将金属纤维通过多次焊接工序焊接成纤维网的方法和设备；包括焊接的金属纤维的纤维网

摘要

本发明涉及一种用于由金属纤维(2)制造纤维网(1)的方法和设备，其中形成金属纤维层(3)并将纤维相互焊接成一纤维网。这里对于纤维网的一个段进行多次焊接工序。本发明特别涉及在汽车工业中用于排气处理单元的金属纤维网的制造。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于由金属纤维制造纤维网的方法，一种用于焊接金属纤维的设备和用这种方法制造的纤维网，该纤维网特别是可以用于过滤内燃机的排气流。

背景技术

为了保护环境，需要对包含在由内燃机产生的排气中的有害物质进行后续处理。其中已知，应该在包含在排气中的气态和/或固态组分方面净化排气。为此可以采用催化活性的化学反应以及过滤过程，以便至少暂时抑制固态的排气组分，例如炭黑或灰。为此，排气通常流过至少一个排气处理单元，例如催化转化器、吸附器、颗粒陷阱等等。在可采用的过滤介质方面还已知，采用透气的金属纤维制纤维网。本发明特别是涉及用于这种使用目的的纤维制纤维网的制造。

由于在这种内燃机例如汽油机或柴油机中的断续燃烧，在排气系统中的这种纤维制纤维网上会作用相当大的热负荷和动载荷。因此要求，这种纤维制纤维网做成具有特别高的强度，以避免在运行期间纤维脱落。一方面，纤维脱落导致不能持久地保持纤维制纤维网的所希望的过滤作用；另一方面，脱落的纤维可能会危害设置在下游的排气净化单元或者甚至周围的人。

在这种纤维制纤维网的制造方面已知一些方法，用这些方法在纤维网的纤维之间形成焊接连接部和/或烧结连接部。对于在成批生产中连续制造这种纤维制纤维网，应该优选采用焊接法，因为它们可以用高的速度进行。但是在这一点上却显示出，不能在希望的范围内产生具有足够的过程可靠性的焊接连接部。

发明内容

因此，本发明的目的是，至少部分地缓解联系现有技术提到的技术问题。这里，目的特别是，提供一种由金属纤维制造纤维网的方法以及用于焊接金属纤维的设备，该设备过程可靠地和在成批生产的规模上在纤维网的足够多的部位上产生焊接连接部。这里应该提供一种特别是能经受得住在汽车内燃机排气系统内的热负荷和动载荷的金属纤维网。此外，应该提供适合于这种使用目的的纤维网。

所述这些目的用具有按照权利要求1所述特征的制造纤维网的方法以及具有权利要求5所述特征的焊接金属纤维的设备来实现。本发明的其它优良的方案在各个从属权利要求中说明。其中在权利要求中单独列出的特征可用工艺上有意义的任何方式相互组合，从而由此给出本发明的其它方案。

本发明的用于由金属纤维制造纤维网的方法至少包括以下工步：

a)用金属纤维形成一层；以及

b)将纤维相互焊接成纤维网，

其中，工步b)包括对纤维网的一段进行多次焊接工序。

“纤维网”特别指一种平面结构，其中构成纤维网的纤维可以规则或不规则地相互排列。纤维网的例子是织物、网格结构、针织品、不规则层等。原则上纤维网也可包括至少一种添加料，如其它类型的纤维网、粉末等，在这里该添加料最终与纤维网不可遗失地连接。纤维网用由耐高温且耐腐蚀的材料制成的纤维构成。“纤维”特别是一种细长元件的名称，并特别是还包括金属丝形、切屑形和类似的元件。金属纤维可以做成基本上是圆的、椭圆的或多边形的。特别优选采用具有扁平横截面的纤维。金属纤维特别是包括主要包括钢作为基体材料的材料，其中优选设置高含量的铬(例如重量百分比在18％至21％范围内)和/或铝(例如重量百分比至少为4.5％，尤其是重量百分比至少为5.5％)。原则上也可采用镀铝纤维。这些金属纤维优选做成具有在0.1至50mm范围内(特别是在1至10mm范围内)的纤维长度和在0.01至0.1mm范围内(特别是在0.02至0.05mm范围内)的纤维直径。所制造的纤维网的气孔率优选在30％至80％的范围内，特别是在45％至60％的范围内。

按照工步a)的层的形成例如包括将纤维铺成底板，使得这些纤维至少局部重叠地设置。如果层具有所希望的厚度或所希望的单位面积重量(例如在250至1500g/m²的范围内)，那么便将这种较松地结合的金属纤维结构输送给焊接工序。

如由工步b)可见，纤维的相互焊接通过对纤维网或层的一段进行多次焊接工序来实现。一段特别是指纤维网或层沿输送方向的一局部区域。焊接工序规则地作用在该段上，从而在该段内基本上同时产生不同纤维之间的多处焊接连接部。

现在这里提出，对这种段进行多次焊接工序，其中每次产生不同的焊接连接部。因此，用第一焊接工序在段内产生一定数量的焊接连接部，将这个段输送给另一个焊接工序并在该第二焊接工序中产生另一些焊接连接部。优选进行两次焊接工序。

在焊接工艺方面优选采用电阻焊。这里可以用不同焊接方法进行多次焊接工序，但是优选进行两次相同焊接方法的焊接工序，因为这种方式可以减小在焊接设备方面的技术费用。优选以受控的方式进行焊接工序，也就是说设置这样的装置，它们保证，特别在采用电阻焊方法时，在后续焊接工序中电流不仅流过已经产生的焊接连接部，而且在所述段的其它局部区域内产生附加的焊接连接部。在这里，对于纤维网或层的向前运动的段，在不同的地点进行焊接工序。

在这种情况下，特别有利的是，工步b)通过滚缝焊进行。在滚缝焊时，层或纤维网穿过一滚轮对或辊子对，其中，对该滚轮对或辊子对加上电压。由此产生流过金属纤维的电流，并由于纤维内的电阻而产生热量。该热量在金属纤维的接触区内使纤维材料熔化，这时与相邻纤维产生材料接合的连接。在进行滚缝焊时，电流可间断地(例如以预先规定的脉冲周期和预先规定的间歇时间)或连续地施加。为了保证滚轮或辊子与层或纤维网充分地接触，纤维网或层用滚轮压紧，这里压紧压力特别是在500至1500N/cm²的范围内。

但是，通常不是在滚轮或辊子的整个接触区上实现通过电流，因为通过电流大多选择与相对的辊子具有最小电阻的过渡区。由于这个原因，在一次焊接工序中在纤维网的这种段内只产生纤维的几个点式焊接。在工步b)的一个优选实施方案中，两个焊接工序都执行滚缝焊，其中在第二次滚缝焊时在所述段的第一次产生的焊接连接部之间的区域内产生焊接连接部。

按照本方法的一个改进方案，在工步b)期间形成多条相互交叉的焊缝。因此，例如在第一焊接工序中产生基本上平行于输送方向分布的焊缝，其中焊缝是纤维网的集中聚集有焊接连接部的区域。在随后的焊接工序中产生相对第一焊缝倾斜或垂直分布的焊缝。因此，焊缝有利地形成一种图案。

此外还提出，在工步b)期间向纤维网的所述段输送保护气体。作为保护气体例如可考虑包含氩气和/或氦气的气体。由此可防止金属纤维材料被氧化，并从而例如防止，在形成材料接合连接时的后续电阻焊方法被妨碍。

按照本发明的另一个方面，提出一种用于焊接金属纤维的设备，该设备至少包括以下部件：

用于由金属纤维组成的层的输入装置；

第一焊接工位，在该焊接工位可在层的一段内产生纤维之间的连接部；以及

第二焊接工位，层的已被部分地焊接的段可输入该工位，并且在纤维间可产生另外的连接部。

该设备特别适合于实施按本发明所述的用于由金属纤维制造纤维网的方法。

输入装置优选设计成使得尤其能用在1m/s至10m/s范围内的输送速度连续地给焊接工位进料。输入装置例如可以做成输送单元。为了在到达第一和/或第二焊接工位之前固定金属纤维，输入装置可以做成具有固定元件，例如导轨、磁铁等。输入装置优选可以改变层的输送速度。此外，用于确定层的一段的重量的装置与输入装置相组合也是有利的。

现在借助于输入装置将层输送给第一焊接工位。这个带松散金属纤维的层借助于第一焊接工位预固定，这时产生一定数量的焊接连接部。现在将该部分特别是通过输入装置继续输送给第二焊接工位，该第二焊接工位沿输送方向设置在离开第一焊接工位一定距离处。现在，在层的已经焊接过一次的段上形成其它焊接连接部。原则上第一焊接工位和第二焊接工位可组合在一个设备中，但是也可将焊接工位做成单独的设备。

在这种情况下，第一和第二焊接工位适合于用于实施滚缝焊，则特别优选。这特别是意味着，设置用于提供具有要求的电流强度的焊接电流和用于提供具有规定(有时是可变的)频率的电流脉冲的装置。此外可以设置用于提供间断的或连续的电流的装置，还可以设置用于提供保护气体的装置、用于测试焊接连接部和/或其它的纤维网特性的装置、及相应的焊接控制装置。

在这种情况下，第一焊接工位和第二焊接工位中的至少一个具有至少两个滚轮电极是有利的，带有纤维的层可以穿过这两个滚轮电极并可以使电流流过纤维，其中至少一个滚轮电极具有用于改变焊接位置的装置。优选两个焊接工位都做成具有这种用于相对于纤维网的所述段和/或相对于另一个焊接工位的焊接位置来改变焊接位置的装置。用于改变焊接位置的装置例如可实现，不是滚轮电极的整个圆周面与所述段的区域内的纤维接触，而仅仅是个别区域与层或纤维网导电接通。关于这种装置的结构，参见后面对其它优良的结构的说明以及附图说明。这里显然，专业人员还知道其它的、有时可能不明显地已知的引起焊接位置改变并具有同样效果的装置。这种常见的变型对于纤维网针对应用场合的特殊结构可能同样是有利的。

现在这里还提出，至少一个滚轮电极做成具有多个分区，它们可以相互独立地产生流过与它们接触的纤维的电流。换言之，这意味着，例如一个焊接工位做成具有一个沿输送方向的横向位于纤维网的一段的整个宽度上的滚轮电极，但是具有多个仅在该宽度的一部分上延伸的分区。为了清楚起见，例如三个或四个辊子状的分别具有单独的电流回路的滚轮电极可以相互并排地布置。因此，在层或纤维网通过时产生沿输送方向分布的焊缝或具有焊接连接部的轨迹，其中这些焊缝或轨迹在重复度频率、取向和尺寸等方面可以分别做得不同。因此在一段内和在一个焊接工位中同时产生多条相互独立的焊缝。这例如有这样的优点，即可对层内纤维的不同分布作出反应或可用这种方法降低对焊接工位的技术要求，因为只须在滚轮电极或其单独的分区上提供较小的压紧压力或较小的电流。

但是正是为了便于向滚轮电极的各个分区输入电流以及为了避免与空间相关的问题等，至少一个滚轮电极的多个分区沿层的输送方向相互错开地布置也是有利的。例如如果存在2个以上，特别是5个以上分区时，便优选采用分区的这种错开布局。

按照本设备的一种优良的改进结构，至少一个滚轮电极做成具有一定的(凹凸)轮廓。换言之，这意味着，滚轮电极不是做成具有光滑的基本上圆柱形的圆周面，而是在圆周面上设置有凸起和凹陷。这些凸起和凹陷可以设计成小块、线条、微型面和/或复杂的图案。由此实现，圆周面被设计成离层或纤维网具有不同的距离，其中凸起提供与金属纤维更好地导电接触，从而被看作是形成焊接连接部的优选区域。也就是说，使滚轮电极形成具有一定的轮廓有这样的作用，即，在纤维网的一段内产生具有大的焊接概率的区域，这些区域小于滚轮电极的总宽度。从而例如形成了这样的可能性，即，利用后续的焊接工序并采用形成类似轮廓的滚轮电极，可以使焊接连接部的优选区域相互错开，因此最终可在整个段上实现纤维比较均匀的焊接。由此克服在后续的滚缝焊接工序中电流优选流过纤维网已经形成焊接连接部的区域的现象。

此外，还提出，至少一个焊接工位做成带有用于改变至少一个滚轮电极的旋转轴线位置的装置。这特别是指，旋转轴线的位置可以移动和/或倾斜。优选改变旋转轴线相对于由穿过的纤维网构成的面的角度。由此同样使滚轮电极的某一分区与纤维制纤维网接触，其中例如滚轮电极的摆动可能造成在纤维网的一段内往复进行的焊接工序。这里，有时可能还需要滚轮电极的圆周面的匹配，特别是该圆周面做成中凸的。

此外，现在提出，设置有用于改变焊接工位相互位置的装置。这些装置特别是可以改变焊接工位间的相互距离。从而，例如可将滚轮电极做成具有一定的轮廓并同步运行，但是这里由于相匹配地改变焊接工位位置间的相互距离避免了已产生的焊接连接部的重叠。用于改变焊接工位位置的装置也可包括至少一个传感器、驱动装置和/或至少一个调整单元。

按照本设备的另一种结构，至少一个焊接工位做成具有用于在焊接位置区域内提供保护气体的装置。这些装置特别是包括储存容器、输入管和用于包含氩和/或氦的保护气体的流出单元。采用以本发明的方法或用本发明的设备制造的包括由耐高温和耐腐蚀的材料制成的金属纤维制纤维网，对于采用纤维网来处理排气流是有利的。因此，也提出用这种纤维网来过滤排气流。

附图说明

借助于附图详细说明本发明及相关技术领域。附图还表示本发明特别优选的实施例，但是本发明并不局限于此。附图通常是示意图，因此特别是不能用于表示尺寸关系。附图表示：

图1表示用于焊接金属纤维的设备的一个实施例，

图2表示一带有用于改变滚轮电极旋转轴位置的装置的焊接工位的实施方案，

图3表示一带有形成一定(凹凸)轮廓并分成分区的滚轮电极的焊接工位的另一种实施方案，

图4表示带有由金属纤维制成的纤维网的排气处理单元的局部视图，

图5表示由金属纤维制成的纤维网的一个实施例，

图6表示图5中的纤维网的局部视图，

图7表示带有错开设置的滚轮电极的焊接设备的另一个实施例。

具体实施方式

图1示意性示出一用于焊接金属纤维2以制造纤维网1的设备6。在这里，纤维2首先松散地结合布置成层3，该层借助于输入装置7沿输送方向16输送给焊接工位8和9。这里输入装置示意性地表示成输送带。

现在，层3首先从两个滚轮电极11之间穿过，这时在第一焊接位置12处产生大量焊接连接部。在层3穿过滚轮电极11时，层3被压缩，这时同时在一定区域内产生流过层3的电流。然后，将这个部分加固和部分焊接的纤维网1输送给固定在规定的距离23处的第二焊接工位9。在第二焊接工位9的区域内进行这种滚缝焊时，也进一步压缩纤维网1，并附加地形成焊接连接部。现在，离开第二焊接工位9的纤维网1在其结构方面的稳定性能保证持久地用于汽车内燃机的排气处理装置。特别是用这里所示的设备6的方案可以实现将纤维2相互焊接成一纤维网1，其中包括对纤维网1的段4进行多次焊接工序。

图2表示带有摆动滚轮电极11的第一焊接工位8的一种实施方案。原则上第二焊接工位9也可以用类似方式做成。在所示实施方案中，只有设置在层3上面的滚轮电极11做成摆动的，但是下面的滚轮电极11同样也可以做成摆动的。可以连续或断续地进行的摆动特别是包括旋转轴相对于水平线28在一定的角度24范围内的(夹角)变化。用这种方法使得能够形成这样的用于形成焊缝5或连接部10的焊接位置12，该焊接位置例如在一分区13上和/或垂直于输送方向16(未示出)变化。在所示实施例中，所示的滚轮电极11的两个分区13同步摆动，但这不是强制要求的。

图3表示第二焊接工位9的一(分成分区的)滚轮电极11的另一个实施例。滚轮电极11的分区13分别做成具有一圆周面29，它们做成具有一(这里不同地成形的)轮廓14，这里分区13具有相同的旋转轴线15。滚轮电极11的每个分区13做成这样，使得它们可相互独立地产生流过与它们导电接通的纤维2的电流(未示出)。为此，这些分区13分别具有独立的电源26，该电源分别与滚轮电极11的相对的一对分区13导电接通。为了形成焊接连接部，层3或纤维网1(未示出)穿过滚轮电极11之间的辊隙27。滚轮电极11或分区13优选做成具有最多为100mm的宽度25。

图4表示一包括一蜂窝体31的排气处理单元30的局部视图，该蜂窝体由多块形成构造的金属箔32和多个纤维网1这样构成，使得形成对于排气可沿流动方向33流通的通道34。流动影响装置35促使排气流向纤维网1偏转，从而使夹带的颗粒36在那里沉积。排气处理单元30的局部视图特别是表示颗粒陷阱或过滤器的局部，其中这个排气处理单元30优选内置在一(具有汽油机或柴油机的)车辆的排气系统内。

图5表示一按本发明的纤维网1，该纤维网的段4经受过多次焊接工序。这里，段4沿Y方向延伸，Y方向优选与输送方向16相应。纤维网宽度优选在X方向上给定，纤维网厚度20优选在Z方向上给定。由于多次进行滚缝焊方法，所以形成多条至少部分交叉的焊缝5。焊缝5可以按所希望的尺寸21和所希望的相互间距22设置。在这里应该明确指出，尺寸21和间距22仅仅是示意示出，并且优选尺寸21可能大于间距22。一条焊缝5具有Z字形形状，这例如可通过滚轮电极的摆动来实现。相互平行或垂直分布的焊缝5例如可以用形成一定轮廓的滚轮电极11产生。

图6表示图5中的纤维网1的局部视图，其中纤维2放大示出。由于进行多次焊接工序，相互不规则布置的金属纤维2在相互接触的区域内形成相互连接部10。这里纤维2做成具有多边形横截面，其中纤维2可用纤维长度18和纤维直径19描述。通过由金属纤维形成的层的松散结合(程度)的变化以及在焊接工序中作用在纤维网1或层3上的力的变化，可以用纤维2形成不同数量和不同大小的气孔17，这里可以调整纤维网1的所希望的气孔率(例如在45％至70％的范围内)。

图7表示用于三级焊接装置的另一个实施例的一部分。这里示出了做成具有许多滚轮电极11的第二焊接工位9，这些滚轮电极形成许多分区13，这些分区沿层3的输送方向16相互以偏移量37布置。这种方案允许将焊接电流均匀地引入层3，其中分区13同样共同覆盖层3的整个宽度。(这里未示出的)第一焊接工位可与此(第二焊接工位9)无关地按所述实施方案中的一种制作。第二焊接工位9后面还连接一用于处理层3边缘38的设备39，其中例如按修边的方式固定金属箔，以形成不透气的边缘38，该边缘有时可能用作用于接合多块纤维网的固定区。为此，设备39同样做成具有许多滚轮电极11。

图形标记表

1    纤维网                2   纤维

3    层                    4   段

5    焊缝                  6   设备

7    输入装置              8   第一焊接工位

9    第二焊接工位          10  连接部

11   滚轮电极              12  焊接位置

13   分区                  14  轮廓

15   旋转轴线              16  输送方向

17   气孔                  18  纤维长度

19   纤维直径              20  纤维网厚度

21   尺寸                  22  间距

23   距离                  24  角度

25   宽度                  26  电源

27   辊隙                  28  水平线

29   圆周面                30  排气处理单元

31   蜂窝体                32  金属箔

33   流动方向              34  通道

35   流动影响装置          36  颗粒

37   偏移量                38  边缘

39   设备