用于生产熔覆板的装置

本申请是申请号为201980059669.9、名称为“熔覆板及方法”的中国专利申请(基于国际申请日为2019年09月17日、国际申请号为PCT/US2019/051400的国际专利申请，于2021年03月11日进入中国国家阶段)的分案申请。

技术领域

本发明属于一种用焊缝金属覆盖金属板材的系统和方法，尤其属于一种用热熔化熔剂介质和由计算机控制系统控制的多种可调组分覆盖金属板材的改进装置和方法，以增强诸如硬度和抗冲击性等的板材性能指标。

背景技术

在金属板材和其他器具上覆盖焊缝金属在本领域中广为人知，尤其是在诸如农业、采矿业和商业车辆等工业中。简而言之，该过程涉及用另一种物质覆盖、包络或以其他方式涂覆金属基板，然后将该物质粘附在板材的表面，使所述的表面具有某些需要的特性。例如，参见1994年11月8日授予的题目为“板材覆盖”的美国专利号5,362,937中描述的世界上唯一的光滑金属板材覆盖系统和方法，其属于本主题申请的申请人的父亲GeneKostecki，其全部公开通过引用并入本文。一种覆盖板材的方法是将该板材制成圆柱，然后将该圆柱放入机器以在焊接头阵列下旋转该圆柱，在该板材旋转的同时，该板材上逐渐沉淀一层焊接材料，直到覆盖该圆柱形板材的整个表面，之后将该板材切割、拉直，以制成硬面片材。这种设置存在一个问题，首先将板材制成圆柱形需要大量工作，然后还要将板材拉直成在产品制造中使用的形态。由于用焊接头应用焊接材料时板材呈圆柱形，焊接控制也存在一定困难。用这种方法焊接，对板材尺寸也有实际限制。焊接覆盖的另一个问题在于，由于两个焊接头经过同一个区域，片材的某些部分比其他部分加热得多，这使得焊缝金属覆盖层的厚度不均匀，下层金属的冶金结构可能产生一定变化。所幸计算机控制器、可编程逻辑和计算机数控(CNC)的发展极大地改善了硬化金属构件的制造，减少了产品批次之间的差异且增加了高质量输出。然而，仍需一种在平面形板材上应用焊缝金属以在板材上形成覆盖层的系统和方法，而且要特别强调在熔剂介质在板材上熔化后进行冷却时，板材的平面性质不变。

因此，针对现有技术板材和生产方法的问题和缺点，提出了本发明，其中一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，即使在冷却过程中也能使包覆板大体上保持平面配置。

本发明的另一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，包含驱动弧辊，该驱动弧辊与金属基板侧边形成的开口相配合，以在包覆过程中驱动板材并使板材保持平面配置。

本发明的又一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，包括可调输送机滑动装置，该可调输送机滑动装置可根据需要配置为适应凸弧面上料辊和多种板厚。

本发明的再一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，包括可变弹簧承载接地(连接地面)装置，该装置具有张紧脚，张紧脚配置为与金属板材接触以在包覆过程中提供直接接地。

本发明的另一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，配置为在包覆过程中适应高达2.4384米乘以3.096米的金属板材。

本发明的又一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，包含与耙平装置连接的第一筛箱或料斗，从而组件竖直可调以根据需要适应待包覆板材的厚度，并且装置在准备与金属基板熔合时保持第一介质(诸如金属粉末)的厚度均匀。

本发明的再一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，包括与耙平装置(上述耙平装置或独立设备)连接的第二筛箱或料斗，从而组件竖直可调以根据需要适应待包覆板材的厚度，并且装置在准备与所述金属基板熔合时保持第二介质(诸如绝缘粉末)的厚度均匀。

本发明的另一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，包含多个间隔约101.6毫米的金属热熔合动力头，每个动力头还包括齿轮驱动的独立填充金属上料单元，该独立填充金属上料单元为液冷或气冷，并向动力头提供电流，动力头通过绝缘元件提供电压和电流，继续通过金属粉末接触金属基板，来产生冶金熔融结合。在设计用于形成可能需要的各种熔焊模式的多轴运动模式下，每个动力头单独控制以横向“剪刀”水平运动配合金属基板的向前分度运动的前/后摆动。

本发明的又一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，具有一个或多个内部竖直的开孔的喷杆以在热合过程后冷却下面的包覆板。

本发明的另一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，配置有破碎绝热元件的液冷或气冷热支架和清洗辊，用于下料清洗并且将包覆板导入冷却纠偏辊，以确保成品板材保持平面。

本发明的又一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，采用埋弧焊技术生产。

本发明的再一个目的是提供一种金属熔合板和制造方法，能降低摩擦系数、增加硬度分数、提高耐久性，尤其考虑到冲击等级，同时生产的同批次板材具有一致性。

本发明的各种其他目的和优点对于本领域技术人员十分明显，下面将给出更详细的说明。

发明内容

通过提供配置为生产熔覆板的装置及其制造方法来实现上述目的和其他目的。装置包含与竖直可调的输送机构件通信的电子控制逻辑和传感器，其中输送机构件配置为根据需要适应凸弧面上料辊和多种板厚，该输送机负责通过弧面驱动辊使金属板材保持为平面方向，使其与在金属基板侧边形成的开口相配合，从而在包覆过程中驱动板材。带有张紧脚的可变弹簧承载接地(连接地面)组件配置为与金属板材接触以提供直接接地。装置包含两个料斗或箱：连接耙平装置的第一料斗，从而组件竖直可调以根据需要适应待包覆板材的厚度，并且装置在准备与金属基板熔合时保持第一介质(诸如金属粉末)的厚度均匀；与耙平装置连接的第二料斗，从而组件竖直可调以根据需要适应待包覆板材的厚度，并且装置在准备与所述金属基板熔合时保持第二介质(诸如绝缘粉末)的厚度均匀。装置还包含二十四(24)个间隔101.6毫米设置的具有动力头的金属热熔送丝机组件，每个动力头还包括齿轮驱动的独立填充金属上料单元，独立填充金属上料单元为液冷或气冷，并向动力头提供电流，动力头通过绝缘元件提供电压和电流，继续通过金属粉末接触金属基板，来产生冶金熔融结合。在设计用于形成可能需要的各种焊接模式的多轴运动模式下，每个动力头单独控制，每隔一个动力头配置成允许横向“剪刀”水平运动配合金属基板的向前分度运动的前/后摆动。金属板材沿着输送机在一组传感器之上、之间和/或之中传递，传感器即时将数据反馈给电子控制逻辑，其反过来可以即时更改制造过程，以减少板材之间的可变性。在结合过程中或结合后，一个或多个内部竖直的开孔喷杆用于使熔合板材保持最佳温度，增加使熔合板材成为平面的可能性，在硬化过程中保持无珠状物，相对初始金属基板降低摩擦系数、增加硬度、提高耐久性，同时能够逐板再生产。

附图说明

图1示出了用于制造熔覆板的改进装置的高架侧视图；

图2示出了图1所示装置的俯视图；

图3描述了图1所示装置的可调输送机部件的高架侧视图；

图4显示了图1所示装置的接地部件的高架透视图；

图5A示出了图1所示装置的驱动部件的高架透视图；

图5B示出了图5A所示驱动部件的部分放大图；

图6突出了图1所示装置的第一和第二料斗部件的高架侧视图；

图7示出了图1所示装置的冷却筒部件的放大侧视图；

图8示出了图1所示装置的热动力头部件的高架侧视图；

图9描述了图1所示装置的支架和清洗辊部件的高架侧视图；

图10显示了图1所示装置的矫直辊部件的高架侧视图；和

图11展示了图1所示装置能够产生的焊接模式的大概示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明及其操作，现在请看附图，图1-10示出了优选的板材装置10，包含输送机组件11、支撑接地构件12、料斗组件13和14、送丝机组件15和矫直机组件16，以上以整体形式或部分形式组合用图11所示的各种模式在金属板材101上覆盖焊缝金属。

如图1-3所示，输送机组件11优选地限定了多个支腿17，每个支腿可根据可能的需求竖直向上或向下移动以用于具体操作。输送机11的一个实施例进一步相应地分为第一部或前部18、第二传送部或后传送部19以及位于第一和第二传送部之间的第三部或中间框架部20。一个或多个圆柱辊21优选地可旋转地固定在相对的框架构件22、22'之间，并配置为支撑金属基板101的实施例如图2中的箭头方向所示进入或退出优选的装置10。在一个实施例中，框架构件22、22'间隔设置以适应其上的高达

如图1-2和4所示，优选实施例中的接地组件12靠近可当作板材装置10的前方的第一输送机组件部18。在一个实施例中，接地组件12由多个偏臂26限定，该偏臂具有钢板弹簧的性质，接地靴27、27'附到相应臂26的相对纵向端。在优选实施例中，接地组件12通过安装在接地框架29内的一个或多个活塞28竖直可调，以适应各种板厚。在包覆过程中，板材材料和其厚度是两个重要变量，下面将进一步详细说明。由于基板101的厚度是确定的，活塞28压缩或释放偏臂26，以保证接地靴27、27'在穿过装置10中间框架部20时，与基板101表面保持摩擦接触，其中接地靴优选地由电“地”接地材料(诸如铜)形成。

图1-2、5A和5B示出了接地组件12和第一料斗组件13之间的中间输送机框架部20的一部分。除了输送机辊21外，此处还配置了一个或多个驱动辊30。优选地，驱动辊30的直径(304.8

图1-2和图6更详细地显示了第一料斗13和第二料斗14。当基板101如上所述推进时，基板上表面通过第一料斗组件13的下方，该上表面优选地具有设置在一个或多个耙33之间的开口箱32的性质。在一个实施例中，耙33限定为竖直可调以适应基板101限定的较宽厚度范围的筛构件。当基板101接收存储在第一料斗13中的第一层介质(未示出)时，耙33水平筛选基板的顶部表面，其中在优选实施例中，第一层介质为金属粉末组合物，诸如铬、铁、铌、钛、镍、锰、钨、硼、硫、碳、磷、铜及其组合。通过在基板101在水平方向移动时水平耙平介质表面，使介质厚度一致并具有平面形状以达到成品包覆板的标准制造总厚度。类似地，第二料斗组件14优选地限定为设置在耙35之间的顶部开口箱34。类似于耙33，耙35限定为竖直可调以适应基板101限定的较宽厚度范围的筛构件，并且当基板接收存储在第二料斗14中的第二层介质(未示出)时，耙水平筛选基板101的顶部表面，其中在优选实施例中，第二层介质为绝缘粉末组合物，诸如二氧化硅(即砂)(也可能含有其他的材料，诸如石灰、氟化钙、锰氧化物和其他化合物)，以减少或消除在后续的埋弧焊过程中存在的氧气量。在一个实施例中，第一料斗组件13和第二料斗组件14可移动地安装在板材装置10的外壁上，当基板101水平移动通过装置10时，便于相对于基板的纵向和/或侧向位移。在优选实施例中，该位移采取前后滑动以及上下移动的形式以形成板材和介质厚度，保持上述介质的一致性。优选地，旋转阀门延伸穿过一个或两个料斗组件13、14的竖直长度，料斗组件能控制附属介质的下料速度。当基板101在料斗组件13和14的下方移动时，优选地，利用通过机械或控制逻辑25竖直调节的弧面驱动支撑辊支撑基板。该支撑辊限定弧度，来帮助保持介质厚度的均匀性，尤其是第一介质厚度。在优选实施例中，该支撑辊在金属热熔过程和任何同期和/或后续的冷却之前使弧面负载均匀，详见下文。

图1-2和7-8示出了优选地在板材装置10内互相竖直对齐的送丝机组件15和冷却筒36的各个方面。在一个实施例中，多个送丝机设置在冷却筒36之上，并且在优选实施例中，送丝机组件15的数量为二十四(24)个。与现有技术依赖单个控制轴来控制所有送丝机不同，优选的送丝机组件15有单独的电机间隙，并且送丝机组件竖直设置，各个送丝机组件15之间的侧向距离小于等于101.6毫米。在一个实施例中，每个送丝机组件15限定了配置为接收和利用足以熔化基板101承载的金属介质的直流电(DC)流的动力头37，在优选实施例中，每个动力头37配置为每个动力头37能处理至少1000安培(1k安培)电流。板材装置10的实施例中，尤其是控制逻辑25，能同时运行所有送丝机组件15，或能按顺序运行预定分组，例如在第二组、第三组、第四组、第五组和第六组四(4)个送丝机组件15启动前，一组四(4)个送丝机组件15启动。优选地，每个组件15由带有线速编码器的专用电机独立驱动以保持所用安培的速度，并在焊丝持续消耗时向线轴驱动电机发出信号。在优选实施例中，每个送丝机组件15还包括齿轮驱动的独立填充金属上料单元，该独立填充金属上料单元为液冷或气冷，能通过绝缘介质和金属粉末供应电压和电流以实现与金属基板101的冶金熔融结合，进而在一个实施例中形成最终从熔融和冷却的粉末混合物中产生的碳化铬。在一个优选实施例中，每个送丝机组件15由控制逻辑25单独控制，当基板101推进到送丝机组件下方时，一组二十四(24)个送丝机组件15中每隔一个送丝机组件配置为(即大小、形状和方向)横向“剪刀”式运动。配合基板101的水平运动，这种多轴旋转中的前后摆动和侧向运动在基板101的表面能产生理想的焊接模式，该焊接模式在现有技术中是无法实现的(该装置可实现的模式的一些非限制性示例请见图11)。如前所述，分度测量负责基板101的纵向推进，在很大程度上取决于上述送丝机组件的侧向、横向或其他运动。在一个实施例中，基于(但不限于)板材厚度、焊丝类型和/或基质介质深度等变量，每个送丝机组件15需要大约十秒来完成其预定的焊接模式。装置10的实施例甚至可以产生覆盖或联锁的焊接模式，熔合到基板101中，并冷却以产生平面、无珠状物、硬化的金属板材110。

为了生产上述理想的硬化板材，反应必须包含在极端高温下焊接，但必须检查温度，否则材料过度熔化，无法与基板101结合，或可能变得太脆和开裂。因此，优选优越的温度控制和测量，例如包含使用一个或多个碳传感器(未示出)，能确保实质熔融结合事件发生。在一个实施例中，在熔合过程中，利用冷却筒36从基板下方控制基板101的温度。在优选实施例中，冷却筒36是直径914.4毫米、带有内部竖直的一个或多个喷杆38的开孔圆柱形构件。一个实施例包含在冷却筒36表面形成的多个菱形孔，以使水大致从冷却筒的整个长度中流出，并且一个或多个喷杆38能以相同角度或偏斜来分配水。一个或多个实施例中，在不使用时，冷却筒36可处在水浴中，从而便于在包覆过程中形成水冷表面。随着熔化过程的进行，一个或多个温度传感器(未示出)监测变量，其中变量包含但不限于基板的温度和熔化材料的温度。若温度过高，控制逻辑25使一个或多个喷杆38将空气或水喷入开孔圆柱体内，以输送到基板101的底面，将基板完全冷却，并且促进牢固的冶金熔融结合，而不是像现有技术(例如，见上文引用的Kostecki专利)中一样通过条、盘等物直接将水喷在底板面。这可以防止板材在高温下产生折痕或屈曲，而板材装置10可以解决这一问题。在某些实施例中，一个或多个喷杆38相对于冷却筒36处于固定位置；在其他实施例中，一个或多个喷杆38随转筒36旋转或摆动。控制逻辑25还能控制转筒36的转速和所排出流体的压力，并且在一个实施例中，一个或多个喷杆38配置有可变压力出口。多个传感器和红外光束(未示出)监测基板101的速率以及应用在在基板101表面的介质的深度和平滑度，将这些数据报告给控制逻辑25。

组成第三输送机部20的清洗辊39、热辊40、矫直机辊41和引出辊42的实施例如图8、9、10所示。在一个实施例中，部分或全部辊40、41和42的直径为304.8毫米。当刚经过硬化(诸如碳化铬)处理的基板101移动出动力头37时，多余的材料可能在板材上堆积，这是不合需求的，这或对板材或板材装置10有害。在一个实施例中，一个或多个清洗辊39定义为裂渣轮，裂渣轮包括安装在中央凸台上的多个环形盘，运动到金属电弧的焊接表面，从而使表面的熔渣裂开。在裂渣轮前、裂渣轮后或裂渣轮前后，通过真空抽吸装置将裂渣吸出。热辊40的实施例可以与清洗辊39分散设置，也可以定位在其后。优选地，热辊40中包含温度修改部件，例如用于调和焊接头37与环境空气之间的温差以防止开裂，或用于缓慢冷却新焊接板材。在一次重复中，热辊40由液冷或气冷辊组成，辊的尺寸、形状等配置为能使硬化板材从中间通过。矫直机辊41可以采用多种形式，但一个优选实施例包含位于输送机11上方和下方的多个辊筒，至少上辊实施例偏向向下的方向(例如通过张紧器构件、液压等)，向板材施加压力以使板材保持在尽量最直的配置。一个或多个传感器(未示出)，例如红外光束检测，可以用来确认板材的平面性质，如果检测到微小的、不合需求的曲率，这些传感器将报告给控制逻辑25，并且辊41所施加的压力可能会发生变化。例如，矫直机辊41施加的压力的正/负校准可以由控制逻辑25修改，从而在冷却时，硬化成品板材110可以保持为优选方向，比起现有技术，可以生产出更具一致性的板材。当成品板材110从清洗辊39、热辊40和矫直机辊41中移出时，可能需要将硬化板材分离、分割或以其他方式切割成较小的尺寸。因此，板材装置10的实施例可包含切割构件，在等离子切割炬的优选实施例(未示出)中，等离子切割炬能够将硬化板材切割成控制逻辑25所确定的任何尺寸、形状或重复宽度和/或长度。其他功能可包含刻蚀带有识别信息(诸如时间、日期、位置、制造商、批次/批号等信息)的板材，让高能力硬化金属构件的生产具有空前一致性。

还公开了一种制造硬化金属板材的方法，包含如上所述提供优选板材装置10的步骤。优选地，一个或多个圆柱辊21可旋转地固定在相对的框架构件22、22'之间，并且配置为支撑金属基板101的实施例进入或退出优选装置10，在优选实施例中是2.4384米×6.096米的A36钢板。支腿17的一个实施例包含附在动力活塞24的安装支架23，其大小、形状以及其他方面配置为通过控制逻辑25竖直调整与其相关的输送机组件11的高度。接地组件12由多个钢板弹簧性质的偏臂26限定，该偏臂的接地靴27、27'连接于各自臂26的相对纵向端，以接触基板101，防止电击风险。基板101内形成一个或多个开口102，以适应多个环状布置的轮齿31，这些轮齿附到单独的齿轮上，或整体接近一个(或多个)驱动辊30的终端，以无滑动地推进基板101，优选地，通过中间框架部20以每秒5.08毫米的速度推进基板101。基板101在两个料斗中的第一个料斗下推进，当基板101接收存储在第一料斗13中的第一层介质时，基板的顶部表面有水平筛，优选实施例中，介质为金属粉末组合物，诸如铬或铁。然后基板101在两个料斗中的第二个料斗下推进，耙35限定为竖直可调以适应基板101的较宽厚度范围的筛构件，并且当基板101接收存储在第二料斗14中的第二层介质时，能水平筛选基板的顶部表面，优选实施例中，第二层介质为绝缘粉末组合物(诸如二氧化硅)。基板101沿着多个优选送丝机组件15移动，优选送丝机组件竖直设置，各个送丝机组件15之间的侧向距离小于等于101.6毫米。在一个实施例中，每个送丝机组件15限定了配置为接收和利用足以熔化基板101承载的金属介质的直流电(DC)流的动力头37，在优选实施例中，每个动力头37配置为每个动力头37能处理至少1000安培(1k安培)电流。头37将预定的模式焊接到基板101表面，包含但不限于图11中显示的模式。在熔合过程中，利用冷却筒36从基板101下方控制基板101的温度。在优选实施例中，冷却筒36是带有内部竖直的一个或多个喷杆38的开孔圆柱形构件。随着熔化过程的进行，一个或多个温度传感器(未示出)监测变量，其中变量包含但不限于基板的温度和熔化材料的温度。若温度过高，控制逻辑25使一个或多个喷杆38将空气或水喷入冷却筒36内，以输送到基板101的底面，将基板完全冷却，并且促进牢固的冶金熔融结合。当基板101移动出动力头37时，多余的材料可能在板材上堆积，这是不合需求的，这或对板材或板材装置10有害，多余的材料可由裂渣轮去除，裂渣轮包括安装在中央凸台上的多个环形盘，运动到金属电弧的焊接表面，从而使表面的熔渣裂开。热辊40接收硬化板材，并且包含温度修改部件，例如用于调和焊接头37与环境空气之间的温差以防止开裂，或用于缓慢冷却新焊接板材，这些都会由与控制逻辑25通信的传感器监测。矫直机辊41可以采用多种形式，但优选实施例包含位于输送机11上方和下方的多个板材，至少上辊实施例偏向向下的方向(例如通过张紧器构件、液压等)，向板材施加压力以使板材保持在尽量最直的配置，这也由与控制逻辑25通信的一个或多个传感器监测。如所需求，切割构件，在等离子切割炬的优选实施例(未示出)中能够将硬化板材切割成控制逻辑25所确定的任何尺寸、形状或重复宽度和/或长度。其他步骤可包含刻蚀带有识别信息(诸如时间、日期、位置、制造商、批次/批号等信息)的板材，让高能力硬化金属构件的生产具有空前一致性。

本文所提供的图示和示例是为了说明目的，并不意在限制所附权利要求的范围。