CN116761683A - 用于制造锭模的方法和锭模用的焊接机 - Google Patents

Abstract

一种用于制造锭模(2)的方法，该方法包括以下步骤：a)提供铜片(21)，该铜片围绕主延伸方向(X)卷绕以包围内腔(I)，并且使得金属片(21)的左翼片(SX)和右翼片(DX)一个在另一个之前紧密地布置在一起，该金属片(21)布置在工作平面(P)上；b)提供工具保持器头(3)，该工具保持器头至少沿与主延伸方向(X)平行的方向是可平移的，该工具保持器头(3)支承用于摩擦搅拌焊接的工具(4)；c)在金属片(21)的右翼片(DX)和左翼片(SX)处旋转工具(4)，并且通过摩擦搅拌焊接在右翼片(DX)与左翼片(SX)之间进行焊接，直到获得锭模(2)。

Description

用于制造锭模的方法和锭模用的焊接机

本发明总体上属于制造锭模(ingot mold)的领域，这些锭模适于在比如通过连续铸造的工业坯料生产过程中容纳熔融金属。

更特别地，本发明涉及一种用于制造锭模的方法和一种锭模用的焊接机。

在钢铁工业中，众所周知的是，通过以下方式用铜来制造锭模：轧制铜板以便产生圆柱形腔，随后在该板的彼此紧邻放置的两个相对翼片/折片(flap)之间进行焊接，以完全闭合轧制过程中留下的唯一的纵向裂隙。

焊接两个翼片的该过程是在仔细加热整个铜件之后，通过已知熔焊两个翼片来执行的。

不利的是，这种已知的焊接过程涉及许多问题。首先，需要加热整个铜件，这需要很高的能源消耗和加热时间；此外，前述手动执行的焊接高度依赖执行焊接的特定操作员的技能，因此在单个锭模内部和多个锭模之间都会出现不均匀。此外，正是由于它的制造方式，焊缝经常具有内部缺陷，这些内部缺陷随着时间的推移可能会导致焊接区域的失效。

此外，用已知技术执行的焊接并不总是成功地满足生产高质量锭模所需的公差要求。

本发明的目的是消除现有技术的用于制造铜锭模的方法的上述缺点。特别地，本发明的一个目的是提供一种用于制造锭模的方法，该方法能够减少制造锭模所需的时间并且需要较少的资源。

根据本发明，这些目的是通过根据所附独立权利要求的用于制造锭模的方法和锭焊接机来实现的。本发明的优选实施例在从属权利要求中进行定义。

用于制造锭模的方法和锭模用的焊接机的特征和优点将从根据附图以非限制性示例的方式给出的以下描述中变得显而易见，在附图中：

-图1示出了根据本发明的实施例的焊接机的立体图；

-图2示出了根据本发明的实施例的焊接机在焊接方法的步骤中的主视图；

-图3示出了根据本发明的实施例的用于制造锭模的方法的步骤的细节；

-图4示出了根据本发明的实施例的用于制造锭模的方法在图3中的步骤之后的步骤的细节；

-图5示出了根据本发明的实施例的用于制造锭模的方法在图4中的步骤之后的步骤的细节；

-图6示出了根据本发明的实施例的焊接机的立体图；

-图7示出了图6的焊接机的细节，但其中模具具有不同的截面几何形状；

-图8示出了根据本发明的另一实施例的焊接机的立体图；

-图9示出了根据本发明的实施例的焊接机用的支承结构；

-图10示出了根据本发明的实施例的焊接机用的工具保持器头；

-图11示出了根据本发明的实施例的焊接机用的工具保持器头用的工具。

根据附图，已经用附图标记1整体地表示了锭模2用的焊接机1，该焊接机用于制造根据下文描述的用于制造锭模的方法来制造锭模2。

用于制造铸造用的锭模2的方法包括以下步骤：

a)提供铜片21，该铜片围绕主延伸方向卷绕以包围(encompass)内腔I，并使得金属片21的左翼片SX和右翼片DX一个在另一个之前(one in front of the other)紧密地布置在一起；在这个步骤中，该金属片21布置在工作平面P(例如，数控机床的工作平面)上；

b)提供工具保持器头3，该工具保持器头至少沿与主延伸方向X平行的方向是可平移的，该工具保持器头支承用于摩擦搅拌焊接(friction stir welding)的工具4；

c)在金属片21的右翼片DX和左翼片SX处旋转工具4，并通过摩擦搅拌焊接在右翼片DX与左翼片SX之间进行焊接，直到获得锭模2。

优选地，在步骤c)之前，该方法包括将支承结构5定位在内腔I内的步骤。该支承结构5包括背衬表面51，当执行步骤c)时，该背衬表面抵消由工具施加在金属片上的机械压力。

优选地，该方法提供了在步骤c)期间通过冷却液来冷却工具保持器头3的步骤。

根据特别有利的变型，在步骤c)期间，该方法包括：在旋转的工具4周围，将惰性气体(例如氩气)分配在形成在右翼片DX与左翼片SX之间的焊接接头上，从而避免焊缝中夹杂其他成分。

根据该方法的优选实施例，步骤c)包括以下步骤，这些步骤优选地以指示的顺序执行：

c1)在金属片的右翼片DX和左翼片SX处旋转工具4(图3中的步骤A)；

c2)将工具4初始穿透进在金属片21的材料中，直到达到预定深度D(图4)；

c3)通过布置在工具保持器头3中的力传感器检测工具4与金属片21之间产生的力值；c4)通过位于工具保持器头3上的温度传感器来检测温度值，该步骤可以与步骤c3同

时进行；

c5)当力传感器检测到的力值超过预定的力阈值时，并且当温度传感器测量的温度值超过预定的温度值时，启动工具保持器头3沿主延伸方向X的前进。

优选地，预定的力阈值是至少等于9000N的任意值，并且预定的温度值至少等于600℃且低于700℃，并且工具4的旋转次数至少等于300转/分钟(rpm)。

根据本发明的一方面，很明显，上述方法也旨在焊接彼此并排放置的两个不同金属片的右翼片DX和左翼片SX。也就是说，在步骤a)中，也可以彼此相邻地布置第一片材和第二片材，使得第一片材的右翼片DX与第二片材的左翼片SX并排放置，而不是提供一个卷绕的金属片，使得两个左右翼片属于同一个片材。

根据该方法的变型，其中要焊接一个或多个铜片的右翼片DX和左翼片SX，该铜片具有至少15mm的板厚，优选为19mm至22mm的板厚，该方法提供了将工具4附近的金属片的平均温度保持在约700℃，在主延伸方向X上的前进速率约为每分钟28mm，以及工具4的速度约为350rpm。这导致了无缺陷的焊缝。

可以理解，本发明的主题是锭模2用的焊接机1。

锭模用的焊接机1包括支承摩擦搅拌焊接工具4的工具保持器头3、以及工具保持器头移动装置10，该工具保持器头移动装置诸如为三轴数控机床，该工具保持器头移动装置支承工具保持器头3且包括至少一个平移组件11(诸如一个或多个手推车(cart))，该至少一个平移组件适于使工具保持器头3沿着与锭模2的主延伸方向X平行的方向和与主延伸方向X有关(incident)或垂直的竖直方向Z进行受控平移。

优选地，工具4由D2M W-Ni-Mo-Fe合金(即，钨、镍、钼和铁合金)或钨-铼合金75-25或氮化硅合金制成。

优选地，焊接机1包括适于在焊接期间支承锭模2的工作平面P、以及可释放地固定到工作平面P的锁定框架6。锁定框架6包括在竖直方向Z上与工作平面P隔开的上部框架部分61。该上部框架部分61适于沿竖直方向P在待焊接的锭框架2的裂隙22附近对锭模2施加压力。

根据实施例，锁定框架6包括沿主延伸方向X隔开并且具有凹面621的多个板62，凹面的形状被设定成在与主延伸方向X垂直的至少一个方向上将锭模2容纳并保持就位。

根据变型实施例，锁定框架包括至少两个竖直立柱64、65，该至少两个竖直立柱各自在锭模2的相对侧上固定到工作平面P。在这些竖直立柱64、65中的每一个竖直立柱上，平条(listel)641、651固定在竖直立柱的上部区域64'、65'中，该平条主要在主延伸方向X上延伸并且适于在竖直方向Z上施加压力。

优选地，焊接机1包括下部紧固装置642、652，该下部紧固装置固定在立柱的相对于上部区域64'、65'最接近工作平面P的下部区域64”、65”中。间隔元件7、7'固定到该下部紧固装置642、652，间隔元件例如为螺钉，间隔元件适于侧向地约束锭模，以防止锭模沿与主延伸方向X和竖直方向Z都垂直的横向方向Y移动。

根据有利的实施例，焊接机1包括适于定位在锭模的内腔I内的支承结构5。该支承结构5包括背衬表面51，当执行焊接时，该背衬表面抵消由工具4施加在金属片上的机械压力。

优选地，工具保持器头3包括内部液体冷却回路31和至少一个内部焊接气体输送回路32。该内部焊接气体输送回路32包括气体出口嘴，该气体出口嘴定位在工具周围并且适于输送气体(优选为惰性气体)，从而确保焊接过程中的惰性气氛以避免在焊缝或焊接(weld)中夹杂其他物质。

根据本发明的一个方面，工具4一体成型，并且包括可锚定到工具保持器头3的基座部分41、以及柄部分42，当使用时，该柄部分主要沿着轴向方向K从基座部分在基端42'与头端42”之间延伸，该轴向方向与工具的旋转轴线400平行或重合。柄部分42具有朝向头端42”的锥形形状。优选地，柄部分具有在头端42”附近具有较小基部的基本上截头圆锥形的形状。

另外，柄部分42包括侧表面420，该侧表面围绕并沿轴向方向K延伸、设置有突起421和凹部422。优选地，该突起和凹部是在该侧表面420上获得的螺纹的脊和谷。特别地，该突起421和凹部422的形状被设定成在焊接操作期间将熔融金属混合并朝向正焊接的金属片的表面(即，沿着轴向方向K并朝向工具4的基座部分41)输送熔融金属。

此外，根据有利的实施例，侧表面42包括呈锥形的一个或多个切割部或断裂部。优选地，该切割部或断裂部是围绕轴向方向K布置的平坦的侧面423、423'，并且每一个侧面位于与轴向方向正割的平面中，即，该侧面倾斜以朝向头端42”会聚。

优选地，在截头圆锥形的柄部分42的变型中，侧面423、423'是曲线圆锥形侧表面42的平面铣削部。优选地，该变型包括围绕轴向方向K布置的并且成角度间隔120°的三个侧面423、423'、423”。

在焊接操作期间，即，当工具4在金属片中旋转时，柄部分42受到围绕轴向方向K的扭矩，从而引起柄部分42的轻微扭转。这导致侧面423、423'在焊接动作期间变形为弯曲的或扭曲的或蛇形的形状。该弯曲的、蛇形的或扭曲的形状确定了用于使经受焊接的片材的熔融金属循环的优先通道，有助于待焊接的片材的右翼片DX与左翼片SX两者之间的金属混合，例如，将熔融材料从右翼片输送到左翼片，或反之亦然。这确保了接头正确无误地焊接。

此外，弯曲的或蛇形的或扭曲的形状有助于将熔融金属输送到片材21的最外表面。

根据本发明的一实施例，基座部分41包括在垂直于轴向方向K的平面上围绕柄部分42、优选地完全围绕柄部分42延伸的基表面410。该基表面410适于在焊接步骤期间与金属片21的最外表面接触。优选地，在该基表面410上形成一个或多个凹槽411或起伏部(relief)，该凹槽411或起伏部的形状被设定成用于确定流态金属材料朝向工具的旋转轴线400的位移。

根据优选实施例，如图11中所示，一个或多个凹槽411或起伏部的形状被设定为平面螺旋。

根据本发明的优选实施例，上述方法的焊接步骤，即例如在步骤c)或c5)期间，会发生的情况是，工具4的旋转轴线400倾斜、不垂直于金属片21的左翼片SX和右翼片DX的切平面P'。换句话说，例如，工具4的旋转轴线400不垂直于工作平面P，而是相对于与工作平面P垂直倾斜至少1°、优选至少2°(例如，如图3、图4和图5所示)。这种情况例如是因为焊接机1的工作平面P是可随意倾斜的，即，焊接机包括用于倾斜工作平面P的设备。可替代地或同时，这种情况发生是因为工具保持器头移动装置10被配置成支承工具保持器头3，使得工具4沿主延伸方向X前进，但旋转轴线400相对于与切平面P'垂直而倾斜。

创新地，根据本发明的用于制造锭模的方法和锭模用的焊接机使得能够成功地克服现有技术在制造锭模中遇到的问题。

特别地，根据本发明的用于制造锭模的方法能够减少制造锭模所需的时间，需要更少的资源，并且相对于使用现有技术的技术制造的焊缝而言焊接质量得以改进。

有利的是，根据本发明的制造方法不需要为锭模的焊接来预热锭模，从而节省了相当多的时间和能源。

此外，可释放的锁定框架的存在使得不同直径和不同长度的锭模能够以稳定的方式固定到工作平面，从而确保焊接机使用的灵活性和充分的锁定，以避免可能影响焊接质量的位移。

此外，在有利的方式中，适于定位在锭模的内腔内的支承结构的存在允许抵消在焊接执行期间由工具4施加在片材上的机械压力，并确保焊接质量得以改善，这是因为片材在焊接期间较少地受到局部弯曲。

根据另一个方面，工具4配备有锥形的柄部分42，该柄部分设置有用于在焊接期间有效地输送流态金属的突起421和凹部422，从焊接质量的角度和从整个操作效率的角度这两方面来看，允许优化焊接操作。

显然，本领域的技术人员为了满足偶然的和特定的需要，可以对上述发明进行修改，该修改都包含在随附权利要求中定义的保护范围内。

Claims (14)

1.一种用于制造锭模(2)的方法，所述锭模例如为用于铸造的锭模，所述方法包括以下步骤：

a)提供铜片(21)，所述铜片围绕主延伸方向(X)卷绕以包围内腔(I)，并且使得所述金属片(21)的左翼片(SX)和右翼片(DX)一个在另一个之前紧密地布置在一起，所述金属片(21)布置在工作平面(P)上；

b)提供工具保持器头(3)，所述工具保持器头至少沿与所述主延伸方向(X)平行的方向是可平移的，所述工具保持器头(3)支承用于摩擦搅拌焊接的工具(4)；

c)在所述金属片(21)的所述右翼片(DX)和所述左翼片(SX)处旋转所述工具(4)，并且通过摩擦搅拌焊接在所述右翼片(DX)与所述左翼片(SX)之间进行焊接，直到获得锭模(2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤c)之前，所述方法包括将支承结构(5)定位在所述内腔(I)内的步骤，所述支承结构(5)包括背衬表面(51)，当执行步骤c)时，所述背衬表面抵消由所述工具施加在所述金属片上的机械压力。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括在步骤c)期间，通过冷却液来冷却所述工具保持器头(3)的步骤。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤c)期间，所述方法包括：在旋转的所述工具(4)周围，将惰性气体分配在所述右翼片(DX)与所述左翼片(SX)之间形成的焊接接头上，所述惰性气体例如为氩气。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤c)包括以下步骤：

c1)在所述金属片的所述右翼片(DX)和所述左翼片(SX)处旋转所述工具(A)；

c2)将所述工具(4)初始穿透进所述金属片(21)的材料中，直到达到预定深度(D)；

c3)通过设置在所述工具保持器头(3)中的力传感器检测所述工具(4)与所述金属片(21)之间产生的力值；

c4)通过定位在所述工具保持器头(3)上的温度传感器检测温度值；

c5)当所述力传感器检测到的力值超过预定力阈值时，并且当所述温度传感器测量的温度值超过预定温度值时，启动所述工具保持器头沿所述主延伸方向(X)的前进。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述预定力阈值是至少等于9000N的任意值，并且其中，所述预定温度值至少等于600℃且低于700℃，并且其中，所述工具(4)的旋转次数至少等于300rpm。

7.一种锭模(2)用的焊接机(1)，所述焊接机用于根据前述权利要求中任一项所述的方法制造锭模(2)，所述锭模焊接机(1)包括：

-工具保持器头(3)，所述工具保持器头支承用于摩擦搅拌焊接的工具(4)；

-工具保持器头移动装置(10)，所述工具保持器头移动装置例如为具有三个轴线的数控机床，所述工具保持器头移动装置支承所述工具保持器头(3)，并且所述工具保持器头移动装置包括至少一个平移组件(11)，所述至少一个平移组件例如为一个或多个手推车，所述至少一个平移组件适于以受控方式在与所述锭模(2)的主延伸方向(X)平行的方向和与所述主延伸方向(X)有关或垂直的竖直方向(Z)上平移所述工具保持器头(3)。

8.根据权利要求7所述的锭模(2)用的焊接机(1)，所述焊接机包括工作平面(P)和锁定框架(6)，所述工作平面适于在焊接期间支承所述锭模(2)，所述锁定框架可释放地固定到所述工作平面(P)并且包括上部框架部分(61)，所述上部框架部分在所述竖直方向(Z)上与所述工作平面(P)隔开，并且所述上部框架部分适于在所述竖直方向(Z)上靠近待焊接的所述锭模(2)中的裂隙(22)对所述锭模(2)施加压力。

9.根据权利要求8所述的锭模(2)用的焊接机(1)，其中，所述锁定框架(6)包括多个板(62)，所述多个板沿所述主延伸方向(X)相互隔开并且具有成形的凹面(621)，所述凹面用于至少在与所述主延伸方向(X)垂直的方向上将所述锭模(2)容纳并保持就位。

10.根据权利要求8所述的锭模(2)用的焊接机(1)，其中，所述锁定框架包括至少两个竖直立柱(64，65)、以及平条(641，651)，所述至少两个竖直立柱各自在所述锭模(2)的相对侧固定到所述工作平面(P)，所述平条在所述竖直立柱的上部区域(64'，65')中固定在所述竖直立柱(64，65)中的每一个上，所述平条主要在所述主延伸方向(X)上延伸并且适于在所述竖直方向(Z)上施加压力。

11.根据权利要求10所述的锭模(2)用的焊接机(1)，所述焊接机包括下部紧固装置(642，652)和间隔元件(7，7')，所述下部紧固装置固定在所述立柱的相对于所述上部区域(64'，65')最接近所述工作平面(P)的下部区域(64”，65”)中，所述间隔元件固定到所述下部紧固装置(642，652)，所述间隔元件例如为螺钉，所述间隔元件适于侧向地约束所述锭模，以防止所述锭模沿与所述主延伸方向(X)和所述竖直方向(Z)都垂直的横向方向(Y)移动。

12.根据前述权利要求中任一项所述的锭模(2)用的焊接机(1)，所述焊接机包括支承结构(5)，所述支承结构适于定位在所述锭模的内腔(I)内，所述支承结构(5)包括背衬表面(51)，当执行焊接时，所述背衬表面(51)抵消由所述工具(4)施加在所述金属片上的机械压力。

13.根据前述权利要求中任一项所述的锭模(2)用的焊接机(1)，其中，所述工具保持器头(3)包括内部液体冷却回路和至少一个内部焊接气体输送回路，所述内部焊接气体输送回路包括气体出口嘴，所述气体出口嘴定位在所述工具周围并且适于分配气体，所述气体优选为惰性气体，从而确保焊接过程中的惰性气氛以防止焊缝中夹杂其他物质。

14.根据前述权利要求中任一项所述的锭模(2)用的焊接机(1)，其中，所述工具(4)由D2M W-Ni-Mo-Fe合金制成。