专利名称：接合包覆金属的方法以及由此制造的器皿的制作方法
技术领域：
本发明涉及包覆器皿。本发明的各实施例包括腐蚀性高压流体的承载装置的制造方法的特定应用。这类装置包括器皿和导管、软管、箱、压力器 皿、高压锅和热交换器。
背景技术：
为容纳不同的化学品，需要制备由诸如钛、锆和钽的稀有金属制成的不 同类型的高压器皿，这方面的需求存在许多工业应用。由于诸如钛(Ti)的 稀有金属非常昂贵而且器皿仅有内接触表面需要由这类材料制成，因而优选 的途径是使用爆炸包覆焊接(EXW)板或轧制包覆板。EXW板和轧制包覆 板包括钛板，其压在诸如碳钢的基底材料上，形成足够强的粘合而使包覆板 能够成形为单一板的形式。特别要指出的是EXW或轧制包覆板的使用，如采用仅含钛的结构，则 钛壁厚度必须大于例如10mm。在这种情况下，通常更经济的解决方法是使 用由例如2mm至16mm厚的薄钛板所构成的包覆板作为包覆材料。为了进行阐释，将参照由粘合到较厚钢层的钛层所构成的包覆板来描述 本发明。应认识到的是，本发明涵盖接合包覆板的方法和由这类方法形成的 装置，其中，包覆板包括其他金属组合而不限于钛和碳钢。为了由包覆板制造形状和尺寸适宜的器亚，必须接合多个包覆板预成形 件。因此，为使所有分立板接合在一起，就需要焊接各种不同接缝。虽然诸 如碳钢的基底材料通常直接进行焊接，不过为了如此作为，有必要首先去除 沿待接合的每个包覆金属件的相对边缘覆盖的钛的边缘部分。由此产生的问 题在于，在焊接基底金属之后，接着必须修复钛层以覆盖经焊接的基底金属。
这一问题颇为复杂，原因在于，由于冶金学的原因，钛例如不能被成功地焊 接至基底金属，而是必须被焊接至其他钛上。现在将参照图1描述现有技术中接合包覆金属件的方法。图1是从在形式为钛包覆钢的包覆板的第 一件2与第二件4之间的典型 的现有技术接合部26截过的横截面。所述接合部使用压条技术。起初，在 形成钢焊接部6和8的所有边缘周围的区域中去除钛包覆，通常从钢焊接部 准备边缘向内12mm。然后准备钢基底金属件10和12，并且使用传统钢制 造过程应用于焊接部6和8。然后该接合部被清洁并准备用于钛焊接。在传 统的压条技术中，填充金属条7插入已去除钛的空间中。填充物的选择取决 于制造偏好；通常使用的材料包括铜、钢、铝和钛。然后将包含压条的较宽 钛条16放置在焊接区域上。所述压条沿其带角焊缝18和20的边缘分别焊 接到邻近的钛包覆部分11和13。图2图示了采用根据图1所述的压条技术将多件包覆板接合在一起而形 成的反应坩锅。应注意的是，压条接合部26A-26D突出至坩锅内部。经常 使用搅拌器来搅拌由包覆板制成的器皿中的容纳物，以使器皿中的容纳物能 够混合，并促进反应。器皿中的容纳物经常会腐蚀金属。已发现的问题在于， 已发现压条接合部26A-26D易于被腐蚀。因此，在钛包覆中压条首当其冲 受到破坏，于是就使基底金属暴露而腐蚀，而且，如果未检测到，则将导致 压力器皿受破坏。钛的热膨胀系数显著低于通常为钢的基底材料。于是，由于器皿的容纳 物经常处于较高温度下，因此，钛与基底金属会出现不同的膨胀和收缩，从 而缩短器皿钛封装的疲劳寿命。有鉴于此，本发明的目的在于，提供一种用于接合包覆金属的方法，该 方法可用于制造器皿并解决一种或多种上述问题。本发明的另一目的在于，提供一种包覆板器皿，其不易于出现目前已经 提到的上述问题。所述包覆板器皿可包括钛封装
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于接合包覆金属板的方法，该包覆金属板具有保护层和基底层，所述方法包括沿待接合的包覆金属板的边缘去除保护层的边缘部分；将所述基底层焊接在 一起以形成暴露的基板焊接部；将与所述保护层类型相同的覆盖材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使 该覆盖材料的水平高度与所述保护层的外表面大致平齐；以及将所述覆盖材料焊接至所述保护层，使得所述保护层、覆盖材料和位于 此二者之间的焊接部形成厚度大致均匀的外层。所述覆盖材料可包括一个或更多个垫条。在一个实施例中，所述一个或更多个垫条的边缘位于所述保护层和所述 基底层的相应界面之间，并邻接所述待接合的包覆金属板的边缘。优选地，在所述相应界面之间形成槽，以岸义接所述一个或更多个垫条的 边缘。所述覆盖材料通常包括压条。在一些实施例中，所述方法包括将所述压条;^文置在所述一个或更多个 垫条上。所述压条可形成有朝向所述保护层的外表面向外开口的倾斜侧部。在这 种情况下，焊接所述覆盖材料这一步骤包括产生多个焊接道，以形成将所 述压条接合到所述保护层的对接焊缝。可替代地，所述压条可形成有相对所述一个或多个垫条大致呈直角的侧 部。在这种情况下，将所述覆盖材料焊接到所述保护层这一步骤包括将所 述压条高电流窄间隙焊接到所述保护层。在另一实施例中，所述方法包括沿着所述保护层的相对边缘形成台阶。在这种情况下，所述覆盖材料通常包括压条，所述压条具有基底部分， 其尺寸使其处在所述台阶之间；和主体部分，其具有使所述基底部分悬垂以 搁置在所述台阶上的唇缘。所述方法可包括如下步骤在放置所述覆盖材料之后并在将所述覆盖材料焊接到所述保护层之前，将所述基底层预加热至预定温度，以实现对所述覆盖材料进行预加应力。所述方法还可包括以下步骤将所述覆盖材料和所述保护层预加热至所 述预定温度。根据本发明的第二方面，提供一种用于接合包覆金属板的方法，该包覆 金属板具有保护层和基底层，所述方法包括沿待接合的包覆金属板的边缘去除保护层的边缘部分；将所述基底层焊接在一起以形成暴露的基板焊接部；将与所述保护层类型相同的覆盖材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使 该覆盖材料的水平高度与所述保护层的外表面大致平齐；将所述基底层预加热至预定温度；以及将所述覆盖材料焊接至所述保护层，以实现一旦冷却就对所述覆盖材料 预力口应力。这一方面可包括如下步骤将所述覆盖材料和所述保护层预加热至所述 预定温度。根据本发明的第三方面，提供一种用于接合包i金属板的方法，该包覆金属板具有保护层和基底层，所述方法包括沿包覆金属板的待接合的边缘去除保护层的边缘部分；将所述基底层焊接在 一起以形成暴露的基板焊接部；将填充材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使该填充材料的水平高度与 所述保护层的外表面大致平齐；将所述基底层预加热至预定温度；放置与所述保护层类型相同的覆盖材料，以覆盖所述填充材料；以及 将所述覆盖材料焊接到所述保护层，以实现一旦随后冷却就对所述覆盖 材泮牛预加应力。
本发明的优选的特征、实施例和变例可通过下文中的"具体实施方式
" 中的内容而获悉，该部分的内容为本领域普通技术人员提供足够的信息来实 施本发明。"具体实施方式
"中的内容将参照所附的多个附图。
图1是现有技术中的包覆金属板接合部的截面图。图2是采用图1所示类型的接合部而形成的现有技术中的器亚的截面图。图3A图示根据本发明实施例的待接合的相对的包覆金属板。图3B图示根据本发明实施例的方法中的步骤。图3C图示根据本发明实施例的方法中的进一步的步骤。图3D图示根据本发明实施例的方法中的进一步的步骤。图3E图示根据本发明实施例的方法中的进一步的步骤。图3F图示根据本发明实施例的方法中的进一步的步骤。图3G图示根据本发明实施例的方法中的进一步的步骤。图3H图示根据本发明实施例的方法中的进一步的步骤。图4A图示通过根据本发明第二实施例的方法而形成的接合部。图4B图示图4A中的接合部的形成步骤。图5A图示通过根据本发明第三实施例的方法而形成的接合部。 图5B图示图5A中的接合部的形成步骤。图5C图示用于形成图5A中的接合部的形式为压条的覆盖材料。 图6图示通过根据本发明第四实施例的方法而形成的接合部。 图7图示根据本发明实施例的器亚。图8图示根据本发明实施例的用于将包覆金属板接合到一起的各步骤 的流程图。
具体实施方式
现在将参照图3A - 3F描述根据本发明第 一实施例的用于接合包覆金属 的方法。图3A图示待接合的两个相对的包覆板件25A和25B的横截面。每个板 件包括在本示例中由^5友钢制成的基+反或基底金属层28A和28B,和在本示 例中由钛制成的保护性包覆层27A和27B。为了能够对基底金属层28A和28B进行焊接，钛的边缘部分29沿相对 的每一个边缘剥离，如图3B中所示。如图3C中所示，从基底金属层28A和28B上去除金属，以形成表面 50A和50B，表面50A和50B通常分别形成在包覆部分27A、 27B与基底部 分28A、 28B之间的界面下方2mm至3mm深度处。同时准备基底金属焊接 部，即，对基底金属层28A和28B进行切削或机加工，以形成相对的倾斜 表面51A、 51B和53A、 53B。然后执行机加工操作，从而在钛包覆边缘30A和30B下方形成槽55A、 55B,如图3D所示。接着将筒要描述基底材料部分28A和28B的接合，可 替代地，可以在该基底材料接合过程之后形成上述槽。图3E图示随后使用传统钢焊接技术进行接合的基底金属层28A和28B。 该过程包括准备所述基底金属的相反的边缘，并且通常首先形成内焊接部 31。然后内焊接部的根部从外侧背向凿入(back-gouge)，即从内焊接部的 如图3E中所示的下侧背向凿入，并形成第二焊接部34，从而完成基底金属 部分28A与基底金属部分28B之间的接合。所述内焊接部可被机加工或抛 光而平齐，以确保内表面52平坦。在图3F中，形式为钛垫条36A的覆盖材料被置于焊接部31的上方并 朝向基底材料的边缘50A —侧。然后采用轻槌将垫条36A推送至包覆边缘 30A之下，乂人而将垫条36A送达如图3F中所示的最终位置。然后将垫条36B置于焊接部31及基底材料边缘50B上。然后采用轻槌
将垫条36B推送至包覆边缘27B之下，从而将垫条36B送达如图3G中所示 的最终位置。然后，形式为钛压条38的另一覆盖材料设置在垫条36A和36B上，如 图3H中所示。压条38的边缘以及钛包覆层27A和27B的相对的边缘30A 和30B已经针对钛焊接提前进行准备。然后采用传统方法形成多道钛焊接部 40A和40B。应注意的是，焊接部40A和40B均为三路焊接部，这是因为， 它们不仅将压条均接合到相邻的包覆层，而且还接合到下面的垫条36A和 36B。还应注意的是，因为压条38与相邻包覆层厚度相同，而且因为垫条的 上表面大致平齐于包覆层27A和27B的下表面，所以压条基本上不突出于 相邻的包覆层之上。因此，才艮据先前所述实施例而形成的器皿不具有易于腐 蚀的突出接合部。进一步的优点在于，焊接部40A和40B沿包覆层的整个 厚度延展，而且为对接焊缝类型，这不同于图1中所示现有技术实施例中的 角焊接，由于这一事实，焊接部40A和40B强度较高。现在参见图4A,其图示了在两个包覆金属件之间通过根据本发明另一 实施例的方法而形成的接合。如图4A所示的接合使用先前根据图3A-3G 所描述的步骤而形成。在参照图3G所描述的步骤之后，形式为精确尺寸压 条42的覆盖材料被放置在垫条36A和36B上，如图4A中所示。这就使得， 在压条与相邻包覆层27A和27B之间的间隙43A和43B大约lmm宽。然 后形成高电流窄间隙焊接部44A和44B (有时或称为"键孔焊接部")，从 而将压条接合到相邻的包覆层27A和27B并接合到下面的垫条，如图4A中 所示。用于形成如图4A中所示焊接部的实施例的优点在于，它減小了在压 条接合部中的残余应力，而且不必在形成每个4定孔焊接部之前准备压条42 以及相邻钛包覆层27A和27B的边缘。此外还不必进行多道焊接。图4A中的接合部相对平滑，使得根据本实施例形成的器皿不具有易于 腐蚀的突出接合部。现在参见图5A,其图示了通过根据本发明另一实施例的方法形成的包覆金属接合部。图5A中的包覆金属接合部是通过初始执行根据图3A-3C
所描述的步骤而形成，不过，在图3C中并不才几加工出表面50A和50B。然 后机加工包覆层27A和27B的相对的边缘，以形成如图5B中所示的相对的 台阶46A和46B。与包覆层27A和27B材料(例如钬)相同的压条47被机 加工，使得位于台阶46A和46B之间的基底部分49与处于台阶46A和46B 上的悬垂唇缘57A和57B分别形成台阶。压条47形成有倾斜侧部59A和 59B,从而提供空间以便在压条与包覆27A和27B的相对的边缘30A和30B 之间形成钛焊接道61A和61B。图6图示了图5A中所示接合部的变例，其中，压条63具有竖直侧， 并精确成形以在包覆层27A和27B的相对边缘之间紧密装配，每侧上的装 配间隙大约为lmm。然后形成高电流窄间隙的间隙焊接部65A和65B,以 将压条63接合到包覆层27A和27B。为了解决基底金属部分28A和28B与压条38、 42、 47或63的热膨胀 差异的这一相关问题，根据图3A-6所描述的所有方法中加入如下步骤(如 图8中所示)。在步骤80中基底金属部分28A和28B被焊接到一起，并且在步骤82 中压条38、 42、 47或63已经被定位在包覆部分27A与27B之间，但尚未 进行焊接，在此之后，在步骤84中加热基底金属部分28A和28B的外侧。 执行所述加热直到钛的内表面上达到适合的钛预焊接温度。温度被选定以适 于特定应用并高于50。C。然后在步骤86中如上所述对压条38、 42、 47或 63进行焊接。上述过程的结果是，当蚶锅冷却时，压条38、 42、 47或63处于压缩状 态，这是因为，碳钢具有比钛更高的热膨胀系数。这延长了坩锅的疲劳寿命。类似的过程也可用于接合如图1中所示的包覆金属板。初始，所述方法 包括沿着待接合的包覆金属板的边缘去除保护层11和13的边缘部分，并 将基底层10和12焊接在一起以形成暴露的基板焊接部6。然后将填充材料 7沿暴露的基板焊接部6放置，所达到的水平面大致平齐于保护层11和13 的外表面。所述方法还包括将基底层IO和12预加热至预定温度，并设置
与保护层11和13类型相同的覆盖材料16，以覆盖填充材料7。最后，覆盖 材料16被焊接至保护层，以在随后冷却时对覆盖材料16预加应力。采用在此所述的一种或多种接合方法由包覆板形成图7图示的形式为 坩锅的装置。应注意的是，接缝65A-65D并不突出到坩锅中，这样，与如 图1所示的现有技术中的情况相比，抗腐蚀性得到显著改善。应理解的是，本发明并不限于所示或所述的特定特征，这是因为，在此 所述的装置包括有效实施本发明的优选形式。因此，本发明涵盖了在所附权 利要求的正确范围内的任何形式及修改，本发明的范围将基于本领域普通技 术人员的适合解释。
权利要求
1、一种用于接合包覆金属板的方法，该包覆金属板具有保护层和基底层，所述方法包括沿待接合的包覆金属板的边缘去除保护层的边缘部分；将所述基底层焊接在一起以形成暴露的基板焊接部；将与所述保护层类型相同的覆盖材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使该覆盖材料的水平高度与所述保护层的外表面大致平齐；以及将所述覆盖材料焊接至所述保护层，使得所述保护层、覆盖材料和位于此二者之间的焊接部形成厚度大致均匀的外层。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述覆盖材料包括一个或更多个 垫条。
3、 根据权利要求2所述的方法，其中所述一个或更多个垫条的边缘位 于所述保护层和所述基底层的相应界面之间，并邻近所述待接合的包覆金属 板的边缘。
4、 根据权利要求3所述的方法，包括在所述相应界面之间形成槽， 以承^接所述一个或更多个垫条的边缘。
5、 根据权利要求4所述的方法，其中所述覆盖材料包括压条。
6、 根据权利要求5所述的方法，包括将所述压条放置在所述一个或 更多个垫条上。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中所述压条形成有朝向所述保护层 的外表面敞开的倾斜侧部。
8、 根据权利要求6所述的方法，其中所述压条形成有相对所述一个或 更多个垫条大致呈直角的侧部。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中所述将所述覆盖材料焊接至所述 保护层这一步骤包括将所述压条高电流窄间隙焊接到所述保护层。
10、 根据权利要求7所述的方法，其中所述焊接所述覆盖材料这一步骤 包括产生多个焊接道，以形成将所述压条接合到所述保护层的对接焊缝。
11、 根据权利要求1所述的方法，包括沿着所述保护层的相对边缘形 成台阶。
12、 根据权利要求11所述的方法，其中所述覆盖材料包括压条，所述 压条具有基底部分，其尺寸使其处在所述台阶之间；和主体部分，其具有 使所述基底部分悬垂以搁置在所述台阶上的唇缘。
13、 根据权利要求1所述的方法，包括步骤在放置所述覆盖材料之后 并在将所述覆盖材料焊接到所述保护层之前，将所述基底层预加热至预定温 度，以实现对所述覆盖材料进行预加应力。
14、 根据权利要求13所述的方法，包括步骤将所述覆盖材料和所述 保护层预加热至所述预定温度。
15、 一种用于接合包覆金属板的方法，该包覆金属板具有保护层和基底 层，所述方法包括沿待接合的包覆金属板的边缘去除保护层的边缘部分； 将所述基底层焊接在一起以形成暴露的基板焊接部； 将与所述保护层类型相同的覆盖材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使 该覆盖材料的水平高度与所述保护层的外表面大致平齐； 将所述基底层预加热至预定温度；以及将所述覆盖材料焊接至所述保护层，以实现一旦随后冷却就对所述覆盖 才才料予贞加应力。
16、 根据权利要求15所述的方法，包括步骤将所述覆盖材料和所述 保护层预加热至所述预定温度。
17、 一种包覆金属板的接合方法，该包覆金属板具有保护层和基底层， 所述方法包括沿包覆金属板的待接合的边缘去除保护层的边缘部分； 将所述基底层焊接在一起以形成暴露的基板焊接部； 将填充材料沿所述暴露的基板焊接部放置，使该填充材料的水平高度与 所述保护层的外表面大致平齐；将所述基底层预加热至预定温度；放置与所述保护层类型相同的覆盖材料，以覆盖所述填充材料；并且将所述覆盖材料焊接到所述保护层，以实现如下目标，即， 一旦冷却就 对所述覆盖材料预加应力。
18、 一种利用根据权利要求1所述的方法用包覆金属板构造的装置。
19、 一种利用根据权利要求15所述的方法用包覆金属板构造的装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于接合包覆金属板的方法，所述包覆金属板具有诸如钛的保护层(27)和诸如碳钢的基底层(28)，所述方法包括首先沿所述待接合的包覆金属板的边缘去除保护层的边缘部分(29)。然后所述基底层被焊接在一起以形成暴露的基板焊接部(31)。然后与所述保护层(27)类型相同的覆盖材料(38)沿所述暴露的基板焊接部(31)放置，该覆盖材料的水平高度与所述保护层(27)的外表面大致平齐。基底层(28)在焊接所述覆盖材料之前被加热，使得所述覆盖材料在冷却时被预加应力。所述方法可用于制造具有接缝的反应器皿，所述接缝不会突出到所述器皿的内表面的其余部分。与过去的情况相比，所述不突出的接缝不易于被腐蚀，使得器皿能够具有较长寿命。本发明涵盖诸如高压锅、坩锅的器皿和由通过所述方法接合的包覆板形成的反应器皿。
文档编号F16B5/08GK101128278SQ200580048665
公开日2008年2月20日 申请日期2005年8月10日 优先权日2005年2月24日
发明者唐纳德·约瑟夫·旺特 申请人:W·E·史密斯工程私人有限公司