserschweißens einer Membranwand dar, weil hierdurch eine schnellere Herstellung einer Membranwand erfolgen kann, da zum einen die Membranwand nach dem Schweißen von einer Seite nicht gewendet
werden muß und zum anderen das Schweißen von der anderen Membranwandseite entfällt. Somit wird beim Laserschweißen die Arbeit und die dafür benötigte Zeit im Vergleich zu den bisherigen Schweißverfahren wesentlich minimiert, was einen enormen Kostenvorteil des Laserschweäßverfahrens im Vergleich zu bisherigen Schweißverfahren erzeugt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Membranwand röhr und der Membranwandsteg restspaltfrei miteinander verschweißt werden. Da somit das Membranwandrohr und der Membranwandsteg in ihrem Kontaktbereich vollständig miteinander verschweißt sind, ist ein besserer Wärmeübergang geschaffen, was sich insbesondere positiv auf die Eigenschaften einer so geschweißten Membranwand auswirkt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das Membranwand röhr und der Membranwandsteg vor dem Schweißen wenigstens teilweise einer Oberflächenbearbeitung unterzogen. Dabei ist es grundsätzlich erforderlich, die zu schweißenden Oberflächen beispielsweise mit einem Sandstrahl zu bestrahlen. Dabei kann es zu Siliziumeinschlüssen in der Oberfläche kommen, so daß eine weitere differenzierte Oberflächenreinigung der Schweißkanten notwendig ist. Je reiner die zu schweißenden Oberflächen vorliegen, desto besser ist das erzielbare Schweißergebnis.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Membranwandrohr und der Membranwandsteg vor dem Schweißen wenigstens teilweise erwärmt werden. Dadurch wird die Härte des Werkstückmaterials reduziert, damit ein besseres Schweißergebnis erhalten wird. Vorzugsweise wird das Werkstück bis auf eine Temperatur von 200 0 C erwärmt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Schweißen unter Zusatz eines Zusatzwerkstoffs erfolgt, wodurch ein breiteres Schweißgut besonders in der Decklage erreicht wird. Somit läßt sich eine größere Spaltüberbrückbarkeit realisieren und damit kann auf eine aufwendige, sehr genaue Fugenvorbereitung verzichtet werden.
Ferner ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Verfahren weitere Schritte aufweist, nämlich das Auswählen des Schutzgases, das Auswählen des Fokus-Abstands des Lasers von der Naht, das Auswählen der Laserleistung und das Auswählen des Einstrahlwinkels des Laserstrahls. Diese Parameter können beim Laserschweißen an die jeweiligen Bedingungen angepaßt
'werden, so daß in jedem Fall ein sehr gutes Schweißergebnis erhalten wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigt
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Membranwand, welche auf herkömmliche Art und Weise verschweißt ist und
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Membranwand, welche lasergeschweißt ist.
Figur 1 zeigt eine Membranwand 1 mit Membranwandrohren 2 und Membranwandstegen 3. Die Membranwandrohre 2 sind mit den Membranwandstegen 3 über die Schweißnähte 4 miteinander verbunden, wobei die Schweißnähte 4 an beiden Seiten der Membranwand 1 angeordnet sind. Da bei einer herkömmlichen Schweißung ein relativ hoher Einbrand entsteht, was durch die Ausdehnung der Schweißnähte 4 angedeutet sein soll, kann eine Membranwand 1 nicht einseitig geschweißt werden, ohne daß es im Bereich der Verbindung zwischen den Membranwandrohren 2 und den Membranwandstegen 3 zu Beschädigungen an diesen Membranwandelementen kommen würde. Daher muß eine derartige auf herkömmliche Art und Weise geschweißte Membranwand 1 nach dem Schweißen von der einen Seite gewendet werden, so daß das Schweißen von der anderen Seite erfolgen kann. Da zudem das Schweißen dieser Art mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/min erfolgt, ist durch das herkömmliche Schweißverfahren ein sehr zeitaufwendiges und somit kostenintensives Schweißverfahren gegeben.
Figur 2 zeigt eine Membranwand 1 , die lasergeschweißt ist. Die Verschweißung von Membranwandrohren 2 und Membranwandstegen 3 kann beim Laserschweißen von einer Seite erfolgen, ohne daß es zu Beschädigungen an dem Schweißgut kommt. Somit ist zwischen den Membranwandrohren 2 und Membranwandstegen 3 jeweils nur eine Schweißnaht 5 angeordnet. Da das Laserschweißen von einer Seite der Membranwand 1 erfolgen kann und zudem die Membranwand 1 mit einer Geschwindigkeit von ca. 5 m/min geschweißt werden kann, ist ein Schweißverfahren gegeben, welches gegenüber herkömmlichen Schweißverfahren in etwa zehnfacher Geschwindigkeit erfolgen kann, was eine enorme Zeit- und Kostenersparnis darstellt. Wie zudem in Figur 2 zu erkennen ist, sind die Membranwandrohre 2 restspaltfrei mit dem Steg 3 verschweißt, wodurch ein optimaler Wärmeübergang gegeben ist. Bei den herkömmlichen Schweißverfahren ist wie in Figur 1 dargestellt zwischen den Schweißnähten 4 ein Restspalt zwischen den Membranwandrohren 2 und dem
" Membranwandsteg 3 vorhanden, was einen schlechteren Wärmeübergang darstellt und sich somit nachteilig auf die Eigenschaften der auf eine herkömmliche Art und Weise hergestellten Membranwand 1 auswirkt.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung und sind nicht beschränkt.
" Bezuqszeichenliste
1 Membranwand
2 Membranwandrohr
3 Membranwandsteg
4 Schweißnaht (herkömmlich)
5 Schweißnaht (Laserschweißen)
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