CN1819891A - 用于密封容器的磁脉冲焊接方法和装置以及密封的容器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种磁脉冲焊接方法和用于密封容器(10)的焊接感应线圈。该方法包括提供具有开口端(12)的容器主体(11)，以及包括焊接部分和边缘部分(15)的盖(13)。该盖(13)在焊接部分(14)处的直径小于容器主体(11)的内径，从而在该容器主体(11)和该焊接部分(14)之间形成气隙(16)。该盖(13)放置在容器主体(11)的所述开口端(12)内。在盖(13)的焊接部分(14)所在的位置处绕容器主体(11)设置焊接感应线圈(18)。激励该焊接感应线圈(18)，以产生足以使容器主体(11)的一部分(19)在所述气隙(16)内绕盖(13)沿径向向内的方向弯曲的脉冲磁力。该脉冲磁力的值为使得容器主体(11)和盖(13)的原子在冲击时相互扩散，从而将该容器主体(11)和该盖(13)焊接在一起。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于密封贮存器(container)的方法和装置，尤其是用于通过脉冲磁力(PMF)密封容器的方法和装置。
背景技术
诸如箱、罐、桶、瓶等例如用于存储气体和/或液体的容器通常通过单独制出容器主体部分和盖部来制造。为密封该容器，可采用焊接方法或卷边方法将盖部连接到容器主体部分上。在下文中，焊接是指这样的过程，即，使第一工件和第二工件的两相对表面形成一物理接头，从而由于它们的原子的相互扩散而相互变成为一体。而卷边是指两个工件的这样连接，即，至少一个工件的表面变得起波纹、弯曲或收缩，从而在第一工件的原子不渗透到第二工件的主体内的情况下在两个工件之间形成“纯粹的”机械接头。
卷边通常是通过冲压或滚压来进行的。然而，在利用由瞬时磁场产生的力来密封容器的领域中，还知道有多种卷边技术。
例如，授予Gere的美国专利NO.3581456描述了一种用于利用由瞬时磁场产生的力在填满的贮存器的颈口上形成封闭的方法。定位在贮存器的颈部上的盖裙受磁场的推动而抵靠颈口，以使该裙部与颈口的轮廓一致，从而使该盖在贮存器的颈部上与颈口保持接合。
美国专利NO.3957005描述了一种制造金属罐底(can end)的方法，该罐底包括金属厚度基本均匀的主体部分以及金属厚度减小的周边凸缘。该罐底由相对较薄的板材(例如，铝板等)这样形成，即从该板上冲压或剪切下一坯件或盘片，将该盘片形成为杯状物，对该杯状物进行压薄操作，以减少其周边部分的厚度并增加其伸出长度。然后对压薄的杯状物进行机械压制或电磁成形(magnetic discharge forming)，以使周边部分成形为适于双重接合到罐体上的曲线凸缘。
授予Koide等人的美国专利NO.4934552描述了一种制造密封的容器的方法，该密封的容器包括具有开口端的柱状主体部分，以及与该主体部分的开口端配合的盖。通过从所述主体部分的外侧将该主体部分的开口端压制到所述盖的外周表面来制造所述密封的容器，其中围绕该盖的外周表面至少设置有一条环形槽。在使用电磁力作为压制加工措施的情况下，所述主体部分的一部分瞬间牢固且气密地固定到所述环形槽上，从而制成所述密封的容器。
授予Shiina等人的美国专利NO.5191775描述了一种密封冷却介质存储容器的技术，该容器包括具有底部及开口上端部的管状主体，以及与开口端部配合的封闭件。所述开口端部通过电磁成形而收缩并卷曲，从而通过弯边(beading)和匹配槽固定到所述封闭件上。美国专利NO.5191775称该方法不采用焊接而将封闭件连接到主体上。
授予Aronne的美国专利NO.5671522描述了另一种用于通过磁脉冲成形技术密封贮存器的卷边技术。该贮存器通过一对特殊构造的端盖被封闭，每一端盖均具有绕其周边形成的环形凹槽。所述贮存器的端部接合在所述凹槽内，并通过磁脉冲成形而连接。需将所述脉冲磁力维持成相对于与形成在所述盖内的凹坑匹配的芯子径向向内。
传统的焊接通常是通过气焊装置、激光或任何其它传统焊接技术来实现的。本领域已公知气焊技术有各种缺点，例如，容器主体必须由耐热材料制成等。
本领域已知(例如，见本申请受让人的美国专利5824998)磁脉冲成形技术还可用于冷焊接两个金属工件。
发明内容
尽管在利用磁脉冲成形技术来密封容器的领域中有现有技术，然而在该领域中仍然需要通过利用脉冲磁力(PMF)来密封容器的新方法和新装置，而且如果有的话会很有用。容器主体和盖通过使它们的原子相互扩散的冷焊接而连接方便，这一点是有利的。
因此，根据本发明的一个主要方面，提供了一种密封容器的方法，该方法包括：
(a)提供具有至少一个开口端的容器主体；
(b)提供具有焊接部分的盖，其中所述焊接部分的直径小于容器主体的内径；
(c)将所述盖放置在容器主体的所述至少一个开口端内，从而在所述容器主体和所述盖的焊接部分之间形成气隙；
(d)在所述盖的焊接部分所在的位置处，绕所述容器主体设置焊接感应线圈；以及
(e)激励所述焊接感应线圈，以产生足以使所述容器主体的一部分在所述气隙内绕所述盖沿径向向内的方向弯曲的脉冲磁力，所述脉冲磁力的值为使得容器主体和盖的原子在冲击时相互扩散，从而将所述容器主体和盖焊接在一起。
根据本发明的另一主要方面，提供了一种密封的容器，其包括：
容器主体，其中在该容器被密封之前，所述容器主体具有至少一个开口端；
盖，其具有焊接部分，其中所述焊接部分的直径小于容器主体的内径，从而在该容器被密封前，在所述容器主体和放置在该容器主体的所述至少一个开口端内的所述盖的焊接部分之间形成有气隙，
其中，所述盖通过脉冲磁力而焊接到容器主体上，该脉冲磁力使得容器主体的一部分在所述气隙内绕所述盖沿径向向内的方向弯曲，所述脉冲磁力的值为使得容器主体和盖的原子在冲击时相互扩散。
当需要时，所述盖还可包括边缘部分，其中该盖在该边缘部分处的直径值大约为容器主体的内径值，从而实现将盖保持在容器主体内。
根据本发明的又一主要方面，提供了一种焊接感应线圈，其至少包括具有两个电极的单匝线圈，该电极配置成用于施加从中穿过的脉冲高电压，
其中，所述焊接感应线圈配置成与用于密封容器的装置一起使用，该容器包括：
容器主体，其具有至少一个开口端，以及
盖，其具有焊接部分，其中所述焊接部分的直径小于容器主体的内径，从而当将所述盖放置在容器主体的所述至少一个开口端内时，在所述容器主体和所述盖的焊接部分之间形成有气隙；
其中，所述焊接感应线圈能够产生使放置在所述焊接感应线圈的工作区域内的容器主体的一部分在所述气隙内绕所述盖沿径向向内的方向弯曲的脉冲磁力，所述脉冲磁力的值为使得容器主体和盖的原子在冲击时相互扩散，从而将所述盖焊接到容器主体上。
这样，对本发明比较重要的特征进行了相当概括的描述，从而可以更好地理解下面对本发明的详细描述。本发明的其它细节和优点将在详细描述中阐明，并且将从该描述中部分地理解、或可从本发明的实践中体会这些细节和优点。
附图说明
为了理解本发明并领会其在实践中如何实施，现在将通过非限制性示例的方式、参照附图对优选实施例进行描述，在这些附图中：
图1A和图1B示出根据本发明一个实施例的容器在密封过程前的分解视图和剖视图；
图2A至图2D示出根据本发明实施例的焊接过程的一系列阶段；
图3A和图3B分别示出由低碳钢和铝制成的容器的焊接部分和盖的焊接部分之间的接头的蚀刻界面剖面在光学显微镜下检查得到的示例性图像；
图4A和图4B相应地示出根据本发明又一实施例的容器在焊接过程前的分解视图和剖视图；
图5示出根据本发明再一实施例的容器在焊接过程前的剖视图；
图6示出根据本发明再一实施例的容器在焊接过程前的剖视图；
图7A至图7C示出根据本发明另一实施例的容器在焊接过程前的剖视图；
图8A和图8B相应地示出根据本发明实施例的焊接感应线圈的立体图和剖视图。
具体实施方式
参照附图及所附说明可更好地理解根据本发明的方法和装置的原理和操作，应理解，这些附图仅以示例性的目的给出，而并非用于限制。在本发明的整个说明中，将采用相同的附图标记表示附图中所示的容器及工作线圈中的共同部件。为清晰起见，可能会对容器的尺寸、容器和盖的壁厚，以及容器与盖之间的间隙和它们的部分进行放大。
参照图1A和图1B，相应地示出了根据本发明的一个实施例的容器10在焊接过程前的分解图和剖视图。容器10包括具有开口端12的柱状容器主体11以及盖13。盖13具有焊接部分14和边缘部分15。边缘部分15的用途是将盖13保持在容器主体11的内部。因此，盖13在边缘部分15处的直径与容器主体11的内径相等。盖13在焊接部分14处的直径小于容器主体的内径。因此，当将盖13放置到容器主体11的开口端12内时，在容器的焊接部分19和盖的焊接部分14的表面17之间形成了环形气隙16。
容器10可由具有特定应用所需的强度及成形特性的任何适宜的金属材料构成。应当理解，容器主体11和盖13可由相同材料或不同材料制成。制成容器主体11和盖13的金属材料的示例包括(但并不限于)铝、低碳钢、黄铜、铜。应当理解，还可使用这些材料和其它材料的合金。
为了提供将盖13焊接到容器主体11上所需的力，在盖的焊接部分14位于容器主体11内部的位置处绕该容器主体11产生高能脉冲磁场。适于提供所需的磁性脉冲磁场的装置本身已公知，因此下面不会对其构造和操作进行详细说明。例如，本申请受让人的美国专利NO.5824998(在此引用作为参考)中所述的装置可用于本发明的目的。这种装置包括可根据特定应用配置的焊接感应线圈。在图1B中，焊接感应线圈围绕容器主体11并由附图标记18表示。下面将对适于本发明的焊接感应线圈18的构造的示例进行详细描述。
参照图2A至图2D，示出了根据本发明实施例的焊接过程的一系列阶段。应当注意，为清晰起见，这些图形未按比例绘制，且也不成比例。在操作中，将与由焊接感应线圈产生的磁场相关的脉冲磁力F施加到容器主体11的焊接部分19上(见图2A)。根据本实施例，焊接部分19位于容器主体11的开口端12附近。然而，应当理解，容器的焊接部分19的位置并不局限在容器主体11沿其长度的任何部分。
对容器10进行焊接以使其密封的过程包括激励焊接感应线圈18，从而产生使容器的焊接部分19绕盖的焊接部分14沿径向向内的方向弯曲的脉冲磁力F。在焊接部分19的边缘20与盖的焊接部分14的表面17接触时(见图2B)，开始焊接。在焊接期间，限定焊接区域WZ的前线21朝着边缘部分15成切线地移动(见图2C)，从而使容器密封(见图2D)。
应当理解，为了提供由于原子的相互扩散而实现的容器主体和盖的焊接，脉冲磁力F应具有预定的值。更具体地说，脉冲磁力F必须具有这样的值，从而在容器的焊接部分19在间隙16内朝着盖的焊接部分14的表面17运动期间，使得该焊接部分可达到足以将容器主体焊接到盖上的速度。例如，申请人发现当容器的焊接部分19的有效速度值在冲击时在250米/秒～500米/秒的范围内，且前线21的表观切向速度(apparenttangential speed)Vt在1000米/秒～2500米/秒的范围内时，就可形成该焊接。
图3A和图3B分别示出由两种相似金属(例如，低碳钢和铝)制成的容器的焊接部分19和盖的焊接部分14之间的接头的蚀刻界面的剖面在光学显微镜(放大率：X100)下检查得到的示例性图像。图3A表示典型的平坦剪切状(shear-like)焊接界面，而图3B则表示典型的波状界面。当在冲击时容器的焊接部分19和盖的焊接部分14之间的角度相对较小时，可得到平坦剪切状焊接界面，而当冲击角相对较大时则得到波状界面。应注意，当平坦剪切状焊接界面变为波状界面时所述角度的大小取决于冲击速度和材料的类型。正如本领域的技术人员可理解的，这种图像是当通过磁脉冲焊接过程得到接头时的典型图片。
参照图4A和图4B，相应示出了根据本发明另一实施例的容器10在焊接过程前的分解视图和剖视图。该实施例与上面在图1A和图1B中所示的实施例的区别在于：这里的盖13包括开口(一个或多个)。具体地，在图4A和图4B中示出由附图标记43表示的两个这样的开口。例如，当容器10被用作贮存器时，可能需要在开口43中插入入口管和出口管。
在这种情况下，当开口43的内表面44和盖的焊接部分14的表面17之间的金属材料的宽度较小，和/或盖的材料的强度较小时，用于密封上述容器而施加的脉冲磁力可能会高到足以使盖的焊接部分14塌陷，从而使开口43变形。为了避免这种有害现象，与盖13一起可利用工艺塞(technological plug)41。工艺塞41具有一个或多个插脚42(图4A和图4B中示出了两个这样的插脚42)，该工艺塞配置成用于将插脚插入到盖13的开口43中，并在激励焊接感应线圈18的期间将它们保持在该开口内。在激励步骤后，可从密封的容器上拆除工艺塞41。优选地，插脚的尺寸为可以填满开口的空间，从而加固盖13。插脚42由和盖13的材料一样硬的材料制成，或由比该盖的材料更硬的材料制成，例如硬化钢。
应当注意，根据本发明的再一实施例，当利用工艺塞41来防止开口43变形时，盖13可不设有边缘部分15。在这种情况下，优选地，工艺塞41的直径与容器主体11的内径一致，从而将该塞和盖13一起保持在容器主体11内。在密封过程后，将塞41从容器主体11上拆除。
参照图5，示出根据本发明另一实施例的容器10在焊接过程之前的剖视图。该实施例与图1A和图1B所示的实施例的区别在于，在焊接过程之前容器主体11在开口端12处扩展，从而形成扩展区域A。容器主体11在扩展区域A处的直径DA的值大于容器主体11在其它部分处的直径DV的值。设置扩展区域A是为了将盖13更好地保持在容器主体11内。因此，在焊接过程之前，根据该实施例，盖的边缘部分15的直径DCB的值应当大约为扩展区域A的直径的值(即，DCB≈DA)，而盖的焊接部分14的直径DCW必须满足下列不等式：DV≤DCW＜DA。
尽管图5中在盖13中未示出开口，然而本领域的技术人员应当清楚，需要的话该盖可具有一个或多个开口。在这种情况下，可采用工艺塞(图4A中的41)，以防止盖在焊接过程期间内变形。
参照图6，示出了根据本发明再一实施例的容器10在焊接过程之前的剖视图。该实施例与图1A和图1B中所示的实施例的区别在于，容器主体11在开口端12附近具有波状区域B。波状区域B在焊接过程之前形成在容器主体11上，并起始于与盖的焊接部分14的尺寸相等的距离处。设置波状区域B的目的是为了将盖13更好地保持在容器主体11内。因此，波状区域B的直径DB的值小于该容器的其它部分处的直径DV(即，DB＜DV)。根据本发明的该实施例，盖的边缘部分15的直径DCB的值应当大约为容器主体11的直径的值(即，DCB≈DV)，而盖的焊接部分14的直径DCW必须满足下列不等式：DB＜DCW＜DV。
参照图7A至图7C，示出了根据本发明另外一些实施例的容器10在焊接过程之前的剖视图。这些实施例与上述实施例的区别在于，在容器主体11上放置有隔离圆筒71，用于在焊接期间进一步加固容器主体11。因此，优选地，隔离圆筒71的内径等于容器主体11的外径。
参照图8A和图8B，相应地示出了根据本发明实施例的焊接感应线圈18的立体图和剖视图。焊接感应线圈18包括单匝线圈81，该单匝线圈具有形成在线圈主体内的通道82，用于形成供冷却液体从其中通过的通路。例如，通道82可在制造线圈的过程中钻出。与通道82连通的两个入口83和84可用于输入和输出液体(例如，水)，该液体用于在焊接过程期间通过线圈18以对其进行冷却。在钻出通道82期间形成在线圈主体内的三个其它的工艺入口85被塞86封闭，以避免冷却液体泄漏。入口83和84与液体供应管线(未示出)连接。当需要时，所述液体供应管线可配备有液泵。当需要时，所述液体供应管线可通过冷却系统。所述冷却系统本身已公知，且可以是任何传统的类型，例如辐射器。
焊接感应线圈18包括与电力供应源连接的两个电极I和O。例如，本申请受让人的美国专利NO.5824998所述的并在此引入作为参考的电力供应源可适用于本发明的目的。
在操作中，容器主体11可放置在焊接感应线圈18的工作区域89内，优选地，在与单匝线圈81的内表面90相距约1～3mm的距离处。可通过任何合适的已知方式来实现将容器主体11设置并保持在焊接感应线圈18内。例如，可通过气压缸(未示出)或通过液压缸(未示出)将容器主体驱到工作感应线圈的焊接区域内。适用于本发明目的的工作电压在约为3kV至25kV的范围内。该电压可形成幅值约为10kA至1000kA、穿过单匝线圈81的脉冲电流。
同样地，本发明所属领域的技术人员可以理解，尽管已根据优选实施例对本发明进行了描述，然而本公开所基于的思想很容易就可作为用于实现本发明的几个目的的其它结构、系统和方法的设计基础。
显然，尽管在示出的本发明的容器的示例中所述容器主体部分具有圆形截面，然而本发明的密封方法在作了必要的修正后可应用于具有任何截面形状的容器的密封。
应当理解，上述方法可用于从两开口侧密封一管。所述管包括具有两个开口端的容器主体。
尽管上面描述了具有单匝线圈81的焊接感应线圈18的示例，然而应当理解，该工作感应线圈还可以是配备有磁场造型器(field-shaper)的多匝线圈。
此外，对就感应线圈的使用而言的具体实现的任何参考都是通过非限制性示例方式示出的。
而且，应当理解，这里采用的措词和术语都是为了描述的目的，而不应当被看作是限制。
在所附的权利要求书中，仅是为了方便而设置用于标明要求保护的步骤的字母，这些字母并不暗含执行这些步骤的任何特殊顺序。
因此，重要的是本发明的范围不被诠释为受到这里阐述的示例性实施例的限制。可在本发明的如所附权利要求及其等价物所限定的范围内做出其它变化。
Claims (25)
1、一种用于密封容器的方法，其包括：
(a)提供一具有至少一个开口端的容器主体；
(b)提供一具有焊接部分的盖，其中所述焊接部分的直径小于所述容器主体的内径；
(c)将所述盖放置在容器主体的所述至少一个开口端内，从而在所述容器主体和所述盖的焊接部分之间形成气隙；
(d)在所述盖的焊接部分所在的位置处，绕所述容器主体设置焊接感应线圈；以及
(e)激励所述焊接感应线圈，以产生足以使所述容器主体的一部分在所述气隙内绕所述盖沿径向向内的方向弯曲的脉冲磁力，所述脉冲磁力的值为使得容器主体和盖的原子在冲击时相互扩散，从而将所述容器主体和盖焊接在一起。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在所述的将盖放置在容器主体的所述开口端内的步骤之前，使该容器主体在该开口端处扩展，从而将盖更好地保持在容器主体内。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在所述的将盖放置在容器主体的所述开口端内的步骤之前，在该容器主体上形成波状区域，所述波状区域开始于与盖的焊接部分的尺寸相等的距离处，从而将盖更好地保持在容器主体内。
4、根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述盖包括适于在其内插入一管的至少一个开口。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，包括：
提供具有与所述至少一个开口一致的至少一个插脚的工艺塞；以及
从而在激励所述线圈之前，将该工艺塞插入到盖的所述至少一个开口内。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述插脚由与所述盖的材料一样硬的材料制成。
7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述插脚由比所述盖的材料更硬的材料制成。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述插脚由硬化钢制成。
9、根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述容器主体和所述盖由相同的材料制成。
10、根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述容器主体和所述盖由不同的材料制成。
11、根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述容器主体和所述盖由从铝、低碳钢、黄铜、铜、以及它们的合金中选取的材料制成。
12、根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在激励所述焊接感应线圈的期间，在所述容器主体上放置一隔离圆筒。
13、一种密封的容器，包括：
容器主体，其中在该容器被密封前，所述容器主体具有至少一个开口端；
盖，其具有焊接部分，其中所述焊接部分的直径小于容器主体的内径，从而在所述容器被密封前，在所述容器主体和所述盖的焊接部分之间形成气隙，其中所述盖放置在所述容器主体的所述至少一个开口端内，
其中，所述盖通过脉冲磁力焊接到容器主体上，该脉冲磁力使该容器主体的一部分在所述气隙内绕该盖沿径向向内的方向弯曲，所述脉冲磁力的值为使得容器主体和盖的原子在冲击时相互扩散。
14、根据权利要求13所述的密封的容器，其特征在于，所述盖还包括边缘部分，其中，所述盖在该边缘部分处的直径值大约为容器主体的内径值，从而在该容器被密封之前，将所述盖保持在容器主体内。
15、根据权利要求13或14所述的密封的容器，其特征在于，所述盖包括适于在其内插入一管的至少一个开口。
16、根据权利要求13至15中任一项所述的密封的容器，其特征在于，所述容器主体的一部分在所述开口端处扩展。
17、根据权利要求13至15中任一项所述的密封的容器，其特征在于，所述容器主体在与所述开口端的距离等于盖的焊接部分的尺寸的位置处为波状。
18、根据权利要求13至17中任一项所述的密封的容器，其特征在于，所述容器主体和所述盖由相同材料制成。
19、根据权利要求13至17中任一项所述的密封的容器，其特征在于，所述容器主体和所述盖由不同材料制成。
20、根据权利要求13至19中任一项所述的密封的容器，其特征在于，所述容器主体和所述盖由从铝、低碳钢、黄铜、铜、以及它们的合金中选取的材料制成。
21、一种焊接感应线圈，其至少包括具有两个电极的单匝线圈，所述电极配置成用于施加从其中穿过的脉冲高电压，
其中所述焊接感应线圈配置成与用于密封容器的装置一起使用，该容器包括：
容器主体，其具有至少一个开口端，以及
盖，其具有焊接部分，其中所述焊接部分的直径小于容器主体的内径，从而当所述盖放置在容器主体的所述至少一个开口端内时，在所述容器主体和所述盖的焊接部分之间形成有气隙；
其中，所述焊接感应线圈能够产生脉冲磁力，该脉冲磁力使得放置在所述焊接感应线圈的工作区域内的容器主体的一部分在所述气隙内绕该盖沿径向向内的方向弯曲，所述脉冲磁力的值为使得容器主体和盖的原子在冲击时相互扩散，从而将所述盖焊接到容器主体上。
22、根据权利要求21所述的焊接感应线圈，其特征在于，在该线圈的主体内形成一通道，用于形成供冷却液体从其中通过的通路。
23、根据权利要求22所述的焊接感应线圈，其特征在于，所述液体为水。
24、根据权利要求21至23中任一项所述的焊接感应线圈，其特征在于，所述脉冲高电压在大约3kV至10kV的范围内。
25、根据权利要求13所述的密封的容器，其特征在于，大致如这里参照图3A和图3B所述的一样，具有在容器的焊接部分和盖的焊接部分之间的接头的蚀刻界面的剖面。
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