真空密封的螺紋連接的制作方法
【專利摘要】本發明是一種方法，用于形成連接，此連接位于一第一主體(A)和一第二主體(B)之間，其中第一主體(A)由一第一材料制成，包含一管子(A1)，第二主體(B)由一第二材料制成，包含一孔洞(B1)，用于所述管子(A1)的插入。此方法包括所述管子(A1)的螺紋(A3)，用于在第二主體(B)內所述孔洞(B1)的相應螺紋部分(B3)內擰緊，在第二主體(B)內所述孔洞(B1)的開口處設有一凹處(B2)，在所述管子(A1)的末端(A2)處設有一環(A5)，其中所述環(A5)和所述凹處(B2)具有如此的形狀和大小，以至于所述環(A5)被推入所述凹處(B2)，這導致了一塑性形變，并且因而通過干涉，在所述第一主體(A)和所述第二主體(B)之間產生了一個密封。
【專利說明】真空密封的螺紋連接
[0001]本專利的主題是一種新穎的方法或工藝，用于密封的連接(或為VTTJ—真空密封的螺紋連接)，使之在可焊接或不可焊接的材料間，高度真空條件下，實行異質的或同質的連接。
[0002]本發明技術的工作已經受到ITER的European Joint Undertaking和Development of Fus1n Energy 的資助，其授權書為 F4E-2011-GRT313-PMS-H.CD。
[0003]目的
此項新技術在可控的熱核聚變的研究框架下研發，它的目的是在銅和鋼之間獲得可靠的真空密封的連接，其中銅和鋼的成分會遭受高熱流的影響。該新技術也可用于一些不同的工業應用，甚至使不同于銅和鋼的材料產生連接，這可能需要或不需要真空密封，并且成分會遭受或不會遭受高熱流的影響。
【背景技術】
[0004]目前有很多用于連接金屬材料的技術，其中所述的連接可以是異質的或同質的類型。
[0005]所謂“在不同金屬材料間的焊接”是指一種處理方法，這是通過高溫和/或壓力作用，把兩種需要焊接的材料形成原子的和/或分子的鏈接，而把它們連接在一起。
[0006]氣體焊接是已知的，它使用一種可燃氣體連同助燃劑，比如氧氣，產生火焰以提供熔化連接材料必需的熱源。
[0007]經典的氣體焊接的使用是受限的，因為提供的熱量非常低，所以可焊接的厚度是受限的。
[0008]電弧焊接也是已知的，它使用電弧產生的熱量，電弧位于一個電極和需要焊接材料之間。然而，此技術只適用于一些類型的材料。
[0009]電阻焊接也是已知的，它利用需焊接成分的電阻特性以獲得必要的熱量，其中連接處的焊接也需要施加一個合適的壓力。
[0010]摩擦焊接是已知的，其中熱量是通過對需焊接的成分表面實行機械摩擦產生的，比如從成分的相對旋轉中獲取。焊接的部分隨后通過施加一足夠的壓力而產生連接。然而，此技術只適用于一些類型的材料，并依賴于需焊接材料的冶金狀態。
[0011]超聲波焊接是已知的，其中需焊接的表面受到了一個普通的靜態壓力和一個以給定頻率震蕩的切線力。
[0012]電子束焊接是已知的，它的熔化過程在真空條件下實行，通過在電子沖擊材料時，把電子的動能轉換成熱能，創造了一束普通晶格的電子，產生了材料的局部的熔化。
[0013]此項技術非常昂貴，需要大量的設備，這些設備不能為相關人員所運輸和使用。
[0014]其它的焊接技術也是已知的，比如激光焊接，等離子焊接，爆炸焊接，摩擦攪拌焊接。
[0015]銅焊或焊接銅的技術也是已知的，這不需要熔化基礎材料。在此過程中，一種金屬，它的熔化溫度低于需連接的材料的熔化溫度，此金屬被熔化并被流動以填充需連接的物體表面的微小縫隙。然而，此方法的連接具有有限的機械強度，并產生其它缺點。
[0016]美國專利3388931涉及一個在孔盤和管子間的焊接，包括使用兩種適合于在孔盤和管子間使用的成分，一個特別的適合插入孔洞的熱收縮的塑料，一個由塑料或金屬制造，適合與插入管子和插入口之間的圓柱形套圈，并且其中熱量的使用會引起插入物的收縮，因而管子可以固定在盤子的孔洞中。
[0017]美國專利2658706涉及一種方法，用于約束一種突出于地面或墻壁的管道，其中使用一種圓柱形的套筒以使管道周圍松弛，并有一對夾具圍繞在管道周圍，夾具是錐形的，以便于它的尖端可以插入所述套筒，并且壓迫所述夾具朝著所述套筒移動，以使它們夾住管道并完成固定操作。
[0018]相對現有技術的優點
此VTTJ技術相對于已知的技術，如摩擦焊接，電子束焊接和銅焊的優點如下列所述: 便于處理和低成本
冷處理，比如在室溫下，沒有影響材料性能的危險，以及隨之而來的局部過熱的連接狀況。實際上，局部過熱會引起:
-材料的屈服和極限應力的下降，這是由退火和/或再結晶所引起的；這尤其可能發生在有延展性的和/或低熔點的材料上，如銅；
-由于脆弱的空隙產生的裂縫；這尤其可能發生在高合金材料上，如不銹鋼；
并不依賴于材質的可靠的連接，因而在處理期間連接處并沒有金屬變形，這得感謝于完全的冷處理過程。
[0019]使用基本材料的成分和冶金狀態的一個大范圍的可能性，因為焊接并未受到連接可靠性的因素的限制。從另一方面來說，關于基本材料的成分和冶金狀態的主要的限制只有在使用其它技術，比如摩擦焊接，電子束焊接和銅焊時才會出現。
[0020]良好的兼容性，由于較小的尺寸；
良好的兼容性，在可能的連續運轉的情況下，類似電沉積和電子束焊接。
[0021]應用范闈
通常，VTTJ技術適合于在可焊接或不可焊接的材料間，大范圍的異質的或同質的連接。
[0022]例如，VTTJ技術可用于在制造業，化學，食品，醫藥，石油工業和發電廠中熱交換器，液壓設備，鍋爐，供暖系統等設備之間的連接。
[0023]一些在核聚變領域可能的應用有:
加速柵格，用于中性束噴射器；這是此技術研發后的應用；
直線成分，用于中性束噴射器，如中和劑，殘余的離子垃圾和熱量計；
用于離子源的成分，如法拉第屏障，背板等；
電子吸收器；
總括模塊，用于環形腔；
偏濾器模塊。
【發明內容】
[0024]本發明涉及一種方法或工藝，用于在可焊接或不可焊接的材料間，形成異質的或同質的連接。特別的，此連接在第一主體和第二主體間制得，其中第一主體包括至少一管狀部分或管子，并由第一材料制成；第二主體由第二材料制成并具有一孔洞，用于所述管子插入第一主體。
[0025]所述第一材料，即通過它制成第一主體，與所述第二材料，即通過它制成第二主體，可以是相同或不同的材料，適合于或不適合于相互焊接。
[0026]新技術包括以下階段:
-至少在第一主體的所述管子的外部表面的部分中制造一螺紋，以便允許所述管子旋緊在相應的第二主體集成的螺紋部分，或附著在它上面。
[0027]-至少在第二主體內制造一孔洞，以便于定義一導管，用于所述管子的至少部分插入。
[0028]-至少制造一圓柱形或圓錐形的環形座位或凹處，朝著孔洞的入口處發散，位于接近或處于所述第二主體內的所述孔洞的入口處。
[0029]-在第一主體的所述管子的所述外表面，提供至少一錐形環，此環在管子的末端匯聚，或在任何情況下具有同第二主體的所述錐形凹處不同的錐形物；
并且其中所述圓錐或圓柱形的環和所述圓柱或圓錐形的凹處具有如此的形狀和大小，當第一主體的所述管子至少部分的插入第二主體的所述孔洞時，所述管子被擰緊在所述第二主體內，所述圓錐或圓柱形的環被推入所述圓柱或圓錐形的凹處，這引起了所述環和/或所述凹處的塑性形變。
[0030]因而，透過干涉，在所述第一主體和所述第二主體間獲得了一密封。
[0031]下述的附圖被特別的標注了參考號，用于提供非限定的實例。
[0032]圖1顯示了第一主體(A)的截面圖，它是管狀構件或管子(Al)的形狀。
[0033]圖2顯示了第二主體⑶的截面圖，它是一盤子具有孔洞(BI)的形狀，孔洞規定了用于所述管子(Al)的部分(A2)插入的導管。
[0034]圖3顯示了第一主體⑷加入第二主體⑶的截面圖。
[0035]圖4顯示了連接處的詳細的橫截面，連接處位于第一主體(A)和第二主體(B)之間，通過機械干涉獲得。
[0036]根據第一實施例，圖5顯示了通過電沉積(D)，第一主體(A)加入第二主體(B)的截面圖。
[0037]根據第二實施例，圖6顯示了通過電沉積(D)，第一主體(A)加入第二主體(B)的截面圖。
[0038]圖7顯示了第一主體(A)加入第二主體(B)的截面圖，其中所述第一主體(A)和所述第二主體(B)根據另一種方案制造，它們具有一卷邊或檔邊(A5，B4)，以用于持續的焊接，此過程會在圖8中詳細的說明。
[0039]圖9顯示了第一主體(A)的一個截面的示意圖，它具有一部分(AS)，部分(AS)帶有非圓形的截面，以適合于被螺紋刀具夾緊。
[0040]新的連接技術包括下面描述的步驟，例如在主體(A)中制造一個連接，又例如由第一材料制造的管狀構件或管子(Al)，又例如由第二材料制造的鋼和一主體(B)，又例如如盤子形狀的銅。
[0041]1.至少一孔洞(BI)在所述銅盤⑶上制造，例如通過研磨，所述孔洞為圓柱形的，或在任何情況下規定了用于所述管子(Al)的部分插入的導管，特別的至少用于插入所述管子(Al)的末端(A2)。
[0042]2.固定于所述銅盤或主體(B)上的鋼管(Al)至少具有部分的螺紋(A3)，螺紋在它的外表面(A4)上，例如靠近所述末端(A2)處，以被盤或主體(B)的所述孔洞(BI)插入。
[0043]3.優選的，所述孔洞(BI)的內部至少具有部分的螺紋(B3)，螺紋(B3)具有所述管子(Al)的所述螺紋(A3)的相等的水平。
[0044]4.在銅盤或主體(B)內的所述孔洞(BI)的入口處，至少有一圓柱形的凹處(B2)，同時鋼管被轉動，以便沿著它的外部表面(A4)在一給定位置獲得一錐形環(A5)，錐形環(A5)朝著管子(Al)自身的末端(A2)匯聚。例如，所述錐形環(A5)位于所述螺紋(A3)的起始處，在管子(Al)的末端(A2)的相對側。
[0045]所述錐形環(A5)和所述圓柱形凹處(B2)具有如此的形狀和大小，一旦管子(Al)被擰入盤子(B)的孔洞(BI)時，所述錐形環(A5)被推入所述圓柱形凹處(B2)，依據生產材料的不同，這會引起主體(B)和/或管子(A)的塑性形變。
[0046]以這種方法，通過機械干涉，獲得了在所述管子(Al)和所述盤子⑶之間的一個密封。
[0047]特別的，所述錐形環(A5)下端的直徑(A5a)小于圓柱形凹處(B2)的直徑(B2d)，以便于插入，同時上端的直徑(A5b)大于圓柱形凹處(B2)的直徑(B2d)，以便于形成干涉(A6)。
[0048]在優選的方案中，錐形環(A5)的所述最大直徑(A5b)比圓柱形凹處(B2)的直徑(B2d)大約0.1-0.2_。然而此大小可根據連接的幾何形狀和使用的材料而改變。
[0049]鋼管(Al)被擰入相應的銅盤⑶的孔洞(BI)內。在擰緊階段，通常大約在最后一圈期間，銅盤(B)的孔洞(BI)內的圓柱形凹處(B2)的塑性形變發生了，隨后獲得了一個密封。
[0050]如果第一主體(A)的材料比第二主體(B)的材料柔軟，錐形環(A5)會有一個塑性形變，同樣可以獲得一個密封。如果第一主體(A)和第二主體(B)的材料具有相似程度的硬度，或者所述第一主體(A)和所述第二主體(B)由相同的材料制成，塑性形變會同時發生在所述圓柱形凹處(B2)和所述錐形環(A5)內，并且同之前的情況類似，通過塑性形變可獲得一個密封。
[0051]實行試駘
真空泄漏試驗是通過一個泄漏探測器在一些原型上使用氦氣作為樣氣實行的。這些試驗顯示了使用VTTJ技術制造的連接沒有泄漏。類似的試驗在一內部壓力為30巴的循環負載下連續實行了 10次，再次顯示完全沒有泄漏。最后，類似的試驗在一個持續一小時，200°C溫度下的熱處理后實行，也顯示在此情況下完全沒有泄漏。
[0052]可能的后繼操作
進一步的，本技術可包括電沉積，電子束焊接或銅焊的操作，它們在把鋼管(Al)擰入銅體(B)之后實行，以便于使連接符合特別苛刻的條件，例如符合高熱的和/或機械結構的負載。
[0053]例如，根據本發明，一個合適材料的條帶(D)，比如一銅層，可以沿著連接邊緣(C)及其周圍區域沉積。
[0054]此進一步的放置的銅層(D)具有的主要作用是，保證真空密封適用于特別苛刻的操作條件，例如處于高熱的和/或機械結構的負載中。
[0055]此外，在把所述管子(A)擰入所述銅體(B)之前，一銅的薄層可以沉積在鋼管上，它處于所述錐形環(A5)相同的水平上，并接近它的非螺紋部分，以提升隨后實行的電沉積的附著力。
[0056]為了更好的執行銅的電沉積，管子立即位于錐形環之上的部分可以通過一配件(A7)以合適的半徑連接至環自身。
[0057]對于上面的另一種或額外的一種方法，每個所述管子(Al)和所述銅體(B)的加入端，例如所述錐形環(A5)和所述圓柱形凹處(B2)被配置在一卷邊或檔邊(A5，B4)上，以用于隨后的電子束焊接。
[0058]在圖8中，優選的用于實行電子束焊接的位置由一箭頭(B5)顯示。
[0059]根據本發明，所述管子(Al)至少可以部分(AS)的說明一非圓的橫截面，以此方法可允許所述管子(Al)通過合適的工具夾緊并擰入所述的第二主體(B)，其中具有非圓橫截面的所述部分(AS)處于與所述錐形環(A5)相距一定距離的位置上。
[0060]圖10和圖11顯示了相同創新理念的兩個不同的實施例。
[0061]根據一相同的方案，除了在第一主體(A)的所述管子(Al)上提供有一圓柱形環之外，一圓錐形的凹處，朝著孔洞(BI)的入口發散，創建于第二主體(B)的所述孔洞(BI)內，以便于一旦第一主體(A)的所述管子(Al)被至少部分的插入第二主體(B)的所述孔洞(BI)，并且所述管子(Al)已經被擰入所述第二主體(B)，所述圓柱形的環被推入所述圓錐形的凹處，因而產生了塑性形變，以及隨后通過干涉在所述第一主體和所述第二主體間獲得了一個密封。
[0062]特別的，如圖10所示，所述圓錐形凹處(B2)的入口開口的直徑(B2b)大于圓柱形環(A5)的直徑(A5d),以便于插入，同時對端的直徑(B2a)小于圓柱環(A5)的直徑(A5d),以便于形成干涉(A6)。
[0063]根據一相同的方案，除了在第一主體(A)的所述管子(Al)上提供有一錐形環之夕卜，一圓錐形的凹處，朝著孔洞(BI)的入口發散，創建于第二主體(B)的所述孔洞(BI)內，其中第一主體(A)的所述錐形環的錐化不同于第二主體(B)的圓錐形的凹處的錐化，以便于圓錐形的環被推入所述圓錐形的凹處，以形成干涉。
[0064]如圖11所示，所述錐形環(A5)的下端的直徑(A5a)小于圓錐形凹處的入口直徑(B2b)，以便于插入，同時上端的直徑(A5b)至少大于圓錐形凹處(B2)的所述入口直徑出2(1)，以便形成干涉(六6)。
[0065]因而，對于以上的描述和附圖，列出了以下的權利要求。
【權利要求】
1.一種用于在可焊接或不可焊接的材料間，形成異質的或同質的連接的方法或工藝，以便于加入: 一第一主體(A)，由一第一材料制成，至少包含一個管狀部分或管子(Al)以及 一第二主體(B)，由一第二材料制成，包含一孔洞(BI)，用于被所述第一主體(A)的所述管子(Al)的至少一個部分(A2)的插入， 所述第一材料和所述第二材料由相同或不同的材料制成，其特征在于，它包含以下步驟: 至少在所述第一主體(A)的所述管子(Al)的外表面(A4)上形成一螺紋(A3)，用于把所述管子(Al)旋緊在相應的螺紋部分(B3)，所述螺紋部分(B3)整合于或創建于所述第二主體⑶； 至少形成一個環形基座或凹處(B2)，所述環形基座或凹處(B2)接近或位于所述第二主體⑶中所述孔洞(BI)的入口相同的水平上； 形成至少一環(A5)，所述環(A5)的外壁具有不同于所述凹處(B2)的匯聚角度，所述環(A5)位于所述第一主體(A)的所述管子(Al)的外表面(A4)上， 其中，所述環(A5)和所述凹處(B2)具有下述的形狀和大小，即一旦所述第一主體(A)的所述管子(Al)已經至少被部分的插入所述第二主體(B)中所述孔洞(BI)，并且所述管子(Al)已經被擰入所述第二主體(B)，所述環(A5)就被推入所述凹處(B2)，以獲得所述環(A5)和/或所述凹處(B2)的塑性形變，由此在所述第一主體㈧和所述第二主體⑶間通過干涉形成了一密封。
2.如權利要求1所述的方法或工藝，其特征在于，所述凹處(B2)是圓柱形的，所述環(A5)是圓錐形的，所述環(A5)朝著所述管子(Al)的末端匯聚，并且其中所述錐形環(A5)下端的直徑(A5a)小于所述圓柱形凹處(B2)的直徑(B2d)，以便于插入，同時上端的直徑(A5b)大于所述圓柱形凹處(B2)的直徑(B2d)，以便于形成干涉(A6)。
3.如權利要求1所述的方法或工藝，其特征在于，所述凹處(B2)是圓錐形的，朝著所述孔洞(BI)的入口處發散，所述環(A5)是圓柱形的，并且其中所述圓錐形凹處(B2)的入口開口的直徑02a)大于圓柱形環(A5)的直徑(A5d),以便于插入，同時對端的直徑(B2b)小于圓柱環(A5)的直徑(A5d)，以便于形成干涉(A6)。
4.如權利要求1所述的方法或工藝，其特征在于，所述凹處(B2)是圓錐形的，朝著所述孔洞(BI)的入口處發散，所述環(A5)是圓錐形的，朝著所述管子(Al)的末端匯聚，并且其中所述錐形環(A5)下端的直徑(A5a)小于所述圓錐形凹處的入口直徑(B2d)，以便于插入，同時上端的直徑(A5b)大于所述圓錐形凹處(B2)的入口直徑(B2d)，以便于形成干涉(A6)。
5.如上述權利要求所述的方法或工藝，其特征在于，所述管子(Al)具有螺紋(A3)，所述螺紋(A3)至少接近它的末端(A2)，所述末端(A2)適合于被所述第二主體(B)中所述孔洞(BI)所插入。
6.如上述權利要求所述的方法或工藝，其特征在于，所述圓錐形或圓柱形的環(A5)設置于接近所述管子(Al)的所述螺紋(A3)處，并在所述管子(Al)的所述末端(A2)的相對側。
7.如上述權利要求所述的方法或工藝，其特征在于，所述第二主體(B)的所述孔洞(BI)的內部至少具有部分的螺紋(B3)，螺紋(B3)具有與所述管子(Al)的所述螺紋(A3)的相等的水平，以用于把所述管子(Al)擰緊在所述孔洞(BI)內。
8.如上述權利要求所述的方法或工藝，其特征在于，它進一步包含了電沉積和/或電子束焊接或銅焊的階段，這些階段在連接所述管子(Al)至所述第二主體(B)后實行。
9.如上述權利要求所述的方法或工藝，其特征在于，一條帶或薄層(D)，是由銅制或一合適的材料制造，所述條帶或薄層(D)沿著連接邊緣(C)在所述管子(Al)和所述第二主體(B)之間及即時的周圍區域實行電沉積，所述條帶或薄層具有在機械壓力和高度熱負載的條件下保證真空密封的作用。
10.如上述權利要求所述的方法或工藝，其特征在于，它也包含一在所述管子(Al)上的預防性電沉積材料，所述預防性電沉積材料在所述圓錐形或圓柱形的環(A5)的水平上，并靠近非螺紋部分，從而增加持續的電沉積的附著力，所述預防性電沉積在連接所述第一管子(Al)至所述第二主體(B)之前實行。
11.如上述權利要求所述的方法或工藝，其特征在于，每個所述管子(Al)和所述第二主體(B)的連接端，即，所述圓錐形或圓柱形的環(A5)和所述圓柱形或圓錐形的凹處(B2)形成一卷邊或檔邊(A5，B4)，以便于在它們間實行持續的焊接。
12.如上述權利要求所述的方法或工藝，其特征在于，所述第一主體(A)是一個管子(Al)，所述第二主體(B)是一個盤形主體，所述盤形主體的表面有內有螺紋的所述孔洞(BI)，并且限定了所述管子(Al)的插入導管。
13.如上述權利要求所述的方法或工藝，其特征在于，所述管子(Al)至少具有部分(AS)非圓的橫截面，以便于確保可以由一些工具夾緊所述管子，所述工具用于在所述第二主體(B)內擰緊所述管子(Al)。
【文檔編號】F16L5/02GK104350319SQ201380027613
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年5月31日 優先權日:2012年6月7日
【發明者】皮耶羅·阿格斯蒂內蒂, 莫羅·達拉帕爾馬, 迪亞哥·馬庫奇, 皮耶爾喬治·索納托, 皮耶爾路易吉·扎卡利亞 申請人:康瑟齊奧Rfx公司