將金屬絲接合成用於製造蜂窩體的纖維網的方法

2023-05-01 04:41:21

專利名稱：將金屬絲接合成用於製造蜂窩體的纖維網的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製造包含金屬絲的纖維網(Vlies)的方法、 一種 用於製造包含至少一個纖維網的蜂窩體的方法、 一種具有許多金屬絲的纖 維網、以及一種由纖維網形成的蜂窩體。
背景技術：
金屬纖維網例如用作固定式和移動式內燃機的排氣的過濾材料。它們 尤其是用於擋住包含在排氣中的顆粒(灰、碳黑等)，其中，這些顆粒至 少部分地被纖維網擋住，並且在採用催化器的情況下被化學轉換。尤其是 在例如車輛、船隻等的移動式內燃機的排氣系統中，由於作用在纖維網上
的高的熱負載和動栽荷，對這種纖維網在耐久性方面提出了特殊的要求， 尤其要求纖維彼此有持久的連接。
這種纖維網的製造例如通過焊接或通過金屬絲之間形成燒結連接來進行。
在製造纖維網時需考慮的是，這些纖維網可能還必須與其它構件接合， 以便最終形成一排氣處理裝置。對此，有時要求賦予纖維網一定的形狀。 但是，所要求的造形受到纖維彼此間形成的連接的妨礙，以致在這種排氣 處理系統的製造方面在成批生產中產生了相當大的困難。因此，要求附加 的具有特殊構型的處理工具，這些工具由於平滑的纖維網的不良的成型性
還另外受到大的磨損。此外，還有這樣的風險，即纖維網不可控制地在不 同的位置裂開，在這種情況下，纖維以後可能會在排氣系統中脫落
發明內容
本發明的目的是，至少部分地緩解結合現有技術描述的技術問題。具 體而言，本發明的目的是提出一種用於金屬纖維網的製造方法，該方法甚 至能簡單地成批生產排氣處理裝置。此外，提出一種用於製造蜂窩體的方 法，其中，為此而釆用了金屬纖維網，該纖維網即使考慮到成批生產也能 進行精確的成形。最後，還提出一種纖維網，用該纖維網可以簡單地製造 蜂窩體和用於排氣處理的裝置。
這些目的由具有權利要求1所述特徵的用於製造纖維網的方法、具有
權利要求6所述特徵的用於製造蜂窩體的方法以及具有權利要求9所述特 徵的纖維網來實現。本發明的其它有利的實施形式在從屬權利要求中描述。 應當指出，在權利要求書中單獨列出的特徵可以以任意的技術上合適的方 式彼此組合，以形成本發明的其它實施形式。
按照本發明的用於製造具有金屬絲的纖維網的方法包括至少下列步
驟
a) 形成具有金屬絲的層；
b )用第 一接合方法在至少 一部分金屬絲之間產生第 一材料接合連
接；
c )用第二接合方法在金屬絲之間產生第二材料接合連接。
"纖維網"尤其是指一種平面結構，其中，形成纖維網的金屬絲可 彼此有序地或無序地布置。例如，纖維網可以是織物、網格結構、編結物、 無序層等。原則上，纖維網還可包含至少一種添加劑，例如其它類型的纖 維網、粉末或類似物，其中這些添加劑最終永久地與纖維網連接。該纖維 網用金屬絲構成，該金屬絲包括耐高溫和耐腐蝕的材料。"金屬絲，，尤其 是一種細長地延伸的元件的名稱，並且尤其還包括絲狀元件、屑狀元件和 類似的元件。金屬絲尤其是包括一種主要包含鋼作為基體材料的材料，其
中優選具有高的鉻含量(例如重量百分比在18°/。 ~ 21%的範圍內)和/或鋁 含量(例如重量百分比至少為4.5%，尤其是至少為5.5%)。原則上也可 以採用鋁化的金屬絲。這些金屬絲優選做成具有在0.1~50mm的範圍內 (尤其是在l~10mm範圍內)的絲長和在0.01~0.1mm的範圍內(尤其
是在0.02~0.05mm的範圍內)的絲徑。這種纖維網的單位面積重量優選 在750 ~ 1500g/nf的範圍內。要生產的纖維網的孔隙度優選在30%至80% 的範圍內，尤其是在45%至60%的範圍內。
按照步驟a)，首先形成具有金屬絲的層。這指的是，按鬆散的結合 彼此並排和/或彼此重疊地布置金屬絲。為此，金屬絲要例如(無序地或定 向地)放置在支承件上，以使金屬絲相互接觸。其中，層要如此形成，直 至達到所要求的層厚、規定的層重和/或所要求的孔隙度。由此，層成為纖 維網的初始部件，此時金屬絲之間還沒有形成材料接合連接。
在步驟b)中，用第一接合方法在至少一部分金屬絲之間產生第一材 料接合連接。此時，第一材料接合連接要這樣實施，以使纖維網能良好地 成形，尤其是還能按螺線形盤繞、按S形纏繞或以類似的方式變形。優選 的是，多數金屬絲，尤其至少80。/。的金屬絲通過第一接合方法已經彼此連 接。進一步優選的是，至少一部分金屬絲與相鄰的金屬絲具有多處第一材 料接合連接，其中這尤其適用於至少40%的金屬絲。相當特別優選的是步 驟b)的執行，其中，金屬絲的材料接合連接只在金屬絲的明顯小於絲長 的部分區域中形成，例如，此第一材料接合連接只在小於絲長20% (尤其 是小於5%)的部分區域中形成。
在第 一材料接合連接的這樣一種實施形式中，只能給出數量比較小或 減少的用於增強纖維網的材料接合連接或連接點，以致一方面保證纖維網 可以輸送甚至可以變形，但是另一方面又避免大部分金屬絲的錨定或固定 不夠的風險。第一接合方法優選地選自與用焊接接合和用釺焊接合有關的 製造方法。原則上，這裡可以用或不用添加物進行加工。
在另一個步驟c)中，可以用第二接合方法在金屬絲之間產生第二材 料接合連接。換句話說，這特別意味著，第一和第二材料接合連接在不同 的位置和不同的時間進行。在第二接合方法中，產生用於進一步加強纖維 網的附加的第二材料接合連接或連接點。尤其是，在步驟b)以後，產生 第一抗彎剛度(在具有20mm的自由彎曲長度的纖維網(寬度50mm ) 彎曲至卯。彎曲角的過程中產生的最大力)，該抗彎剛度明顯小於在進行
完步驟C)以後的第二抗彎剛度，其中第二抗彎剛度優選至少比第一抗彎
剛度大50%,尤其是大100%。由於抗彎剛度的絕對值取決於纖維網的具 體實施形式》故此處只能示例性地(0.3mm的纖維網厚度，0.022mm的絲 徑，85%的孔隙度)給出抗彎剛度的值此處，第一抗彎剛度在600 ~ 1200mN的範圍內，優選小於lOOOmN,而在步驟c)以後得到一至少為 1500mN的第二抗彎剛度。在步驟c)以後，優選所有金屬絲的至少卯％ 具有至少一個第一和/或至少一個第二材料接合連接。
文中提出的方法建議按兩階段產生所要求的纖維網在結構整體性方面 的性能。這就實現了這樣的可能性，即首先使纖維網處於良好的可成形狀 態，然後將其變形成最終的形狀，最後在一後續的接合方法中獲得它的所 要求的剛度。這就允許例如製造結構化的纖維網，這些纖維網最終能在移 動式內燃機的排氣系統中持久地經得起高的動載荷和熱負載。
此外建議，採用焊接法作為第一接合方法來進行步驟b)。非常特別 優選的是，採用電阻焊方法來形成第一材料接合連接。這裡，所謂的輥縫 焊被證明是特別合適的，其中在纖維網的兩側布置至少兩個輥子狀的電極。 通過在電極上施加電壓並使電極與金屬絲接觸，會在金屬絲間形成材料接 合連接。由於焊接法在空間上的作用區域有限，故只在層或纖維網的比較 有限的局部子區域中產生第一材料接合連接。由此，可以有目的地調節所 要求的纖維網性能，以便進一步處理纖維網。
按照本方法的另 一種實施形式建議，採用對纖維網的高溫處理作為第 二接合方法以形成燒結連接，來進行步驟c)。在這種情況下，非常特別 優選的是，纖維網受到一超過800。C尤其是大於IIOO'C的高溫。在這種情
況下，纖維網的環境可以^:成具有真空和/或保護氣氛圍。第二材料接合連
接可特別是通過所謂的燒結頸來表徵，燒結頸通過金屬絲之間的表面擴散 產生。第二材料接合連接通常位於相鄰地固定的金屬絲的接觸區內。
按照方法的另一種實施形式，步驟b)包括形成連接面，因而產生至 少一個各向異性的纖維網性能。性能的"各向異性"實施形式尤其可以理 解為，從纖維網的不同方向看去其性能的表現形式顯著地不同。也就是說，
例如在步驟b)以後纖維網做成在一個方向是不易彎曲的，而在另一個方 向則是容易彎曲的。為了實現這一點，建議形成一連接面。"連接面"是 指第一材料接合連接的各個區域的預先規定的布置。該連接面可以包括第 一材料接合連接的多個彼此按規定布置的區域，以便這些區域形成某種類
區域形成。連接面的明確的構型主要取決於所要求的纖維網的變形類型。
通過連接面的不同的構型，特別是可以使下列纖維網性能各向異性抗彎 剛度，強度，冷變形性能，拉伸強度。
按照本方法的另 一種實施形式，在步驟b )和步驟c )之間進行至少一 個下列步驟
一一輸送纖維網；
一一使纖維網變形；
——給纖維網上塗層。
在輸送纖維網時，例如纖維網與支承件分離地或與支承件一起送至另 一地點。此時，還可以至少部分地對纖維網進行彈性變形、轉動等等。纖 維網的變形包括例如對其打孔、盤繞、扭轉和/或結構化。在纖維網變形時， 優選進行一平面形結構的永久的塑性變形，以例如按照螺線、圓柱體的形 式形成一具有波紋形或鋸齒形等等的複雜的結構。對纖維網上塗層可包括 施加添加劑，其中該添加劑暫時地或永久地固定在纖維網上。暫時上塗層 可例如包括加上粘結劑以固定其它部件或粉末(焊料、過濾材料等)。永 久上塗層的 一個例子是施加具有至少 一種合金元素的添加材料，該添加材 料至少部分地施加在纖維網的表面上，有時同時進行步驟c)。
根據本發明的另 一個方面，提出 一種用於製造具有至少一個纖維網的 蜂窩體的方法，該纖維網具有許多金屬絲，該方法包括至少下列步驟
w)形成一用金屬絲做的層；
x)用第一接合方法在至少一部分金屬絲之間產生笫一材料接合連接；
y)布置至少一個纖維網，以形成蜂窩體；
z)用第二接合方法在金屬絲之間產生第二材料接合連接。
蜂窩體的特徵特別是，它做成具有許多通常基本彼此平行地布置的通 道，該通道至少部分地對於流體是可流通的。這種蜂窩體例如用於從移動 式內燃機的排氣中去除有害物質。蜂窩體例如用作催化活性塗層的載體和/ 或用作顆粒陷阱。為了建造蜂窩體，此處至少設置一具有許多金屬絲的纖
維網。對於金屬絲纖維網的製造(步驟w)和x))的細節，可參閱上面
結合步驟a)和b)作出的說明。
於是，在產生第一材料接合連接之後，就可按照步驟y)進行布置至 少一個纖維網以構造蜂窩體的步驟。這裡，該布置步驟包括例如使纖維網 變形、使纖維網與蜂窩體的其它部件(例如附加的薄板)對齊、使纖維網 安裝在殼體內等等。優選這樣進行步驟y)，以使具有至少一個纖維網的 蜂窩體形成所要求的構型，並且最終在步驟z)中還實現纖維網或蜂窩體 的所要求的疲勞強度或剛度。
此時，特別有利的是，在步驟y)中包括至少一個纖維網與其它金屬 部件的組裝，並且在步驟z)中在至少一部分部件之間也形成材料接合連 接。可以成為蜂窩體的一部分的其它金屬部件例如是一金屬殼體、至少一 個(同樣至少部分地界定通道的)金屬箔和金屬連接元件，這些連接元件 使多個纖維網能彼此連接和/或封閉蜂窩體的至少一部分通道。與步驟y) 有關的特別是指平滑的纖維網和波紋形的金屬箔的交替堆疊，該堆疊最終 盤繞和/或纏繞成一蜂窩體。然後，該由金屬箔和纖維網構成的組件插入一 殼體中，該插入伴隨著一預應力，該預應力使由金屬箔和纖維網構成的組 件暫時可固定。在部件的這種相互布置中，然後在步驟z)中形成第二材 料接合連接。
在此情況下，還有利的是，步驟z)包括在真空條件下在超過800。C的 高溫時的釺焊過程(具體為所謂的"硬釺焊，，)。這裡有利的是，至少部 件的部分區域設有焊料，該焊料在至少 一部分部件之間形成進一步的材料 接合連接。由此，在步驟z)中， 一方面通過在金屬絲間形成第二材料接 合連接來加強纖維網，同時在各個部件之間產生連接。此處描述的硬釺焊 過程優選在超過1000。C的溫度下進行。採用這一工藝步驟還改善了連接的
品質或強度。
根據本發明的另一個方面，提出一種具有許多金屬絲的纖維網，其中， 一部分金屬絲按照連接面彼此以材料接合連接來連接，以使纖維網至少具 有各向異性的纖維網性能。關於各向異性，可參閱前面'的說明。至少一個
纖維網性能至少包括下列纖維網性能之一抗彎剛度，強度，冷變形性能， 拉伸強度。
文中的出發點特別是金屬絲彼此無序地布置。原則上，纖維網也可以 用定向的或有序的金屬絲形成，以使例如通過它們的布置就已經產生各向 異性。此處，優選採用由金屬絲彼此無序的布置形成的纖維網，各向異性 通過特殊構型的第 一材料接合連接產生。然後特別是按照前面的本發明描 述的方法來製造纖維網。
此外提出一包括許多通道的蜂窩體，其中，通道至少部分地由前面所 述類型的纖維網形成。此時，單獨的纖維網優選用於界定多個通道。在蜂 窩體的螺線形結構中，甚至可以用一單獨的纖維網在一部分位置部分地界 定所有通道。
現在還提出 一種包括至少 一個按照本發明類型的纖維網的用於排氣處 理的裝置，至少一個按照本發明的方法製造的纖維網或至少一個上述類型 的蜂窩體。該裝置至少部分地能被待淨化的排氣流過，其中固體顆粒至少 部分地聚集在纖維網中或在其上。該裝置優選設計成過濾器或顆粒陷阱。
因此，特別有利的是，包含內燃機的車輛與至少一個上述類型的裝置 組合。車輛優選是指栽重汽車或轎車，其中該裝置集成在這些車輛的排氣 系統中。內燃才幾例如為柴油才幾或汽油才幾。


下面將參考附圖較詳細地說明本發明和技術背景。附圖還示出本發明 的特別優選的實施例，但本發明並不限於這些實施例。附圖是示意性的， 通常不用於示出比例。圖中表示
圖1示出纖維網的第一實施方案的透視圖2示出圖1的纖維網的詳細視圖3示出纖維網的第一製造方案的流程；
圖4示出具有纖維網的蜂窩體的詳細視圖5示出具有纖維網的蜂窩體的另一實施方案；以及
圖6示出一具有用於排氣處理的裝置的汽車。
具體實施例方式
圖1示意地和透視地示出一纖維網1，該纖維網由許多金屬絲2構成。 該纖維網1具有共同形成一連接面6的第一材料接合連接4。在所示的實 施方案中， 一部分第一材料接合連接4作為平行線尤其是焊縫做出，其中 此連接面6與其它的第一材料接合連接4的"鋸齒，，狀構型交叉。在尚未 產生第二材料接合連接的情況下，纖維網l具有各向異性的纖維網性能。 該各向異性特別是沿纖維網厚度17的方向(方向Z)或在平面中(方向X 和方向Y)設計得不同。非常特別優選的是，在X和Y方向形成各向異性， 以使纖維網1例如做成沿方向X可以彎曲，而沿方向Y是抗彎曲的。所示 的焊縫可具有不超過100mm的寬度，此時，相鄰焊縫之間的距離可做成 小於焊縫的寬度。焊縫一詞用於描述尤其是與在焊接過程之前和之後的層 或纖維網相比較具有增多的材料接合連接的區域。
圖2現在示出在已經形成第二材料接合連接5時圖l的纖維網的細節。 第二材料接合連接5優選做成燒結連接，這些燒結連接在金屬絲2的接觸 區中形成。此時，金屬絲2有利地具有在l 10mm的範圍內的絲長16和 在0.02 0.05mm的範圍內的絲徑15。由於金屬絲2彼此無序的布置，形 成孔隙18，這些孔隙使纖維網1的氣體可通過性成為可能。纖維網的孔隙 度例如在45% ~ 60%的範圍內。在形成第一材料接合連接4和第二物材料 接合連接5之後，原來存在的各向異性大大減小並且不再重要。原則上， 此時應當指出，纖維網性能涉及的是實際的纖維網，而不是其與其它影響 剛度的部件的組合。
圖3示出用於製造纖維網1的方法的一種實施方案。這裡，藉助一分
配器19將金屬絲2放在一支承件35 (有時做成輸送帶)上，以形成一具 有金屬絲2的層3。如果層3的成份達到要求，則在另一步驟中藉助第一 接合方法為金屬絲2的鬆散組合配設第一材料接合連接，以便產生一纖維 網1。在所示的實施方案中，接合方法藉助焊接設備20實施，其中概況圖 示出了輥縫焊接過程(電阻焊)。在纖維網l做成具有各向異性的纖維網 性能以後，在最後在另一個方法步驟(在圖3中在右面示出)中產生第二 材料接合連接5之前，可進行不同的其它的用於製造例如一蜂窩體的方法 步驟。在圖中，第二材料接合連接藉助一爐子21完成，在該爐子中存在例 如超過IOOO'C的溫度，此時在金屬絲2之間形成燒結連接。
圖4示出具有纖維網1的蜂窩體7的實施方案。蜂窩體7有許多排氣 可以沿流動方向23流過的通道ll。通道ll一方面被纖維網l界定，另一 方面被金屬箔9界定。金屬箔9做成具有波峰25和波谷26的結構。為了 影響排氣或包含在排氣中的顆粒22的流動方向23,設有流動影響裝置24， 它們伸入通道ll的內部區域中。由此， 一部分排氣轉向纖維網1,此時， 顆粒22聚集在纖維網1的金屬絲2上。
圖5中示出作為所謂的"壁流式過濾器"的蜂窩體7的構型。此蜂窩 體7同樣有許多通道11，其中通道在交替的側部封閉。通道ll又至少部 分地由纖維網1形成，其中排氣可以沿流動方向23進入蜂窩體7的內部區 域中，並且由於在端面側36放置連接元件10，排氣被強迫全部穿過纖維 網1。此處，為了避免堵塞，可以在纖維網1中設置孔27，當纖維網l由 於大量的聚集顆粒而對排氣形成過高的流動阻力時，該孔就成為一種類型 的旁路。此蜂窩體7布置在一金屬殼體8中，並且優選與其釺焊在一起。
最後，圖6示出纖維網l或蜂窩體7的一個優選用途。所示的是一具 有內燃機14的汽車13。內燃機14產生排氣，該排氣藉助所示的排氣系統 29至少部分地被淨化。為此，排氣首先流過一初級催化器28。接著，排氣 流過一氧化催化器30和一用於處理排氣的裝置12，這裡該裝置^:成顆粒 陷阱31。氧化催化器30與顆粒陷阱31的組合使之能通過提供氮氧化物而 使顆粒陷阱31連續再生，以致有時可以省去加熱再生，即燒掉炭黑成份。
接著，在離開排氣系統29之前，排氣流向消聲器32。
附圖標記列表
1、 纖維網；
2、 金屬絲；
3、 層；
4、 第一連接；
5、 第二連接；
6、 連接面；
7、 蜂窩體；
8、 殼體；
9、 金屬箔；
10、 連接元件；
11、 通道；
12、 裝置；
13、 汽車；
14、 內燃衝/U;
15、 絲徑；
16、 絲長；
17、 纖維網厚度；
18、 孔隙；
19、 分配器；
20、 焊接設備；
21、 爐子；
22、 顆粒；
23、 流動方向；
24、 流動影響裝置;
25、 波峰；
26、 波谷；
27、 孔；
28、 前置催化器;
29、 排氣系統；
30、 氧化催化器;
31、 顆粒陷阱；
32、 消聲器；
33、 寬度；
34、 3巨離;
35、 支承件；
36、 端面側
權利要求
1.一種用於製造包含金屬絲(2)的纖維網(1)的方法，包括至少下列步驟a)形成具有金屬絲(2)的層(3)；b)用第一接合方法在至少一部分金屬絲(2)之間產生第一材料接合連接(4)；c)用第二接合方法在金屬絲(2)之間產生第二材料接合連接(5)。
2. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，採用焊接方法作為第一 接合方法，來執行步驟b)。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，採用對纖維網(1) 的高溫處理作為第二接合方法以形成燒結連接，來執行步驟c)。
4. 如上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，步驟b)包括形 成連接面(6),使得產生至少一個各向異性的纖維網性能。
5. 如上述權利要求之一所述的方法，其特徵在於，在步驟b)和步 驟c)之間執行至少一個下列步驟— 一輸送纖維網(1), 一一使纖維網(1)變形， ——給纖維網(1)上塗層。
6. —種用於製造包含至少一個纖維網(1)的蜂窩體(7)的方法， 所述纖維網具有許多金屬絲(2),所述方法包括至少下列步驟w)形成由金屬絲(2)製成的層(3);x)用第一接合方法在至少一部分金屬絲(2)之間產生第一材料接合 連接(4 );y)布置至少一個纖維網(1)以形成蜂窩體(7);z)用第二接合方法在金屬絲(2)之間產生第二材料接合連接(5)。
7. 如權利要求6所述的方法，其特徵在於，步驟y)包括組裝至少 一個纖維網(1)與其它金屬部件(8, 9, 10)，並且在步驟z)中在至少一部分部件(i， 8, 9， 10)之間形成材料接合連接。
8. 如權利要求6或7所述的方法，其特徵在於，步驟z)包括在超 過800 °C的高溫和真空的條件下執行釺焊過程。
9. 一種具有許多金屬絲(2)的纖維網(1),其中， 一部分金屬絲 (2)按照連接面(6)以材料接合連接來相互連接，使得纖維網(1)具有至少 一個各向異性的纖維網性能。
10. 如權利要求9所述的纖維網(1)，其特徵在於，金屬絲(2)彼 此無序地布置。
11. 一種包括許多通道(11)的蜂窩體(7),其中，通道(11)至 少部分地用如權利要求9或IO所述的纖維網(1)形成。
12. —種用於處理排氣的裝置(12)，包括至少一個如權利要求9或 10所述的纖維網(1)、至少一個按照如權利要求1至8中任一項所述的 方法製造的纖維網(1)、或至少一個如權利要求ll所述的蜂窩體(7)。
13. —種汽車(13)，包括與至少一個如權利要求12的裝置(12) 組合的內燃機(14)。
全文摘要
用於製造包含金屬絲(2)的纖維網(1)的方法包括至少下列步驟a)形成具有金屬絲(2)的層(3)；b)用第一接合方法在至少一部分金屬絲(2)之間產生第一材料接合連接(4)；c)用第二接合方法在金屬絲(2)之間產生第二材料接合連接(5)。此外，說明了相應的纖維網和例如在機動車輛的排氣處理裝置中的有利的應用可能性。
文檔編號D04H3/02GK101175600SQ200680017057
公開日2008年5月7日 申請日期2006年5月12日 優先權日2005年5月17日
發明者P·希爾特, R·布呂科 申請人:排放技術有限公司