使用夹紧压力装置对薄金属板进行无焊接填充材料对接焊接的方法和装置，至少一个压力元件适于施加两个或更多个不同的压力级

摘要

本发明涉及一种用于薄金属板无焊接填充材料线性对接焊接的装置，该装置包括可移动焊接头、承载台(1)、夹紧装置(3)，该夹紧装置(3)具有至少两个彼此独立运行的压力元件(4、5)，并且压力元件(4、5)的至少一个适于施加两个或更多个不同的压力级。还提供辅助水平压力元件(11)，以便向待焊接的金属板加压，使其在变形的同时彼此压紧，直到实现彼此对接的金属板边缘的全面积接触为止。本发明还涉及一种使用这种装置的焊接方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于对薄金属板进行无焊接填充材料线性对接焊接的装置，该装置设有承载台和布置在承载台表面上方并且与其相平行的至少一个夹紧装置，在该夹紧装置下方可定位一个或多个金属板。夹紧装置能够将在竖直方向上的压力施加到在其下方引入的金属板上。根据本发明的焊接装置还包括一个或多个可移动焊头，而夹紧装置提供至少两个压力元件，该两个压力元件彼此独立运作，沿焊接线平行且间隔开地布置，而且可彼此独立地移动，压力元件的至少一个适于施加两个或更多个压力级，辅助水平压力元件至少提供在承载台的侧面上，其中有适于施加多个压力级的压力元件，借助于该压力元件，待焊接的金属板的至少一个在焊接线的方向上受压，且紧压同时经受变形的其它金属板，直到实现彼此对接的金属板边缘的全面积接触。焊头被布置成，它可沿焊接线移动，同时吹洗气体管道在承载台下面并且与焊接线平行地延伸。在另一个方面，本发明涉及一种利用本焊接装置的焊接方法。

背景技术

无焊接填充材料焊接方法被公开在现有技术中，其中对接的半成品借助于对接边缘的熔化和随后的凝固彼此不泄漏地连接，而不用准备任何精心制作的边缘。由于不使用焊接填充材料，甚至不使用包括与半成品相同的材料的焊接填充材料，所以关键是，彼此对接的表面具有无间隙接触。孔隙或间隙带来的后果是，熔化材料在这个区域中不形成任何根部，并因此随着无边缘成形而流出。通常的方法是激光焊接或电子束焊接。在本说明书中，术语“焊接方法”下文应理解成仅指不使用焊接填充材料的方法。

薄金属板的焊接涉及若干问题，因而通常避免通过焊接多个小金属板组装较大金属板。主要问题包括引入的热量太大，以至于周围材料不能足够快地消散它。这导致沿焊缝的局部畸变或甚至使整个金属板变形。在没有适当尺寸的原料金属板可以作为单件材料的情况下，不得不用若干单个件组装成原料金属板，以形成所谓缝制的坯料。这些单个金属板通常借助于剪切切断从连续金属板切下。借助于冲剪等切断方法，随切断长度不同会形成水平拱起约0.2mm至0.4mm的切断边缘，如在DE 42 35 110 C1中描述的那样。这种类型的收缩也在轧制钢带的纵向边缘上观察到。因此通常在焊接之前，如果要生产非常高质量的焊缝，则必须借助于磨削或铣削方法预处理切断边缘。

在DE 42 35 110 C1中，提出借助于适当切削工具再次处理原料金属板的这些弯曲的切断口或外边缘，以便在边缘处保证要求的平直度。在DE 196 24 776 C1中，公开了在线性接头的情况下，通过借助精密剪切机切割金属板、或通过双刃剪切机同时精修待焊接的两个金属板的边缘，以达到要求的线性度。

DE 39 09 620 A1公开了用于对接焊接机械切断金属板边缘的装置和方法。在这种情况下，提出加压使待焊接的板彼此紧贴住，并通过将存在的毛刺整平到间隙中，以闭合可能的残留间隙。在这种情况下，相当数量的毛刺的存在是必需的，而毛刺在切断过程中实际上是应该避免的。此外，毛刺就尺寸而论是比较不确定的，并因此对于均匀间隙闭合仅在有限程度上适用。

在现有技术中公开的方法要求复杂的预处理步骤，以便允许无隙接头闭合。本发明的一个方面是，提供克服现有技术制约的一种焊接装置和一种焊接方法。

在DE 42 35 110 C1中，公开了这一事实，即强力使其彼此紧贴进入焊接位置的非平直带条边缘成为波状的，也就是说在竖直方向上起伏。然而，已惊奇地观察到，如果在焊接前使原料金属板沿焊接边缘被张紧安设并向两个焊接边缘施压使其彼此紧贴的话，可以防止这些竖直畸变，从而矫直焊接边缘中的材料不平度和恢复其线性度。

发明内容

本发明的目的借助于一种用于薄金属板无焊接填充材料线性对接焊接的装置实现，该装置设有承载台和布置在承载台表面上方并且与承载台表面相平行的一个或多个夹紧装置，在该夹紧装置下方可定位一个或多个金属板。夹紧装置能够在竖直方向上将压力施加到在其下方引入的金属板上。焊接装置还包括一个或多个可移动焊头，夹紧装置设有：

—彼此独立运行的、沿焊接线平行地和间隔开布置的、及彼此可单独移动的至少两个压力元件，其中压力元件中的至少一个适于施加两个或更多个不同的压力级，

—至少在承载台的一个侧部上的辅助水平压力元件，其中存在有适于施加多个不同压力级的压力元件，在经受变形的同时借助于该压力元件，待焊接的金属板的至少一个能够在焊接线的方向上受压并紧压另一个金属板；

—用于沿焊接线移动焊头的装置，

—吹洗气管道，该管道在承载台下面并且与焊接线平行地延伸。

由水平压力元件施加的力如此之高，以致使两个金属板的相对对接边缘理想地彼此相互推动，达到全面积接触。由对接边缘的不平度或表面粗糙度生成的可能存在的孔隙或间隙在这种情况下被整平。最大允许残留间隙具有0.05mm的宽度。

在焊接装置的一个实施例中，直接沿焊接线移动的夹紧装置的两个边缘在承载台上方形成具有梯形横截面的焊接通道。优选地形成焊接通道的壁和夹紧装置的连续下侧由导热率特别高和尺寸稳定性很好的材料制成。这样的材料还必须具有对激光束的意外输入的高耐受性。在另一个实施例中，焊接通道的壁和/或吹洗管道被冷却，为此目的，在一个或多个壁中，设有用来循环液体或气体冷却剂的管道。

在焊接装置的另一个实施例中，焊头可沿轨道移动或者借助机械手被引导。由于受压而彼此紧压且被竖直固定的两个焊接边缘没有线性度和平行度，因而在水平压力作用下形成的焊接线在焊接通道中不对准其中心，而是在两侧上偏离理想的中心线。焊头因此优选地以这样一种方式安装，即使焊头能够相对于焊接通道平行和横向地移动。在一个实施例中，焊头被连接到控制单元上，借助于该控制单元，使焊头沿焊接线依次在线性段内移动。优选地焊头被连接到控制和调节装置上，并且在借助技术装置，例如聚焦焊接线的光学探测系统所确定的偏离极限内沿焊接线的路径，激光头的理想位置在焊接操作期间借助于这样的数据是可控制的。

为了金属板在承载台上更容易定位，在焊接装置的一个实施例中承载台设有多个输送元件，使得至少一个金属板在水平平面上的任何理想的方向上可轻易地被移动。输送元件优选地包括一层单个滚珠或压缩空气出口，借助于该压缩空气出口，在至少一个金属板下方可建立能非常容易地输送金属板的压力垫。

用于焊接装置的焊头优选地是被定位在前进元件上的激光焊接设备或电子束焊接设备上，该前进元件允许至少4.5m/min，优选地9m/min的焊接速度。压力元件优选地借助于一个或多个液压缸或气缸驱动。

在另一个方面，本发明涉及一种用于薄金属板的无焊接填充材料线性对接焊接方法，该方法利用根据以上公开实施例之一的装置并且同时或依次包括如下步骤：

a)将第一金属板定位在承载台上，其焊接边缘在公差范围内沿着吹洗管道中心线并与其平行地布置在吹洗管道上方，

b)借助于第一压力元件将第一金属板竖直方向固定在承载台上，

c)将第二金属板定位在承载台上，其焊接边缘位于吹洗管道上方并且紧靠对接第一金属板的焊接边缘，

d)在低压力下借助于第二压力元件将第二金属板竖直预固定在承载台上，

e)借助于至少一个水平压力元件对第二金属板水平加压，使其紧贴第一金属板，

f)借助于第二压力元件将第二金属板竖直固定在承载台上，

g)用保护气体完全或部分清洗吹洗管道，

h)在保护气体气氛下随着焊头的同步移动进行激光焊接，

i)打开夹紧装置并且抽取金属板，

j)返回步骤a)。

在步骤e)中，其中完成对第二金属板水平紧压以前固定的第一金属板，施加的压缩力如此之高，以致使金属板边缘变形，从而导致两个相邻金属板边缘的全面积无缝闭合。

惊奇地观察到，如果在靠近对接边缘的区域中施加足够的水平压缩力，则熔化相(fusion phase)内的松弛足以能沿这个对接边缘释放应力。同时也可观察到，沿对接焊接缝的水平材料压缩导致改进的接缝几何形状。与任何无焊接填充材料焊接方法相关联的蒸发材料的部分在熔化接缝的方向上被金属板的膨胀再次部分地补偿。

在一个实施例中，按指示顺序依次执行步骤a)至j)；在不同实施例中，步骤a)和c)可以相应地与随后步骤b)和d)以相反顺序或者同时实施。同样，在步骤b)中也可将第一金属板预固定到承载台上，并且在步骤f)中，也可将两个金属板都固定到承载台上，优选地是两个金属板的固定同时发生。

金属板的竖直固定在这种情况下取决于水平力和压力元件及其基座所选定的粗糙度。用于金属板的竖直预固定而要选择的压紧力同样取决于压力元件的和基座的表面。必要的是，在对接边缘方向上金属板的水平移动的可能性没有被完全防止。在步骤e)中的水平固定和实现两个焊接边缘的全面积接触所要求的力、以及受控制材料变形和沿对接边缘的材料压缩，基本上取决于金属板的材料和厚度，以及焊接边缘的非线性度。

在焊接试验中，使用具有6kW功率、10.6μm波长及9m/min焊接速度的二氧化碳激光器。使用的金属板材料是镍和钛板。要焊接的钛板的边缘具有1358mm的长度。焊接通道在底部处具有3mm的宽度。

在试验中，焊缝的横向偏差是在各单个测量点确定的，并且将二氧化碳激光器控制成，使得其沿焊接线分段地从测量点运动到测量点。产生的试样符合所有技术要求，并且沿焊缝不可能探测到任何波动。

附图说明

图1至图2表示焊接装置的示范实施例。

具体实施方式

图1至图2表示焊接装置的示范实施例。图1是装置的俯视图。承载台1表示没有待加工的金属板。根据一个实施例，多个输送元件2以各个滚轮的形式表示。不适于在水平方向上移动的夹紧装置3延伸超过承载台1的整个宽度。夹紧装置3包括用于金属板的竖直定位和固定的两个平行压力元件4和5。

在两个压力元件4和5之间的区域形成焊接通道6。夹紧装置3基本上将承载台1划分成两部分。在承载台1的较窄部分上，沿与焊接通道5相平行的承载台边缘布置多个水平压力元件11，由此在其中被引入的金属板能在焊接通道5的方向上被推，并按压固定到承载台1上的另一个金属板，该金属板未示出。水平压力元件11由气缸9驱动。

图2是表示压力元件4和5以及焊接通道6的细节的竖直截面。压力元件4和5包括类似于梁的L形托架7，在该托架7下面布置水平固定鞋形物8。这样的固定鞋形物8借助于布置在L形托架7的水平腿的顶侧上的多个气缸9来被升高或降低。

气缸9驱动两个彼此独立的固定鞋形物8。固定鞋形物8沿焊接通道6设有鞋形物底部10，该鞋形物底部10由热耗散和尺寸稳定性最佳的金属合金制成。固定鞋形物8和鞋形物底部10的面对的前边缘被成形为，以便在承载台1上方呈现梯形横截面。在以这种方式形成的焊接通道6中，流入的保护气体在管道底部的方向上被压缩，并且始终保持过量的保护气体。

在焊接通道6的底部处以及与该底部平行，承载台1中布置有带12，该带12设有槽13，该槽13起用于保护气体在焊接根部处流动用的冲洗管道的作用。在运行期间，待焊接的金属板封闭冲洗管道13，使得只要求比较小体积的保护气体流用于最佳保护气体气氛。

贯穿本说明书的描述和权利要求书，词语“包括(comprise)”和其变形，如“包含”和“包括”，都无意排除其它附加物、元件、整体件或步骤。

文件、动作、材料、装置、物品等的讨论被包括在本说明书中，仅为了为本发明提供上下文的目的，并不暗示或表示这些要素的任一项或全部在本说明书的每个权利要求的优先权日期之前都已构成现有技术的一部分，或者已经是涉及本发明领域的公知常识。