CN1069437A - 焊接方法及焊接系统 - Google Patents

Abstract

一种在焊区利用不同密度的气体组成的混合气 体形成惰性气体屏蔽层的焊接方法。混合气体中各 气体的比例系控制得使其确保混合气体的密度与周 围大气空气的密度大致相等。可以用冷冻装置在待 焊接的管状装置里面形成冷凝气体塞子。

Description

本发明涉及焊接方法及焊接系统，更具体地说，涉及一种在焊区使用惰性气体作为吹洗气体的焊接方法及系统。

按照本发明的一个方面，提供了一种在焊区中的惰性气体屏蔽下进行焊接的方法，其中该屏蔽气体由密度不同的惰性混合气体组成，混合气体中各气体的比例系控制得使混合气体的密度基本上与焊区中的大气的空气的密度相同。

作为本发明的第二方面，根据上述方法，本发明提供一种混合气体发生系统，用以产生密度基本上等于焊区中的大气的空气密度的、供焊接用的混合气体，该系统包括：

气体混合装置，用以混合来自气源的至少两种惰性气体，其中一种气体比空气轻，另一种气体比空气重;

密度比较装置，用以将混合气体的密度与系统周围大气中空气的密度相比较;和

比例改变装置，用以根据密度比较装置检测出的任何在密度上的不平衡，改变混合气体中各气体的比例，从而使混合气体的密度与所述大气中空气的密度相等。

按照本发明，还可以配备冷冻装置，用以在有待焊接的管子中形成冷凝气塞（condensed  gas  plug）。

气体混合装置最好包括：多个渗透性圆片，径向地配置在一个管内，在各圆片之间形成一系列小室;入口，供气体进入第一所述小室;和出口，供所述混合气体离开最后一个所述小室。从而，使各气体逐渐从一个小室扩散到另一个小室，进而混合起来。

密度比较装置最好包括：第一管子，有一个入口，供接纳来自混合装置的混合气体;第二管子，至少有一个入口，供接纳所述大气中的空气;混合气体密度测定装置，用以测定第一管子中混合气体的密度;大气空气密度测定装置，用以测定第二管子中大气空气的密度;信号发生装置，用以提供有关混合气体和大气空气两者在密度上出现的任何不平衡的信号。

为方便起见，比例改变装置应该改变混合气体中较轻气体的比例，由此保持混合气体的密度基本上与所述大气空气的密度相同。

应该理解的是，这里使用的“惰性气体”一词是指对焊区的各条件而言不起化学反应的气体。

现在参看附图仅以举例的形式进一步说明本发明的内容。附图中：

图1  示出了为焊接提供吹洗用的惰性气体的一个系统的示意图;

图2  示出了对于图1系统的一部分在经过放大后的部分中间剖视图;

图3  示出了对于图1系统的另一部分在经过放大后的部分中间剖视图;

图4  示出了对于图1系统的又另一部分在经过放大后的部分中间剖视图;

图5  示出了待焊接管子用的冷冻塞系统（cryogenic  plug  system）;

图6  至图8示出了图5的系统中经过放大的部件的平面图。

现在参看图1，可以看到系统10是用以提供焊接操作中用作吹洗气体的氦/氩混合气体。系统10中，氩气和氦气分别从气源16和18提供到混合器12。管道20将气源16与电磁阀22连接起来，电磁阀22经过管道24连接到固定阀26，管道28将固定阀26与混合器12连接起来。管道30将气源18与电磁阀32连接起来，电磁阀32经过管道34连接到伺服阀36上，管道38则将伺服阀与混合器12连接起来。

管道40将混合器12连接到管径较小的管道42，并连接到通往焊区（图中未示出）的一个出口54上。管道42接混合气体测量管44，管道46则将来自混合气体测量管44的信号传送到计算机56上，计算机56的输出线路48则接伺服阀36。空气测量管50也经线路52计算机56提供一个输出。

从图2中可以看到，混合器12有一个筒形容器70，由筒形隔片72和径向配置的渗透性塑料圆片74将其分隔成多个小室71（图中只示出4个）。氩气和氦气分别经管道28和38在加压的情况下引入混合器12中，从而迫使它们通过圆片74的细微孔眼。混合气体经管道40离混合器12。

再参看图3。混合气体测量管44有一个气缸45，气缸45的两端封闭着，气缸中点处有一个入口42，来自混合器12的混合气体样品即从这个入口供应。两个出口92、94接到出口管道96，气体样品即通过管道96排送到大气中。图4中所示的空气测量管50有一个气缸51，气缸51的两端封闭着，气缸的长度方向上有三个彼此等距间隔的孔53，供作大气空气入口之用。其中一个孔53偏离其它两个孔53  180°而配置。

超声波发射器84、88分别安置在各管44、50的一端，而且，超声波接收器86、90分别安置在该二管的另一端，信号即从该另一端分别由线路46和52传送到计算机56上。

系统10工作时，氩气从气缸16逐次流经管道20、电磁阀22、管道24、固定阀26，最后经管道28提供到混合器12中。氦气则从气缸18逐次流经管道30、电磁阀32、管道34、伺服阀36，再经管道38提供到混合器12中。各气体在混合器12中如上面参照图2所述的那样混合起来。混合气体从混合器12中出来，经出口54提供到焊区，并经管道42提供到气体测量管44，管道42狭窄的孔径对流向气体测量管44的混合气流起限制作用。

超声波信号同时各由超声波发射器84、88分别经管44、50传送，分别由超声波接收器86、90加以接收。来自接收器86、90的数据分别经线路46、52馈送到计算机56。计算机56对数据进行处理，计算声音在混合气体中和大气空气中的速度。所测出的音速满足下列方程：

$C=\sqrt{\frac{\mathrm{yp}}{\mathrm{\ρ}}}$

其中，C是声音在所研究的气体中的速度;γ是所研究的气体在恒压与恒体积下的比热的比值;P是环境气体压力;ρ则是所研究气体的密度。

鉴于声音通过气体的速度随该气体的密度而变化，因而利用这一点即可将混合气体的密度与大气空气的密度加以比较。通过测定超声波接收器86、90接收超声波信号时在时间上的差别，计算机56就可以计算出为使混合气体的密度等于大气空气的密度而需要对混合气体中氦气对氩气的比值进行的调节量。计算机56经输出线路送出控制信号，使伺服阀36打开或关闭，从而调节混合气体中氦气的比例。

若管44、50为等长度，则产生这样的问题，即超声波信号的传输时间会随大气压的状况而变化。这是因为，上式中的γ在介质为空气和介质为混合气体时不一样。、但如果令管44和50具有不同的长度，使它们长度的比值等于

对 的比值，则无论大气如何变化，总可以使超声波信号的传输时间差等于零。超声波信号传输时间的任何差别，其主要仅在于大气空气与混合气体在密度上的差别。

混合气体从混合器12经出口54离开系统10，然后传送到焊区（图中未示出）。在焊区，混合气体可以注入到例如有间隙的对接接头中，从而使焊区中的空气被迫偏离注气点。当焊区中注入了足量的混合气体时便可以进行焊接。由于混合气体的密度基本上与环境大气空气的密度相同，因而混合气体会仍然留在焊区中，从而使焊缝受到的大气空气污染减少到最小程度。

本发明的一个好处是，这种焊接工艺使我们可以借助于有间隙的对接接头对焊区进行吹洗，而一般的气流吹洗或真空吹洗是不可能这样做的。

另一个好处是，本发明无需将焊区加以封闭，举例说，焊区可以在端部敞开的管子中。

但在某些应用场合，可能需要阻止混合气体偏离焊区，例如，当只能通过焊区才能接近焊接对象（如，要在管路中进行焊接的有间隙的对接接头）时就是如此。在这种应用场合，可以在有间隙的对接接头的上游采用冷冻塞，如下面参照图5至8所要谈到那样。

图5中示出了冷冻塞系统100，该系统有一个冷冻环102围绕着待焊接的管104。环102限定着两个可围绕管104分别轴向移动的小室103、105。相应的管道108、110将液氮源106分别与小室103、105连接起来。管道114将二氧化碳源112与控制系统116相连接，并由管道113将控制系统116与注入板117（injection  wafer）相连接，该注入板117靠近管104与其下游处的毗邻管120之间的待焊接的一个有间隙的对接接头118。注入板117与控制系统116之间连接有压力检测管道122。在环102与有间隙对接接头118之间靠近环102之处，围绕着管104配置有电加热带109。环102与控制装置116之间还连接有温度检测引线12b。

如图6至8行中所示，注入板117是通过将具有圆形端131的“马蹄”形不锈钢内隔片130放入具有与圆形端131相吻合的圆形端134、135的不锈钢外隔片132之中而形成的。内隔片130的平端138、140正好对准在外隔片132的中间位置142（用虚线表示）上方，从而使内隔片130的内部空间144与通过外隔片132的上半部的孔146连通（如图所示）。一个小孔径（1.5毫米）的不锈钢管150被截除去了其中间的一段，使其中间部分152的内膛暴露出来。管150沿中间位置142配置，使其两端突出外隔片132外，然后在外隔片132的中间位置142处折叠外隔片132，再绕其外边缘焊接起来。将如此制成的注入板117插入有间隙对接接头118中，使孔146面对着环102，管150的一端接管道113，管150的另一端接压力检测管道122。

在工作时，令加热带109起作用，以防管104的毗邻部分冷却到环境温度以下。然后从管道113将二氧化碳气体通入管104中，以便将环102附近的任何潮气排除掉。通过管道108、110将液氮注入环102中，使管104中的二氧化碳冷凝下来，逐步形成二氧化碳塞将管104的孔堵住。二氧化碳冷凝并形成塞子时，在管104内位于环102处的气压下降到大气压以下，这个情况由控制装置116检测出来。这时将注入板117卸下来，并将来自图1至4所示的系统10的混合气体注入有间隙的对接接头118中。大约10分钟之后，将补充的氮通过管道108注入小室103中，使小室103中管104的温度下降到-190℃左右。这个温度确保在注入板177卸下之后可能在小室103中管104的内表面冷凝下来的任何水分都冻结，同时也起冷阱（cold-trap）的作用，防止受暖的混合气体（因焊接而受热）使固态二氧化碳塞子升华，从而可能使二氧化碳到达有间隙的对接接头118。这时，就可以将有间隙的对接接头118焊接起来。

Claims (17)

1、一种焊区在惰性气体屏蔽下进行焊接的方法，其特征在于，该屏蔽气体由密度不同的惰性混合气体组成，混合气体中各气体的比例控制得使混合气体的密度基本上与焊区中大气空气的密度相同。

2、一种混合气体发生系统，用以产生其密度基本上等于焊区中大气空气的密度的、供焊接用的混合气体，其特征在于：

气体混合装置（12），用以混合来自气源（16，18）的至少两种惰性气体，其中一种气体比空气轻，另一种气体比空气重;

密度比较装置（44，50，56），用以将混合气体的密度与系统周围大气空气的密度相比较;和

比例改变装置（36），用以根据密度比较装置（44，50，56）检测出的任何密度上的不平衡改变混合气体中各气体的比例，从而使混合气体的密度与所述大气空气的密度相等。

3、如权利要求2所述的系统，其特征在于，混合装置（12）包括：多个渗透性圆片（74），基本上径向配置在空心缸体（10）中，限定着各圆片（74）之间的一系列小室（71）;气体入口（28，38），供两种气体进入第一所述小室（71）中;和气体出口（40），供混合气体离开最后一个所述小室（71），从而使各气体逐渐从一个小室（71）扩散到另一小室（71），进而混合起来。

4、如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，比例改变装置（36）被设置成使其改变混合气体中较轻气体的比例，从而保持混合气体的密度基本上与所述大气空气的密度相同。

5、如以上任一权利要求所述的系统，其特征在于，比较装置（44，50，56）包括：第一管子（44），具有一个入口（42），供接纳来自混合装置（12）的混合气体;第二管子（50），至少有一个入口（53），使接纳所述大气中的空气;混合气体密度测定装置（84，86），用以测定第一管子（44）中混合气体的密度;大气空气密度测定装置（88，90），用以测定第二管子（50）中所述大气空气的密度;和计算装置（56），用以提供有关混合气体和大气空气两者在密度上出现的任何不平衡的信号。

6、如权利要求5所述的系统，其特征在于，密度测定装置包括：超声波发射器（84，88），配置在第一管子（44）和第二管子（50）的一端;和接收器（86，90），配置在第一管子（44）和第二管子（50）的另一端，用以给计算装置（56）提供输入信号。

7、如权利要求6所述的系统，其特征在于，计算装置（56）根据所述输入信号提供有关混合气体和大气空气两者在密度上任何不平衡的控制信号。

8、如权利要求5至7中任一项所述的系统，其特征在于，第一管子（44）和第二管子（50）系设计成不等的长度，使得它们长度的比值等于空气在恒压下与在体积不变时的比热的比值的开方根对混合气体在恒压下与在体积不变时的比热的比值的开方根的比值。

9、如权利要求2至8中任一项所述的系统，其特征在于，比例改变装置包括阀装置（36，32），通过将阀装置（36，32）打开或关闭，以调节混合气体中较轻气体的比例。

10、如权利要求2至9中任一项所述的系统，其特征在于，惰性气体包括氦和氩气。

11、如权利要求2至10中任一项所述的系统，其特征在于，它包括冷冻装置（100），用以在具有待焊接的接头（118）的管（104）状装置里面形成冷凝的气塞。

12、如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述冷冻装置（100）包括两个毗邻的可轴向位移且绕着管（104）共轴线配置的环形小室（103，105），所述各小室（103，105）中供有冷冻流体。

13、如权利要求12所述的系统，其特征在于，冷冻流体包括液氮，气体包括二氧化碳。

14、如权利要求11至13中任一项所述的系统，其特征在于，它包括装置（117），用以将气体引入管（104）中，所述装置包括检测装置（122），用以检测接头（118）与塞区之间的压力。

15、如权利要求11至14中任一项所述的系统，其特征在于，它包括装置（109），用以将管（104）靠近接头（118）的部分至少加热到环境温度。

16、如权利要求1所述的方法，其特征在于，焊区包括待焊接的管（104）状装置的接头（118），在焊接之前，往管（104）中通入可冷凝的气体，气体由冷冻装置（100）进行冷凝，在管（104）中形成塞子。

17、一种堵塞沟槽的方法，其特征在于，往沟槽（104）中通入可冷凝的气体，再通过冷冻装置（100）使气体冷凝下来，将沟槽（104）堵塞。

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