CN1396036A - 焊接装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接装置和方法，即一种放热焊接装置采用多层可压缩的一次性耐火衬垫和垫片，以形成一个用于待焊接部件的焊腔。需要焊接的部件与垫片分层排列在一底座和一坩埚压板之间，而坩埚压板由一个夹具来支承。这种分层排列的垫片设置有多个与需要焊接的部件相交的孔。这些孔形成了焊腔。坩埚压板设置有一个用于容纳放热材料的腔体，当放热材料被点燃时，能够形成通过一漏孔流入焊腔内的熔融金属。当焊缝形成时，打开夹具并扔掉垫片。本发明还涉及一种形成焊接连接的方法，该方法通过挤压分层排列的垫片和待焊接部件形成一次性焊腔，从而简化焊接装置并降低其成本，这样无需使用大量成本较高的特殊耐火模具部件就能够形成多种连接。

Description

焊接装置和方法

技术领域

本发明整体上涉及一种焊接装置和方法，具体而言，本发明涉及一种用于焊接不同种类和尺寸的物体例如以电缆、棒材、条材、条带、杆材、磁带等形式存在的电导体的放热焊接装置及用于在上述物体之间以低成本形成载流量高、低电阻的导电连接的焊接方法。

发明背景

放热焊接已被认为是一种能够形成载流量高、电阻低的优质导电连接的最佳方法。

通过放热焊接法形成的连接不受热条件的影响，而热条件能够使机械和压力连接松动或腐蚀。放热焊接法由于其耐久性和长寿命而得到认可。该方法将零件或导体熔接到一起，以形成一种载流能力与导体相同的分子键。这种连接可以广泛应用于接地装置上，而且能够使接地装置象一个具有较低电阻的连续导体一样工作。

可重复使用的耐火模具通常由石墨或类似材料制成，而且可以广泛应用放热焊接材料，以形成多种载流量高、电阻低的电连接。这样的常规模具可以是由美国俄亥俄州的Erico International of Solon公司出售的商标为CADWELD的模具。

这些可反复使用的模具为两个或多个组合式模具，这些组合式模具通常通过一铰接夹实现打开、关闭和固定。模具部件设置有多个支承在一个分离面上的表面，在分离面内设置有多个凹入部分，当模具部件被夹在一起时，这些凹入部分就会形成不同的空腔和通道。一般情况下，模具部分形成了一个焊接腔，该焊接腔通常包括一个气门，该气门可以是一个加大下端的出口通道，该通道从模具的顶部延伸到焊腔。

需要焊接的部件通过从模具外部延伸到焊腔的套管通道而进入焊腔。这种通道通常是水平延伸的。

一个坩埚沿垂直方向支承在装配在一起的模具部件上。该坩埚包括一个将放热材料容纳在易熔圆盘上的腔室。一个位于圆盘下方的注口或出孔与模具出渣孔的顶部联通。当数量上经过测量和调整的放热材料被点燃时，将形成能够熔化圆盘的熔融金属，从而使熔融金属能够向下流入焊腔内，以焊接暴露在焊腔内的所有部件。所有熔渣都形成于焊接金属的顶部，而且通常集聚在气门内。当焊缝冷却后，模具被打开并除去所有熔渣。接着，对模具和坩埚进行清洗，以备重复使用。

这种模具的结构非常复杂，而且不利于节约成本。更重要的是，各种连接分别需要不同的模具部件。这样基本上单独使用的模具就会造成大量的模具或模具库存，而且使这些模具的存放、运输和选择性使用成本很高，而且也很繁琐。尽管某些模具组件一般在较大的通道内通过在较小的导体周围使用垫片、套管或填料来容纳不同尺寸的导体，但垫片或套管会使模具产生磨损，从而缩短其使用寿命。上述的所有因素都将对形成高质量的连接所需的成本产生影响。由于成本问题，使用者和拥有者就可能选择价格较低、而且效率也较低的焊接连接及低质量的连接。

因此，就需要使用于形成放热连接的装置和方法的成本尽可能地低。从理论上讲，这一点可通过淘汰包围并容纳着需要连接到一起的部件的已成形或已加工成形的耐火模具来实现。

发明内容

用于形成焊接连接的焊接装置包括一个底座，一个层状或夹层状的耐火衬垫和垫片及需要连接在一起的部件抵靠在该底座上。每个垫片都设置有一个与待连接的部件相交的孔。一个压板压在层状结构上，以挤压部件周围的垫片，从而使压板与垫片上的孔连接起来形成焊腔。压板最好为放热焊接坩埚的一部分，在放热焊接坩埚内，充入的一定量的放热材料被点燃，以形成能够通过一漏孔流入焊腔内从而形成焊接连接的焊接金属。可根据正在形成的连接类型的不同而采用两层或多层垫片。在焊接连接形成后，底座和压板坩埚相互分离，并扔掉垫片。

支承底座和压板坩埚并用于执行打开和压紧关闭操作的是一个夹具，而且底座和压板固定在该夹具上。底座是一个矩形的部件，在其相对的侧面上设置有不同的结构，而且底座可根据正在形成的焊接连接的类型的不同而翻转使用。夹具支承着底座，以使部件沿对角线方向穿过底座单元和垫片，而垫片也具有相同的矩形结构。

本发明还涉及一种形成焊接连接的方法，该方法包括下述步骤：将垫片和需要焊接的部件分层压靠在底座上，而且每个垫片层都设置有一个与需要焊接的部件相交的孔；将分层排列的垫片和部件挤压到底座上，以密封部件并形成一个密封的焊腔。接着，将熔融的金属导入焊腔内并形成连接。当松开时，垫片被扔掉。

这样，无需饱受上述库存和磨损问题的特殊耐火焊腔模具组件就能够形成多种焊接连接。这样，在户外或在商店内就能够非常容易而且低成本地完成相同质量的焊接连接。

为实现上述目的，本发明包括在下文中加以说明并在权利要求书中特别指出的特征，对本发明的某些图示实施例所作的如下说明和附图均为说明性的，而且仅对本发明的原理可以采用的多种方式中的几种作出了说明。

附图说明

图1为未被装配在一起的夹具及坩埚压板和底座的部件立体分解图；

图2是一个类似的视图，但上述部件已被装配到夹具上；

图3为底座的一个视图，该底座设置有一个适合于连接圆形部件例如图示的电缆或棒材的外露表面；

图4是一个与图3类似的视图，图中示出了翻转的底座和适合于连接图示的扁平带材的外露表面；

图5是一个与图2类似的视图，图中示出了耐火垫片和夹在敞口的坩埚压板和底座之间的部件；

图6是一个与图5类似的视图，图中示出了处于闭合状态下的夹具和受到挤压的垫片和部件；

图7是一个穿过坩埚压板的垂直剖视图，图中示出了一种处于闭合状态下的不同类型的盖子和一个安装到位的金属圆盘；

图8为局部透视图，图中示出了装填有放热材料的坩埚；

图9为一个类似的视图，图中示出了点燃放热材料时的情况；

图10是一个在形成焊接连接后打开夹具时的视图；

图11和12为部件和垫片的顶视图，图中示出了需要连接在一起的部件与垫片上的孔相交的情况，其中垫片上的孔形成了焊腔；

图13至21为可用本发明实现的一些不同类型的连接的局部透视图，而且每个图都包括一个图示焊接连接所需垫片层数的视图。

对最佳实施例的详细说明

参照图1和2，图中整体上示出了以附图标记30表示的夹具，该夹具包括一个直立的棘齿条和一个棘轮机构的壳体32，该壳体32包括一个突出的手柄33。在壳体内回转的是一个夹紧棘轮操纵杆34。操作人员通过挤压手柄33和操纵杆34使壳体32与棘齿条31啮合向下移动。

棘齿条31的底部设置有一个支承底板36。棘齿条31在该底板的上方设置有两个向前突出的臂37，臂37支承着向前突出的底托架部件38。底部托架部件38由四个向上延伸的侧板39、40、41、42构成，每个侧板都设置有一个向上延伸或狭窄的爪43，爪的外尖端44可以向外略微张开。两个侧板39和41在底部通过横向底板或条带46连接在一起。这样，底部托架部件就形成了一个向上张开的承座，其用于承接耐火的底座单元49，该底座单元与托架部件具有相同的形状。在图1中，耐火底座单元位于底部托架部件的外部，而在图2中，底座单元49则被固定到底部托架部件上。为将该底座单元固定到位，侧壁板39设置有指拧螺丝52。该指拧螺丝突出到位于底座单元49之侧壁上的孔54内，而且当其被紧固时，能够将底座单元固定到位，如图2所示。

底座支承板36与向前突出的底部托架部件38一起形成有一个用于夹具部件的稳定的支承平台，以使其在几乎所有相对平滑的表面上保持直立状态，而且无需操作人员通过手工操作来稳定夹具。

固定在棘轮壳体32下部的是一个上托架部件58，该上托架部件58的前部固定着一个L形的托架板59。从托架的前部伸出的是两个相互平行的销60。一个指拧螺丝61设置在托架向前突出的短支腿62上。叉形物或销60突出到坩埚压板66的孔64内，而指拧螺丝61装配在位于坩埚压板66侧面上的孔67内。这样，坩埚压板可被固定到上托架部件58上，而且当其被固定时，还与由底座托架部件支承的底座单元49对准。坩埚压板受到支承，以使底部压板表面68突出到托架59的下方并在夹具装配状态下与底座单元49对齐。

上托架部件还包括一个可回转的棘轮释放扳机70，棘轮机构可通过该扳机而得以松开，而且整个上部部件可以升高到远离底座单元的位置上。而且如图1和2所示，坩埚压板66设置有一个顶盖72，该顶盖通过铰接部件73固定到坩埚上。

现参照图3和4，从图中可以看到：底座单元49设置有相对的表面75和76，分别如图3和4所示。在图3中，表面75为顶面，而表面76为底面。在图4中，底座单元已被简单地翻转过来，这样就使底面76变成顶面。这两个表面分别设置有一个图形，但这两个图形略有差别。矩形或方形的单元表面75设置有一个几乎为半圆形的对角线沟槽78，该沟槽与一个几乎为半球形的中心凹入部分79相交。如图4所示，外表面76简单地设置有一个几乎为半球形的中心凹入部分80。如图3所示，形成于表面75上的花纹被设计成能够有利于焊接圆形部件例如电缆81的结构形式，同时位于表面76内的单个中心凹入部分80被设计成能够有利于焊接扁平条带82的结构形式。尽管在图示的实施例中，底座单元仅设置有两个相对的表面，但是应该知道：底座单元可以被制造成一个立方体的结构形式，而且立方体的六个表面可分别设置有易于焊接不同部件的花纹结构。

参照图5和6，图中示出了在电缆导体84和85之间形成的焊接连接。当夹具张开时，电缆导体被多层耐火垫片86、87和88分层夹在底座单元49上。这种分层设置是通过紧挨底座单元放置耐火垫片86，然后放置电缆导体85，接着放置垫片87，然后放置电缆导体84，接着放置顶部垫片88的方式来实现的。垫片部分可与底座具有相同的矩形或方形形状，而且可以容易地叠放在一起，同时将需要焊接的部件夹在垫片之间。如图所示，导体最好沿着与垫片孔89相交的底座单元和垫片的对角线方向设置。底部托架部件38的直立导向爪允许导体以这种方式定位。应该知道：导体可以比图示的长很多，因为在焊接前不需要将导体切断。用于焊接导体的装置和方法可以容易地在商店或户外进行。

每个衬垫或垫片部分都可由一种环保的高温玻璃或其它密度约为128kg/m³的耐火纤维毛毡(felt)制成。一般情况下，垫片毛毡或垫片层具有一个高的回弹力(厚度)(loft)，而且对于一组焊缝而言，可以是一种约为60×60毫米的方形结构，而且在其中心处还设置有一个24毫米的孔。这种结构与底座单元及坩埚的压板底面68的形状相似。但是，也可采用其它形状，例如圆盘形或椭圆形。对于很多连接而言，仅需要两个垫片。对于图示的某些连接而言，可以采用三个或更多的垫片部分。

对于垫片和需要分层焊接的部件如图5所示，操作人员可以简单地握住操纵杆34并挤压。反复挤压将促使棘轮夹具在所需的压力作用下向下移动，如图6所示，以将部件夹紧并压在一起。图6所示的三层垫片已在很大程度上受到了挤压，从而在底座单元49和坩埚66的底部压板表面68之间形成了一个处理焊腔。当夹具闭合，而且层状垫片和部件受到挤压时，夹具就使部件固定到位，从而形成焊缝。坩埚的盖子72处于打开位置上。

现参照图7、8和9，从图中可以看到：坩埚66可由一种固体块状的耐火材料制成，例如石墨等等。其包括一个在顶部92开口的放热材料腔91。略成锥形的倒置腔体91包括一个锥形底座93，该底座与一个漏孔94联通，该漏孔延伸到气门腔95内，而气门腔95又延伸到底面或压板表面68。在将放热材料装入腔体91内之前，漏孔被一个金属圆盘96所封闭。图7、8和9所示的盖子97可由一个坚固的块体加工成形，而且与图5和6所示的盖子72略有不同。但是，盖子可通过相同或类似的铰链73以相同的铰接方式固定到坩埚的顶部上。

如果坩埚由石墨制成，那么应该对石墨成分进行预热，以除去湿气。由于圆盘位于坩埚部分的底部，因此焊接金属98被放置在腔体91内。焊接金属可以预定的量容纳在容器99内，放热材料位于容器的顶部，而原料化合物(starting compound)位于底部。这样，当将材料倒入坩埚腔体内时，原料化合物就会位于顶部。

如图9所示，可用一个火花枪101来点燃放热材料。由火花枪产生的火花102从侧面对准盖子上的开口103。根据常规的CADWELD方法，原料化合物点燃放热材料，而且反应向下继续进行，以产生熔融的金属，同时熔渣上升到顶部。熔融的金属熔化了圆盘96，而且熔融金属通过漏孔94、气门腔95向下流入由耐火垫片上的孔形成的焊接腔内。顶部的所有熔渣都将向上喷射到气门腔内，而且当形成焊缝后，将熔渣从焊缝上除去。

在焊缝成形并充分冷却后，释放扳机70动作，而且夹具打开，如图10所示。成形焊缝的顶部在图中被表示为105，除去突出来的熔渣或容纳在气门腔内的过量金属。当夹具打开时，移开焊接连接部分，拆下并扔掉形成焊腔的耐火垫片。可对坩埚的压板进行清洗，以备重复使用，而且打开夹具，接着该装置就可以准备形成另一个焊接连接。

现参照图11和12，从图中可以看到：耐火垫片88和中心孔89按照下述方式设置：使每个垫片上的孔都与需要连接的部件相交。在图11中，采用了两个圆形或电缆段例如84和85，这两根电缆都沿矩形垫片部分的对角线延伸。这样就围绕需要连接的部件提供了更多的垫片长度，从而形成焊接金属的密封。

在图12中，一个电缆或导体107被焊接到一个位于底部的扁平条带108上。但是，孔89在接合位置上再次与两个部件相交。对于这种连接，如图12所示，可以采用图4所示的底座单元的表面76。

当夹具打开时，该装置已经简化的程序就在于将第一衬垫和垫片放置在耐火底座上，接着放置恰好穿过中心延伸的导体。第二衬垫和垫片以类似方式放置在第一导体的顶部。最后，如果需要，可将最后一个或第三衬垫和垫片放置在顶部。当衬垫和垫片上的孔正确对准时，夹具可以闭合，以用足够的压力挤压分层排列的垫片和部件，目的是容纳焊接金属。接着，将材料装入坩埚内，并点燃焊接金属，从而在导体或部件之间形成一个完全穿透的低电阻焊缝。应该知道：除了用放热方法形成焊缝外，还可以用一个铸勺将熔融金属直接或通过坩埚浇铸到焊腔内的方式来形成焊缝。当完成焊接时，夹具打开并扔掉受过挤压的垫片。

现参照图13至21，图中仅示出了可用本发明的装置和夹具形成的各种连接形式中的几种。对于每种焊接连接，图中示出了用于形成一次性焊腔的耐火垫片的数量。

首先参照图13，图中示出了一个四通电缆连接110。这种连接可用套管或不用套管来形成。如图所示，形成电缆和电缆之间的连接仅需要两个耐火垫片。

图14所示的连接112形成于一个电缆113和一个棒材114之间，大体为字母“T”形。这种连接也可以用套管或不用套管来形成。如图所示，仅需要两个垫片。

在图15中，大约互成直角延伸的电缆117和118之间形成了连接116。而且，也仅需要两个垫片。

在图16中，在交叉的电缆121和122之间形成了连接120。该连接可用套管或不用套管形成。在该连接中，需要三个垫片，如图所示。

图17示出了电缆125和加强杆126之间的连接124。在图示的情况下，仅需要两个垫片。

在图18中，示出了电缆129和加强杆130之间的连接。在图示的连接中，需要三个垫片。

在图19中，示出了一电缆133和一条带134之间的连接132。如图所示，需要两个垫片。

在图20中，示出了一个位于底部的较大条带136和一个位于顶部的较小条带之间的连接135。对于图示的连接而言，需要三个垫片。

在图21中，示出了一个位于底部的条带或带材141和一个位于顶部的条带或带材142之间的连接140。对于图示的连接而言，需要三个垫片。

尽管图13至21仅示出了九种连接，但应该知道：本发明的装置可利用相同的基本原料或成套工具中的组成部件制造出更多类型的连接。除了夹具之外，成套工具还可包括坩埚压板和底座单元。该成套工具还可包括两组装在一个塑料袋中的三十三个衬垫和垫片。垫片通常在中心处设置有由冲切形成的孔，但通过冲切形成的圆形部分仍然留在原处。这有利于保持高回弹力(厚度)(high loft)耐火毛毡或保护材料的形状和稳定性。该套工具还可包括两组十种焊接金属的容器，如图8中的标记99所示。这些容器都可以具有相同的尺寸，而不必考虑所需完成的连接型式。该套工具还可包括点火器和各种清洗工具，以便于重复使用坩埚压板。

例如，一套采用相同尺寸的垫片和相同尺寸的焊接金属容器的工具可在圆形导体之间形成高质量的焊接，而圆形导体可以是直径最大为10毫米的固体铜，最大为50mm²的电缆铜和直径最大为10毫米的加强杆。这套工具还可在规格最大为30×3mm的导体、规格最大为30×3mm的钢带和规格最大为30×3.5mm的镀锌钢之间形成条带或带材连接。还可以更大的尺寸提供这些工具和垫片及焊接金属，以覆盖更大范围的连接，例如高达120mm²或更大的电缆和棒材，从而无需使用大模具设备就能够形成载流量高、电阻低的焊接连接，而大模具设备通常会产生磨损并增加换件成本。本发明用更为简化的装置替代了高成本的专用模具，这样就降低了使用者的安装成本，而且还为大范围的连接提供了一种解决方案。

应该知道：垂直定向的连接可通过下述方式来实现：使夹具水平定位，使坩埚压板设置有一个具有一个弯头的漏孔，使用坩埚的下侧面，漏孔通过该侧面成为压板表面。这样，就可沿垂直方向夹持部件和垫片。而且，可通过在底座单元上设置一个孔或开口，例如可以支承一个圆形杆的孔，或一个朝向一钢板或横梁开口的孔，就可以将其直接连接到圆形棒材或其它物体上。

尽管已参照最佳实施例对本发明作出了图示和说明，但是，本领域的技术人员可以根据本说明书很容易地作出等同替换和修改。应该知道：如果需要，一个实施例的合适特征还可结合到另一实施例中。本发明包括所有这样的等同替换和修改，而且其范围由所附权利要求书来限定。

Claims (18)

1、一种形成电连接的方法，其包括下述步骤：设置一个底座，将耐火垫片和需要焊接的导体分层压在所述底座上，每个所述的垫片都设置有一个与需要连接的部件相交的孔，对分层排列的垫片和部件进行挤压，以使垫片与部件相一致，形成一个焊腔，接着将焊接金属导入焊腔内，以使部件熔化，从而形成低电阻的电连接。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分层排列的垫片和部件受到一个坩埚压板的挤压并在坩埚压板内由放热反应形成焊接金属。

3、根据权利要求1或2所述的方法，包括：将所述底座和所述坩埚压板支承在一个夹具中并关闭夹具，从而实现这种挤压的步骤。

4、根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于：所述垫片为矩形，而且设置有一个中心孔，需要焊接的部件沿垫片的对角线方向延伸。

5、根据上述权利要求之一所述的方法，包括：由高回弹力的高温玻璃或其它耐火纤维制造垫片的步骤。

6、根据上述权利要求之一所述的方法，包括：在底座上设置多个表面的步骤，每个表面都具有不同的结构，从而当面对垫片时，有利于形成不同类型的焊接结构。

7、根据上述权利要求之一所述的方法，包括：当分层排列的垫片和部件受到挤压时，使底座、垫片和部件对准的步骤。

8、根据上述权利要求1所述的方法，包括：在坩埚内以放热法形成焊接金属并将坩埚用作压板对分层设置的垫片和部件进行挤压的步骤。

9、根据上述权利要求8所述的方法，包括：在底座上设置一个具有图案的表面的步骤，以利于形成焊接连接。

10、一种用于形成焊接连接的装置，其包括：一个底座，耐火垫片和需要连接的部件的分层结构，用于将所述分层结构向底座挤压的部件，每个垫片都设置有一个与需要连接的部件相交的孔，及用于将焊接金属导入孔内以使部件熔接到一起的部件。

11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于：所述用于导入焊接金属的部件包括一个坩埚。

12、根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于：所述坩埚包括用于挤压所述分层结构的部件。

13、根据权利要求10、11或12所述的装置，其特征在于：所述坩埚包括一个用于形成所述焊接金属的放热反应腔和一个设置在所述坩埚上并与所述垫片上的孔联通的漏孔。

14、根据权利要求10、11、12或13所述的装置，包括：一个用于支承所述底座和坩埚并用于相对作对准的夹紧运动的夹紧和对准夹具。

15、根据权利要求10、11、12、13或14所述的装置，包括：设置在所述底座上并能够易于形成焊接连接的花纹结构。

16、根据权利要求10、11、12、13、14或15所述的装置，其特征在于：所述垫片为矩形并设置有一个中心孔，所述部件通常沿垫片的对角线方向延伸并与所述的孔相交。

17、根据权利要求14、15或16所述的装置，其特征在于：所述夹紧和对准夹具包括能够增加分层设置的垫片和部件的压力直到在需要连接的部件周围形成一个合适的耐火密封的部件。

18、根据权利要求14、15、16或17所述的夹具，其特征在于：所述夹具包括一个支承着一坩埚的可释放的棘轮夹具，其一个表面被用作压板，所述夹具包括一个用于支承所述底座的对准导向件，所述对准导向件突出到所述底座的范围之外，以支承与所述底座和压板对准的层状垫片和部件，所述夹具还包括一个直立的棘齿条和一个位于所述棘齿条底部的支承板，所述底座从恰好位于所述板上方的所述齿条的底部突出，并提高在直立位置支承在几乎任意表面上的夹具的稳定性。

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