CN110248757A - 低变形焊接方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低变形焊接方法和设备。本发明涉及一种低变形焊接设备，包括：一移动支撑滑架(2)，沿着相对于待组装的两个金属部件的一供给路径移动以及支撑一焊炬(3)，用于在两个金属部件之间形成一焊道；一冷却器(8)，其相对于供给路径布置在焊炬(3)后方，用于通过与焊道的外表面接触来冷却所述焊道，所述冷却器(8)由矿物纤维的垫构成；以及一分配头(15)，其被设置成将液体冷却剂分配到所述冷却器(8)上，以便用所述液体冷却剂浸泡所述矿物纤维的垫。
Description
技术领域
本发明涉及低变形焊接方法和设备领域，其中焊接设备尤其用于通过使用流体密封焊道来组装金属板。
背景技术
FR-A-2701415公开了一种用于角焊接流体容纳槽的膜的两个金属板的电弧焊机。然而，人们发现，当试图减小所用金属板的厚度时，金属板的热变形影响增加，从而更难以获得质量非常高的组件，其中这种高质量尤其体现在机械完整性和/或流体密封性方面。
发明内容
本发明的一个构思是提出能够减少焊接过程中板材热变形影响的方法和设备。本发明的一个构思是提出适合于在流体容纳罐的各个壁(不论壁的方向如何)上使用的方法和设备。
为此，本发明提供一种低变形焊接方法，包括：
-形成用于组装两个金属部件的焊道，其中通过沿着焊道的路径移动一焊炬来形成所述焊道，
-使冷却器经过紧跟在焊炬后面的焊道的外表面以冷却焊道，冷却器由浸泡在液体冷却剂中的矿物纤维垫构成。
由于使用由矿物纤维制成的这种冷却器，可以在毛细效应期间保持液体冷却剂，并因此将液体冷却剂局部地涂抹到期望的位置，特别涂抹到焊道和/或紧邻焊道的区域。因此，与将液体冷却剂直接喷射到待冷却的部件上相比，显著降低了液体冷却剂出现积聚和/或流动不受控制的风险，从而减小了腐蚀的风险。
另外，由于控制了液体冷却剂的位置，因此可以更容易且更精确地控制涂抹到所需位置的液体冷却剂的量。
根据一个实施例，在冷却器经过焊道的同时向其供应液体冷却剂。如此便可在进行焊接操作期间连续进行相对统一的操作。
本发明还提供一种低变形焊接设备，包括一移动支撑滑架，沿着前进路径相对于待组装的两个金属部件移动该移动支撑滑架，所述移动支撑滑架承载：
-一焊炬，用于在两个金属部件之间产生焊道，
-一冷却器，相对于前进路径布置在焊炬之后，以便通过与焊道的外表面接触来冷却焊道，冷却器由矿物纤维垫构成，以及
-一分配头，其被设计成将液体冷却剂分配到冷却器，以便用液体冷却剂浸泡矿物纤维垫。
根据一些有利实施例，这些焊接方法和设备可具有一个或多个几下特征。
选择矿物纤维是因为它们具有耐久性和耐高温的能力，该高温优选至少1000℃之一。根据一个实施例，矿物纤维由陶瓷制成。陶瓷，特别是耐火陶瓷，是耐热材料，这些耐热材料也非常适合于形成纤维。
优选地，矿物纤维由陶瓷制成，陶瓷主要含有二氧化硅，同时结合有其它氧化物，特别是氧化铝。这种陶瓷在化学惰性、缺少毒性、热稳定性和机械强度方面具有优势。
液体冷却剂可选自各种流体，特别是水和液氮。液体冷却剂的选择标准尤其为其在标准压力下的沸点，其比热容和其蒸发潜热。水是一种优选的选择，因为它具有非常高的潜热，没有毒性，并且易于获取。
冷却器和待组装的部件之间的相互作用可以以各种方式进行设计，以便在液体冷却剂和待冷却的焊道之间实现有效且受控的接触。在一个实施例中，冷却器在焊道的外表面上滑动。
在另一个实施例中，冷却器被构造成在焊道的外表面上滚动。为此，冷却器可以采用在焊道的外表面上滚动的圆柱体的形式，或者冷却器可以采用围绕圆柱形支撑件布置的“轮胎”的形式以在焊道的外表面上滚动。
可以设想各种用于焊炬的已知技术。优选地，焊炬是电弧焊炬，例如钨极惰性气体(TIG)类型的电弧焊炬。
可以使支撑滑架以各种不同的方式移动。根据一个实施例，焊接设备还包括一底座，底座相对于待组装的两个金属部件固定地布置，支撑滑架可移动地安装在底座上并由底座沿前进路径进行引导。因此可以精确引导支架。
根据一个有利的实施例，焊接设备还包括一筛网，筛网由该移动托架承载并且布置在冷却器和焊炬之间，以防止液体冷却剂溅到焊炬上。借助于这些特征，可靠地避免了焊炬熄灭或其操作中断的风险，尤其是在电弧焊接的情况下，避免出现上述风险。
有利地，在冷却器经过焊道的同时向其供给液体冷却剂。
根据相应的实施例，焊接设备还包括连接到分配头的一冷却剂供给泵，以向分配头供应液体冷却剂流。
可以以各种方式调节液体冷却剂的流量。根据一个实施例，将该流量设置为一固定值。因此，可以特别简单地实现该焊接方法。
根据一个实施例，焊接设备还包括一控制单元，控制单元与供给泵协作并且被配置为根据一个或多个参数调节液体冷却剂的流量，所述一个或多个参数例如：支撑滑架的前进速率，焊炬所用的电流等。借助于这些特征，可自动控制液体冷却剂的流量，同时冷却剂的流量适于适合焊接操作的实际条件，特别考虑到需要有效移除的热量。
根据一个实施例，焊接设备还包括一弹性悬挂构件，用于在待组装的金属部件的方向上向冷却器施加压力。
该焊接方法可用于许多应用中，特别可在用到相对薄的金属板的情况中使用该焊接方法。一个特定的应用涉及在流体容纳罐中制造密封膜。
在一个实施例中，两个金属部件是要进行角焊或对焊的金属板，焊道的路径顺着一个所述金属板的边缘。这种角焊特别适合于产生流体密封焊道，用于在流体容纳罐中制造密封膜。
在一个实施例中，金属板是波纹状的或方格的。方格板的板特别适用于温度范围大的应用，在这些应用中，金属板的方格或波纹可以用作热膨胀接头。根据一个实施例，金属板包括一第一系列间隔开的突出波纹，其在平面的第一方向上延伸；以及可能包括一第二系列间隔开的突出波纹，其在平面的第二方向上延伸，其中第二方向与第一方向垂直；和一平坦区域，该平坦区域位于所述波纹之间。
这种方法可用于焊接各种金属。根据实施例的不同，金属板由合金制成，合金选自非合金钢和弱合金钢，不锈钢，具有低热膨胀系数的镍钢合金和具有低热膨胀系数的锰钢合金。金属板可以由制成，即铁和镍合金，其膨胀系数通常在1.2×10-6K-1和2×10-6K-1之间，金属板由9％的镍-铁合金制成，其膨胀系数通常约为9×10-6K-1或由具有高锰含量的铁合金制成，其膨胀系数通常约为7×10-6K-1。
附图说明
以下通过参考附图对本发明的几个特定实施例进行描述，本发明将被更好地理解，并且本发明的其它目的、细节、特征和优点将变得更加显而易见，其中所述特定实施例仅以非限制性说明的方式给出。
-图1是根据第一实施例的焊接设备的示意性侧视图。
-图2是根据第二实施例的焊接设备的透视图，该焊接设备用于两个金属板的角焊的应用中。
-图3是类似于图2的视图，示出了从另一角度观察得到的焊接设备。
-图4是根据第三实施例的焊接设备的示意性侧视图。
-图5是根据第四实施例的焊接设备的示意性侧视图。
-图6是可用于焊接设备的冷却器的示意性透视图和剖视图。
-图7是可用于焊接设备的另一冷却器的透视图。
-图8是图7的冷却器的分解图。
-图9是通过光学显微镜拍摄的未使用冷却器(大粒度)获得的焊道的横截面的照片。
-图10是通过光学显微镜拍摄的使用冷却器(极小粒度)获得的焊道的横截面的照片。
-图11是可以使用焊接设备组装的波纹金属板的示意性透视图。
-图12是可用于焊接设备的控制系统的功能示意图。
具体实施方式
现在将参考附图1至5描述焊接设备，该焊接设备包括一导轨1，导轨1位于待焊接的金属部件上方，并且在导轨1上安装有能够滑动的支撑滑架2以由导轨1进行引导。支撑滑架2承载向下的焊炬3，使得通过沿着导轨1移动支撑滑架2而产生的焊道的路径与导轨1的路径基本一致。因此，需要在产生这样一种焊件之前进行的操作是将金属部件放置成使得待组装的边缘位于导轨1的路径下方，或具有同等意义的操作是，将导轨1放置在焊道的位置处。导轨1尤其可以是固定导轨，该固定导轨例如附接到建筑物的顶部，或是一移动底座，该移动底座可拆卸地设置在待组装的部件上。例如FR-A-2701415中描述了该第二示例。
此外，可以在棱柱形的罐的不同方向的壁上产生焊道，所述不同方向的壁为：一水平底壁，一竖直或倾斜侧壁，一水平顶壁等。因此，在本说明书中，“顶部”和“底部”指的是远离待组装的组件的方向，以及朝向待组装的部件的相对方向，在这里不用考虑要相对于地球引力场的组装的部件的实际方向。
为了操作，焊炬3依据采用的焊接技术需要进给电、冷却水、惰性气体、可燃气体等，其中这些不同的进给在图1中用数字5和6进行了示意性标示。可以使用柔性管来实现来自独立于支撑滑架2的源的进给。
支撑滑架2的前进方向7由箭头表示。在焊炬3后面，支撑滑架2承载由矿物纤维制成的冷却器8，其中可通过各种方式来生产冷却器8，在该示例中，冷却器8被配置为类似轮子9的“轮胎”，其被设计成沿着前进的方向7在焊道上滚动。
冷却器8优选地由陶瓷制成的耐火纤维绒布制成。例如，可以使用Morgan CrucibleCompanyplc的商品名为CerablanketTM(128kg/m3)的绒布。这是一种陶瓷，该陶瓷主要含有式SiO2的二氧化硅，高比例的式Al2O3的氧化铝和极少量的其它氧化物，特别是铁、钛、钙、镁、钠和钾的氧化物。它能够承受的温度范围高达1260℃，极限拉伸强度等于90kPa。也可以使用其他矿物纤维。
轮子9包括一轮毂10，轮毂10例如由金属或塑料制成，且轮毂10在固定到支撑滑架2的支撑臂11的下端处绕垂直于前进方向7的水平轴枢转安装。
支撑臂11可以以各种方式连接到支撑滑架2。在图1中，支撑臂11的上端枢转地附接在焊炬3的主体的顶部，以便允许轮子9随着支撑滑架2的行进而不断相对于焊炬3上升和下降，主要是为了在待焊接的部件(例如，金属板中的波纹)中显著的进行释放。在图4中，支撑臂11由两个部件制成，出于相同的原因，这两个部件以枢转方式铰接，并且支撑臂11的上部独立于焊炬3直接连接到支撑滑架2。
在图2和3中，支撑臂11通过轴14枢转连接到纵向凸缘12，纵向凸缘12固定到附接到支撑滑架2的筛网13。同样在图1和图4中示意性地示出了的筛网13是一固定板，该固定板布置在焊炬3和轮子9之间的支撑滑架下方并且垂直于前进方向7延伸。
在使用中，轮子9沿着刚刚由焊炬3形成的焊道滚动，并向焊道涂抹液体冷却剂，例如水，以便立即冷却材料，特别是在组装好的部件为薄金属板的情况下，这具有减小部件热变形的效果。为此，冷却器8当然需要在整个焊接操作中保持充分浸透液体冷却剂。
可以通过独立于支撑滑架2的装置向冷却器8供给液体冷却剂。然而，更实际的做法设置一进给头15，例如，喷嘴，其附接到支撑滑架2并且定向成，连续地或间歇地将液体冷却剂喷射到冷却器8上。供给头15通过柔性软管16连接到供给源，例如水泵，所述供给源可以独立于支撑滑架2。
供给头15可以以各种方式布置。在图1中，供给头15位于轮子9的上方，以便润湿轮子9的上部。在图4中，供给头15位于轮子9的后方，以便润湿轮子9的后部。然而其它配置也是可能的，例如在轮子前方或侧面。供给头15未在图2和3中示出；如图1所示，供给头15可以在轮子9的上方。
在图5所示的实施例中，冷却施涂敷器8在前进方向7上在焊炬3后面的焊道上滑动。为此，由矿物纤维制成的冷却施涂敷器8在此构造为厚的平行六面体或圆柱形垫，其容纳在矩形截面或圆截面管形状的壳体35中。供给头15安装在壳体35中，朝向底部，以便将液体冷却剂输送到冷却施涂敷器8的上表面34上。液体冷却剂通过扩散通过多孔的冷却器8的厚度到达焊接的部件的表面36。壳体35限制液体冷却剂的飞溅和流动，使得其还可以通过用作筛网来防止流体冷却剂飞溅到焊炬3上。
焊炬3和壳体35可以彼此独立地安装在支撑滑架2上。在图5的示例中，焊炬3和壳体35通过弹性悬架37和38悬挂在支撑滑架2上，弹性悬架37和38向下朝底部施加压力，从而能够明显的与轮廓的形状相一致。还可以设想的是，根据目的需求，将焊炬3和壳体35固定或枢转安装在支撑滑架2上也是可以的。
图6示出了替代形式的实施例的壳体35的直径截面和透视图，其中壳体格栅元件39在悬挂弹簧40的作用下相冷却器8的上表面34施加压力，其中悬挂弹簧40安装为承载在格栅元件39和固定安装在壳体35内的支撑杆41之间。格栅元件39允许柔性的冷却器8制造成与待焊接的部件的形状一致而不会妨碍液体冷却剂的通过，特别是在遇到波纹的情况下，更是如此。
在一个实施例中，图12中示意性示出的控制单元26自动调节冷却剂供给源。控制单元26利用各种传感器27提供的输入信号，这些输入信号表示焊接站的各个不同操作参数，例如支撑滑架2的前进速率v，液体冷却剂的流动速率D，焊炬3所用的电流I等。通过使用控制程序，控制单元16产生用于操作循环泵28的控制信号。
这种控制程序可追求的目标包括例如：
-液体冷却剂完全或接近完全蒸发，以避免液体积聚，液体积聚可能会加速腐蚀现象的发生，同时在有电源存在的情况下，出现液体积聚也是有危险的。
-将焊道温度降低到某一阈值以下。
控制单元26还可用于共同控制焊接站的各种致动器，例如用于驱动支撑滑架2的驱动马达29，用于焊炬的电流源30等。
图7和8描绘了包括冷却器108的另一个实施例的轮子109。在此处，冷却器108由三个多孔盘构成，多孔盘又由矿物纤维制成，这三个多孔盘形成轮子109的轮毂和“轮胎”。这三个盘被夹在两个刚性端板20之间并且接合在两个短轴21上，这两个短轴21从两个端板20的中心朝向彼此突出。在该实施例中，可由毛细管作用吸收的液体容量更高。其余操作都相同。
冷却器不一定是轮子。在未示出的一个实施例中，冷却器是在焊道上滑动的矿物纤维垫。
从图2中可以最清楚地看出，在一个实施例中，焊接设备用于对两个平的金属板进行角焊，这意味着用重叠来焊接这两个金属板。更具体地，焊炬3沿着上板18的边缘17被引导，上板18与下板19重叠并且沿着边缘17产生焊道22。
图9和10示出了在没有使用冷却器(图9)和使用冷却器时(图10)，在0.7mm厚的两个板上的这种焊道的横截面视图。图9和10中的参考标度E测量为200μm。
通过光学显微镜拍摄的照片可以评估焊道22区域中材料的晶粒尺寸。在图9中，由较粗的晶粒尺寸体现的熔化区域延伸穿过组件的整个厚度，直到下板19的下表面。相比之下，在图10中，焊道22中的晶粒尺寸随深度迅速减小，下板19的下半部分23或多或少地保持其原始晶粒尺寸，这表明熔化区域被高度定位且不那么深。这都是通过冷却水进行热泵所产生的结果。
这种角焊可用于在密封罐膜中，尤其是两个波纹金属板之间的密封罐膜中形成流体密封组件。图11中示出了这种膜的一个示例。
示出了两个波纹板18和19。金属板18和19包括一第一系列的波纹31，第一系列的波纹31在图中的下表面上突出并以规则的间隔隔开，在平面的方向y上延伸，以及一第二系列的波纹32，第二系列的波纹32同样地在图中的下表面上突出并且以规则的间隔隔开，在垂直于y方向的x方向上延伸。平坦区域33布置在波纹31和32之间。
通过使焊炬3沿x方向移动支撑滑架2，可以沿边缘17以相同的方式产生角焊道。
数值例
通过在焊接之前和之后称重湿涂敷器来实验测量所需的冷却水的流速，具有以下操作参数：焊接能量等于89kJ/m，对应于电流I＝43A，电压U＝11.7V和前进速率v＝34cm/min。测量的水流速为8.6ml/m，即0.097ml/kJ，实现冷却水的完全蒸发，未观察到有任何积聚。
理论计算给出在相同条件下的耗水量为8.9ml/m。其中基于以下假设得出计算，即温度从20℃升高到100℃，然后水蒸发，导致金属从800℃冷却到500℃。这些结果之间的趋同表明，液体冷却剂通过热泵被有效地完全消耗，而不是分散到不需要的区域中。这对应于89kJ/m的焊接能量的最小流动速率约为8ml/m，即大约0.090ml/kJ。如果想要在冷却器通过后进一步降低获得的金属温度，则可将流速增加至约20ml/m而不会出现积水，即增加至约0.225ml/kJ。这些结果通过指示给出，并给出在两个0.7mm厚的金属板之间冷却角焊道所需的水量的一个数量级。
动词“包含”、“涉及”或“包括”及其共轭形式的使用不排除权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。
在权利要求中，括号内的任何附图标记不应被解释为对权利要求的限制。
Claims (16)
1.一种低变形焊接方法，包括：
-形成用于组装两个金属部件(18,19)的一焊道(22)，其中通过沿着所述焊道的路径移动一焊炬(3)来形成所述焊道，使一冷却器(8)经过紧跟在所述焊炬后面的焊道的一外表面以冷却所述焊道，所述冷却器由浸泡在液体冷却剂中的矿物纤维的垫构成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述矿物纤维由陶瓷制成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述矿物纤维由陶瓷制成，所述陶瓷主要含有二氧化硅，并结合有其它氧化物。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述冷却器(8)经过所述焊道的同时向冷却器(8)供应液体冷却剂。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述液体冷却剂选自水和液氮。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却器(8)在所述焊道的外表面上滑动。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述冷却器(8)被配置为在所述焊道的外表面上滚动。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述冷却器(8)采用围绕一圆柱形支撑件布置的“轮胎”的形式，以在所述焊道的外表面上滚动。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述焊炬(3)是一电弧焊炬。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个金属部件(18,19)是待进行角焊或对焊的金属板，所述焊道的路径顺着一个所述金属板的边缘行进。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述金属板(18,19)由合金制成，所述合金选自非合金钢和弱合金钢，不锈钢，具有低热膨胀系数的镍钢合金和具有低热膨胀系数的锰钢合金。
12.一种低变形焊接设备，包括：
一移动支撑滑架(2)，沿着相对于待组装的两个金属部件(18,19)的一前进路径移动，所述移动支撑滑架(2)承载：
-一焊炬(3)，用于在所述两个金属部件之间产生一焊道(22)，
-一冷却器(8)，相对于所述前进路径布置在所述焊炬之后，以便通过与所述焊道的外表面接触来冷却所述焊道，所述冷却器由矿物纤维的垫构成，以及
-一分配头(15)，其被设计成将液体冷却剂分配到所述冷却器(8)，以便用所述液体冷却剂浸泡所述矿物纤维的垫。
13.根据权利要求12所述的设备，还包括一底座(1)，所述底座(1)相对于所述待组装的两个金属部件固定地布置，所述支撑滑架(2)可移动地安装在所述底座(1)上并由所述底座(1)沿所述前进路径进行引导。
14.根据权利要求12或13所述的设备，还包括一筛网(13,35)，所述筛网(13,35)由所述移动托架承载并且布置在所述冷却器(8)和所述焊炬(3)之间，以防止液体冷却剂溅到所述焊炬上。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的设备，还包括：
一冷却剂供给泵(28)，连接到所述分配头(15)，以向所述分配头供应液体冷却剂流，和
一控制单元(26)，所述控制单元与所述供给泵协作并且被配置为根据一个或多个参数调节所述液体冷却剂的流量，所述一个或多个参数选自所述支撑滑架(2)的前进速率，所述焊炬(3)所用的电流。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的设备，还包括一弹性悬挂构件(38,40)，用于在所述待组装的金属部件(18,19,36)的方向上向所述冷却器(8)施加压力。
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