CN109803788B - 用于钎焊接头的设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

所公开的设备、系统和方法涉及用于在两段管或管道之间形成焊接接头的设计原理。第一段管的端部处的材料被向内折叠以产生支撑表面。该支撑表面改进了利用传统弧焊来焊接轻规格材料的能力，并且其通过使用位于第一段管的支撑表面与第二段管的侧壁区段之间的相交处的一件成形的填充材料来产生允许钎焊与传统弧焊一样坚固的状况。在将第一段管和第二段管用填充材料保持在一起的同时，在相交处以一定温度施加热量并持续足以熔化填充材料并形成3t接头的持续时间。

Description

用于钎焊接头的设备、系统和方法

相关申请的相交引用

本申请要求2016年6月2日提交并且题为“Method of Forming a Joint”的美国临时申请No.62/344,686的优先权，其按照35U.S.C.§119(e)通过引用以其整体并入本文。

技术领域

所公开的技术总体涉及形成接头的方法，并且更特别地，涉及一种在轻规格管或管道中产生垂直接头的新颖的、非显而易见的方法，并且具体地涉及允许用户接合管、管道或其它材料的装置、方法和设计原理。

背景技术

本公开涉及用于接合金属的设备、系统和方法。要理解的是，当将轻规格管或管道一起焊接在垂直T形接头中时，装配工典型地产生被称为“罩形(cope)”或“鞍形”的接头。这些接头在管或管道的端部上被切割使得相交接头配合另一件管或管道的轮廓，并且使得有可能具有干净的焊接接头。

然而，特别是在焊接轻规格管或管道时的挑战之一是烧穿材料的问题，换句话说由于传统装配的性质而被称为“吹孔”。传统的罩形或鞍形切口在管的被接合到垂直件的端部上留下尖锐边缘。当在焊接方法中触发电弧时，在管的尖锐边缘处比在垂直部分的壁处加热加速。该加速可以迅速地造成该尖锐边缘熔化、形成孔，并且需要技艺精湛的焊工来防止吹孔。

因此，本领域中存在对改进的焊接装置、系统和方法的需求。

发明内容

本文中讨论的是涉及通过以这样的方式来形成鞍形或罩形而降低“吹孔”失效的各种装置、系统和方法：通过去除加热加速的尖锐边缘并且进一步产生用于接合工艺的支撑材料以及产生与相邻部分形状配合来降低焊工所需的技艺水平。在各种实施方式中，可以使用各种形状和尺寸的管或管道，例如圆化、方形、矩形、椭圆形以及本领域中公知的其它形状。

在某些方面，通过形成端部状况，接合系统产生较厚表面，该较厚表面用作用于较轻规格材料上的传统弧焊的支撑以防止“吹孔”。

在某些方面，通过形成端部状况，接合系统和所得到的接头能够满足或超出当接合轻规格材料时钎焊应用所需的3T规则的要求。

一个示例包括一种接头，该接头包括：第一管，其包括包含支撑区段凸缘的端部状况；大致上平面的填充材料；以及第二细长管，其中所述填充材料被设置在支撑区段凸缘与第二细长管之间。

该示例可以包括以下特征中的一个或多个。其中接头满足3T规则的接头。其中端部状况为鞍形或罩形端部状况的接头。其中支撑区段凸缘抵靠第二细长管的平坦部分设置的接头。其中支撑区段凸缘为圆化的接头。其中支撑区段凸缘为方形的接头。其中大致上平面的填充材料选自包括硅青铜、铝硅、铜、黄铜和青铜的组的接头。其中大致上平面的填充材料为平面片材的接头。其中大致上平面的填充材料为大致上盘形的接头。其中所形成的接头满足3T规则的接合系统。其中填充材料选自包括硅青铜、铝硅、铜、黄铜和青铜的组的接合系统。其中填充材料为平面片材的接合系统。其中填充材料为大致上盘形的接合系统。其中在第一段管的端部中形成鞍形或罩形端部状况并且第二段管在相交处具有圆形横截面的方法。其中在第一段管中形成平面边缘凸缘区段端部状况并且第二段管在相交处具有壁区段的方法。其中接头被构造和布置成具有第一或第二细长管的最薄部分的至少三倍表面接触的方法。其中接头满足3T规则的方法。其中填充材料选自包括硅青铜、铝硅、铜、黄铜和青铜的组的方法。

另一个示例包括一种接合系统，其包括：第一细长管，其包括包含支撑区段的端部状况；填充材料；以及第二细长管，在该接合系统中支撑区段被构造和布置成通过将填充材料邻近支撑区段和第二细长管设置并加热填充材料而被焊接到第二细长管来产生接头。

该示例的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。其中所形成的接头满足3T规则的接合系统。其中填充材料选自包括硅青铜、铝硅、铜、黄铜和青铜的组的接合系统。其中填充材料为平面片材的接合系统。其中填充材料为大致上盘形的接合系统。其中在第一段管的端部中形成鞍形或罩形端部状况并且第二段管在相交处具有圆形横截面的方法。其中在第一段管中形成平面边缘凸缘区段端部状况并且第二段管在相交处具有壁区段的方法。其中接头被构造和布置成具有第一或第二细长管的最薄部分的至少三倍表面接触的方法。其中接头满足3T规则的方法。其中填充材料选自包括硅青铜、铝硅、铜、黄铜和青铜的组的方法。

另一个示例包括一种用于形成焊接接头的方法，该方法包括以下步骤：在第一管的端部处向内折叠材料以产生支撑区段；将填充材料定位在第一管的支撑表面与第二管的侧壁区段之间的相交处；以及将第一段管和第二段管用填充材料保持在一起，同时在相交处以一定温度施加热量并持续足以熔化填充材料并形成接头的持续时间。

该示例的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。其中在第一段管的端部中形成鞍形或罩形端部状况并且第二段管在相交处具有圆形横截面的方法。其中在第一段管中形成平面边缘凸缘区段端部状况并且第二段管在相交处具有壁区段的方法。其中接头被构造和布置成具有第一或第二细长管的最薄部分的至少三倍表面接触的方法。其中接头满足3T规则的方法。其中填充材料选自包括硅青铜、铝硅、铜、黄铜和青铜的组的方法。

虽然公开了多个实施例，但是本公开的其它实施例对于本领域技术人员来说将从以下详细描述变得显而易见，该详细描述示出并描述了所公开的设备、系统和方法的说明性实施例。如将认识到的，所公开的设备、系统和方法能够在各种明显的方面进行修改，所有这些修改都不脱离本公开的精神和范围。因此，附图和详细描述本质上要被认为是说明性而非限制性的。

附图说明

图1是根据一种实施方式的一件管或管道的侧视图，其中在管的一端中已经形成了接合系统的罩形端部状况。

图2是图1的实施例的透视图。

图3是图1的实施例的罩形端部状况的端视图。

图4是图1的管件被焊接到一件垂直管或管道材料的侧视图。

图5是对应于图4的透视图。

图6是在形成如图4和5所示的接合系统的焊接罩形接头中使用的一件填充材料的透视图。

图7是根据一种实施方式的接合系统的一个替代实施例的一件管或管道的侧视图，其中在管或管道的端部中形成了直端部状况。

图8是图7的管或管道的透视图。

图9是图7的管或管道的端视图。

图10是根据一种实施方式的在形成接合系统的焊接接头中使用的一件填充材料的透视图。

图11是在图7的该件管或管道与一件垂直的平坦管或管道材料件之间形成的T形接头的侧视图。

图12是根据一种实施方式的对应于图11的透视图。

图13是根据一种实施方式的对应于图12并且示出焊接接头的局部透明细节视图。

图14是根据一种实施方式的在图7-9的直端部状况管或管道与一件垂直管或管道之间形成的焊接接头的放大剖视图。

图15是根据一种实施方式的具有设置在本体中的开口的管或管道的透视图。

图16是根据一种实施方式的具有设置在本体中的开口的管或管道的另一个透视图。

图17是用于在管的本体中制造开口的工具的示意图。

具体实施方式

本文中公开或构思的各种实施例涉及用于形成接头的装置、系统和方法，该接头在本文中统称为“接合系统”。在接合系统的各种实施方式中，表述“开口”或“状况”在一件管或管道中形成，其极大地增加待接合到第二段管或管道的表面积的状态、开口或“状况”。该状况的增加的表面积简化了焊接方法并且产生了坚固得多的接头。

转到更详细的附图，图1-3描绘了具有管道10(例如管或焊接领域中已知的其它已知的细长金属部分)的系统1的实施方式。在这些实施方式中，管道10具有圆化横截面以及第一端部10A和第二端部10B。如以下所讨论的，许多替代实施方式是可能的。将要理解的是，所公开的接合系统的实施方式特别适合于接合轻规格管或管道10，并且这些实施方式甚至使得相对不熟练的焊工能够快速地产生坚固、可靠的接头而不会失误。

在图1-3的实施方式中，在管10的一个端部10A区段中已形成了鞍形或罩形端部状况12。要理解的是，在各种实施方式中，该状况12可以在端部10A、10B的任一处或两处形成。在各种实施方式中，状况12可由本领域技术人员通过向内“折叠”管的部分(总体上在14处示出)以形成凸缘或支撑区段14来形成。要理解的是，该支撑区段14提供用于将管10耦合到另一个金属部分(例如圆化管)的更大的表面积以形成接头，如图4-5所示。在一个非限制性示例中，如果管10是18规格、1.66英寸外径的管，则联接处的表面积增加5倍，从0.228平方英寸增加到1.156平方英寸。要理解的是，无数额外的尺寸选项和实施方式是可能的。

因此，要理解的是，在这些实施方式中，支撑区段14材料(例如在管或管道10的端部10A处，或在管的长度内，如下所述)被向内折叠，产生具有较大表面积的凸缘区段14。支撑区段14的材料的向内折叠而不是将其移除也消除了尖锐的边缘，这降低了在焊接方法中吹孔的风险。相反，在这些实施方式中，在折叠的位置处产生圆化表面。此外，根据这些实施方式，支撑区段14的向内折叠材料产生用于接合方法的支撑。

另外，根据图1-3及以下的实施方式，支撑区段14的折叠材料在接头的位置处(例如在图4中在20处示出)呈现额外的质量，这为在焊缝处产生的熔池提供支撑，如会由本领域技术人员所理解的。

因此，如在图4-5的实施方式中所示，在使用中有可能与第二段管或管道16(图4和5)形成垂直接头。在这些实施方式中，如在图6中最佳所示，大致上平面的填充材料18被切割并成形为盘形或其它形状的“片材”18以大体上对应于罩形端部状况12。

在使用中，然后在接头处以足以熔化用于钎焊以形成钎焊接头20的填充材料18的温度和持续时间施加热量。在一种实施方式中，填充材料18是硅青铜。要理解的是，许多其它材料可用于填充材料18，一些非限制性示例包括铝硅、铜、黄铜、青铜及类似材料。本领域技术人员会理解进一步的示例。

在此，“钎焊”是通过使填充金属熔化并流入接头20而将两个或更多金属用相容的填充金属接合在一起的方法。在这些应用中，填充材料18具有比被接合的金属低的熔点，并且因此用于结合到被接合的管道10、16。要理解的是，该钎焊方法不同于传统弧焊，因为该钎焊方法不会熔化工件来形成接头20。要进一步理解的是，在这些实施方式中，端部状况12和支撑区段(例如在图1-3中在14处示出)在焊接过程期间提供热沉。这些实施方式的热沉“拉动”或以其它方式将热量传导到材料的尖锐边缘(在图3中在14A处示出)，该尖锐边缘现在已经超出预期的“焊接区域”，如会被理解的。

由于填充材料18的金属具有比被熔融的基础金属(在此，如会由第一管10和第二管16所示)低的熔点，所以填充材料18典型地具有比(管10、16的)基础材料小的强度，因此产生了比传统弧焊弱的接头。要理解的是，为了克服该弱点，美国焊接协会创建了一项称为AWS 3T规则的规则。3T规则认为钎焊焊接接头必须具有被接合的最薄材料三倍的表面接触。这样做时，填充金属18的强度将可能超过被接合的最薄基础金属的强度并且在基础金属10、16中将发生失效。作为3T规则的结果，许多应用由于无法具有三倍表面接触而不适合于钎焊。

然而，如在图4-5的实施方式中所示，这些实施方式的填充材料18被插在罩形管10与第二件管16之间的接合处。

在图7-9的实施方式中，接合系统1的管10具有“直”端部12的特征。在这些实施方式中，管10的端部12已经被平坦化，例如通过型锻。将要理解，许多其它的平坦化或成形方法是可能的，使得端部12被布置和/或构造为“平坦的”。

在图7-9的实施方式中，端部材料(总体上在14处示出)被向内折叠以形成向内延伸的凸缘区段14。不是具有管10的鞍形或罩形形式，而是该凸缘区段14呈现平面边缘，该平面边缘适合于在接头处与具有平坦侧表面的管或管道接合。

再次，一段填充材料16(图10)被用于在管10与第二件管18之间形成垂直的钎焊接头(图11-14)。填充材料16在接头的位置处被定位在凸缘区段14与第二管件18之间。当管件10和18被保持在一起时，以一定温度施加热量并持续足以形成钎焊接头的持续时间。凸缘区段14极大地增加了两个管区段之间的表面接触，由此提供了接合系统的益处。

在图15-16的系统1的实施方式中，可以在管10的本体中制造开口15，使得与该本体一起产生管腔17。在这些实施方式中，开口15可以被构造和布置成使得支撑区段14围绕管腔并且在开口15的外周边处形成，如会由本领域技术人员理解的。在这些实施方式中，管10可以使用钎焊技术经由填充材料18被接合到第二管(未示出)，以便满足3T规则，如上所述。

接合系统的另一个优点是其特别适合于机器人焊接。机器人焊工在传统处理方法中缺乏识别产生的过热的能力，也不可以以技术人员可以的方式响应和重新定位。接合系统的折叠处理极大地减少了对过热识别和做出反应的需要，由此提高了机器人焊接的适用性和可靠性。

要理解的是，各种实施方式通过以这样的方式处理管或管道10消除了不符合3T规则的挑战，以便允许支撑区段14处的可以不仅适应3T规则的参数的表面。典型的管道鞍形、罩形或通孔在发生接合的位置处提供材料的尖锐边缘或横截面，并且将不允许符合3T规则，因为材料的边缘或端部给出了等于材料的厚度的横截面。

在本文中讨论的各种实施方式中，管或管道10的端部处的材料被向内折叠以产生支撑区段14，并且因此形成大于材料10的厚度三倍的表面。另外，将要理解，这些实施例为毛细管作用创建了条件，其进一步将钎焊材料抽入联接或接头20。为了进一步增强焊接接头20，支撑区段14的折叠边缘产生热沉，该热沉导致钎焊过程中施加的热量流到材料的尖锐内边缘。该热沉确保钎焊材料的适当熔化并且通过将流动的材料抽到最热的点而增强毛细管作用。该作用产生了符合并超出AWS 3T规则的高度可重复的钎焊方法。还要理解的是，被接合的两个件之间的热平衡被更好地均衡并且烧穿的风险被极大地降低。

所述接合系统的优点是其降低了形成焊接接头的成本、其降低了产生焊接接头所需的技能、其增加了焊接接头的强度并且其增加了形成焊接接头而没有失误的可靠性。

尽管已经参考各优选实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离所公开的设备、系统和方法的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (14)

1.一种接头，其包括：

a)第一管，其包括管腔以及包含延伸到所述管腔中的支撑区段凸缘的端部状况；

b)平面的填充材料；以及

c)第二细长管，

其中所述填充材料被设置在所述支撑区段凸缘与所述第二细长管之间，并且

所述接头满足3T规则，其中所述3T规则认为钎焊焊接接头必须具有被接合的最薄材料三倍的表面接触。

2.根据权利要求1所述的接头，其中所述端部状况是鞍形或罩形端部状况。

3.根据权利要求1所述的接头，其中所述支撑区段凸缘抵靠所述第二细长管的平坦部分设置。

4.根据权利要求1所述的接头，其中所述支撑区段凸缘是圆化的。

5.根据权利要求1所述的接头，其中所述支撑区段凸缘是方形的。

6.根据权利要求1所述的接头，其中所述平面的填充材料选自由硅青铜、铝硅、铜、黄铜和青铜构成的组。

7.根据权利要求1所述的接头，其中所述平面的填充材料为平面片材。

8.根据权利要求1所述的接头，其中所述平面的填充材料为盘形的。

9.一种接合系统，其包括：

a)第一细长管，其包括管腔以及包含延伸到所述管腔中的支撑区段的端部状况；

b)填充材料；以及

c)第二细长管，

其中所述支撑区段被构造和布置成通过将填充材料邻近所述支撑区段和所述第二细长管设置并加热所述填充材料而被焊接到所述第二细长管来产生接头，并且

所述接头满足3T规则，其中所述3T规则认为钎焊焊接接头必须具有被接合的最薄材料三倍的表面接触。

10.根据权利要求9所述的接合系统，其中所述填充材料选自由硅青铜、铝硅、铜、黄铜和青铜构成的组。

11.根据权利要求9所述的接合系统，其中所述填充材料为平面片材。

12.根据权利要求11所述的接合系统，其中所述填充材料为盘形的。

13.一种用于形成焊接接头的方法，其包括以下步骤：

a)将包括管腔的第一管的端部处的材料向内折叠以产生延伸到所述管腔中的支撑区段；

b)将填充材料定位在第一管的支撑表面与第二管的侧壁区段之间的相交处；以及

c)将所述第一管和所述第二管用填充材料保持在一起，同时在相交处以一定温度施加热量并持续足以熔化填充材料并形成接头的持续时间，

其中所述接头满足3T规则，其中所述3T规则认为钎焊焊接接头必须具有被接合的最薄材料三倍的表面接触。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述第一管的端部中形成鞍形或罩形端部状况并且所述第二管在所述相交处具有圆形横截面。

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