焊接設備和方法

2023-11-03 23:38:22 2

專利名稱：焊接設備和方法
技術領域：
本發明一般地涉及焊接設備和方法，以及更具體地涉及形成焊接接頭以及引發在形成焊接接頭過程中的自擴展放熱反應用的設備和方法。
2.相關技術的說明放熱焊接已成為公認的一種形成優質高載流量、低電阻接頭的優選的方法。
放熱焊接接頭不受熱環境條件的影響，這些條件能夠引起機械的和壓縮的接頭變成鬆動和腐蝕的。它們的耐久性和長壽命也是公認的。部件或導體熔化到一起的過程提供一個分子接合，並帶有一個載流能力與導體相等。這種接頭廣泛地使用用於接地系統，能使此系統作為帶有低電阻的一個連續的導體工作。
自擴展放熱反應用於放熱焊接的實例可參見以下過程CADWELDprocess和Thermitprocess。CADWELD是EricoInternational Corporation，Solon，Ohio，U.S.A，公司的商標，以及Thermit是Th.Goldschmidt AG，Essex，Germany公司的商標。放熱混合物基本上是一種還原金屬和通常一種過渡金屬氧化物的一個組合。一個實例是鋁和氧化銅，它在點火時供給充足的熱量以便在混合物內部擴展和保持一個反應。它通常是熔融的金屬產物或反應的熱隨後用於產生一個希望的結果。CADWELDprocess例如產生熔融銅和氧化鋁或熔渣的一個混合物。熔融銅具有比熔渣高的密度，以及經常被一個模具引導以接合或焊接銅至銅或鋼至鋼。氧化鋁熔渣由焊接接頭清除和報廢。另一個普通的混合物是氧化鐵和鋁。在此處僅有反應熱被使用。熱量可以使用於例如熔化釺焊材料。
放熱反應產生大量的熱。約束反應以及產生焊縫或接頭的最普通的方法是約束反應在一個分解的石墨模內。使用這種分解的石墨模12的一個現有技術焊接設置10示於

圖1。參見圖1，模具12包括一個上模體段14，一個下模體段16，以及一個模蓋20。導體或待接合的工件，比如棒材22和24經仔細清理和隨後放置在正確的位置以凸起進入被石墨模12的模體段14和16限定的焊接室26。上模體段14包括一個坩堝室30在焊接室26的上面，藉助一個排放孔32連接至焊接室26。模體段14和16隨後一般使用一個套環夾具牢固地封閉和鎖定，以及一個金屬盤34定位在坩堝室30內排放孔32的上面。一個適當量的放熱材料36放入金屬盤34頂面的坩堝室30以及一種傳統的開始粉末或材料40撒在放熱焊接材料36的頂上。開始粉末40是實質上一種非常細的放熱材料。模蓋20隨後封閉和反應的引發是藉助使用一個燧石點火器點燃開始粉末40。撒在放熱材料36的頂面上的開始粉末或材料40具有一個低的點火溫度以及容易地藉助燧石槍點燃，而燧石點火槍正常地不能直接地點燃放熱材料36。當放熱材料36被點燃，熔融金屬相由熔渣分離以及熔化通過金屬盤34。熔融金屬隨後通過排放孔32流至焊接室以及導體22和24被接合。一旦金屬凝固，模體段14和16打開，以及熔渣由焊接接頭分離。石墨模12經清理和準備重新使用於隨後的接頭。
如以上建議，這種類型的放熱混合物不能自發地反應以及需要一種反應的引發方法。此引發方法包括產生足夠的局部能量，以便使反應能夠開始。一個引發點火的方法如以上所述是使用一種開始粉末和一個點火源，比如一個燧石點火器。然而，由於開始粉末的低點火溫度和操作和運輸中的缺陷，進行過許多努力以發現一種可靠的和低成本的代替的點火系統用於放熱材料。已設計製造出一系列的電系統，它們是由簡單的火花間隙至橋絲或箔，至更複雜的器件，比如火箭點火器。這些努力例如可以參見現有的專利U.S.Patents 4,881,677、4,879,952、4,885,452、4,889,324和5,145,106。出於一系列的原因，但主要是因為功率要求，可靠性和價格，這些器件未能成功地代替標準的開始粉末/燧石槍用於引發自擴展放熱反應。另一個電點火系統是下列申請中公開的系統European Patent Publication No.875330，是本申請的轉讓所有，將其整個內容列於此處供參考。
此外，這裡還有其它的困難是上述的焊接設備和方法所固有的。除了處理和運輸開始粉末40方面的困難外，在處理和運輸堆裝的放熱材料36本身也可能存在問題。正確地測量放熱材料36也可能是耗時的和對錯誤敏感的。再者，現有技術設備中使用的石墨模，比如此焊接設備10中使用的石墨模12如圖1所示，可能價格高，因為佔用大量的石墨以及因為大量的機加工需要以制出圖1中所示石墨模12的通道。最後，以上所述的一種過程產生石墨模12表面上不希望的殘留物。這些殘留物要求定期地清理石墨模12的表面，它是一個勞動強度大的過程。即使進行定期地清理，殘留物可能減少石墨模12的工作壽命。最後，清理本身可能引起石墨模損壞，也能導致石墨模12的工作壽命減少。
因此，應該理解，改進的焊接設備和方法應該是希望的。
本發明的概述按照本發明的一個方面，一個成套的坩堝組件包括一個容器，具有側壁和一個可熔化的底板；一個耐火材料內襯在容器的側壁上；一個放熱焊接材料在容器內；以及一個點火器延伸進入容器用於點燃放熱材料。
按照本發明的另一方面，一個焊接金屬材料用的點火器包括第一和第二金屬帶，以及一個絕緣材料在第一和第二金屬帶之間。第一金屬帶具有一個孔在其中，以便當一個電壓施加至第一金屬帶時由此孔產生一個發射的火花等離子體。第二金屬帶比第一金屬帶更剛勁。
為了實現上述的和相關的目的，本發明包括的特點在下面將充分地說明和尤其在權利要求中指出。下列的說明和附圖列出用於本發明的某些示範性實施例。這些實施例是指示性的，然而，僅在一些不同的方法中使用了本發明的原理。本發明的其它目的、優點和新穎特點將通過下列詳細說明結合附圖考慮而明確地表達出來。
附圖的簡要說明在附圖中沒有必須地按比例繪製，其中圖1是一個現有技術焊接設備的一個剖切的等比例圖；圖2是按照本發明的一個坩堝組件的一個剖切的等比例圖3是圖2的坩堝組件的一個分解圖；圖4是按照本發明的一個點火器的一個示意圖，可作為圖2的坩堝組件的一部分使用；圖5是點火器的金屬箔帶的一個示意圖，與它們之間的絕緣裝配在一起；圖5是點火器的一個示意圖，在衝孔和孔成形之前已裝配；圖6是一個示意的邊緣立面圖，示出錐尖衝頭正要進入點火器；圖7是類似的示意圖，示出衝頭形成孔；圖8是類似的示意圖，示出成形孔已製成；圖9是一個點火器的一個示意圖，帶有孔更中心地定位；圖10是熔化的一個示意圖，它是在點火的一個中間階段圍繞孔產生的；圖11是產生的火花等離子能量的一個示意圖，示出在一個側面能量等離子體的錐形以及在另一個側面上排出的等離子體；圖12是另一個稍大的示意圖，示出火花等離子體的形狀、排出等離子體和熔化產生，全部浸入一個放熱反應混合物中；圖13是按照本發明的一個焊接設備的各個部件的一個示意圖；圖14是一個電連接器的一個部件的一個等比例圖，它是圖13的焊接設備的一部分；圖15是圖2的坩堝組件的一個等比例剖切圖，結合一個模具作為焊接設備的一部分；圖16是圖2的坩堝組件的一個等比例剖切圖，結合另一個模具作為另一個焊接設備的一部分；圖17是圖2的坩堝組件的一個等比例剖切圖，結合又另一個模具作為又另一個焊接設備的一部分；圖18是圖2的坩堝組件的一個等比例剖切圖，結合又另一個模具作為又另一個焊接設備的一部分；圖19是一個代替的實施例容器的等比例剖切圖，可與圖2的坩堝組件一起使用；
圖20是另一個代替的實施例容器的等比例剖切圖，可與圖2的坩堝組件一起使用；圖21是一個焊接設備的等比例剖切圖，它包括圖2的坩堝組件和一個過濾器組件；圖22是圖2的坩堝組件的一個代替的實施例的等比例剖切圖，帶有一個整體製造的過濾器；以及圖23是一個代替的實施例坩堝組件的一個分解圖，帶有按照本發明的一個保持器卡夾。
本發明的詳細說明一個成套的坩堝組件提供一個有效的價格低廉的在一對金屬部件之間形成一個焊縫的方法。成套的坩堝組件包括一個容器，帶有側壁和一個可熔化的底板，一個耐火材料內襯在容器的側壁上；一個點火器部分地在焊接材料內部或接近它，以及部分地在容器外面，以及一個蓋子密封焊接材料。點火器可以是剛勁的以保持它的形狀以及保持它的位置部分地在放熱焊接材料內部或接近它。坩堝組件構造為可放置在具有一個艙室的模具上。在通過點火器的激勵焊接材料點燃時，焊接材料放熱地反應以產生熔融金屬和熔渣。側壁上的耐火材料內襯防止容器的側壁破壞。代替地，容器可熔的底部被液化的熔融金屬熔化，以及焊接材料流動進入模具的一個焊接室以產生焊接。
耐火材料可以包括石墨和也可以是一種塗料粘接到側壁上，或者可以是單獨的內襯放置到側壁內。
代替地，耐火材料可以本身是容器的側壁。
坩堝組件提供許多優點超過現有的焊縫成形設備和方法。首先，成套的坩堝組件提供一個預定量的焊接材料用於形成焊縫。其次，焊接材料是密封在容器內，防止水分和其它汙染物的侵入，它們可能有害地影響焊接材料的性能，這樣允許材料安全地貯存和處理。第三，坩堝組件的容器可以在使用後任意處理，避免需要進行耗時的覆蓋殘留物的模具的清理。第四，坩堝組件可以是柔性的，構造為與任何現有模具一起使用，或者與簡化的、較廉價的、要求較少材料和較少機加工的模具一起使用。
參見圖2和3，示出一個坩堝組件50。坩堝組件50包括一個容器52，帶有側壁54和一個可熔化底板56一個耐火材料60內襯在容器52的側壁54上。耐火材料60保護側壁54避免在容器5 2內放熱焊接材料64產生的熱。一個點火器66具有一個第一端68，定位為部分地在焊接材料64的上面或內部，以及一個第二端70，由容器52凸起。點火器66具有一個彎頭72，以便於點火器66的兩端68和70正確的放置或定位。彎頭可以是較尖銳的彎頭，比如基本上是直角的彎頭。一個蓋子74與容器52的一個頂邊緣76接合，密封焊接材料64和在容器52內的點火器66的第一端68。點火器66的第二端70由容器52，由蓋子74和容器52的頂邊緣76之間伸出。點火器66可以連接，例如用一個適當的粘接劑粘接至蓋子74的一個底面。
蓋子74防止焊接材料64在引發一個反應以形成一個焊接接頭前脫離容器52。蓋子74因此在運輸、操作和安裝坩堝組件50時保持在容器52內的一個預定量的焊接材料64。再者，蓋子74防止髒物、水分和汙染物進入容器52，尤其是進入焊接材料64。這種汙染物能夠有害地影響焊接材料64的性能，例如改變焊接材料64的反應特性，或者引起汙染物進入由焊接材料64產生的焊接接頭。
點火器66提供在焊接材料64內一種引發反應的方法，而不需要移走蓋子74。如以下所述，點火器可以是一個電點火器，構造成這樣，使電連接器可以連接至點火器66的第二端70，以提供一個電荷，它在點火器66的第一端68的附近引發焊接材料64的一個反應。接近此端，點火器66具有一個錐形衝孔76在第一端68，它的功能和形成詳見下述。
焊接材料64的反應產生熱，如以上結合圖1的焊接設備10所述。耐熱材料60保護容器52的側壁避免損壞、穿孔或由於焊接材料64的反應產生熱導致的其它形式的失效。然而，至少容器52的可熔化底板56的一部分不被耐火材料60保護。部分地或完全地反應的焊接材料64具有充足的熱以破壞或熔化可熔化底板56，允許熔融的反應的焊接材料64(這裡也稱為「焊接金屬」)排出容器52，以形成一個焊接接頭在容器52的底板56的下面。
側壁54和可熔的底板56可以由相同的材料製成以及可以製成為一個單獨部件。例如，容器52的側壁54和底面56可以製成為一個單獨的無縫的電鍍錫鋼部件。電鍍錫鋼容器52可以例如藉助拉伸或旋轉成形。
代替地，側壁54和可熔化底板56可以是單獨的部件和由不同的材料製造。可熔化底板56可以是一個鋼盤。代替地，可熔化底板56可以是另一個適當的材料，它熔化和/或破壞以允許反應的焊接材料64通過它流動。應該理解，底板56的材料可以這樣選擇，它不會引起不可接收的汙染物進入產生的焊接接頭，如以上所述。可熔化底板56可以藉助夾緊或其它適當的附著方法固定至側壁54，例如藉助沿著側壁54的一個底邊緣80用粘接劑粘接。容器52的側壁54可以是任何一種適當的材料，例如，適當的金屬和金屬合金、陶瓷、纖維玻璃、砂或蠟。側壁可以是一種可任意處理的材料，例如，紙板、紙或其它紙漿產品。
容器52的側壁54可以包括一個錐形表面，如圖2和3所示。側壁54的錐形表面，可以幫助焊接材料64反應產生的熔融焊接金屬向流動的方向聚焦。代替地，側壁54可以具有其它適當的形狀，比如圓筒形。
耐火材料60可以是石墨箔內襯。石墨箔可以具有厚度至少約10mils(密耳)，以及可以具有厚度約15mils。適當的石墨是UCARinternational Inc製造的，以及以商標GRAFOIL出售。適當的石墨箔可以由EGC Enterprises Incorp.，of Chardon，Ohio.獲得。代替地，耐火材料可以是其它材料，它適合於保護容器的側壁54。
放熱焊接材料64可以是任何一種適當的焊接材料，比如一個還原金屬和一個過渡金屬氧化物的一個粉末化組合。
蓋子74可以是一個金屬箔蓋子，比如鍍金屬的塑料薄膜。一個實例是鍍鋁的MYLAR。鍍金屬的塑料薄膜具有厚度約0.5mils至約2mils。蓋子74的材料、厚度和形狀可以這樣選擇，使蓋子74對容器52提供一個良好的密封，而允許當焊接材料64反應時釋放壓力。如果蓋子74是保持它的整體性和它的密封在焊接材料64的整個反應時頂住側壁54的頂邊緣76，在焊接材料64和蓋子74之間空間內的壓力積累可以驅動熔融的焊接材料64用力向下。反應的焊接材料的向下驅動可能導致不良的結果，例如，驅動熔渣材料以及金屬進入最終的焊接接頭。為了避免這樣一個情況，蓋子74可以構造為當焊接材料64反應時爆裂，從而限制能夠發生在容器52內的壓力積累的量。代替地或增加地，蓋子74和側壁54的頂邊緣76之間的密封可以構造為在焊接材料64反應時整個地或部分地破裂，從而防止在容器52內過度的壓力積累。
其它代替的方法也可以使用於避免在焊接材料64反應時在容器52內不希望的壓力積累。例如，蓋子74可以是帶孔的或者在引發反應之前移走，雖然，應該理解，這樣會損害產品的整體性和使用較複雜的和較耗時的產品。還有可能，在某些情況下來自焊接材料64的反應的壓力積累不是一個問題，以及在此情況下蓋子74的形狀和操作不需要考慮與容器52內壓力積累相關的潛在問題。
如以上所述，蓋子74可以使用鍍金屬的塑料薄膜，例如鍍鋁的MYLAR。代替地，蓋子74可以是任何一種其它適當的材料，包括適當的金屬箔、塑料、絲網和/或陶瓷纖維或這些材料的組合。作為另一個代替方法，蓋子74可以包括濾紙。
現在轉至圖4，示出點火器66的細節。點火器66包括第一和第二導體金屬箔帶90和92，被一個中間絕緣層94隔離。一個附加絕緣覆蓋層98也是點火器66的一部分。在點火器66的第一端68處的錐形孔76提供一個中斷，它使用於引發焊接材料64的反應，這時一個電荷施加至點火器66，詳見下述。
由於點火器66正常地是準備在放熱反應中消耗，它是與放熱焊接材料64相容的(圖2和3)。在CADWELD過程中，在此處銅導體被焊接，一個適當的金屬箔材料是銅。另一個適當的金屬箔材料是鋼。用於絕緣層94和98的一個適當的絕緣材料可以是紙。應該理解，然而其它金屬或導體箔可以與其它絕緣材料一起使用。
為了提供剛性至點火器66，一個金屬箔帶90和92可以比另一個金屬箔帶更剛勁。因此，第二金屬箔帶92可以比第一金屬箔帶90更剛勁。第二箔帶92可以比第一箔帶90更厚和/或用比第一箔帶更剛勁的不同材料製造。在一個特殊的實例中，第一箔帶90是用銅製造的，它可以具有一個厚度由約1至約3mils，以及可以具有一個厚度由約1.4至約2mils。第二箔帶92是用不鏽鋼製造的，它可以具有一個厚度由約5至約25mils，可以具有一個厚度由約10至約15mils，以及可以具有一個厚度約10mils。附加的剛性是藉助使用較剛勁和/或較厚的材料至第二箔帶92而提供，在製造、運輸和存儲時有助於保持點火器66的希望的形狀和構造，而保持第一箔帶90的希望的點燃特性。尤其是，附加的剛性幫助保持彎頭72在點火器66內(圖2)。
中間絕緣層94使用於兩個目的。它提供一個絕緣障礙在兩個金屬箔帶90和92之間，以及一旦點火器66點火或反應引發，還提供對熱和能量的偏轉障礙。箔帶90和92使用少量的導電粘接劑，它可以放置在箔帶90和92的內部，接合到中間絕緣層94。粘接劑能夠使箔帶90和92牢固地附著至中間絕緣層94，而消除了空氣間隙，以及粘接劑的導電本性增強金屬箔帶90和92長度方向上的電流流動。箔帶90和92以及絕緣層可以前進通過滾子的滾隙，例如用以保持正確的粘接和消除空氣間隙。第一箔帶90也可以類似地粘接至絕緣覆蓋層98。當點火器的各層已裝配，如圖5中所見，中間絕緣層94最好稍微凸出於箔帶90和92的末端，這樣的凸出示於100和102處。圖中所示的凸出稍有誇張以及可能僅有一英寸的一小部分或數毫米或數微米。
一旦點火器66已裝配，見圖6-8，一個中斷形成在點火器66內，以提供一個能量放電源。這個中斷是一個錐形孔76的形式，它是由具有一個較尖銳錐形尖端109的衝頭108或其它適當形狀的尖端形成的。形成尖銳錐形尖端孔用於一個點火器的過程示於圖6-8，其說明見以下專利申請European Patent Publicafion No 875 330和co-pendingU.S.Application No.08/846,285，因此圖6-8標明為現有技術。
如由圖7所見，衝頭108進入帶和尖端109通過帶組件由另一側面稍微凸出，如在110處所見。由圖8可見，當衝頭108拔出，這裡在帶點火器66內形成孔76，它具有衝頭108的錐形。此孔76在一側面具有一個大端113和在另一側面具有一個小排出端114。
孔76前進完全通過帶點火器66，以及孔76製成為一個喇叭形，擴大至大端113。
所示的孔76定位在點火器66的第一端68，雖然應該理解，孔76可以定位在沿著點火器66的其它適當的位置。為了說明的目的，在圖9-12內，所示的孔76定位在帶的端至端的中心以及在橫邊或側邊之間的中部。同樣，如以下所述，多於一個孔也可以使用，以及孔的尺寸可以改變。所描繪的孔不是按比例的，以及孔的大端的直徑可以由一毫米的若干分之一(微米)至約2mm。錐形角度可以不同於圖中所描繪的，以獲得錐形或喇叭形，它能提供一個尖銳的火花等離子體。作為一個衝孔，此孔具有衝孔的特徵，它破壞了組件的直線本性，提供輕度摺疊的和鋸齒的邊緣以及在孔內一個衰減的絕緣。
當反應被引發和點火器66點火時，它連接至一個電容放電器件，例如，藉助連接適當的電連接器至點火器66的凸起的第二端70。當電容器能量釋放時，放熱反應的引發產生於數毫秒內。雖然此現象的精確的機理仍不知道，它據信可以用下列的事件程序表示和如圖9-12內特定地描繪。應該強調，點火器66的點火可以不同於圖9-12所示。點火器66用的錐形孔的形成過程的事件程序如圖9-12所示說明如下，以及也說明於European Publication No.875 330和co-pending U.S.AplicationNo.08/846,285以及因此圖9-12標明為現有技術。
在點火程序中，能量由電容器釋放進入兩個帶90和92，每個接收一個放電極，即一個負極和一個正極。
通過帶90和92以及中間絕緣層94的組件的錐形孔76作為一個中斷或電阻點，以及開始迅速加熱；如此迅速，以致這裡基本上沒有時間使熱逸散至周圍的材料。最終足夠的熱量能使錐形孔邊緣處箔帶的整個360°薄邊緣迅速熔化。這點是按照I2R產生的，其中I是電流推力和R是電阻。中間相的熔融邊緣如在圖10和12中118處所見，增加了電阻，從而增加繼續加熱的速度。銅的熔化發生在1083℃。
此現象發生在如此短的時間，使熔融相不能夠移走，以及繼續的加熱迫使熔融銅蒸發，此現象發生在銅超過2571℃時。氣體相增加了局部區域內的電阻，甚至更大。
蒸氣開始膨脹，但繼續引出電流，直到開始引出電弧。電弧或火花可以獲得溫度超過5000℃。電弧或火花迫使氣體相至一個離子化點，它開始非常迅速地降低電阻，它繼續增加電流，移動進入此區域。
增加電流至蒸氣區域產生增加的熱或超熱至膨脹的蒸氣，它迫使蒸氣迅速地膨脹，產生一個最終的火花等離子體衝擊波，如圖11和12內頂錐體120所示。在圖11和12內，點火器66是浸入在放熱焊接材料64內，它可以是顆粒形狀的在點火器66的兩個側面。然而，錐形衝擊波以減少的力膨脹，這是由於在點火器66的另一或相對的側面存在較小的或排出孔。此孔的排出的或較小端產生稍小的火花等離子體，如在124處所見，減少衝擊波錐體120的範圍和力量，從而減少在引發反應之前任何圍繞或接近的放熱材料64的擾動。一個力太擴大和太突然可能橫向地移動或吹出一些類型的放熱材料離開火花等離子體的熱。
衝擊波攜帶熔融銅124(圖12)離開錐形孔76的熔融的周邊118。熔融銅126由錐形孔的周邊擴展向外，而排出孔提供火花等離子體124和在相對方向上的能量傳輸。超加熱範氣和熔融銅的組合釋放出衝擊波和引出電弧提供一個基本上廣範圍的能量和放熱材料122的一個多點的點火。
圖13示出坩堝組件50，作為焊接設備150的一部分。它還包括一個模具152，一個卡夾154用於保持模具152的部件到一起，以及一個電容器放電單元160，通過一個電連接器162和一個電導線164連接至點火器66的第二端170。電連接器162的部件166的細節示於圖14。部件166包括一個塑料殼體168和一對點火器觸片170和172。點火器觸片170和172連接至電導線164的相應的導線，通過它們觸片連接至電容器放電單元160。電容器放電單元160提供充分的電荷至觸發器在坩堝組件內點火。有關適當的放電單元的進一步細節可參見European PatentPublication No.875 330和co-pending U.S.ApplicationNo.08/846,285，將其整個內容列於此處供參考。點火器66的第二端70可以插入殼體168的狹縫174，以及觸片170和172之間，放置箔帶90和92(圖4)進入與相應的觸片170和172接觸。
現在參見圖15，模具152可以是一個傳統的分解模具，與圖1所示和以上所述的模具12類似。坩堝組件50配合進入模具152的上模體178的一個坩堝室176，並且使點火器66的第二端由上模體178和模具152的一個蓋子182之間的一個開口180凸出。因此，坩堝組件50不需要專門化的模具，而是使用現有技術系統適用的模具。在點火器66點火時，焊接材料64反應以形成一個熔融焊接金屬。焊接金屬隨後熔化或破壞容器52的可熔化底板56。焊接金屬隨後前進通過一個排出孔184和進入一個焊接室186，在此處焊接金屬在一對棒材190和192之間形成一個焊接接頭。
應該理解，在現有模具內使用坩堝組件50的能力，比如模具152，可以增加坩堝組件的通用性。再者，應該理解，使用坩堝組件50與模具152配合，與在坩堝室176內使用傳統的堆裝的放熱焊接材料粉末相反，有利地減少要求用於模具152的清洗量，從而減少勞動量和費用以及延長模具壽命。
圖16示出坩堝組件50作為另一個焊接設備的一部分。焊接設備200也包括一個減少高度的模具202。模具202包括一個上模體204和一個下模體206，兩個模體可以用一種適當的材料製造，比如石墨。上模體204包括一個坐位或平臺210用於接收坩堝組件50的底面。一個排出孔212運輸熔融焊接金屬由坩堝組件50至一個焊接室214，在此處形成一個焊接接頭。
由於坩堝組件50的容器52的側壁54，本身含有焊接材料64的反應，上模體204不需要包括在坩堝組件50的側面和上面的部分。因此，在相當於上模體178(圖15)的坩堝室176的上模體204內什麼也沒有。因此應該理解，模具202存在的優點超過模具152，在於使用的材料，機加工生產時間和價格方面。
圖17示出一個焊接設備220，它包括坩堝組件50和一個陶瓷模具222。陶瓷模具的一個實例是CADWELDONE-SHOT，由ERICO公司供應。
在圖18所示的焊接設備240內，坩堝組件50是與一個通用的可成形的模具242結合使用。這種可成形的模具242的一個實例是CADWELDMULTITM，由ERICO公司供應。有關可成形的模具242的進一步的細節可參見U.S Proisional Application No.60/303,572，將其整個內容列於此處供參考。
現在轉至圖19，一個代替的實施例容器52包括側壁54，具有耐火材料內襯60，它是在側壁54上的一個塗層262。塗層262可以是例如一個噴塗的石墨塗層。另一個可能的塗層是氮化硼塗層。
圖20示出另一個實施例容器52，其中側壁54和耐火材料內襯60組合成為一個統一的耐火材料片282。統一的耐火材料片可以是例如適當厚度和強度的一個石墨片。一個石墨片282可以具有厚度至少50mils。
圖21示出一個代替形狀的坩堝組件50，它包括一個附加的過濾器適配器300，包括一個過濾器302和一個擋板304。擋板304配合越過坩堝組件50的頂面。過濾器302和擋板304減少不希望的反應產物的排放，比如顆粒物質進入焊接材料64的反應附近的大氣。擋板帶有孔在其內，它迫使向上方向反應產物前進通過一個曲折的流動路徑。擋板304可以包括一個火焰抑制器，一個擠壓的陶瓷片帶有許多孔在其內，它可作為一個吸熱器。應該理解，如果希望可以使用沒有過濾器的擋板。
代替地，應該理解，一個過濾器可以作為坩堝組件的整體部分合併。這樣一個整體的系統示於圖22，其中一個坩堝組件50包括一個過濾器320在焊接材料64和一個蓋子74之間。過濾器320可以附著在蓋子74，例如用粘接劑粘接至蓋子74。
過濾器302和320用的材料可以是陶瓷或耐火材料氈墊。適當材料的實例是以下列商標出售的材料FIBERFRAX，UNIFRAX，以及DURABLANKET。
圖23示出坩堝組件50另一代替的實施例。圖23所示的坩堝組件50與圖2和3所示的類似，以及如以上所述，附加一個保持器卡夾380，它使用於固定點火器66的位置。保持器卡夾380具有一個中間部分382和一對向下彎曲的側面部分384和388。側面部分388具有一個缺口390在其內。保持器卡夾380配合越過蓋子74，並且使中間部分越過容器52的頂開口。側面部分384和388沿著容器52的側壁54向下延伸，並且使點火器66配合進入缺口390。保持器卡夾380的側面部分384和388可以隨後沿著容器52的側壁54夾緊或緊固，因此保持點火器66就位。
保持器卡夾380可以用不鏽鋼製造，或使用不同的其它適當的材料製造，比如適當的金屬(包括各種鋼)、塑料、絲材或紙。一個適當的材料是1/4硬不鏽鋼，具有一個厚度0.005in(0.13mm)。不鏽鋼發現是保持器卡夾用的優秀的材料，因為不鏽鋼能夠抵抗在惡劣氣候條件下的降級，以及能夠承受焊接過程的高溫。
保持器卡夾380有利地提供點火器66附加的固定，它對於這樣的環境可能是希望的，在此處坩堝組件50可以經受粗糙的操作，它可能使點火器66離開其希望的位置。
應該理解，對於以上所述可能有許多適當的改變和應用，例如，應該理解，此器件可以使用於形成在不同數目的棒材或其它物件之間形成焊接接頭，這些物件具有任何不同的形狀。雖然本發明參考某些實施例來描述和說明。明顯的是，在技術熟練人員閱讀和理解說明書和附圖後，可以做出等值的代替和改變。尤其是有關上述的元件(部件、組件、器件、複合件等)進行的不同的功能，術語(包括對一個「器件」的參考)使用於描述這些元件是有意地對應於(如果沒有其它的指示)任何元件，它進行上述元件的特定的功能(即功能上等值)，即使不是結構上等值於公開的結構，它在本發明的這裡所述的示範性實施例中進行此功能。此外，雖然本發明的一個特點是相對於一個或多個示範性實施例描述的，這個特點也可以與其它實施例的一個或多個特點相結合，作為對於任何給定的或特定的用途希望的和有利的方案。
權利要求
1.一個成套的坩堝組件，包括一個容器，具有側壁和一個可熔化底板；一個耐火材料內襯在容器的側壁上；一個放熱焊接材料在容器內；以及一個點火器，延伸進入容器用於點燃放熱材料。
2.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，容器的側壁不包括耐火材料。
3.按照權利要求2的坩堝組件，其特徵在於，容器的側壁包括鋼。
4.按照權利要求3的坩堝組件，其特徵在於，容器的可熔化底板和側壁製造成一個單獨件。
5.按照權利要求2的坩堝組件，其特徵在於，容器的側壁在沒有內襯的情況下是可燃燒的。
6.按照權利要求5的坩堝組件，其特徵在於，容器的側壁包括一個紙漿材料。
7.按照權利要求6的坩堝組件，其特徵在於，容器的可熔化底板是一個金屬盤，附著至容器的側壁。
8.按照權利要求7的坩堝組件，其特徵在於，金屬盤是夾緊在容器的側壁上。
9.按照權利要求2的坩堝組件，其特徵在於，容器的側壁包括一個陶瓷材料。
10.按照權利要求2的坩堝組件，其特徵在於，耐火材料是一個單獨的內襯，插入在容器的側壁內。
11.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，耐火材料包括一個內襯噴塗在容器的側壁上。
12.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，容器的側壁包括一個錐形表面。
13.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，容器的可熔化底板是一個單獨件，附著至容器的側壁。
14.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，容器的可熔化底板包括一個金屬盤。
15.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，石墨箔具有一個厚度至少約10mils。
16.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，容器的側壁和耐火材料是整體地製成耐火材料件。
17.按照權利要求16的坩堝組件，其特徵在於，耐火材料包括石墨。
18.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，耐火材料包括石墨。
19.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，耐火材料是一個石墨箔。
20.按照權利要求19的坩堝組件，其特徵在於，石墨箔具有一個厚度至少約10mils。
21.按照權利要求1的坩堝組件，還包括一個蓋子，它覆蓋容器的頂開口。
22.按照權利要求21的坩堝組件，其特徵在於，蓋子是一個鍍金屬的塑料薄膜。
23.按照權利要求22的坩堝組件，其特徵在於，金屬箔蓋子是沿著頂開口的一個周邊密封地附著至容器。
24.按照權利要求22的坩堝組件，其特徵在於，鍍金屬的塑料薄膜包括一個鍍鋁的塑料薄膜。
25.按照權利要求22的坩堝組件，其特徵在於，鍍金屬的塑料薄膜具有一個厚度由約0.5至約2mils。
26.按照權利要求22的坩堝組件，其特徵在於，蓋子構造為在焊接金屬反應時破裂。
27.按照權利要求21的坩堝組件，其特徵在於，點火器前進通過金屬箔蓋子和坩堝之間，從而允許點火器的一個外部分由坩堝凸起。
28.按照權利要求27的坩堝組件，其特徵在於，點火器是固定至蓋子。
29.按照權利要求28的坩堝組件，其特徵在於，點火器是膠接至蓋子。
30.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，點火器包括一個金屬帶，帶有一個孔在其內，當一個電壓施加至金屬帶時，工作以產生跨過孔的一個火花等離子體。
31.按照權利要求30的坩堝組件，其特徵在於，金屬帶是一個金屬箔帶。
32.按照權利要求31的坩堝組件，其特徵在於，金屬箔帶是一個銅帶。
33.按照權利要求30的坩堝組件，其特徵在於，金屬帶是一個第一金屬帶，以及還具有一個第二金屬帶，與第一金屬帶連接，並且使一個絕緣材料位於它們之間。
34.按照權利要求33的坩堝組件，其特徵在於，此孔前進通過絕緣層以及前進通過至少第二金屬帶。
35.按照權利要求33的坩堝組件，其特徵在於，此孔通常是錐形的。
36.按照權利要求33的坩堝組件，其特徵在於，此孔具有在第一金屬帶處的直徑大於在第二金屬帶處的直徑。
37.按照權利要求33的坩堝組件，其特徵在於，第一和第二金屬帶是用相同的金屬製造的。
38.按照權利要求37的坩堝組件，其特徵在於，第一和第二金屬帶是用銅製造的。
39.按照權利要求33的坩堝組件，其特徵在於，第一和第二金屬帶是用不同的金屬製造的。
40.按照權利要求39的坩堝組件，其特徵在於，第一金屬帶是用銅製造的。
41.按照權利要求40的坩堝組件，其特徵在於，金屬帶是用鋼製造的。
42.按照權利要求41的坩堝組件，其特徵在於，第二金屬帶比第一金屬帶厚。
43.按照權利要求33的坩堝組件，其特徵在於，第二金屬帶是比第一金屬帶剛勁。
44.按照權利要求33的坩堝組件，其特徵在於，第二金屬帶是比第一金屬帶強度更高。
45.按照權利要求30的坩堝組件，其特徵在於，此孔產生的一個開口在任何斷面上小於2mm。
46.按照權利要求1的坩堝組件，還具有一個過濾器，工作上連接至坩堝的一個頂開口。
47.按照權利要求46的坩堝組件，其特徵在於，過濾器是在焊接金屬材料和一個蓋子之間，它覆蓋坩堝的頂開口。
48.按照權利要求46的坩堝組件，其特徵在於，過濾器連接至一個擋板，放置在坩堝的頂開口的上面。
49.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，焊接金屬材料是一個放熱材料，它包括一個還原金屬和一個過渡金屬氧化物。
50.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，焊接材料包括鋁和氧化銅。
51.按照權利要求1的坩堝組件，其特徵在於，坩堝組件具有一個平底板。
52.按照權利要求51的坩堝組件，其特徵在於，平底板具有一個盤形。
53.按照權利要求52的坩堝組件，其特徵在於，平底板是一個金屬盤，用於當熔化時作為金屬焊接材料的一部分。
54.按照權利要求1的坩堝組件，與一個模具相結合，具有一個艙室在其內用於形成一個焊縫在兩個金屬件之間。
55.按照權利要求1的坩堝組件，還包括一個保持器卡夾，固定至容器；其特徵在於，保持器卡夾固定點火器相對於容器就位。
56.按照權利要求55的坩堝組件，其特徵在於，保持器卡夾配合越過容器的一個頂開口。
57.按照權利要求56的坩堝組件，其特徵在於，保持器卡夾是固定至容器的側壁。
58.按照權利要求57的坩堝組件，其特徵在於，保持器的側部分是夾緊的。
59.按照權利要求55的坩堝組件，其特徵在於，保持器卡夾具有一個缺口，在其中放置點火器。
60.按照權利要求55的坩堝組件，其特徵在於，保持器卡夾是用不鏽鋼製造的。
61.焊接金屬材料用的一個點火器，包括第一和第二金屬帶；以及一個絕緣材料在第一和第二金屬帶之間；其特徵在於，第一金屬帶具有一個孔在其內，當一個電壓施加至第一金屬帶時工作以產生一個由孔發射的火花等離子體；以及其特徵在於，第二帶比第一帶更剛勁。
62.按照權利要求61的點火器，其特徵在於，第一金屬帶是一個金屬箔帶。
63.按照權利要求62的點火器，其特徵在於，金屬箔帶是一個銅帶。
64.按照權利要求61的點火器，其特徵在於，孔前進通過絕緣材料和前進至少通過第二金屬帶。
65.按照權利要求61的點火器，其特徵在於，此孔是基本上錐形的。
66.按照權利要求61的點火器，其特徵在於，此孔具有在第一金屬帶處的直徑大於在第二金屬帶處的直徑。
67.按照權利要求61的點火器，其特徵在於，第一和第二金屬帶是用相同的金屬製造的。
68.按照權利要求67的點火器，其特徵在於，第一和第二金屬帶是用銅製造的。
69.按照權利要求61的點火器，其特徵在於，第一和第二金屬帶是用不同的金屬製造的。
70.按照權利要求69的點火器，其特徵在於，第一金屬帶是用銅製造的。
71.按照權利要求70的點火器，其特徵在於，第二金屬帶是用鋼製造的。
72.按照權利要求71的點火器，其特徵在於，第二金屬帶比第一金屬帶厚。
73.按照權利要求61的點火器，其特徵在於，此孔產生一個開口，在任何斷面上小於2mm。
全文摘要
一個成套的坩堝組件，用於在一對金屬部件之間形成一個焊縫，包括一個容器帶有側壁和一個可熔化底板，一個耐火材料內襯在側壁上，一個放熱焊接材料在容器內，一個點火器部分地在焊接材料內或接近它，部分地在容器的外面，以及一個蓋子，密封焊接材料。點火器可以增強以保持它的形狀，以及保持相對於放熱焊接材料的一個希望的位置。坩堝組件構造為可放置在一個模具上，它具有一個艙室在其內。當焊接材料藉助點火器的激勵點燃時，焊接材料進行放熱反應，以產生熔融金屬和熔渣。容器的可熔化底板被液化的熔融金屬熔化，以及焊接金屬流動進入模具的一個焊接室，以產生焊接。
文檔編號B23K23/00GK1638911SQ03804557
公開日2005年7月13日 申請日期2003年1月27日 優先權日2002年1月25日
發明者迪安·T·穆爾, 戴維·弗萊厄迪, 梅麗莎·A·英格 申請人:愛瑞柯國際公司