用于密封双壁波纹管的轴环的设备和方法及双壁波纹管

摘要

本发明提供一种方法，其中获得由双壁波纹管的第一径向最内壁和第二径向最外壁的无波动的相应同心端界定的轴环的连续对接密封缘边，作为所述第一和第二壁的所述末端的彼此邻近而径向配置的所述相应缘边上的连续对接焊缝，所述缘边已经制备使得在焊接之前其彼此径向隔开不大于0.3mm，且所述第二壁的所述缘边在轴向方向上相对于所述第一壁的所述缘边突出0.2－0.4mm的长度；用平行于所述轴环的对称轴而导向的激光束执行对接焊接，从而使所述轴环围绕所述轴旋转，以渐进地暴露所述第一和第二壁的所述末端的所述缘边的整个周长，经由弹簧夹持辊以1与3kg之间的力同时将所述缘边抵靠彼此按压。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于密封可配备破裂监视的类型的双壁管状对称波纹管的轴环的设备和方法，以及由此获得的用于通常在工业设备中的由流体穿过的液压联轴器中的波纹管。

背景技术

从上文提及的应用可知，使用用(例如)奥氏体不锈钢或超级合金(例如INCONEL)(用于高温应用)制成的波纹管，其具有双壁(径向外壁和径向内壁)，每一壁经尺寸设计以独立于另一壁而抵抗设计条件。由(例如)细筛孔金属网织品组成的间隔物插入在两个壁之间，以便确保两个壁之间的径向间隙，使得在内壁或内壁的相关联的纵向焊缝中发生故障的情况下允许波纹管中所含的流体的压力通过，其由位于波纹管本身的无波动的直端上的特别提供的器具(称为轴环)检测。

为了允许测试双壁波纹管，显然轴环的端部缘边(其在使用时将焊接到待经由液压联轴器(其在使用时波纹管形成其一部分)连接的管的各自端部缘边)必须在安装波纹管本身之前流体密封。

明显，用户要求是针对在将波纹管沿圆周焊接到管道系统的阶段之后将泄漏的风险消除或减到最小的密封系统。为此，最需要的密封系统是使用电阻焊接工艺的密封系统。

因此，最经常使用的密封方法在波纹管的壁厚度的作用下，在有或没有填料金属的帮助下专门使用对缘边的手动TIG对接焊接。

然而，尽管保证高水平的可靠性，但以上说明的密封方法不排除将波纹管焊接到待连接的管(称为“波纹管-管焊接”的工艺)之后的泄漏风险，因为在密封阶段期间，就熔接来说，不允许在在基底材料中(在轴向方向上)具有足够深度的缘边上获得焊缝，以在不触发冶金和机械现象的情况下排除后续泄漏，所述冶金和机械现象将不利地影响联轴器的最终特性。

第二，以上描述的已知技术需要大量时间来实行(几个小时)，且需要实行对于可能的泄漏的监视测试。

发明内容

本发明的目的是克服所描述的缺点，提供一种用于以快速且可靠的方式实行双壁波纹管的轴环的缘边的密封的方法和设备，相对于现有的方法和设备其成本减少，且同时即使在距轴环本身的缘边相对较大距离时也允许波纹管的轴环的内壁与外壁的熔接接合，以便获得其中避免了或至少减小在将波纹管焊接到待连接的管之后的操作期间泄漏的可能性的双壁波纹管。

根据本发明，一种密封双壁波纹管的轴环的方法，其中获得由波纹管的第一径向内壁和第二径向外壁的无波动的相应同心端界定的轴环的连续对接密封缘边，作为第一和第二壁的末端的彼此邻近而径向配置的相应缘边上的连续对接焊缝，所述方法的特征在于其包括以下阶段：

- 制备所述第一和第二壁的同心端的缘边，使得在焊接之前其彼此径向隔开预设间隙，

- 用平行于轴环的对称轴而导向的激光束对接焊接所述先前制备的缘边，从而使所述轴环围绕所述轴旋转，以将第一和第二壁的末端的所述缘边的整个周长渐进地暴露于激光束，

- 通过经由径向夹持构件以预设的力同时将所述缘边抵靠彼此按压来实行所述激光焊接阶段，以便在缘边上形成无填料金属且具有预设深度的对接焊缝。

为了体现所述方法，还提供一种用于密封双壁波纹管的轴环的缘边的设备，其包括：在第一侧承载多个辊(其至少一者机动化)的至少一支撑件，其以能够接纳和支撑待密封的轴环的缘边的方式配置，头部在其相对侧处夹持在辊之间；以及用于当所述至少一个机动化辊产生与所述辊相切的轴环的旋转运动时在局部焊接所述缘边的构件，以便将所述缘边的整个周长渐进地暴露于所述焊接构件，所述设备的特征在于：所述焊接构件由支撑件承载在与第一侧相对的第二侧上的激光头部组成，所述支撑件具备与所述激光头部对准的通孔，且特征在于：所述辊中的至少一些以组合形式在径向方向上弹簧加载，所述辊经配置以便在轴环的所述旋转运动期间使所述缘边通过所述通孔前方，且以至少对应于所述孔的预设力夹持轴环的所述缘边。

最后，本发明还关于一种可配备破裂监视的类型的双壁波纹管，其包括波动的中心部分和界定各自的相对圆柱形轴环的无波动的相对端部，所述中心部分和端部由第一和第二管状壁(分别为径向内壁和径向外壁)界定，所述第一和第二管状壁同心地安装且在其间插入间隔物元件，所述轴环由各自的连续对接密封缘边定界于其自身的自由端处，每一者被界定为第一和第二壁的各自相应端的彼此邻近而径向配置的相应缘边上的连续对接焊缝，所述双壁波纹管的特征在于：所述连续焊缝已通过激光对接焊接获得，且第一和第二壁的相应端的所述缘边上没有填料金属，使得其具有在轴向方向上测量的焊缝深度，所述焊缝深度等于第一和第二壁的所述径向邻近端之间存在的径向间隙的至少两倍，且优选地等于至少2.6mm。

明确地说，根据本发明的一个方面，提供一种双壁波纹管，其轴环的至少一者由波纹管的第一径向内壁和第二径向外壁的无波动的相应同心端界定，所述轴环具备连续对接密封缘边，所述连续对接密封缘边是经由以下阶段而获得，作为第一和第二壁的末端的彼此邻近而径向配置的相应缘边上的连续对接焊缝：

- 制备所述第一和第二壁的同心端的缘边，使得在焊接之前其彼此径向隔开预设间隙，

- 用平行于轴环的对称轴而导向的激光束对接焊接先前制备的缘边，从而使所述轴环围绕此轴旋转，以将第一和第二壁的末端的缘边的整个周长渐进地暴露于激光束。

此外，通过经由径向夹持构件以预设的力同时将缘边抵靠彼此按压来实行激光焊接阶段，以便在缘边上形成无填料金属且具有预设深度的对接焊缝，所述预设深度在轴向方向上测量且等于第一和第二壁的径向邻近端处存在的径向间隙的至少两倍。

优选地，实行第一和第二壁的同心端的缘边的制备阶段，使得第二壁的缘边在轴向方向上相对于第一壁的缘边突出0.2与0.4mm之间的长度，且使得缘边之间的预设径向间隙不大于0.3mm，且尤其是沿着这些缘边的整个周长实质上恒定，其还通过在焊接阶段之前实行轴环直径校准阶段来实现。

第一和第二壁的末端的缘边上的预设夹持力在1与3kg之间。

根据本发明的另一个方面，用于体现本发明的密封方法的设备包含：在第一侧承载多个辊(其至少一者机动化)的至少一个支撑件，其以能够接纳和支撑待密封的轴环的缘边的方式配置，头部在其相对侧处夹持在辊之间；以及用于当所述至少一个机动化辊产生与所述辊相切的轴环的旋转运动时在局部对接焊接所述缘边的构件，以便将所述缘边的整个周长渐进地暴露于所述焊接构件。根据本发明，所述焊接构件由承载在支撑件的与第一侧相对的第二侧上的激光头部组成，所述支撑件具备与所述激光头部对准的通孔；所述辊中的至少一些以组合形式在径向方向上弹簧加载，且所述辊经配置以便在轴环的所述旋转运动期间使轴环的缘边通过通孔前方，且以至少对应于所述孔的预设力夹持轴环的缘边。

此孔允许由激光头部产生的激光束在有必要将第一和第二壁的末端的缘边熔接在一起的情况下局部照射轴环的缘边，藉此实现轴环缘边的连续密封。

以此方式，可快速(可以分钟测量，与已知技术的程序所需的以小时测量形成对比)且尤其是完全自动地实现轴环缘边的密封，因此实现非常高的可靠性(不再与操作者的手动能力相关)且同时在内壁和外壁的邻近缘边上实现在轴向方向上测量的令人惊讶地深的焊接深度(相对于当前技术发展水平)，而不会在制造波纹管的壁所用的金属合金中产生任何化学-物理变动。

因此，几乎消除了将经密封波纹管焊接到待连接的管之后的操作中的可能的泄漏。

附图说明

从以下纯粹借助实例且参看附图中的各图式提供的本发明的非限定性实施例的描述中将进一步清楚本发明的目的和优点，附图中：

图1a展示经指定用于为管和/或工业设备装备流体密封的连接联轴器的类型的双壁波纹管的立面纵视图，

图1b展示经制备已对其实行根据本发明的密封方法的图1a中的波纹管的无波动末端或轴环的放大比例截面纵视图，

图2展示实行根据本发明的密封方法之后图1a中的波纹管的轴环的终端截面的更大比例截面纵视图，

图3和4展示用于执行根据本发明的密封方法和根据此方法实行的焊接阶段的设备的沿着迹线平面IV-IV取截面的立面前视图和四分之三侧面透视图，

图5展示本发明的密封方法的另一阶段的透视图，

图6展示图3所示的阶段的示意图，以及

图7到9展示使用不同方法对相同类型的波纹管实行的密封的比较性显微照片。

具体实施方式

参看图1和2，参考标号1整体指示可配备破裂监视(以已知方式，且此处为了简单起见未展示)以用于(例如)液压联轴器中的双壁管状对称波纹管，工业设备(已知，且同样为了简单起见未展示)中的危险流体流动穿过所述液压联轴器。

波纹管1包括(图1a)具备波动5的中心部分4，和界定各自圆柱形连接轴环6的无波动5的相对圆柱形端部，其在使用中经指定以接合到待连接的管道系统的各自相对区段(未图示)；为了简单起见，由于波纹管1是对称的，将描述的内容同样也适用于处于相对端处的轴环6，所以仅展示左手侧轴环6。

中心部分4和形成轴环6的端部两者由第一管状壁10和第二管状壁11(分别为径向内壁和径向外壁)界定，所述第一和第二管状壁同心地安装且在其间插入由例如金属网组成的间隔物元件12。

轴环6定界于其自身的自由相对端处，每一者由各自连续对接密封缘边14界定为分别第一和第二壁10和11的各自相应端19和20的彼此邻近而径向配置的相应缘边16和18的连续对接焊缝15。

根据本发明的一个方面，所述连续焊缝15已通过激光对接焊接获得，且壁10和11的相应端19和20的缘边16和18上没有填料金属，使得其具有在轴向方向上或确切地说平行于波纹管1与相关联轴环6的对称轴A测量的焊缝深度P，所述焊缝深度P等于壁10和11的末端19与20之间存在的径向间隙G1的至少两倍，末端19与20径向邻近但实际上彼此分离间隙G1。

明确地说，根据本发明，由波纹管1的轴环6的密封方法而获得焊缝15，其中每一轴环6的连续对接密封缘边14实际上由末端19和20的彼此邻近而径向配置的相应缘边16和18上的连续对接焊缝界定，所述密封方法包括以下阶段：

- 制备缘边16和18，使得在焊接之前(图1b)其彼此径向分离预设间隙G，以及

- 经由平行于轴A而导向的激光束30(图4)对接焊接先前制备的缘边16和18，同时使轴环6围绕轴A旋转，以便将末端19和20的缘边16和18的全部相应周长渐进地暴露于激光束30。

根据本发明的另一方面，在经由径向夹持构件32同时将缘边16和18对着彼此按压的同时，实行图3和4中详细展示的激光焊接阶段，所述径向夹持构件32在轴环6的壁10和11的缘边16和18上施加预设径向力F，以便实现无填料金属且具有预设深度P的缘边16和18的对接焊接。

明确地说，已通过实验确定，为了在即时结果方面且尤其是在长期可靠性方面均实现最佳焊接结果，在轴A的方向上测量的焊缝深度P必须等于或优选地大于第一壁10和第二壁11的同心端19与20之间存在的径向间隙G1的至少两倍，且明确地说必须等于或大于2.6mm，而刚好在激光焊接阶段之前缘边16与18之间存在的预设径向间隙G必须不大于0.3mm，且尤其是必须实质上恒定。

为此，根据本发明的方法还包含针对形成轴环6的同心端19和20的直径以及壁10与11之间存在的径向间隙G1的校准阶段，所述校准阶段通过如图5中的径向箭头示意展示从内向外抵靠外壁11的末端20径向按压内壁10的末端19来实行(图5)，经由配置在壁10的末端19内部的第一(已知)校准器构件40与配置在波纹管1的第二壁11的末端20外部的第二(已知)校准器构件41协作。出于这个原因，径向间隙G可能不与径向间隙G1相同，且一般来说将稍小于间隙G1，但根据本发明的一个方面，径向间隙G将实质上恒定，同时(明确地说)接近波纹管1的中心部分4的间隙G1可根据所考虑的角位置而变化。

在任何情况下，根据本发明的又一方面，实行缘边16和18的制备阶段，使得波纹管1的径向最外壁11的缘边18在轴向方向上(确切地说沿着轴A)相对于波纹管1的径向最内壁10的缘边16突出0.2与0.4

mm之间的预设绝对距离。类似地，已通过实验确定，在激光焊接阶段期间将施加在轴环6上的预设径向力F必须相对较低且近似在1与3kg之间。

为此，使用由惰轮和/或机动化辊33、34和35组成的径向夹持构件32，所述辊中的至少一些(例如，辊35)在径向方向上弹簧加载。

根据本发明，密封方法还包括用于径向邻近缘边16和18的化学制备阶段，所述化学制备阶段包含用于波纹管1以消除任何残余湿气的至少一干燥阶段，和用于缘边16和18的至少一溶剂喷射清洗阶段。先前描述的校准阶段在用于缘边16和18的化学制备阶段之后实行，使得缘边16和18的化学制备可更加有效。

根据图3和4中详细展示，所描述的通过激光焊接的密封方法是使用用于密封轴环6的缘边16和18的设备36来实行，所述设备36也是本发明的一部分。

设备36包含在第一侧或面38上承载多个辊33、34和35的至少一支撑件37，所述辊的至少一者(在所论及的情况下，为具有比其它辊大的直径的辊33)由安装在支撑件37上的马达50驱动，所述支撑件37还含有/承载对辊33的适当机械传动，这对于所属领域的技术人员来说是显而易见的实施例，且因此出于简单起见未展示。

辊34(优选为惰轮)由支撑件37以径向移动方式与机动化辊33在直径方向上相对而承载，且安装在(例如)可能由简单的弹簧组成的线性致动器51(液压、气动、电、机械等)的末端上，所述线性致动器51又一体式地在径向方向上安装在支撑件37上且能够将辊33和34抵靠彼此径向按压，其中轴环6的壁10和11的缘边16和18在已经描述的具有预设量值的径向力F的作用下夹紧在辊33与34之间。

在所示的非限定性实例中，支撑件37还在其侧38上承载多个惰辊35(在所论及的情况下，为彼此径向相对的两对辊35)，其放置在辊33与34的两侧上，至少辊35在由弹簧55径向承载时在轴环6的内侧上径向起作用。

在任何情况下，辊33、34和35以(在使用中)能够接纳和支撑待密封的轴环6的缘边的方式配置，所述缘边由径向邻近但彼此隔开的缘边16和18界定的此轴环6的自由端组成，所述缘边16和18的头部在其相对侧处夹持在此类辊之间。

设备36还包含用于在局部焊接由头对头邻近放置的缘边16和18界定的轴环缘边的构件60，同时所述至少一个机动化辊33通过在轴环6的外表面上施加摩擦而产生与辊33、34和35相切的轴环6的旋转运动，以便将轴环缘边(确切地说，邻近的缘边16和18)的整个周长渐进地暴露于焊接构件60。

根据本发明，所述焊接构件60由支撑件37承载在支撑件的与第一侧相对的第二侧或面39上的激光头部61组成。支撑件37还具备通孔65，其具有与激光头部61对准的轴，以允许激光头部61产生的激光束30通过支撑件37且到达轴环6上。辊33和34以及径向支在弹簧上的辊35实际上经配置使得在使用中其使由邻近的缘边16和18界定的轴环缘边在轴环6的所述旋转运动期间在通孔65前方移动，且以至少对应于孔65的所述预设力F夹持所述缘边，这在所论及的所示情况下经由致动器51和辊34实现，辊34抵靠轴环6的内部且抵靠机动化辊33而被径向按压，以此方式促进通过摩擦从机动化辊33向轴环6而进行运动的传动。

最后，根据图3所示，孔65优选地定位成相对于辊33和34(其在使用中在缘边16和18上施加径向力F)在圆周方向上稍许偏移，且更明确地说，参考由图3中的箭头指示的轴环6以及辊33和34的旋转方向，相对于直接处于其下游的力F的施加点(辊33和34与圆柱形轴环6之间的切点)而移位。

最后，参看图6，图3中的设备36的可能但非优选的变形36c可包含三个惰辊35，其由径向部分定位在轴环6外部且部分定位在轴环6内部的弹簧55径向承载(如同三角形的顶点)，其中孔65放置在此三角形的中心处，且两个机动化辊33直接定位在辊35的上游和下游且在轴环6内部通过惰辊34而径向相对，这些惰辊34也可能由弹簧55加载或由致动器51承载。

现将经由一实际可行的实例更进一步描述本发明。

实例

已使用不同方法将具有相同尺寸的一系列波纹管1对接密封在轴环缘边上。

1)使用ERW密封：

(电阻焊接)

这是众所周知的技术，市场上可获得用于其实现的许多标准机器。已发现此技术(由申请人进行实验)具有足以抵消快速执行的优点的许多缺点，如下所详述：

- 所获得的焊缝必须在任何情况下经机械修整，从而触发一系列不可控制的缺陷(裂缝)，因为其位置主要在焊核的内侧上，

- 这些缺陷增加在焊接阶段期间形成在表面上以及熔接区中的那些缺陷(裂缝)，其通常是无法补救的，因而导致已处于成品或半成品状态的材料废弃(见图7所示的所获得的焊缝的显微照片)，以及

- 修整引起其它不利方面，例如切割方向可能经历偏差、力趋向于改变轴环的原始形状，以及操作之后所得的表面尤其在镍-铬-铁和/或镍-铬-铁-钼合金上被很大程度地加工硬化(硬度值在500-600维氏以上)。

2)使用激光焊接密封：

先前技术所遭遇的问题已促使申请人实验快速且可自动化的其它焊接技术，例如激光焊接的技术。

2.1)第一实验：

轴环的切线方向密封

使用各种功率额定值和操作速度沿切线方向在轴环上投射激光束，从而使轴环相对于(固定的)激光头部旋转。

以此方式实行的所有焊接测试均失败了，因为不可能保持在轴环的缘边上；此外，在壁之间插入间隔网导致对焊接阶段的干扰。

失败的切线方向焊接的一重要实例展示于图8中的显微照片中。

2.2)第二实验：

轴环的对接密封

在此情况下，通过与先前描述的由申请人特别制备的设备一起工作，所述实验法对于奥氏体不锈钢和对于镍超级合金(例如，INCONEL 625)均是成功的。

从图9所示的显微照片中可注意到，熔接区如何均匀且无缺陷。

小结：通过严格应用先前描述的特定工艺参数而实行的激光对接密封系统确保了令人惊讶的快速执行时间和明显优越于所有其它可能的焊接工艺的质量方面，而且在波纹管组装的其它阶段的功能上也是优越的。

准确地说，考虑最终波纹管-联轴器焊接，从激光密封得到的优点是能够在知晓不会引发由于边界的过分熔接引起的泄漏的情况下进行焊接，因为激光的穿透深度达到至少2.6mm。