焊接罩、包括该焊接罩的焊接设备以及利用焊接罩焊接第一和第二焊接元件的方法

摘要

本发明涉及一种焊接罩、包括该焊接罩的焊接设备(10)以及焊接方法。所述设备(10)具有适于接收并保持相应的第一焊接元件(16)和第二焊接元件(18)的、对置的第一工具面(12)和第二工具面(14)。所述焊接罩包括壳体(22)，该壳体允许所述焊接元件(16、18)之间的相对移动以及所述焊接元件(16、18)中至少一个的外形尺寸的变化。所述焊接罩还包括用于相对于所述焊接设备(10)定位所述壳体(22)的定位装置，并包括加热手段(20)。

说明书

技术领域

本发明涉及焊接设备的改进，尤其涉及提供提高的焊接冷却速率。

背景技术

在传统的摩擦焊设备中，待焊接在一起的两个部件被保持成其可焊接表面相面对。这两个部件之间的摩擦运动产生热，从而使其中一个部件或二者软化；这一加热可通过线性摩擦、往复角动、旋转运动(包括惯性运动和轨道运动)或者任何其它公知方法进行。继续将部件锻造在一起，从而能够在软化的面之间形成焊接。所形成的焊接部件在设备内或者在去除并转移到储存区或其它设备期间快速冷却。该方法的一个缺陷在于，焊接部件由于暴露于环境条件中以及该部件、保持该部件的工具和/或设备的吸热效果而很快冷却。该冷却是不可控的，并且在紧随焊接之后为大约100℃每秒的速率，并且对于薄接头有可能达到1000℃每秒。

传统的摩擦焊设备提供的快速冷却的另一缺陷在于，在焊缝及周围材料内形成不期望的微观结构。例如，钢焊接元件在快速冷却期间在焊接区内形成有可能硬而脆的马氏体。这些区域在冷却期间可能会引起淬火裂纹，并且在任意情况下会增大成品部件的脆性，从而引起寿命缩短。而且，按以上详述的速率快速冷却不允许在焊接区内形成任何贝氏体相。焊接部件中包含贝氏体会降低在该位置开裂的风险。不受控的冷却导致不受控地形成马氏体，形成很少的贝氏体或不形成贝氏体，这意味着该部件的材料特性未被优化。其它金属及其合金(例如，钛和镍)在快速冷却期间类似地形成相分布。

传统的摩擦焊设备的再一缺陷在于，焊接操作之后的快速冷却意味着用于随后的焊后热处理(PWHT)的残余热量很少或没有。因此，由于在焊接操作之间很多热量损失给周围环境以及工具或设备，因而需要大量能量来进行焊接以及随后的热处理操作。

待焊接部件的预热是有利的，能够对冷却速率和焊接部件的微观结构进行一定程度的控制，并能减少进行随后的焊接所需的能量，并且/或者能够焊接更大的表面积。一种传统预热方法是在上述焊接步骤之前，将热探头插在待焊接部件的表面之间。这会局部加热所述表面。撤出探头，并快速将焊接元件压在一起而形成焊缝。该加热方法的一个缺陷在于，焊接元件表面暴露于环境条件中，因此即使在去除探头并使表面合在一起的很短时间内也会快速冷却。因此，焊缝可能不均匀并包括不良焊接区域。

该预热方法的另一缺陷在于将不相似的金属焊接在一起时所经历的困难。当如以上所述用热探头加热焊接元件时，较软金属会比较硬金属更快软化。因此，更多材料会从较软元件移位或“对接”，因而这两个元件的长度将会不对等地减少。

可以对焊接部件应用焊后热处理(PWHT)以优化部件的微观结构及性质，并释放残余应力。这涉及在PWHT发生之前将部件转移至第二设备。该转移使部件暴露于环境条件中，结果会引起上述的快速冷却。这意味着任何PWHT在其试图逆转快速冷却的影响时具有有限的益处。

发明内容

本发明力求提供解决上述问题的焊接设备。

因此，本发明提供了一种用于焊接设备的焊接罩，该焊接罩包括：壳体，该壳体适应焊接元件之间的相对移动以及所述焊接元件中至少一个的外形尺寸的变化；用于相对于所述焊接设备定位所述壳体的定位装置；以及加热手段。

优选的是，所述壳体形成为手风琴状，以适应所述焊接元件之间的相对移动以及所述焊接元件中至少一个的外形尺寸的变化。可替代地，所述壳体可形成为伸缩式段，以适应所述焊接元件之间的相对移动以及所述焊接元件中至少一个的外形尺寸的变化。

优选的是，所述焊接罩容纳有惰性气体，尤其是氩气。

优选的是，所述加热手段包括多个轴向隔开的加热元件。更优选的是，所述加热元件形成围绕所述焊接元件的至少一个环形阵列。通常所述加热元件为感应加热器。可替代地，所述加热手段为热惰性气体，优选为氩气。

优选的是，在所述焊接罩内设置绝缘装置，该绝缘装置与所述设备的第一面和第二面中的至少一个相邻。

优选的是，设置有焊瘤剪切装置。更优选的是，所述焊瘤剪切装置为与所述焊接元件同心定位的剪，并适于在所述焊接罩的至少一部分长度上与所述焊接元件平行地移动。通常，所述剪在不使用时在所述焊接罩内定位成与所述设备的第一面和第二面中的至少一个相邻。

本发明的第二方面提供一种焊接设备，该焊接设备包括具有轴向隔开的对置的第一面和第二面的工具，所述第一面和第二面适于接收并操作地保持相应的焊接元件；该设备还包括焊接罩，该焊接罩包括在所述第一工具面与第二工具面之间延伸并限定该焊接罩的范围的壳体，所述焊接罩包括加热手段并且所述壳体适应所述焊接元件之间的相对移动以及所述焊接元件中至少一个的外形尺寸的变化。

优选的是，所述壳体形成为手风琴状，以适应所述焊接元件之间的相对移动以及所述焊接元件中至少一个的外形尺寸的变化。可替代地，所述壳体可形成为伸缩式段，以适应所述焊接元件之间的相对移动以及所述焊接元件中至少一个的外形尺寸的变化。

优选的是，所述焊接罩容纳有惰性气体，尤其是氩气。

优选的是，所述加热手段包括多个轴向隔开的加热元件。更优选的是，所述加热元件形成围绕所述焊接元件的至少一个环形阵列。通常所述加热元件为感应加热器。可替代地，所述加热手段为热惰性气体。优选的是，所述热惰性气体为氩气。

优选的是，在所述焊接罩内设置绝缘装置，该绝缘装置与所述设备的第一面和第二面中的至少一个相邻。可替代地，与所述工具的第一面和第二面相邻地设置绝缘装置。

优选的是，设置有焊瘤剪切装置。更优选的是，所述焊瘤剪切装置为与所述焊接元件同心定位的剪，并适于在所述焊接罩的至少一部分长度上与所述焊接元件平行地移动。通常，所述剪在不使用时在所述焊接罩内定位成与所述设备的第一面和第二面中的至少一个相邻。

本发明的第三方面提供一种焊接第一焊接元件和第二焊接元件的方法，该方法包括以下步骤：

(a)将所述焊接元件装载至焊接设备内；

(b)将所述焊接元件封装在焊接罩内，该焊接罩包括适应所述焊接元件之间的相对移动以及所述焊接元件中至少一个的外形尺寸变化的壳体；

(c)预热所述焊接元件；

(d)焊接所述焊接元件；

(e)控制所述焊接罩内的所形成的焊接部件的热分布；以及

(f)从所述焊接罩去除所述焊接部件。

可在步骤e之前或步骤e期间从所述焊接设备去除所述焊接部件。可替代地，可在步骤f期间或步骤f之后从所述焊接设备去除所述焊接部件。

附图说明

将参照附图以示例方式更充分地描述本发明，在附图中：

图1是根据本发明的摩擦焊设备的第一实施例的剖视图；

图2是根据本发明的摩擦焊设备的第二实施例的剖视图；

图3是焊接之后的摩擦焊设备的第二实施例的剖视图，其中包括焊瘤剪切装置；

图4是包括两个可替代绝缘装置的摩擦焊设备的第一实施例的剖视图。

具体实施方式

图1中示出了本发明的示例性实施例，其中摩擦焊设备10包括具有第一面12的第一工具部件11以及具有第二面14的对置的第二工具部件13。第一焊接元件16和第二焊接元件18被接收并保持在相应的第一工具面12和第二工具面14中。焊接元件16、18在焊接罩15内朝向彼此延伸。壳体22在工具面12、14之间延伸并进一步限定焊接罩15。壳体22形成为具有平行于轴线A的可变长度的环形手风琴状。轴线A为用于旋转摩擦焊的旋转轴线，穿过焊接元件16、18的中心并垂直于其对置面。

壳体22的一个轴向端21固定至第一工具面12，使得其相对于第一焊接元件16以及第一工具面12定位。可在壳体22的第一轴向端21和/或在设备10上设置合适的定位装置(未示出)，例如本领域公知的定位装置以实现该相对定位。通常，第一工具部件11为设备10的不旋转部分。壳体22的轴向相对的第二端23抵接于第二工具面14。可设置定位装置25以保持壳体22距第二焊接元件18的径向距离，并且还用作支承件以允许第二工具面14与壳体22的相对径向移动。可在壳体22的轴向端21、23中的一个或两个上和工具面12、14上设置合适的密封装置(未示出)，使得焊接罩15基本气密或在使用惰性气体的情况下允许惰性气体的受控泄漏。可利用惰性气氛来减少或基本防止氧化和焊接部件中包含氮，并因此降低制造期间的废品率。

在优选实施例中，摩擦焊设备10适用于旋转摩擦焊，并因此至少第二工具面14的适于接收并保持第二焊接元件18的那部分围绕轴线A旋转，以赋予使焊接元件16、18中的至少之一软化或熔化所需的旋转运动。在这种情况下，壳体22的第二轴向端23抵接于第二工具面14，使得在焊接操作期间在旋转面14与不妨碍相对旋转运动的不旋转壳体22之间提供气密密封。因此，壳体22的第二轴向端23可与第二工具面14分离，以便提供对焊接罩15的入口。由于多种原因可能需要如此，这些原因包括但不限于：将焊接元件16、18装载到工具部件11、13中；在焊接之后去除焊接部件29；以及在焊接罩15内进行维护活动。而且，焊接罩15的两端可以都是可从相应的工具面12、14拆卸的，使得可将焊接部件29从焊接设备10去除并可继续加热或以受控速率冷却。这在以下情况下尤其有利，即焊接部件29需要长的受控冷却期间，而在继续进行受控冷却的同时焊接设备10可用于随后的操作，并且需要时附接另一焊接罩15。

在由工具面12、14以及壳体22限定的焊接罩15内设置加热元件20。在图1中所示的示例中，这些加热元件20采用穿过焊接罩15轴向间隔开的六个点热源环形阵列的形式。然而，也可具有不同数量的点热源环形阵列。在其它实施例中，加热元件20可采用热发生器例如感应加热器的圆环的形式。可替代地，加热元件可以为热惰性气体源，以提供氩气之类的热惰性气体。优选的是，加热元件20分别受控或以离散组受控，以在焊接罩15内的各种轴向位置提供区别加热。如果焊接元件16、18为不同材料(例如，合金720和IN718)，则这尤其有利。因而，可优先将较硬材料(合金720)加热至较高温度，或者加热较长时间，使得在焊接操作期间对每个元件16、18造成的相对对接均等。

图2中示出了本发明的第二实施例，其中摩擦焊设备10、第一和第二工具部件11和13、第一和第二工具面12和14、焊接罩15、第一和第二焊接元件16和18、加热元件20、定位装置25以及轴线A与第一实施例中所述相同。图2中示出了伸缩式壳体24的两种布置。在图2顶部的第一种布置中，壳体24a包括伸缩式段，从左向右看时连续的段相对于前一段具有减小的半径。在图2底部的第二种布置中，壳体24b包括伸缩式段，各段具有两个半径之一，并且连续的段在这些半径之间交替。在段之间设置绝缘、密封或连接装置(未示出)，以保持所需要的特性。

传统摩擦焊设备设计成提供小的“突出”，即每个焊接元件从工具面伸出的量。这是为了使每个焊接元件以最少量暴露于相对较冷的周围空气中。仅为了清晰起见，附图示出了比实际中所预期的更显著的“突出”。

本发明通过设置焊接罩15解决了该问题。本发明的焊接罩15以及结合了该焊接罩15的摩擦焊设备10能够适应焊接元件16、18的大的“突出”，这使工具11、13远离焊接部件29的在焊接过程中受热影响的部分。这有益于工具11、13的寿命。由于加热被容纳在焊接罩15内而不是消散至周围大气及工具11、13，因而这还提供了更有效的焊接过程。

而且，部分限定焊接罩15的壳体22、24a、24b的性质和形式提供了附加的优点。图1中示出的手风琴式壳体22以及图2中所示的伸缩式壳体24a、24b都能够改变以适应焊接元件16、18的外形尺寸(在本示例中为轴向长度)的变化。这使得焊接罩15能够在防止焊接元件16、18受到焊接罩15外的环境空气的冷却效应的同时，在焊接操作期间改变轴向长度。因此，可将较大直径的元件16、18焊接在一起，这是因为焊接罩15能够适应与焊接元件16、18相比焊接部件29的轴向长度的显著减小，该显著减小是由材料转移至焊接元件16、18中的一个或者更优选地转移至二者引起的。焊接罩15足够坚固，并定位成径向距焊接元件16、18足够远，使得无论是在其未压缩状态还是在其压缩状态下，焊接火花或焊瘤撞击都不会造成破坏。这还意味着焊接罩15能够适应焊接元件16、18之间的相对移动(例如大致垂直于轴线A的相对移动)。

图3以示例方式示出了焊接元件16、18焊接之后焊接罩15的第二实施例；第一实施例同样有利于这里所述的焊瘤剪切装置。伸缩式壳体段24b很好地叠置以适应由焊接操作引起的长度缩短。第一焊接元件16与第二焊接元件18之间产生的焊缝26被焊瘤或对接部28包围，焊瘤或对接部28是在通过使焊接元件16、18之间进行摩擦运动而加热元件16、18的步骤以及将元件16、18压在一起而形成焊缝26的步骤期间从焊接元件16、18移位的材料。在该示例中为同心剪的焊瘤剪切装置30设置在设备10的第一工具面12附近。一旦形成焊缝26，但是在明显冷却之前，剪30沿着焊接部件29移动至少足够远，以从焊缝26切除焊瘤28。由于焊接元件是热的并具有延展性(因加热和焊接操作而导致)，因此切除焊瘤28时对焊缝26、焊接部件29的周围区域或剪30只有很小的阻力或应力。在焊瘤剪切操作之后，使剪30返回与第一工具面12相邻的静止位置。

在可替代实施例中，可设置两个剪30，一个剪与设备10的每个工具面12、14相邻。在操作中，这些剪可在焊缝26处相遇，以实现焊瘤28的切除。可替代地，剪30中的第一剪可穿越焊接部件29的至少一部分长度移动以切除焊瘤28并返回其静止位置。接着，剪30中的第二剪可穿越焊接部件29的至少一部分长度移动以切除任何残余焊瘤28或者清理焊缝26周围的区域。在该可替代布置中，与焊接部件29的半径相比，剪30可布置在距轴线A的不同半径处，从而利用剪30中的第一剪提供粗剪，由剪30中的第二剪提供精剪。

图4以示例方式示出了用于设备10(使用了壳体22的第一实施例)的工具11、13的绝缘件的两个实施例。伸缩式段24a、24b同样有利于这里所述的绝缘装置。图4的左侧示出了第一绝缘布置32。绝缘件32位于焊接罩15的径向内侧并与设备10的第一工具面12相邻。绝缘件32内设有孔，以允许焊接元件16被接收在第一工具面12中。绝缘件32可以是本领域中公知的任何合适的绝缘装置，包括但不限于玻璃纤维、热反射箔、陶瓷及石棉。

图4的右侧示出了第二绝缘布置34。绝缘件34形成设备10的第二工具面14。绝缘件34可作为薄层与工具面14形成为一体，或者可形成大致整个工具部件13。可替代地，绝缘件34可以是通过结合、鸠尾接头之类的机械装置、或者通过喷射到工具面14的表面上而附接至工具面14的绝缘材料层。该绝缘件的最佳形式及其施加方法取决于要进行的焊接操作。

绝缘件32、34的设置通过减少焊接操作与热处理操作之间的热损失而提高了摩擦焊设备10的效率。因而，在一定时期内的第一次焊接操作需要从周围环境获得足够的能量以加热焊接元件16、18。然而，绝缘件32、34确保在具有残余热量的焊接罩15中进行热处理操作，从而需要相对较少的热量。

因此，前述焊接罩15以及包括焊接罩15的摩擦焊设备10用于以减少的能量需求进行焊接，或者用于与以前可能的相比需要更多能量预算的焊接操作。

焊接罩15还用于焊接部件29的PWHT以及受控冷却。由于任何合适构造的壳体使焊接部件29与周围环境空气隔绝，因而与传统焊接设备布置相比可实现更慢的冷却速率。这通常比不具有焊接罩15的情况慢一个数量级。优选的是，壳体由绝缘材料形成，使得冷却速率进一步得以控制。而且，在焊接操作结束之后可应用加热元件20中的一些或全部来辅助控制冷却速率。这具有附加优点，即可沿焊接部件29的轴向长度施加区别冷却，并借此确保与先前的焊接设备布置相比可对焊接部件29的材料性质进行大得多的控制。可将加热元件20连接至反馈控制环，该反馈控制环包括在焊接罩15内或者在任何其它合适位置的传感器，以动态地改变所提供的加热。这具有进一步的益处，即可将焊后热处理指向焊接区，而不会全局性地施加至整个焊接部件29。这会是更经济的方法，并且可对焊接部件29的微观结构及性质提供更好的控制。加热元件20提供充分的灵活性，使得可通过在位于同一设备10内的同一焊接罩15中焊接相似的焊接元件16、18并在预热、焊接和焊后阶段采用不同加热策略，而产生具有不同材料性质的焊接部件29。

本领域技术人员将会清楚本发明范围内的修改。例如，不仅可将棒焊接在一起，而且也可将管及更复杂的几何体焊接在一起，例如将叶片焊接至燃气轮机用的盘。第一实施例中的加热元件20示出为处于焊接罩15的最远可能径向范围处。然而，它们同样可定位成径向更靠近焊接元件16、18(这在某些情况下是优选的)。可具有更多或更少的环形阵列或环、这些环形阵列或环无需对称地定位。可替代地，加热元件20可具有围绕焊接元件16、18并在焊接罩15内的螺线或螺旋形式。加热元件20可附加地或可替代地设置在焊接罩15的径向外侧。

尽管所述壳体示出并描述为包括呈手风琴式壳体22或伸缩式壳体24a、24b的布置，但是本领域技术人员应理解，可用其它形状的壳体取代以获得本发明的优点。例如，所述壳体可包括在工具面12、14之间伸展以包围焊接元件16、18的弹性材料。由于焊接部件29比焊接元件16、18的相加长度短，所述弹性材料朝其自然长度松弛以适应轴向长度的缩短。可替代地，所述壳体可包括表现出所期望特性的任何合适的材料或形式。

尽管已结合合适的旋转摩擦焊设备10描述了焊接罩15，然而本领域技术人员会清楚，焊接罩15可在初始制造期间或者通过后续改造而装配至任何焊接设备，从而获得本发明的优点。焊接设备可包括适用于通过线性运动、往复角动、惯性运动进行的摩擦焊或者本领域公知的任何其它形式的焊接(例如闪光焊或电阻对接焊)的设备。焊接罩15适应由这些焊接方法中的任何方法所引起的焊接元件16、18之间的相对移动，并且还适应焊接元件16、18中至少一个的外形尺寸的变化，这通常是在基本垂直于焊接元件16、18之间的焊接界面的方向上的外形尺寸的减小。