專利名稱：使用高徑向沖擊速率的磁脈沖密封高壓容器的方法及依照該方法制造的容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通過脈沖磁力(pulsed magnetic force ) ( PMF )密 封容器，且特別是用于密封高壓容器的方法和裝置。
背景技術(shù)：
用于例如氣體和/或液體貯藏的容器例如罐、筒、箱、瓶等等通常通過 分別制造容器主體部分和蓋子部分來生產(chǎn)。為了密封容器，焊接(welding )、 硬焊(brazing )、軟焊(soldering)或巻邊(crimping)方法可被用于將蓋 子部分結(jié)合到容器主體部分。
焊接以下指的是一種工藝，在這個(gè)工藝中，第一工件和第二工件的兩 個(gè)相對(duì)表面形成"真正的"冶金結(jié)合(分子間鍵合)，也就是，當(dāng)?shù)谝还?件和第二工件由于它們的原子的相互擴(kuò)散而變得相互結(jié)合時(shí)的這樣的物
理接合。
硬焊是一種接合工藝，由此有色填充金屬或合金被加熱到熔化溫度 (通常450。C以上)，并通過毛細(xì)作用分布到兩個(gè)或更多個(gè)緊貼的工件之 間。在它的液體溫度，熔化的填充金屬和焊劑與基體金屬的薄層相互作用， 從而由于晶粒結(jié)構(gòu)的相互作用而冷卻至形成密封接合。硬焊接合成為有不 同層的分層結(jié)構(gòu)，每個(gè)層都冶金結(jié)合到相鄰層。
軟焊指的是使用熔化溫度通常低于450。C的填充材料(焊料)接合金 屬部件的工藝。軟焊由于較低熔化溫度的填充金屬而區(qū)別于硬焊；軟焊由 于在接合工藝中基體金屬并不熔化而區(qū)別于焊接。在軟焊工藝中，熱被應(yīng) 用到待接合的部件，從而造成焊料熔化并通過毛細(xì)作用吸入到接合處，并 通過潤(rùn)濕作用結(jié)合到待接合的材料。
6依次，巻邊指的是通過使兩個(gè)工件中的一個(gè)或兩個(gè)都變形(或型鍛) 來支承另一個(gè)工件的這樣的兩個(gè)工件接合。巻邊的結(jié)果，至少一個(gè)工件的 表面變得巻曲、彎曲或收縮，以便提供兩個(gè)工件之間"純粹的"機(jī)械接合， 而第一工件的原子沒有滲透到第二工件的主體內(nèi)。
巻邊通常由沖壓或滾軋來完成。此外，在本領(lǐng)域中用于密封容器的各 種巻邊技術(shù)也是已知的，其利用由瞬變磁場(chǎng)產(chǎn)生的力。
例如，Gere的美國(guó)專利第3,581,456號(hào)描述了 一種用于在充裝罐的口 徑(neck finish)上形成封閉的方法，其利用由瞬變磁場(chǎng)產(chǎn)生的力。設(shè)置在 罐的頸部上的蓋子的裙邊由所述場(chǎng)推動(dòng)貼著口徑，以便使裙邊符合口徑的 輪廓，并由此保持蓋子在罐的頸部上與口徑接合。
Koide等人的美國(guó)專利第4,934,552號(hào)描述了 一種用于制造密封容器的 方法，該密封容器包括具有開口端的圓柱形主體部分和安裝在主體部分的 開口端內(nèi)的蓋子。通過從主體部分的外部將主體部分的開口端壓到蓋子的 外圍表面來制造密封容器，在蓋子的外圍表面周圍設(shè)置有至少一個(gè)環(huán)形凹 槽。在使用電磁力作為壓力加工的方式的情況下，主體部分的一部分立刻 被嚴(yán)格且氣密地固定到環(huán)形凹槽，且因而制造出密封容器。
Shiina等人的美國(guó)專利第5，191,775號(hào)描述了一種用于密封冷凍介質(zhì)貯 藏容器的技術(shù)，該容器包括具有底部和開口上端部分的管狀主體以及安裝 在開口端部分內(nèi)的閉合件(closure)。開口端部分由電磁成形收縮和巻曲， 并因此通過彎曲和配合凹槽固定到閉合件。美國(guó)專利第5,191,775號(hào)聲明， 該方法不使用焊接來將閉合件接合到主體。
Aronne的美國(guó)專利第5,671,522號(hào)描述了用于通過磁脈沖成形技術(shù) (magnetic pulse forming technique)密封罐的另一種型鍛技術(shù)。罐依靠一 對(duì)特別構(gòu)造的端蓋閉合，每個(gè)端蓋具有形成在它們的圓周周圍的環(huán)形凹入 部分。罐的末端接合在凹入部分內(nèi)，并由》茲脈沖成形接合。要求》茲脈沖力 徑向向內(nèi)指向與形成在蓋子中的凹陷相匹配的芯棒(mandrel )。
應(yīng)該理解，通過巻邊密封氣體貯藏容器可被用于設(shè)計(jì)的壓力不超過幾 巴的壓力容器，例如，用于密封在充滿氯氟烴(CFC)制冷劑如氟利昂的電水箱和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)中使用的壓力容器。然而，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，CFC是使全 球變暖和臭氧損耗的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)地球的大氣造成有害影響。特別地，南
極上方發(fā)現(xiàn)了臭氧洞，且增強(qiáng)的世界關(guān)注導(dǎo)致了 1989的蒙特利爾議定書。 在同一時(shí)期，據(jù)發(fā)現(xiàn)，CFC對(duì)世界的溫室變暖問題也有重大影響。因此， 用不危害環(huán)境的材料替代全球變暖和臭氧損耗的化學(xué)物質(zhì)是現(xiàn)在的一個(gè) 主要論點(diǎn)。
減輕CFC對(duì)全球大氣的有害影響的一個(gè)解決方案是使用對(duì)環(huán)境無害 的二氧化碳作為制冷劑，代替常規(guī)的使全球變暖和臭氧損耗的化學(xué)物質(zhì)。 盡管二氧化碳是使全球變暖的氣體，但常規(guī)的制冷劑(例如氯氟烴和氫氟 碳)造成的全球變暖比同等數(shù)量的二氧化碳多大約1000倍。同時(shí)，從空 調(diào)釋放出的微小量的二氧化碳與從燃燒礦物燃料制造出來用于能量和運(yùn) 輸?shù)凝嫶髷?shù)量相比是微不足道的。
二氧化碳空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是，其必須在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)，例如3 倍或更高于CFC技術(shù)中通常所見的。高壓運(yùn)轉(zhuǎn)的需要造成某些工程挑戰(zhàn)， 并需要使用厚且重的管道系統(tǒng)。例如，與充滿氟利昂的容器相比，充滿二 氧化^^友的容器的壁厚要增加1.5到4.5倍。
當(dāng)容器中的壓力增加到二氧化碳貯藏容器所需要的值時(shí)，基于巻邊的 密封方法就會(huì)失敗。為了克服這些困難，容器的密封就要使用焊接而不是 巻邊來完成。


圖1說明了當(dāng)通過在高溫下使用熔焊技術(shù)(fusion welding technique ) 由蓋子1密封圓柱形容器主體2時(shí)的例子。熔焊:汰術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)在于由于 高溫形成了熱影響區(qū)3這個(gè)事實(shí)。材料在熱影響區(qū)3的機(jī)械和冶金特性可 能與原始材料的特性顯著不同，這降低了密封容器的品質(zhì)和性能。特別地， 可能需要使用厚的容器壁來在高壓下貯藏二氧化碳。
本領(lǐng)域中已知的(見，例如本申請(qǐng)的受讓人的美國(guó)專利第5,824,998 號(hào))，脈沖磁成形技術(shù)(pulsed magnetic forming technique)不但可以用于 巻邊，如上所述美國(guó)專利第3,581,456、 4,934,552、 5,191,775和5,671,522 號(hào)，而且用于冷焊接兩個(gè)金屬工件而不形成退火過渡區(qū)域(annealed transition zone )。用于通過焊接密封容器的磁脈沖技術(shù)(magnetic pulse technique)描述 在歸屬本申請(qǐng)的受讓人的WO 05002777中。該方法包括提供具有開口端的 容器主體和包含焊接部分和邊緣部分的蓋子。蓋子在焊接部分的直徑小于 容器主體的直徑，以便在容器主體與焊接部分之間提供空隙。蓋子放在容 器主體的所述開口端內(nèi)。在容器主體周圍、蓋子的焊接部分所處的位置設(shè) 置焊接感應(yīng)線圈。焊接感應(yīng)線圈受激勵(lì)，產(chǎn)生足以造成容器主體的一部分 沿徑向向內(nèi)方向圍繞蓋子在空隙內(nèi)彎曲的脈沖磁力。脈沖磁力的值能夠提 供容器主體和蓋子的原子在它們沖擊時(shí)的相互擴(kuò)散，從而將容器主體和蓋
子焊接到彼此。
盡管WO 05002777描述的方法可用于密封高壓容器，但是本方法的應(yīng) 用限于特定容器結(jié)構(gòu)，即當(dāng)蓋子^皮放置在容器主體的內(nèi)部時(shí)。
發(fā)明概述
盡管有通過磁脈沖成形技術(shù)密封容器的領(lǐng)域內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)，但是本領(lǐng) 域中一種用于通過利用脈沖磁力(PMF)在容器主體和蓋子間提供原子的 相互擴(kuò)散來密封高壓容器的新穎方法仍然有需要，并將會(huì)有用。
因此，依照本發(fā)明的一個(gè)寬泛方面，提供了一種密封容器的方法，其 包括
(a) 提供具有至少一個(gè)開口端的容器主體；
(b) 提供具有焊接部分的蓋子；
(c )將蓋子的焊接部分放置在容器主體的所述至少一個(gè)開口端上，以 重疊容器主體的至少一部分，由此界定容器主體的所述部分和蓋子的焊接 部分之間的空隙；
(d)在所述容器主體周圍，至少在蓋子的焊接部分所處的位置設(shè)置 焊接感應(yīng)線圏；以及
(e )通過將工作電壓f/應(yīng)用到焊接感應(yīng)線圈之間來激勵(lì)所述焊接感應(yīng) 線圈，工作電壓t/具有產(chǎn)生足以造成蓋子的焊接部分在所述空隙內(nèi)圍繞容器主體的所述部分沿徑向向內(nèi)方向彎曲的脈沖磁力所需要的預(yù)定值，工作
150m/sec到600m/sec范圍內(nèi)的有效徑向速率值，由此提供容器主體和蓋子 的原子在它們沖擊時(shí)的相互擴(kuò)散。
依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，焊接部分可位于容器主體的開口端附近。
依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，蓋子具有設(shè)置在容器主體內(nèi)部的保持部分 (holding part )。
優(yōu)選地，接合區(qū)域中前接觸線的表面切向速率(apparent tangential velocity)在1000m/sec-2500m/sec范圍內(nèi)。
依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，工作電壓"可由下式得到
其中A、 ~、 ^和C相應(yīng)地為焊接部分的材料密度(用kg/w3)、內(nèi) 半徑、厚度和長(zhǎng)度(用m)， /^是環(huán)形空隙的厚度(用m), /^是感應(yīng)線圈 和焊接部分間的間隙的厚度(用m)， /^.,是線圈22在工作區(qū)域的縱向尺 寸(例如丄w, > /w )， C是脈沖焊接裝置(pulsed welding apparatus)(未顯 示)的能量貯藏箱的電容(用F)， F,是在沖擊下蓋子焊接部分在徑向方向 的速率(用m/sec),而A是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其值可在3到15的范圍內(nèi)改變。
因此，將容器主體焊接到蓋子焊接部分所需要的能量W可由下式獲
依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，在激勵(lì)焊接感應(yīng)線圏之前，將彈性O(shè)型圈 放置在蓋子和容器主體之間的空隙中。
依照本發(fā)明的另一寬泛方面，提供了一種密封容器的方法，其包括
(a) 提供具有至少一個(gè)開口端的容器主體；
(b) 提供具有適合于將容器主體的端部分放置在其中的凹入部分的
蓋子焊接部分的在
蓋子;
10(c) 將所述至少一個(gè)開口端;^丈置到凹入部分中；
(d) 將密封圓柱體設(shè)置在蓋子和容器主體的放置在凹入部分中的所 述端部分上，以使圓柱體重疊蓋子和容器主體的端部分，因此界定其間的
(e )在所述密封圓柱體周圍，至少在蓋子和容器主體的端部分所處的 位置設(shè)置焊接感應(yīng)線圏；以及
(f)通過將工作電壓f/應(yīng)用到焊接感應(yīng)線圈之間來激勵(lì)所述焊接感應(yīng) 線圈，工作電壓"具有產(chǎn)生足以造成密封圓柱體在所述空隙內(nèi)沿徑向向內(nèi) 方向彎曲的脈沖磁力所需要的預(yù)定值，工作電壓的所述預(yù)定值所具有的值 使得在與所述蓋子和容器主體的所述端部分沖擊時(shí)提供圓柱體彎曲部分 的在150m/sec到600m/sec范圍內(nèi)的有效徑向速率值，由此提供密封圓柱 體彎曲部分的原子與容器主體和蓋子的原子在它們沖擊時(shí)的相互擴(kuò)散。
依照本發(fā)明的又一實(shí)施方式，該方法進(jìn)一步包括
提供至少 一個(gè)額外的密封圓柱體；
將所述至少一個(gè)額外的密封圓柱體應(yīng)用在所述密封圓柱體上；以及 使額外的密封圓柱體與所述密封圓柱體相接合。 工作電壓"可由下式獲得
其中/V、 Q、 ^和^相應(yīng)地為密封圓柱體的材料密度(用kg/zw3 )、 內(nèi)半徑、厚度和長(zhǎng)度(用m), ^是環(huán)形空隙的厚度(用m)， /^是感應(yīng)線 圈和密封圓柱體間的間隙的厚度(用m), C是脈沖焊接裝置的能量貯藏箱 的電容(用F)， J^是在沖擊下密封圓柱體沿徑向方向的速率(用m/sec)， 而A是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
因此，將容器主體(21)焊接到密封圓柱體所需的能量r可由下式獲
得依照本發(fā)明的又一寬泛方面，提供了一種通過依照上迷任一種實(shí)施方 式的方法制作的密封容器。
本發(fā)明的密封容器和密封方法具有許多前述技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而同時(shí)克服 了通常與之相關(guān)聯(lián)的一些缺點(diǎn)。
依照本發(fā)明的密封容器是耐用和可靠的構(gòu)造。
依照本發(fā)明的密封容器可具有低廉的制造成本。
特別地，當(dāng)與基于熔焊的容器和密封方法相比時(shí)，該容器可由于沒有
熱影響區(qū)域而具有更薄的壁厚。例如，當(dāng)容器由鋁6061 T6制造時(shí)，擴(kuò)散 焊接過程期間的加熱將容器的熱影響區(qū)轉(zhuǎn)變成鋁6061-W (焊接的)形式， 屈服強(qiáng)度從276MPa減少到80MPa。結(jié)果，為了使容器能夠承受至少40MPa 的壓力，其厚度應(yīng)從3.5mm (用于鋁6061 T6 )增加到12mm (用于鋁 6061-W)。
依次，當(dāng)與通過巻邊技術(shù)形成的容器相比時(shí)，依照本發(fā)明的密封容器 可更好地保持高壓或真空。例如，在氦泄漏測(cè)試中，由磁脈沖焊接制成的 焊接部分可保持高達(dá)10"QmmHg值的真空，而由巻邊方法的接合部分在泄 漏測(cè)試中不能保持任何真空。
本發(fā)明的密封技術(shù)的應(yīng)用的例子包括但并不限于，制造空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng) 這樣的部件，如空氣儲(chǔ)罐、空氣干燥器、空氣儲(chǔ)氣器等等。
例如，由本發(fā)明方法制作的密封容器可用于貯藏壓縮的二氧化碳。
因此，略述而非寬泛地描述了本發(fā)明更重要的特征，以便可以更好地 理解接下來下文中本發(fā)明的詳細(xì)描述。本發(fā)明的另外的細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)在 詳細(xì)描述中闡明，并且部分地將會(huì)從描述中意識(shí)到，或可從本發(fā)明的實(shí)踐 中認(rèn)識(shí)到。
附圖簡(jiǎn)述
為了理解本發(fā)明并看到其在實(shí)踐中如何實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)將僅通過非限制性例 子、參考附圖來描述優(yōu)選的實(shí)施方式，其中圖l是由擴(kuò)散焊接工藝密封后的容器的剖視圖2示例了依照本發(fā)明一種實(shí)施方式密封工藝之前的容器的剖視圖； 圖3示例了依照本發(fā)明另一種實(shí)施方式密封工藝之前的容器的剖視
圖4A到4D示例了依照本發(fā)明一實(shí)施方式焊接工藝的連續(xù)階段；
圖5A和5B示例了依照本發(fā)明又一實(shí)施方式密封工藝之后的容器的一 部分的剖視圖6A和6B示例了依照本發(fā)明又一實(shí)施方式容器的焊接工藝的兩個(gè)階
段；
圖6C示例了依照本發(fā)明進(jìn)一步實(shí)施方式密封工藝之后的容器部分的 一部分的剖視圖；以及
圖7示例了依照本發(fā)明又一實(shí)施方式密封工藝之后的容器部分的一部 分的剖視圖。
示例性實(shí)施方式詳述
可參考附圖和隨附的描述更好地理解依照本發(fā)明的方法和裝置的原 理和操作，應(yīng)理解，給出的這些附圖僅作為例證性目的而不意味著限制。 貫穿本發(fā)明的本描述，同樣的參考數(shù)字用于標(biāo)識(shí)那些常用在附圖中所示的 容器和工作線圏中的部件。容器的尺寸、容器和蓋子的壁厚及容器和蓋子 間的空隙和它們的部分可為了清楚而纟皮^:大。
參考圖2，示例了依照本發(fā)明一種實(shí)施方式在密封工藝之前的容器20 的剖視圖。容器20包括具有開口端的圓柱形容器主體21和蓋子23。蓋子 23具有重疊圓柱形容器主體21的一部分的焊接部分24。蓋子23還具有 適合于將蓋子23保持在容器主體21內(nèi)部的保持部分25。因此，蓋子23 在保持部分25處的直徑^與容器主體21的內(nèi)徑《相等。依照本發(fā)明，蓋 子23在焊接部分24處的內(nèi)徑《大于容器主體21的外徑《,，以便當(dāng)蓋子 23 ^皮放置到容器主體21的開口端內(nèi)時(shí)提供圓柱形容器主體21和蓋子焊接
13部分24之間的環(huán)形空隙26。優(yōu)選地，焊接部分24和圓柱形容器主體21 之間的重疊部分比焊接部分24的厚度大兩倍還多。
容器20可由具有用于特殊應(yīng)用所需要的強(qiáng)度和成形特點(diǎn)的任何合適 的金屬材料構(gòu)造。應(yīng)理解，容器主體21和蓋子23可由相同或不同的材料 制造。制造容器主體21和蓋子23的金屬材料的例子包括但不限于，鋁、 低碳鋼、黃銅、銅。應(yīng)理解，也可使用這些和其它材料的合金。
為了提供將蓋子23焊接到容器主體21所需要的力，在容器主體21 周圍、蓋子焊接部分24放置在容器主體21之上的位置產(chǎn)生高能量的脈沖 磁場(chǎng)。適合于提供所需要的脈沖磁場(chǎng)的設(shè)備本質(zhì)上是已知的，且因此它的 構(gòu)造和操作以下不詳細(xì)說明。例如，在本申請(qǐng)的受讓人的美國(guó)專利第 5,824,998號(hào)中描述的設(shè)備可用于本發(fā)明的這一目的，此專利在此以引用方 式并入。這樣的設(shè)備包括可依照具體應(yīng)用設(shè)定的焊接感應(yīng)線圈22。在圖2 中，焊接感應(yīng)線圏22在蓋子焊接部分24所處的位置圍繞容器主體21。當(dāng) 需要時(shí)，線圈22的縱向尺寸丄。。,,大于焊接部分24的縱向尺寸C，且設(shè)置成 使得由感應(yīng)線圈22產(chǎn)生的用于彎曲蓋子焊接部分24的脈沖磁力集中在焊 接部分24的邊緣28。應(yīng)注意，接合區(qū)域具有用于圍繞焊接部分24的線圈 22的間隙44。
參考圖3，示例了依照本發(fā)明另一種實(shí)施方式在焊接工藝之前的容器 30的剖^f見圖。依照這種實(shí)施方式，圓柱形容器30在兩端開口。因此，當(dāng) 需要時(shí)，蓋子27a和27b可用于在兩個(gè)開口端密封容器主體31。
參考圖4A-4D，示例了依照本發(fā)明實(shí)施方式的焊接工藝的連續(xù)階段。 應(yīng)注意，為了清楚，這些圖不按比例繪制，且也不成比例。在操作中，將 與焊接感應(yīng)線圈22產(chǎn)生的磁場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的脈沖磁力F應(yīng)用到蓋子23的焊接 部分24(見圖4A)。依照這種實(shí)施方式，焊接部分24位于容器主體21的 開口端附近。然而，應(yīng)理解，容器焊接部分24的位置并不局限在沿著容 器主體21的長(zhǎng)度的任何部分。
應(yīng)注意，與現(xiàn)有技術(shù)的巻邊技術(shù)(在巻邊技術(shù)中，在應(yīng)用脈沖磁場(chǎng)之 前，接合部分彼此相連)相比，本發(fā)明的脈沖磁焊接方法教導(dǎo)使用蓋子焊 接部分24和容器主體21間的空隙26。這樣的空隙為蓋子焊接部分24提供了在加速下朝容器主體21移動(dòng)的可能性，以獲得足以使容器主體和蓋 子的原子在它們沖擊時(shí)相互擴(kuò)散的高速率值。
用于密封容器的焊接容器的工藝包括激勵(lì)焊接感應(yīng)線圈22，以產(chǎn)生 脈沖磁力F，用于在容器主體21周圍沿徑向向內(nèi)方向彎曲蓋子的焊接部 分24。焊接開始于焊接部分24的邊緣41接觸容器主體21的表面42的 時(shí)刻(見圖4B)。在焊接期間，界定容器主體21周圍的焊接區(qū)域WZ內(nèi) 的前接觸線43朝著容器的末端切向移動(dòng)(見圖4C)，由此密封容器(見 圖4D)。
應(yīng)理解，為了提供在高速?zèng)_擊下將容器主體焊接到蓋子所需要的原子 的相互擴(kuò)散，脈沖磁力F應(yīng)具有預(yù)定值。更具體地，脈沖磁力F的值必須 使得蓋子的焊接部分24在其在空隙26中朝著容器主體21的表面42加速 運(yùn)動(dòng)期間可獲得足以使容器主體的原子滲透到蓋子的原子之間的空間內(nèi) 的速率。特別地，申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圖1和圖2所示的蓋子的焊接部分24 和容器主體21的構(gòu)型，在蓋子的焊接部分24在沖擊下沿徑向方向速率R 的有效值的范圍是約150m/sec-600m/sec ，而接合區(qū)域中的前接觸線43的 表面切向速率巧的范圍大約是1000m/sec-2500m/sec時(shí)，可建立焊接。表 面切向速率K可由^-P;/tan"獲得，其中a是沖擊角度。
在這種控制的沖擊下，高壓碰撞產(chǎn)生在待結(jié)合的金屬的兩個(gè)表面之 間。兩個(gè)相鄰金屬的原子一起由這樣的力推進(jìn)，以致它們實(shí)際上克服了它 們的自然排斥力，并因?yàn)樗鼈児蚕黼娮佣鴮?dǎo)致了穩(wěn)定的平衡。該工藝使用 壓力而不是熱，從而避免了焊接中出現(xiàn)的所有常規(guī)的熱感應(yīng)問題，例如相 位改變、金屬間化合物的形成、再結(jié)晶晶粒等等。結(jié)合甚至可能比基質(zhì)材 料自身還要堅(jiān)固，因?yàn)闃O限失效發(fā)生在兩種金屬的更薄弱地方而不在結(jié)合 界面。此工藝中不存在熱，使得結(jié)合熔化溫度差異大的金屬成為可能，例 :ft口4呂和4岡。
此外，由于前接觸線43的高切向速率K,通過施加在兩個(gè)結(jié)合表面 上面的沖擊力而在它們之間產(chǎn)生噴射。該噴射行為去除了來自焊接區(qū)域的 氧化物、表面污染物和任何污垢的痕跡，從而允許磁壓力引起的沖擊使金 屬瞬時(shí)塑性變形，并將配合表面推在一起。這允許剝?nèi)チ怂鼈兊难趸瘜拥膬蓚€(gè)原始表面在非常高的壓力下焊接到一起，從而使每種金屬的原子彼此 足夠緊密的接觸，以允許原子的引力發(fā)揮作用。
本發(fā)明定義了物理論證的方向，用于預(yù)先計(jì)算應(yīng)用穿過感應(yīng)線圈22 的電壓f/和/或用于將容器主體21和蓋子23焊接到彼此所需的能量『。特 別地，預(yù)定電壓"和能量『必須使得(i)蓋子23的焊接部分24在它朝容 器主體21運(yùn)動(dòng)期間在沖擊下獲得在向內(nèi)方向的速率值在大約150m/sec到 600m/sec范圍內(nèi)和(ii)前接觸線43在沖擊下獲得切向速率值在大約 1000m/sec到2500m/sec范圍內(nèi)。
特別地，考慮到本發(fā)明提供的速率值，本領(lǐng)域技術(shù)人員總可以計(jì)算應(yīng) 用穿過感應(yīng)線圈的電壓V和/或?yàn)榱藢⑷萜髦黧w21焊接到蓋子23的焊接 部分24所需的能量『的量級(jí)，從而提供原子的相互擴(kuò)散。
例如，焊接焊接部分24和容器主體21所需的工作電壓"可由下式推
測(cè)
其中A、 ~、 ^和/j目應(yīng)地為焊接部分24的材料密度(用kg/m3 )、 內(nèi)半徑、厚度和長(zhǎng)度(用m)， /^是環(huán)形空隙26的厚度(用m)， /^是感 應(yīng)線圈22和焊接部分24間的間隙44的厚度(用m )，丄^7是線圈22在工 作區(qū)域的縱向尺寸(例如丄g》C )， C是脈沖焊接裝置(未顯示)的能量 貯藏箱的電容(用F)， F,是在沖擊下蓋子的焊接部分24在徑向方向的速 率(用m/sec)，而&是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其值可在2到20范圍內(nèi)改變。
因此，將容器主體21焊接到蓋子23的焊接部分24所需的能量『可 由下式獲得
例如，當(dāng)焊接參數(shù)被設(shè)定為/ w =2700kg/m3 (鋁)；。=0.02m; /zc=0.0015m; &=0.0015m; /w=0.015m; &=0.002m; C=550juF; ^=300m/s 和k-10時(shí)，工作電壓t/等于約5kV,而用于焊接所需要的能量W等于約 16kJ。參考圖5A和5B,示例了依照本發(fā)明進(jìn)一步實(shí)施方式在焊接之后的接
合區(qū)域的剖視圖。依照這些實(shí)施方式，為了增強(qiáng)密封功能，在激勵(lì)焊接感
應(yīng)線圏之前，將彈性O(shè)型圈28放置在蓋子23和容器主體21之間的空隙 中。依照?qǐng)D5A所示的例子，O型圈28被放置在容器主體21的平頭端。 然而，當(dāng)需要時(shí)，O型圈28可被放置在蓋子的焊接部分24和容器主體21 之間的任何其它位置(見圖5B)。
一起參考圖6A和6B，示例了依照本發(fā)明又一實(shí)施方式的容器的焊接 工藝的兩個(gè)階段。依照這一實(shí)施方式，通過使用密封圓柱體62將容器主 體21接合到蓋子61。在這種情況下，蓋子61具有凹入部分63，容器主 體21的端部分66放置凹入部分63內(nèi)。優(yōu)選地，凹入部分63的深度/,等 于容器主體21的厚度/y ( /V = ^L-《 )。在這種構(gòu)型中，蓋子61在其平 頭端64的直徑等于容器主體21的外徑。
如圖6A所示，密封圓柱體62放置在蓋子61和容器主體21的端部分 66上，以使圓柱體62重疊蓋子61和容器主體21的端部分66。圓柱體的 尺寸使得在密封圓柱體62的內(nèi)表面和蓋子61之間提供空隙65，而蓋子 61鄰接容器主體21的放置在凹入部分63內(nèi)的端部分66。
為了將蓋子61、容器主體21和圓柱體62焊接到一起，將焊接感應(yīng)線 圈22放置在密封圓柱體62周圍，優(yōu)選地，集中在端部分66的平頭端66a 的位置。激勵(lì)線圏22將造成集中在這一位置的圓柱體62彎曲(見圖6B)。
依照本發(fā)明的這種實(shí)施方式，脈沖磁力F的值必須使得密封圓柱體62 的彎曲部分69在其在空隙65內(nèi)運(yùn)動(dòng)期間可獲得足以使其原子滲透到容器 主體21的原子和蓋子61的原子之間的空間內(nèi)的徑向方向速率，因此將蓋 子61、容器主體21和圓柱體62的彎曲部分69焊接到一起。前部線67a 和67b的高切向速率K導(dǎo)致在兩個(gè)結(jié)合表面之間產(chǎn)生兩個(gè)相對(duì)的噴射。該 噴射行為去除了來自焊接區(qū)域的氧化物、表面污染物和任何污垢的痕跡， 從而允許磁壓力引起的沖擊使金屬瞬時(shí)塑性變形，并將配合表面推在一 起。例如，當(dāng)在沖擊下，密封圓柱體62的彎曲部分69的徑向方向速率的 有效值在大約150m/sec-600m/sec范圍內(nèi)，而4妄合區(qū)域內(nèi)前部線的表面切 向速率^在大約1000m/sec-2500m/sec范圍內(nèi)時(shí)，可建立焊接。焊接所需的工作電壓和能量的值，以及由感應(yīng)線圈22產(chǎn)生的在空隙
65內(nèi)的磁場(chǎng)5 (用特斯拉計(jì)算)可根據(jù)以上描述計(jì)算。 特別地，工作電壓f/可由下式獲得
其中 、Q 、 和^相應(yīng)地為密封圓柱體(62 )的材料密度(用kg/W )、 內(nèi)半徑、厚度和長(zhǎng)度(用m), /^是環(huán)形空隙(65)的厚度(用m)， /^是 感應(yīng)線圈(22)和密封圓柱體(62)間的間隙的厚度(用m)， C是脈沖焊 接裝置的能量貯藏箱的電容(用F)， K是在沖擊下密封圓柱體(62)在徑 向方向的速率(用m/sec),而A是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
因此，將容器主體(21)焊接到密封圓柱體(62)所需的能量『可由 下式獲得
當(dāng)需要時(shí)，為了加強(qiáng)密封功能，在密封工藝之前，可將彈性O(shè)型圈68a 和68b相應(yīng)地放置在蓋子61和密封圓柱體62之間以及蓋子61和容器主 體21的端部分66之間(見圖6C )。
參考圖7，示例了依照本發(fā)明又一實(shí)施方式在密封工藝之后的容器的 剖視圖。依照這種實(shí)施方式，容器主體21的密封工藝由兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)。 在第一個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)容器主體21、蓋子61和密封圓柱體62的接合，如以 上參考圖6A和6B描迷的。在第二個(gè)階段，可通過將額外的密封圓柱體 71應(yīng)用到密封圓柱體62上來加強(qiáng)密封。在這種情況下，密封壁將主要由 兩個(gè)圓柱體組成，例如密封圓柱體62和71 。
依照一個(gè)例子，通過與以上描述的用于圓柱體62的焊接方法類似的 焊接工藝使額外的密封圓柱體71與密封圓柱體62接合。
依照另一個(gè)例子，可通過以上在背景部分描述的任何一種現(xiàn)有技術(shù)巻 邊方法使額外的密封圓柱體71與密封圓柱體62接合。應(yīng)理解，當(dāng)需要時(shí)，可通過使用不只一個(gè)額外的圓柱體(未顯示)進(jìn) 一步增強(qiáng)密封，由此增加密封壁的總厚度。
同樣地，屬于本發(fā)明領(lǐng)域的技術(shù)人員可理解，盡管已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實(shí) 施方式描述了本發(fā)明，但是本公開內(nèi)容所基于的概念可易于用作用于實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明多個(gè)目的的其它結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和工藝的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
很明顯，盡管所示的本發(fā)明的容器的例子用于具有圓形截面的容器主 體部分，但是已作必要的修正，本發(fā)明的密封方法可適用于密封具有任意 截面形狀的容器。
同樣，應(yīng)理解，在這里所使用的措詞和術(shù)語是為了描述的目的，而不 應(yīng)認(rèn)為是限制性的。
在所附的工藝權(quán)利要求中，用來指明權(quán)利要求步驟的按字母順序的字 符僅為了方便而設(shè)置，且并不暗示執(zhí)行步驟的特殊順序。
因此，重要的是，本發(fā)明的范圍不應(yīng)被認(rèn)為由這里提出的示例性實(shí)施 方式所限定。如在所附權(quán)利要求和它們的同等物中界定的本發(fā)明的范圍內(nèi) 的其它變化形式是可能的。
權(quán)利要求
1.一種密封容器的脈沖磁方法，其包括(a)提供具有至少一個(gè)開口端的容器主體(21)；(b)提供具有焊接部分(24)的蓋子(23)；(c)將所述蓋子(23)的所述焊接部分(24)放置在所述容器主體(21)的所述至少一個(gè)開口端上，以重疊所述容器主體的至少一部分，由此界定所述容器主體(21)的所述部分與所述蓋子(23)的所述焊接部分(24)之間的空隙(26)；(d)在所述容器主體周圍，至少在所述蓋子(23)的所述焊接部分(24)所處的位置設(shè)置焊接感應(yīng)線圈(22)；以及(e)通過將工作電壓U應(yīng)用到所述焊接感應(yīng)線圈(22)之間來激勵(lì)所述焊接感應(yīng)線圈(22)，所述工作電壓U具有產(chǎn)生足以造成所述蓋子(23)的所述焊接部分(24)在所述容器主體(21)的所述部分周圍沿徑向向內(nèi)方向在所述空隙(26)內(nèi)彎曲的脈沖磁力所需的預(yù)定值，工作電壓的所述預(yù)定值所具有的值使得在與所述容器主體(21)沖擊時(shí)提供所述蓋子的焊接部分(24)的在150m/sec到600m/sec范圍內(nèi)的有效徑向速率值，由此提供所述容器主體(24)和所述蓋子(23)的原子在它們沖擊時(shí)的相互擴(kuò)散。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述焊接部分(24)位于所述容 器主體(21)的開口端附近。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中接合區(qū)域中的前接觸線(43)的 表面切向速率在1000m/sec-2500m/sec的范圍內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中焊接所述焊接部分(24)和所述 容器主體(21)所需的工作電壓V由下式獲得其中久、~、 ^和C相應(yīng)地為所述焊接部分(24)的材料密度(用 kg/附3 )、內(nèi)半徑、厚度和長(zhǎng)度(用m)， ^是環(huán)形空隙(26)的厚度(用m), /^是所述感應(yīng)線圈(22)和所述焊接部分(24)間的間隙(44)的厚度(用 m)， C是脈沖焊接裝置的能量貯藏箱的電容(用F)， ^是在沖擊下所述 蓋子的焊接部分(24)在徑向方向的速率(用m/sec)，而A:是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述容器主體(21)焊接到所 述蓋子(23)的所述焊接部分(24)所需的能量FF可由下式獲得其中A、 ~、 ^和C相應(yīng)地為所述焊接部分(24)的材料密度(用 kg/附3 )、內(nèi)半徑、厚度和長(zhǎng)度(用m)， /^是環(huán)形空隙(26)的厚度(用m), &是所述感應(yīng)線圈(22 )和所述焊接部分(24 )間的間隙(44 )的厚度(用 m), ^是在沖擊下所迷蓋子的焊接部分(24)在徑向方向的速率(用m/sec)， 而&是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的方法，其中A的范圍在2到20內(nèi)。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述蓋子(23)具有設(shè)置在所述 容器主體(21)內(nèi)的保持部分(25)。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其包括在激勵(lì)所述焊接感應(yīng)線圈(22) 的所述步驟之前，將彈性O(shè)型圈(28)放置在所述蓋子(23)和所述容器 主體(21 )之間的空隙內(nèi)。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述焊接感應(yīng)線圈(22)被設(shè)定 為在所述焊接部分(24)的邊緣處產(chǎn)生脈沖磁力。
10. 如前述權(quán)利要求中的任一權(quán)利要求所述的方法，其進(jìn)一步包括在 密封之后將壓縮的二氧化碳貯藏在所述容器中。
11. 一種密封容器，其通過依照權(quán)利要求1到9中的任一權(quán)利要求所 述的脈沖磁方法制作。
12. 如權(quán)利要求11所述的密封容器，其貯藏壓縮的二氧化碳。
13. —種密封容器的脈沖磁方法，其包括(a) 提供具有至少一個(gè)開口端的容器主體(21);(b) 提供具有適合于將所述容器主體(21)的端部分(66)放置在 其中的凹入部分(63)的蓋子(61);(c) 將所述至少一個(gè)開口端(66)放置到所述凹入部分(63)中；(d) 將密封圓柱體(62 )設(shè)置在所述蓋子(61 )和所述容器主體(21) 的放置在所述凹入部分(63)內(nèi)的所述端部分(66)上，以使所述圓柱體(62)重疊所述蓋子(61)和所述容器主體(21)的所述端部分(66), 由此界定其間的空隙(65);(e) 在所述密封圓柱體(62)周圍，至少在所述蓋子(61)和所述容 器主體(21)的所述端部分(66)所處的位置設(shè)置焊接感應(yīng)線圏(22); 以及(f) 通過將工作電壓U應(yīng)用到所述焊接感應(yīng)線圈(22)之間來激勵(lì)所 述焊接感應(yīng)線圏(22)，所述工作電壓f/具有產(chǎn)生足以造成所述密封圓柱體(62)在所述空隙內(nèi)在徑向向內(nèi)方向彎曲的脈沖磁力所需的預(yù)定值，工作 電壓的所述預(yù)定值所具有的值使得在與所述蓋子(61)和所述容器主體(21)的所述端部分(66)沖擊時(shí)提供所述圓柱體(62)的彎曲部分(69) 的在150m/sec到600m/sec范圍內(nèi)的有效徑向速率值，由此提供所述密封 圓柱體(62)的彎曲部分(69)的原子與所述蓋子(61)和所述容器主體(21)的原子在它們沖擊時(shí)的相互擴(kuò)散。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中接合區(qū)域中的前接觸線的表面 切向速率在1000m/sec-2500m/sec的范圍內(nèi)。
15. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中工作電壓V可由下式獲得<formula>formula see original document page 4</formula>其中~,、 Q、 ^和g相應(yīng)地為所述密封圓柱體(62)的材料密度(用 kg/w3)、內(nèi)半徑、厚度和長(zhǎng)度(用m)， /^是環(huán)形空隙(65)的厚度(用m)， /^是所述感應(yīng)線圈(22)和所述密封圓柱體(62)間的間隙的厚度(用m)，C是脈沖焊接裝置的能量貯藏箱的電容(用F), K是在沖擊下所述密封圓 柱體(62)在徑向方向的速率(用m/sec)，而A是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
16. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中將所述容器主體(21)焊接到 所述密封圓柱體(62)所需的能量『可由下式獲得其中 、&、 和g相應(yīng)地為所述密封圓柱體(62)的材料密度(用 kg/m3 )、內(nèi)半徑、厚度和長(zhǎng)度(用m)， Z^是環(huán)形空隙(65)的厚度(用m), 4是所述感應(yīng)線圈(22)和所述密封圓柱體(62)間的間隙的厚度(用m)， ^是在沖擊下所述密封圓柱體(62)在徑向方向的速率(用m/sec)，而A是 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
17. 如權(quán)利要求15或16所述的方法，其中&的范圍在2到20內(nèi)。
18. 如權(quán)利要求13所述的方法，其包括在激勵(lì)所述焊接感應(yīng)線圈(22) 的所述步驟之前，將兩個(gè)彈性O(shè)型圈(68a和68b)放置在所述空隙(65) 內(nèi)。
19. 如權(quán)利要求13所述的方法，其進(jìn)一步包括 4是供至少一個(gè)額外的密封圓柱體(71);將所述至少一個(gè)額外的密封圓柱體(71 )應(yīng)用在所述密封圓柱體(62 )上；使所述額外的密封圓柱體(71)與所述密封圓柱體(62)接合。
20. 如權(quán)利要求13到19中的任一權(quán)利要求所述的方法，其進(jìn)一步包 括在密封之后將壓縮的二氧化碳貯藏在所述容器中。
21. —種密封容器，其依照權(quán)利要求10到19中的任一權(quán)利要求所述 的脈沖》茲方法制作。
22. 如權(quán)利要求21所述的密封容器，其貯藏壓縮的二氧化碳。
全文摘要
提供了一種密封容器(20)的脈沖磁方法。該方法包括提供具有至少一個(gè)開口端的容器主體(21)、提供具有焊接部分(24)的蓋子(23)。將蓋子(25)的焊接部分(24)放置在容器主體(21)的開口端上，以重疊容器主體(21)的至少一部分，從而界定容器主體(21)的所述部分和蓋子(23)的焊接部分(24)之間的空隙(26)。在容器主體(21)周圍，至少在蓋子(25)的焊接部分(24)所處的位置設(shè)置焊接感應(yīng)線圈(22)。激勵(lì)焊接感應(yīng)線圈(22)，以產(chǎn)生足以造成蓋子(21)的焊接部分(24)在容器主體(21)的所述部分周圍沿徑向向內(nèi)方向在空隙(26)內(nèi)彎曲的脈沖磁力。脈沖磁力所具有的值使得在與容器主體(21)沖擊時(shí)提供蓋子焊接部分(24)的在150m/sec到600m/sec范圍內(nèi)的有效徑向速率值，從而提供容器主體(21)和蓋子(23)的原子在它們沖擊時(shí)的相互擴(kuò)散。
文檔編號(hào)B23K20/06GK101568401SQ200780024356
公開日2009年10月28日 申請(qǐng)日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者奧倫·加弗里, 尤里·利夫希茨 申請(qǐng)人:帕爾薩焊接有限公司