內部增強的焊接管的製造技術

2023-09-18 08:20:25 2

專利名稱：內部增強的焊接管的製造技術
本發明涉及用來製造內部增強的焊接的熱交換管的方法。具體地說，本發明涉及對板的邊緣整形來控制焊縫的流變。
在將金屬帶形成管時，是使其通過成型輥和翅件通過輥，將此帶變形成開縫的管狀而以兩相對的縱邊緊鄰。然後使此帶通過焊接站焊合這對縱邊而形成管件。
焊接之後，通常使此管通過至少一組定徑軋輥使其形成所需的直徑。用來將管變換成焊接管的方法與設備已公開於下述美國專利中Schatz等，3700158號；Yamamoto等，4697446號；Hellman，Sr.4905885號。
在許多熱交換器的應用中，管壁是通過設置有結構的表面增強。已知有種種增強構型能改進熱交換管的性能。這類構型包括Mclain於美國專利3861462號中公開的波紋狀的脊以及Sukumonda等於美國專利5052476號中公開的梨形溝。
焊接管制造中的問題之一是擠突出的焊縫。從焊縫處流出有過剩的焊料，聚結於管的內、外壁上。除去這類焊珠一般要牽涉到除掉某些基料。雖然從未增強的(光滑的)管壁上除去某些基料是可以接收的，但是從已增強的表面作這樣的除料時，就會在焊接區損傷增強結構而使管子的性能降低。
在鋼管制造中用來除去焊珠的一種方法最初公開於美國專利2352306號中。這是在緊接焊接之後於焊珠還很熱時將氧氣噴嘴對向焊珠。此焊珠則燒熱而形成光滑的焊縫。美國專利4905885號中公開了一種液壓控制的焊珠減小輥和使焊珠變平的支承輥。另一種方法則是採用切削工具。
當管壁增強後，先有技術的除去焊珠的方法是不適當的。用機械平勻化的方法會損害增強的結果。增強的結構會使氧氣流偏轉而使焊珠不適當地燒燃。切削的結果將損壞部分增強構型。
為此，本發明的目的之一在於提供不需消除焊珠的焊接管的製造方法與製造設備。本發明的特點之一是將一種翅狀插入件按特定的角度，在焊珠對熱交換器的效率影響最小處指向焊珠。
本發明的優點之一是形成了焊珠減小了的焊接管。本發明的另一優點是提高了焊接穩定性。
根據本發明，提供了用來從金屬帶來製造焊接管的翅狀插入件。這種翅狀插入件的第一部分具有相對於此插入件軸線的第一角，而其第二部分則具有相對於此插入件的第二角。此第二角小於第一角。
上述的目的、特點與優點可從下面的說明與附圖中獲得更清楚的理解。


圖1是根據先有技術用來製造焊接管的金屬帶的等角圖。
圖2是根據先有技術在將金屬帶形成管子的初期階段所用輥對的部分橫剖圖。
圖3是根據先有技術的插入件的橫剖圖。
圖4是根據先有技術的高頻焊接輥對的橫剖圖。
圖5以橫剖圖表示翅狀插入件角為零度時的焊接管。
圖6以橫剖圖表示翅狀插入件角為12°時的焊接管。
圖7表明形成具有內部增強表面的焊接管所用金屬帶的等角圖。
圖8以橫剖圖表明依據本發明第一實施例的翅狀插入件。
圖9以橫剖圖表明用圖8的翅狀插入件所實現的焊接。
圖10以橫剖圖表明依據本發明第二實施例的翅狀插入件。
圖11以橫剖圖表明用圖10的翅狀插入件所形成的焊珠。
圖12以等角度表明兩側增強了的金屬帶。
圖13是用來形成具有增強表面的焊接管的金屬帶的頂視平面圖。
圖14以橫剖圖表明依據本發明第三實施例的翅狀插入件。
圖15以橫剖圖表明用圖14的翅狀插入件所形成的焊珠。
圖1以等角圖表明了根據先有技術用來製造焊接管的金屬帶10。金屬帶10的寬度略大於所需管的周長。金屬帶10可用任何適於焊接的金屬或合金製成。在用於熱交換目的時，這種管通常用銅基合金、鋁基合金、不鏽鋼或鈦。
金屬帶10通過圖2所示和根據先有技術已知的成形輥形成弧形。此種成形輥一般包括第一成形輥12，它呈凹形，用來逐漸地確定金屬帶10應取的外徑；第二成形輥14，它呈凸形，用來逐漸地限定金屬帶10應取的內徑。
用一列成形輥將金屬帶10轉變成圖3所示的，先有技術中已知的開縫管。金屬帶10的兩個縱邊18由翅件通過輥16帶到互相對準和緊密鄰接。這種上部翅件通過輥16連帶著翅狀插入件20。此翅狀插入件給縱邊18整形，給這對邊形成了供焊接用的一致外觀。翅狀插入件30使金屬帶10的兩縱邊10形成所需的角「θ」。θ在傳統上是從0°至約15°，而典型的情形是約12°。這一角度取決於管徑與翅件(邊緣)寬度兩者。
在使金屬帶10的縱邊18整形之後，由圖4所示先有技術的焊接輥22將此兩縱邊帶到一起。用高頻感應或電阻型加熱方式將兩縱邊18加熱到其熔化溫度。焊接輥22促致這對縱邊18相互觸合。熔融的縱邊熔合成焊縫24。過剩的熔融金屬從焊縫擠出，並在管的內、外壁上堆積成焊珠32、34，如圖6所示。
有一或多組定徑軋輥(未示明)可隨焊接輥運動，以確保這樣焊接成的管能變成所需直徑的最終圓管。
翅狀插入件的角θ影響著焊縫24。圖5表明由具有0°角的翅狀插入件所形成的焊縫。與管子的外壁26鄰接的焊縫24很結實，形成了良好的結合。與內壁28鄰接的焊縫由於帶的縱邊在焊接輥作用下不具有恰當的外形是不完全的。無焊縫區30在焊接管的內壁上形成了凹坑。這種凹坑減弱了焊縫強度，會在通過管的液體中形成流體擾動。過剩的金屬只有從形成管子外壁26上的焊珠21的焊縫處向外擠出。
當翅狀插入件的角度約為12°時，可以得到如圖6所示的焊縫24。此焊縫24從管的外壁26到內壁28都是一致的。從管的內、外壁都延伸出有焊珠31、32。焊珠31用傳統的方法例如燒剝方法清除。焊珠32必須清除以免液體通過熱交換管時發生紊流。當焊接管的內表面28光滑且管子的內徑大例如大於約8.25mm(0.325英寸)時，清除焊珠32並不困難。可用芯軸或其它機械裝置通過管的內孔以剔平此焊珠或通過燒剝方法將其除去。
雖然用傳統的方法能從具有光滑內孔的大直徑焊接管中除去焊珠32，但當內壁28業已經過增強處理，若不除去增強內壁的一部分就難以除去此焊珠。這最好是在使管子的金屬保持完整焊接的同時，將過多的金屬引到焊管的外壁26之上，以使焊珠32的形成減至最小。
圖7以等角圖表明用來形成內部增強的焊接管的金屬帶34。增強部36可以用銑削、燒剝、其它的精減處理或通過滾軋成形而形成。在滾軋成形中，使金屬帶通過一對輥，其中的至少一個輥構型成能將所需的結構壓印到此帶的表面上。圖7所示的金屬帶34具有增強表面38和光滑表面39。在形成管件時，金屬帶34變形成管狀形式而以增強表面38形成內壁。
圖8以橫剖圖表明了依據本發明第一實施例的翅狀插入件40。翅狀插入件40使波紋狀金屬帶34的兩個邊緣42上形成分開的角。此翅狀插入件的第一部分相對於此插入件的中央軸線45構成第一角44。
在此整個說明書中，所有的角都是按順時針走向從中央軸線部分到相鄰的管的外壁計算的。
第一角44可取大於零的任意值。最好，第一角44是從約6°至約8°，而更好是從約10°至約15°。當管徑約16mm(0.625英寸)時，第一角44的上述最佳值是極為有效的。此種最佳值對於其它管徑可有稍許不同。此第一角實質上確定了帶的未增強的部分46的形狀。
翅狀插入件40的第二部分49形成了由此插入件40的第二部分49與中央軸線45所確定的角48。此第二角48確定了帶的增強部50的邊緣形狀。(由180°減去此第二角的)這一值小於第一角但等於或大於零。此第二角最好是從約175°至約180°。
第一角44確定了已增強的帶34的底部46的邊緣形狀，第二角48確定了此帶的增強部50的邊緣形狀。轉折點52並不一定要是上述增強部與底部的交點。第一角44最好確定帶的底部的從約20％至約100％的形狀。而更好是，此第一角44確定了上述底部的從約60％至約100％的形狀。類似地，第二角48最好應確定帶的增強部從約20％至約100％的，而更好是此增強部的從約75％至約100％的形狀。
圖9以橫剖圖表明由此種翅狀插入件所形成的焊縫54。焊縫54在整個的底部上形成了一致的牢靠的焊接，而在增強部中形成了小的無焊縫區。焊縫54形成了幹擾通過此管內液體流的最小的內部焊珠。無焊接區30小於已增強表面上的溝槽，使得對液體流動的影響最小。外部焊珠31易於除去而不會損傷增強構型或結構。
圖10表明依據本發明第二實施例的翅狀插入件60。翅狀插入件60與上一實施例中的類似具有取正值的第一角44。第二角48』可取小於180°的任何角度。此第二角最好是從約170°至約180°而更好是從約175°至約179°。在增強部50終止的區域中的轉折段52』使此翅狀插入件從正值的第一角44轉變到具有小的零度區的第二角48』。此零度區的長度最好相當於底部金屬的未增強部的從約10％至約30％的厚度。
如圖11的橫剖圖所示，第一角在金屬帶34的底部46中形成了結實的焊珠62。第二角使增強區中的材料擠出，使得焊縫在轉折段52」中的這一頭逐漸變細，而在增強部50的第二角度段48」中無焊縫。應用這種翅狀插入件形成了對增強結構影響極小的焊縫62。流過此第二實施例有關焊接管的流體是與一致的表面相接觸，所受焊珠或未焊接段的幹擾最小。不需為除去內部焊珠作任何加工。
上面雖然是就具有內部增強表面的焊接管來描述本發明，但本發明同樣適用於內、外表面都增強了的焊接管。此外，本發明的上述翅狀插入件構型特別適用於難從其中除去焊珠的小孔焊接管。
圖12以部分橫剖圖示明了一種金屬帶70，在其第一側上形成有第一增強部72。上述金屬帶的第一側確定為形成管子外壁的這一側。在金屬帶70的第二側上形成了第二增強部74。在第一增強部72與第二增強部74之間設有未增強的底部金屬段76。此第一與第二增強部未必相同。在一個增強部中可以包括有在表面之下的終結於小表面孔隙的通道，以促進泡核沸騰。另一增強部則可取截錐形以增強紊流。
第一增強部72、底段76、第二增強部74的橫剖面厚度分別以「a」、「b」、「c」標明，如圖12所示。
當增強的金屬帶形成為弧形時，如果此兩個增強部沿著兩縱邊對準，從各邊緣的有一致體積的金屬便形成了焊縫。但要是金屬的體積沿著縱邊改變而形成一種螺旋式增強部時，沿著縱邊的變動著的厚度就會使可用作電接觸的金屬表面量發生波動。這種變動的荷載便構成了不穩定的焊接條件。圖13以頂視平面圖表明了這種增強了的金屬帶77。此金屬帶的厚度在高區域81與下凹區域(帶點的區域)83中是交替變化的。沒有本發明的翅狀插入件時，將帶77的兩個縱邊焊接就會引起電性質的波動和焊接的不穩定。
如圖14所示，通過對金屬帶的兩縱邊作合適的整形，底段76就會在焊縫中佔主要地位，而焊接增強部時對焊接穩定性的影響可減至最小。為了保證底段76能完全焊接，使增強段的一小部分78整形成具有與底段76相同的角度。這一小部78是取自任一已增強區域，而最好是使取自第一增強區域72和取自第二增強區域74的基本上等同。結果，金屬帶的整形成具有與底段76相同角度這部分的長度b』便從約(b＋0.05a＋0.05c)到約(b＋0.2a＋0.2c)。b』的長度增加了從a的長度的5％加c的長度的50％到a的長度的20％加c的長度的20％。而最好是，b』從約(b＋0.08a＋0.08c)到約(b＋0.12a＋0.12c)。
翅狀插入件80使底段76整形成一角α，角α相對於中央軸線82依順時針走向測量由管子的外壁起計算是從約5°至約30°，而更好是從約10°至約20°。
翅狀插入件80與第一增強部72之間的角β的度數是從約(α＋1°)至約(α＋15°)，而更好是從約(α＋2°)至約(α＋10°)。第二增強部74最好整形成基本上與中央軸線82平行。
當如圖15所示，金屬帶70的兩邊緣在焊接輥操作下帶到一起時，b』表面便完全接觸在加熱時進行焊接。焊珠84流入外部間隙86與內部間隙88之中，至少是部分地充填這兩個間隙但不延伸到超過焊接管的內徑或外徑。最好是翅狀插入件能將兩縱邊整形為，使得內部間隙88的容積略大於排入相應間隙內的焊珠的體積。
顯然，依據本發明業已提供了能完全實現前述目的一裝置與優點的形成內部增強的焊接管的方法。儘管本發明是結合它的特定實施例作了說明，但顯然，內行的人借鑑以上所述是可以了解到有關的種種其它形式、改型與變體的。因此，應該把所有這種其它形式、改型與變體視作為包括在後附權利要求書的精神與其寬廣範圍內。
權利要求
1.由具有相對的第一表面(38)與第二表面(39)的金屬帶(34)來製造內部增強的焊接管的方法，特徵在於，此方法包括下述步驟a)在金屬帶(34)的至少是第一表面(38)上形成構型(36)；b)將金屬帶(34)形成管狀，以第一表面(38)形成內壁(50)；c)使金屬帶(34)通過連帶有翅狀插入件(60)的翅件通過輥，將金屬帶(34)的兩個縱邊整形成至少取兩個不同角(44，48』)，其中所述縱邊的與第二表面(39)鄰接的第一部分相對於翅狀插入件(60)的中央軸線整形成第一角(44)，而此縱邊的與第一表面(38)鄰接的第二部分則整形成第二角(48』)，這裡的第一角(44)大於(180°-第二角(48』))；d)使金屬帶(34)的所述邊緣觸合；以及e)使上述邊緣焊接到一起(54)。
2.如權利要求1所述方法，特徵在於第一部分(38)整形成具有相對於所述中央軸線從約6°至約18°的角(44)，而第二部分(39)整形成具有相對於此中央軸線從約175°至約180°的角(48』)。
3.由金屬帶(70)製造內部增強焊接管的方法，特徵在於，此方法包括下述步驟a)在金屬帶(70)的第一側上形成第一增強部(72)，此第一增強部(72) 所具的橫剖面厚度記為「a」；b)在金屬帶(70)的相對的第二側上形成第二增強部(74)，此第二增強部所具的橫剖面厚度記為「c」，其中在第一增強部(72)與第二增強部(74)之間設有橫剖面厚度記為「b」的未增強的底段(76)；c)使金屬帶(70)形成管狀，以第一側壁(72)形成外壁；d)使金屬帶(70)通過連帶有翅狀插入件(80)的翅件通過輥，將金屬帶(70)的兩個縱邊整形成至少三個不同的角，其中的底段(76)整形成具有相對於翅狀插入件(80)的中央軸線(82)從約5°至約30°的角「α」，與第一增強部(72)相鄰的部分相對於中央軸線(82)整形成具有從約(α＋1°)至約(α＋15°)的角「β」，而與第二增強部(74)相鄰的部分則基本上與中央軸線(82)平行；e)使金屬帶(70)的兩個邊緣相接觸，以及f)使上述兩邊緣焊接到一起(84)。
4.如權利要求3所述方法，特徵在於所述縱邊的部分(76)整形成具有從約(b＋0.05a＋0.05c)至約(b＋0.20a＋0.20c)長度的角「α」。
5.如權利要求4所述方法，特徵在於「α」是從約10°至約20°。
6.如權利要求4或5所述方法，特徵在於「β」是從約(α＋2°)至約(α＋10°)。
7.焊接的金屬管，特徵在於此金屬管有帶有一批溝槽的內部增強的內壁(50)，和凹入這些溝槽內的焊縫(62)。
8.如權利要求7所述焊接管，特徵在於形成所述管的材料是選自銅、鋁、銅合金、鋁合金、不鏽鋼與鈦中的一種。
9.如權利要求8所述焊接管，特徵在於所述的管基本上沒有延伸超過此管內徑或外徑的焊珠。
全文摘要
在使已增強的金屬帶(72，74，76)形成管狀並焊接起之前，用一插入件(80)對其兩邊緣整形。此金屬帶的兩邊緣整形成使得此帶的未增強部(76)的這兩個縱向邊緣在焊接作業中能夠觸合，而得以減少焊接位置處金屬體積波動導致的不穩定性。
文檔編號B23K11/087GK1158096SQ95194883
公開日1997年8月27日 申請日期1995年8月15日 優先權日1994年9月1日
發明者邁倫·蘭德萊特, 傑羅姆·M·杜皮 申請人:奧林公司