没有填充材料的焊接轮的制造方法

没有填充材料的焊接轮的制造方法
【专利摘要】提供一种一直自熔接的气密密封的轮组件(100)，连同用于焊接所述轮组件的方法和系统。所述轮组件是由至少两个构件构成的，所述两个构件被激光焊接到彼此上，而不使用填充材料，以产生气密密封的轮组件。
【专利说明】没有填充材料的焊接轮的制造
发明领域
[0001]本发明涉及焊接技术，并且更具体地涉及没有填充材料的焊接轮的制造。
【背景技术】
[0002]由于电弧焊接技术已经发展，已发现其在许多不同结构和用途中的应用。已知尽管电弧焊接可以提供金属的构件之间的强的结合，取决于使用的工艺，也可以导致具有孔隙度的焊接结合部分。尽管在一些焊接应用中一定量的孔隙度是可接受的，也有其他的孔隙度可以是成问题的应用。例如，当焊接的轮结构用于加压轮胎时，孔隙度的存在可以导致焊接的轮结构不能维持压力。为了防止发生这种压力的损失，常见的是过焊接(over-weld)的轮结构以保证焊接的轮结构能够维持压力。然而，这种过焊接由于增加焊接所述轮需要的时间的量而增加所述焊接轮结构的总成本，并且由于要求增加在焊接过程中使用的填充金属的量而增加所述轮的材料成本。因此，期望的是提供改进焊接轮结构的效率和质量的焊接工艺。

【发明内容】

[0003]为了解决这个问题，提出如权利要求1所述的焊接方法和如权利要求9所述的焊接轮结构。相应地本发明的示例性的实施方法是轮结构和焊接轮结构的方法，所述焊接轮结构的方法包含使第一轮部件邻近第二轮部件安置，所述第一轮部件具有第一腹板部分，所述第二轮部件具有第二腹板部分，从而第一和第二腹板部分的每个彼此接触。该方法包含使激光束指向所述第一腹板部分，以及用激光束使第一腹板部分自熔接到第二腹板部分上，从而激光束通过第一腹板部件的整个厚度，并且激光束熔透第二腹板部分的厚度的至少一部分。自熔接围绕所述已焊接的第一和第二轮部件的中心产生连续的气密密封的焊接结合部分。进一步的实施方案或优选的方案可以取自于从属权利要求。进一步优选的是焊接机(welder)轮结构，其中所述焊接结合部分在这样的点处的宽度在第一宽度和第二宽度之间变化，即在所述点处所述第一和第二腹板部分彼此接触，所述第一宽度在所述第二腹板部分的厚度的10%到100%的范围内，并且所述第二宽度在所述第二腹板部分的厚度的5 %到50 %的范围内，并且其中所述第二宽度小于所述第一宽度，和/或其中所述第一和第二腹板部分中的至少一个具有通过所述第一或第二腹板部分的整个厚度的腔，并且所述焊接结合部分从所述腔被径向地向外安置。
[0004]附图简沭
[0005]通过参考附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上面的和/或其他方面会更明显，在附图中:
[0006]图1是依据本发明的示例性实施方案的焊接轮的图解表示；
[0007]图2是图1的示例性轮的另一个视图的图解表示；
[0008]图3是本发明的焊接系统的示例性实施方案的图解表示；以及
[0009]图4是图1的示例性轮的另一个视图的图解表示。[0010]示例性实施方案的具体描述
[0011]现在参考附图，其中附图仅是为图示说明本发明的示例性实施方案的目的，而不是为限制本发明的目的，用于实践本发明的设备和系统在图1-4中详细示出。
[0012]图1和2说明依据本发明的示例性实施方案的轮组件100。轮组件100含有毂101以及两个要焊接到彼此的轮部件103和105。取决于应用，毂101可以是或者可以不是完整的轮组件100的一部分。如图1中示出的，轮组件100可以具有安装在轮组件100上的轮胎117。轮胎117和部件103/105产生在压力下可以填充空气或气体的空间或腔119，并且该空间或腔119对于部件103和105是期望的，以能够形成不透气且安全的组件以供使用。图1到4中示出的部件103和105的形状和构造意为示例性的，并且当不同的应用需要时，本发明的其他实施方案可以利用具有不同形状的轮部件。
[0013]如图中示出的，部件103和105中的每个含有毂部分108/110，所述毂部分108/110与毂101，或者以其他方式邻近轮组件100中心线的其他件接触。毂部分108/110可以具有凸缘延伸部分，如示出的，所述凸缘延伸部分沿着毂101的长度或者轮中心线延伸，或者可以按照需要具有其他的形状。从毂部分108/110径向地向外延伸的是被定向为垂直于组件100的径向中心线的腹板部分107/109。在示出的实施方案中，腹板部分107/109有相同的长度，但是在其他的实施方案中可以不是这种情形。在示出的实施方案中，腹板部分也被示出为实心的。然而，在其他的示例性实施方案中，要设想到可以在腹板部分107/109上加工洞以减轻轮组件100的总重量。所述洞可以是任何形状的但是通常加工为圆形、卵形或椭圆形，以便避免产生应力集中的位置。洞的尺寸和数目应该确定为保证腹板107/109的结构完整性对于它们预期的承载是足够的。洞也应该从焊道115——下文中会更详细地讨论，径向地向内安置。
[0014]从腹板部分107/109的径向地向外的边缘延伸的是倾斜部分111/113。倾斜部分111/113彼此各自分开以限定压力空间119的至少一部分。如图1中示出的，倾斜部分的角度在离组件100的横截面中心线O和90度之间。角度是基于轮组件100的设计和应用选择的。在一些示例性实施方案中，角度可以离横截面中心线90度。从倾斜部分111/113的径向地向外的边缘延伸的是凸缘部分112/114。凸缘部分112/114可以被利用来保持轮胎117或者按照需要的其他类似的构件。在示出的实施方案中，凸缘部分112/114被定向为平行于组件100的横截面中心线，如示出的。然而，在其他的实施方案中，这不是必要的，因为可以基于应用和设计需要利用其他的角度。在一些示例性实施方案中，凸缘部分112/114是不需要的，因为倾斜部分111/113它们自己可以被利用来保持任何结构或轮胎117。
[0015]在示出的实施方案中，轮部件103/105示出为整体的构件，从而毂、腹板、倾斜和凸缘部分都是由单件材料(通常是金属)加工的。这可以以许多不同的方式形成，包括将平的材料压成期望的形状。然而，其他的示例性实施方案不被限制于整体的部件103/105，因为部件103/105可以由焊接的构件构成。
[0016]当组件100被组装时，两个轮部件103/105通过焊接它们各自的腹板部分107/109而被固定到彼此，这使得腹板部分107/109彼此接触。如这样，腹板部分107/109中的每个具有彼此平行的表面116/118并且被这样加工，从而当部分103/105被邻近彼此安置以供组装时，表面116/118彼此齐平。不要求表面116/118在腹板部分107/108的整个长度上彼此齐平。然而，这些表面116/118应该至少在焊接结合部分115处彼此齐平。[0017]在示出的示例性实施方案中，焊接结合部分115是围绕组件100形成圆形图案的连续的焊接结合部分115。焊接结合部分115是由通过轮部件103/105中的一个焊接并且进入轮部件103/105中的另一个来加工的。在图1中示出的实施方案中，焊接结合部分是通过部件103焊接并且进入部件105的。然而，如示出的，焊接结合部分115没有完全熔透部件中的第二个(图1中的部件105)的厚度。在一些实施方案中，如下文进一步讨论的，在焊缝处，结合部分115可以完全熔透两个部件103/105的厚度。
[0018]不像之前的焊接的轮组件，这个焊接结合部分115不是通过电弧焊接的使用或者填充金属的使用来加工的。相反，焊接结合部分115是使用激光焊接系统加工的，在所述激光焊接系统中没有使用填充金属——这通常被称作自熔接(autogenous weld)。填充金属一般用来在焊接期间填充间隙和/或为结合部分提供额外的材料以形成角焊缝等。然而，因为表面116/118在焊接结合部分115处彼此齐平没有要填充的间隙，因此焊接结合部分115整个地由腹板部分107/109的材料来加工，并且不需要填充金属。
[0019]再者，因为焊接结合部分115被加工成熔透一个部件103的整个厚度，并且进入第二部件105的至少一些，结合部分115围绕整个轮组件100产生连续的密封。因为这个密封，在压力区119中的任何压力(如空气压力)将不能通过部分103/105之间并且在毂101处逃出——这是电弧焊接的轮的问题。因而，这个焊接结合部分115产生气密的焊接结合部分。因此，本发明的实施方案可以产生具有不用填充材料加工的焊缝的焊接的轮组件100，所述不用填充材料加工的焊缝为增压轮的应用提供需要的结构完整性和需要的不透气密封。用本发明的实施方案，显著量的填充材料和焊接被避免，因为经常需要填充材料将部件103/105焊接到毂101上——用焊接金属——以提供必要的不透气密封。
[0020]如图2中示出的，焊接结合部分115具有从组件100的中心沿着半径的圆形图案。然而，本发明的实施方案不被限制在这一点。例如，要设想到，焊接结合部分115可以具有从组件100的中心沿着半径的锯齿形(zig-zag)或波浪形的图案。这样的图案增加焊接结合部分115的总长度以提供额外的结构完整性。然而，如果轮用在增压应用中，焊接结合部分115应该是连续的，以便提供部件103/105之间的必要的气密密封。要注意到，到了在腹板107/109上设置洞以减轻组件的重量(如上文讨论的)的程度，焊接结合部分115应该从所述洞径向地向外放置以提供需要的不透气密封一在增压应用中。当然，许多不同种类的图案可以用于焊接操作。
[0021]进一步要注意到，尽管在图中示出单个焊接结合部分115，本发明不被限制在这一点。具体地，额外的焊接结合部分可以用来增加轮组件100的强度。例如，另一个焊接结合部分可以从焊接结合部分115径向地向内或向外安置。进一步，任何额外的结合部分不必须是连续的，但是可以是间歇的或点焊接结合部分。只要一个焊接结合部分(115)是连续的，任何额外的结合部分将不必须是连续的以提供必要的不透气密封。当然，它也可以是连续的——如果需要。
[0022]图3说明用于焊接上文描述的组件100的示例性焊接系统300。如上文讨论的，焊接结合部分115是使用不用填充金属的激光焊接系统产生的。系统300包含为激光305供应电源的激光电源供应器301。激光器305可以是任何已知种类的能够激光焊接的激光器，包括但不被限制于二氧化碳、Nd:YAG, Yb-盘、YB-光纤、光纤递送的或直接的二极管激光器系统。进一步，如果它们有足够的能量，可以使用白光或石英激光器类的系统。系统的其他实施方案可以采用电子束能量。示例性激光器应该具有在I到20kW范围内的功率容量。可以使用较高功率的激光器，但是可以变得非常昂贵的。在示出的实施方案中，激光器305发射单束307以焊接结合部分115。然而，如果需要也可以采用多束配置。多数配置可以按照需要使用多个激光器305，和/或两个或更多个分束器与单个激光器。在这样的实施方案中，分开的束可以用来加工相同的连续焊缝的分开部分，或者可以邻近彼此安置以加工更宽的焊接结合部分。
[0023]激光器305发射束307，所述束307具有足够的能量和形状来完全熔透或形成穿孔熔池于(keyhole)轮部件103/105的一个的腹板部分107/109的整个厚度，以及轮部件103/105的另一个的腹板部分107/109的厚度的至少一些。这会在下文进一步讨论。
[0024]系统300也包含系统控制器303，所述系统控制器300监控和/或控制电源供应器301和/或激光器307以生产充分的焊接。额外地，在示出的实施方案中，控制器303也控制结合到台板309上的马达311，台板309在焊接期间旋转。在示出的实施方案中，台板309是旋转的，同时激光器305和束307保持固定以完成焊接。当然，在其他的示例性实施方案中，激光器305可以被移动以产生结合部分115。在进一步的实施方案中，轮100和激光器305 二者都可以被移动以产生焊缝，或者激光器305可以保持固定同时使用激光器305的光学器件移动束307。本发明的实施方案不被限制于这一点，以为可以使用其他的产生焊缝的手段。例如，其他的配置可以使用镜或者激光器光学器件之外的光学器件，所述镜或者光学器件移动和平移来产生期望的焊接图案。
[0025]要注意到，尽管控制器303、电源供应器301、激光器305、马达311和台板309在图3中作为分开的构件示出，这样做是为清晰起见。要设想到,这些构件中的至少一些或者全部可以被加工成整体装置或组件以进行焊接操作。不要求这些构件是分开的物理结构。
[0026]现在转向图4，示出结合部分115的更详细的视图。如示出的，腹板107具有长度W，并且焊接结合部分115的中心被安置在离距腹板107的外半径边缘距离L处。在大部分的实施方案中，这个距离应该是相对小的，从而结合部分115紧靠倾斜部分111/113。当使用组件100时，这会帮助使腹板107/109上的力矩最小。在本发明的示例性实施方案中，距离L应该是基于在焊接区域115处的腹板材料的厚度以及在轮上的设计负载。如果腹板有足够的厚度和刚度，距离L可以接近长度W的0%。然而,在其他的实施方案中,距离L在腹板长度W的10%到80%的范围内。
[0027]再者，腹板109具有厚度T，并且焊接结合部分115以距离D熔透腹板109。在示例性实施方案中，距离D在厚度T的5%到100%的范围内，只要距离L导致结构上可靠的焊缝。在其他的实施方案中，该距离在20%到75%的范围内。当然，按照需要可以采用其他的深度。事实上，在一些示例性实施方案中，结合部分115会形成通过两个腹板部分107/109的穿孔熔池。这些焊缝会熔透厚度T的100%，并且在腹板的背部提供“见证标识(witnessmark) ”以允许焊接结合部分的检查——保证充分熔透。然而，到了两个腹板部分107/109都被完全形成穿孔熔池的程度，结合部分115的背部焊道应该被仔细控制，从而在底部腹板部分109之下没有显著量的焊接金属下垂，因为这可以在焊接结合部分的上表面产生腔(因为没有采用填充金属)。
[0028]在一些示例性实施方案在，焊接结合部分115在下面的部分109中的深度可以沿着焊接的长度变化。例如，对于焊接结合部分，在下面的腹板部分109中具有恒定的深度不是结构上必需的。因此，在一些示例性实施方案中，焊接结合部分115的部分可以在第一深度，而结合部分115的其他部分可以具有比第一深度浅的第二深度。例如，第一深度D可以直到腹板109的厚度T的100%，并且第二深度可以在厚度T的5%到50%的范围内，第二深度小于第一深度。可以做出任何变化或者深度差别，只要至少一个焊缝导致气密密封，并且一个或多个焊接结合部分达到期望的机械强度。不同深度部分的长度也可以取决于焊接结合部分115的强度要求变化。例如，第一深度可以焊接2英寸，同时较浅的深度可以随后焊接5英寸，并且随后回到第一深度焊接2英寸等。这允许轮中的焊接结合部分的最优化。这种震荡深度可以通过在焊接操作期间，改变束307的能量密度产生。这样的实施方案可以加速焊接操作，并且节省焊接能量。在焊接深度上的这种变化也可以通过改变束307的形状、束的能量密度和/或焊接过程的速度获得。
[0029]焊接结合部分115在表面116/118的会合处的横截面宽度应该足够为焊接提供需要的结构完整性。本发明的实施方案不受焊接结合部分的总的横截面形状限制，除了点115应该具有需要的结构完整性。为增加结合部分115的宽度(如果需要)，可以使用多束激光焊接工艺。在示例性实施方案中，焊接结合部分115在腹板部分107/109的会合处具有宽度Z。宽度Z应该是足够来气密地密封轮100，而且提供需要的无论怎样的强度。在本发明的一些示例性实施方案中，宽度Z在厚度T的10%到100%的范围内。在一些示例性实施方案中，可能不需要焊接结合部分115为轮提供强度。这样，可以采用较薄的焊接结合部分115，用于主要气密地密封所述轮。例如，在这样的实施方案中，焊接结合部分可以具有在T的5%到50%的范围内的宽度Z。在一些示例性实施方案中，宽度Z对于整个焊接不是恒定的。例如，因为强度要求，具有恒定厚度的焊接结合部分的整个长度不是必要的。在这样的实施方案中，结合部分115的一些部分可以具有第一厚度Z，同时其他部分具有小于第一部件的第二厚度Z。在这样的实施方案中，首先的部分可以提供结合部分115强度的大部分，同时较薄的部分提供较少的强度但是延续气密密封。这样的实施方案允许在焊接过程期间的能量节省。在一些示例性实施方案中，多束可以用来在焊接期间改变焊接结合部分115的宽度。
[0030]本发明的实施方案允许气密地被密封的轮组件100的产生，所述轮组件100以少于现有技术轮的时间的一半时间被自熔接，具有显著地较少的花费和较少的由于电弧焊接的多孔性的产品刮擦。
[0031]当然，应该注意到，除了本文描述的那些，部件103/105可以按照需要或期望具有其他的焊接结合部分。例如，在一些其他的示例性实施方案中，，毂部分108/110可以为了额外的强度而被焊接到毂101上。可替换地，毂部分108/110可以自熔接到毂上，代替通过腹板部分107/109焊接。取决于轮100的配置，自熔接结合部分可以按照需要被放置在任何地方，从而获得期望的强度和气密密封。进一步，部件103/105可以在空间119内部件之间的接触点处(彼此接触的缝处)被焊接到彼此。这些焊接可以使本文描述的激光焊接。当然，在焊接组件100上按照需要可以有多个焊缝，其中至少一个焊缝是自熔的。取决于部件103/105的配合，可能必需在轮的一些部分使用带填充材料的焊接以填充间隙。这可以用任何已知的使用填充材料的焊接方法来进行。
[0032]尽管本发明参考其示例性实施方案被特定地示出和描述，本发明并不被限制于这些实施方案。本领域普通技术人员会理解，可以对其进行在形式和细节上的各种变化，而不背离由所伴随的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
[0033]参考编号:
[0034]100轮组件
[0035]101毂
[0036]103第一轮部件
[0037]105第二轮部件
[0038]107第一腹板部分
[0039]108毂部分
[0040]109第二腹板部分
[0041]110毂部分
[0042]111倾斜部分
[0043]112凸缘部分 [0044]113倾斜部分
[0045]114凸缘部分
[0046]115焊道或结合部分
[0047]116表面
[0048]117轮胎
[0049]118表面
[0050]119腔或压力区
[0051]300焊接系统
[0052]301激光电源供应器
[0053]303系统控制器
[0054]305激光器
[0055]307束
[0056]309台板
[0057]311马达
[0058]D深度
[0059]L距离
[0060]T厚度
[0061]W长度
[0062]Z宽度
【权利要求】
1.一种焊接轮结构的方法，所述方法包括: 使第一轮部件(103)邻近第二轮部件(105)安置，所述第一轮部件(103)具有第一腹板部分(107)，所述第二轮部件(105)具有第二腹板部分(109)，从而所述第一和第二腹板部分的每个彼此接触； 使激光束(307)指向所述第一腹板部分；以及 用激光束使所述第一腹板部分自熔接到所述第二腹板部分上，从而所述激光束通过所述第一腹板部件的整个厚度，并且所述激光束熔透所述第二腹板部分的厚度的至少一部分； 其中所述自熔接围绕所述已焊接的第一和第二轮部件的中心产生连续的气密密封的焊接结合部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述焊接结合部分熔透所述第二腹板部分的所述厚度的5%到100%，或者，更具体地，其中所述焊接结合部分熔透所述第二腹板部分的所述厚度的20%到75%。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述焊接结合部分是以具有距所述中心非恒定的径向距离的图案来焊接的。
4.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其中在所述第二腹板部分的所述焊接结合部分的深度沿着所述焊接结合部分的长度变化，特别地，其中所述焊接结合部分具有有第一深度和第二深度的第一部分，所述第一深度为直到所述第二腹板部分的所述厚度的100%，所述第二深度为所述第二腹板部分的所述厚度的5%到50%，所述第二深度小于所述第一深度，或者，更具体地，其中所述焊接结合部分具有有第一深度和第二深度的第一部分，所述第一深度为所述第二腹板部分的所述厚度的20%到50%，所述第二深度为所述第二腹板部分的所述厚度的5%到50%，所述第二深度小于所述第一深度。
5.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其中所述第一腹板部分具有在毂部分和倾斜部分之间的腹板长度，所述毂部分从所述第一腹板部分被径向地向内安置，所述倾斜部分从所述第一腹板部分被径向地向外安置，并且所述焊接结合部分从所述倾斜部分向内以所述腹板长度的10%到80%被安置在所述第一腹板部分。
6.如权利要求1到5中任一项所述的方法，其中所述焊接结合部分在这样的点处具有范围在所述第二腹 板部分的所述厚度的10%到100%内的宽度，即在所述点处所述第一和第二腹板部分彼此接触。
7.如权利要求1到6中任一项所述的方法，其中焊接结合部分在这样的点处的宽度在第一宽度和第二宽度之间变化，即在所述点处所述第一和第二腹板部分彼此接触，所述第一宽度在所述第二腹板部分的所述厚度的10%到100%的范围内，并且所述第二宽度在所述第二腹板部分的所述厚度的5%到50%的范围内，并且其中所述第二宽度小于所述第一览度。
8.如权利要求1到7中任一项所述的方法，其中所述第一和第二腹板部分中的至少一个具有通过所述第一或第二腹板部分的整个厚度的腔，并且所述焊接结合部分从所述腔被径向地向外安置。
9.一种焊接的轮结构，所述焊接的轮结构包括: 第一轮部件(103)，所述第一轮部件(103)具有第一腹板部分(107)；第二轮部件(105)，所述第二轮部件(105)具有第二腹板部分(109)，所述第一和第二腹板部分中的每个彼此接触；以及 连续的气密密封的焊接结合部分(115)，所述焊接结合部分(115)将所述第一腹板部分焊接到所述第二腹板部分，从而所述焊接结合部分通过所述第一腹板部分(113)的整个厚度和所述第二腹板部分(105)的厚度的至少一部分； 其中所述焊接结合部分(115)径向地围绕所述已焊接的第一和第二轮部件的中心被安置，并且 其中所述焊接结合部分是自熔接结合部分。
10.如权利要求9所述的焊接的轮结构，其中所述焊接结合部分熔透所述第二腹板部分的所述厚度的5%到100%，或者，更具体地，其中所述焊接结合部分熔透所述第二腹板部分的所述厚度的20%到75%。
11.如权利要求9或10所述的焊接的轮结构，其中所述焊接结合部分是以具有距所述中心非恒定的径向距离的图案来焊接的。
12.如权利要求9到11中任一项所述的焊接的轮结构，其中在所述第二腹板部分的所述焊接结合部分的深度沿着所述焊接结合部分的长度变化。
13.如权利要求9到12中任一项所述的焊接的轮结构，其中所述焊接结合部分具有有第一深度和第二深度的第一部分，所述第一深度为直到所述第二腹板部分的所述厚度的100%，所述第二深度为所述第二腹板部分的所述厚度的5%到50%，所述第二深度小于所述第一深度，或者，更具体地，其中所述焊接结合部分具有有第一深度和第二深度的第一部分，所述第一深度为所述第二腹板部分的所述厚度的20%到50%，所述第二深度为所述第二腹板部分的所述厚度的5%到50%，所述第二深度小于所述第一深度。
14.如权利要求9到13中任一项所述的焊接的轮结构，其中所述第一腹板部分具有在毂部分和倾斜部分之间的腹板长度，所述毂部分从所述第一腹板部分被径向地向内安置，所述倾斜部分从所述第一腹板部分被径向地向外安置，并且所述焊接结合部分从所述倾斜部分向内以所述腹板长度的10%到80%被安置在所述第一腹板部分。
15.如权利要求9到14中任一项所述的焊接的轮结构，其中所述焊接结合部分在这样的点处具有范围在所述第二腹板部分的所述厚度的10%到100%内的宽度，即在所述点处所述第一和第二腹板部分彼此接触。
【文档编号】B23K26/28GK103974802SQ201280060362
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2012年10月5日 优先权日:2011年10月7日
【发明者】P·E·丹尼 申请人:林肯环球股份有限公司