專利名稱：電弧焊裝置及電弧焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及把管段焊成連續(xù)的長管道的領(lǐng)域。更具體地涉及用焊機焊接的系統(tǒng)。
用來傳送油、氣、水等的一個主要的系統(tǒng)是用管道。這些管道通常置于地下，穿越美國及許多其它國家。通常用挖土機沿著預(yù)定的埋管道的路上挖出溝。
例如長30-60英尺的管段運到要用管道的地方。通過焊接把相鄰的管段的端部焊接起來。這些焊縫必須很精密。不允許焊縫有即使很小的針孔。管端通常削出斜角以改善焊接。管段夾起來使得兩管段的對準盡可能好。在焊接接頭處管的里面，靠近管的內(nèi)壁焊接材料要形成相當光滑的表面。在任何情形下，管內(nèi)部的焊縫只能有很小的突起。當把裝置(如用來探測管中可能發(fā)展的裂紋的裝置)放到管中，過分的突起會引起各種問題。另外，在管道中有管道隔塊，其把管道中輸送的一個產(chǎn)品與另一個分開。應(yīng)該明白有時汽油要通過管道輸送?？煞湃胍粋€襯套就可分開兩種產(chǎn)品，隨后原油可通過同樣的管道泵送。兩種材料要求保持穩(wěn)定的分離。
為了防止已焊接的熔融的焊縫材料的突塊進入管的里面，現(xiàn)對最常用的方法是從管的內(nèi)部進行第一焊道或根焊的焊接。為了這一目的有商業(yè)出售的昂貴的專門的精巧機器。這種機器在3英尺直徑的管的內(nèi)部工作的成本高達每焊縫為1200美元，或每月約兩百萬美元。這是很費時及高成本的。這就要求更好的但比較便宜的把管段焊起來的方法。
在現(xiàn)代的管道焊接中，有時把焊接小車(welding bug)用作半自動焊機。與焊接小車相結(jié)合的是一條導(dǎo)軌，其固定在管子的圓周上，在要求焊接小車繞管轉(zhuǎn)動的位置處。小車具有一驅(qū)動電動機，借助于滾輪，驅(qū)動小車繞著軌道運動。滾輪夾住焊接小車沿著導(dǎo)軌，即使焊接小車幾乎倒置仍是如此。設(shè)有專門的夾緊裝置把小車固定到導(dǎo)軌上。還設(shè)有適應(yīng)不同尺寸的管子的裝置。焊接小車具有一振蕩器使焊絲頭擺動穿過焊接熔池。
小車具有一供絲器，它有一電動機驅(qū)動焊絲穿過焊接頭，以把兩管段焊在一起。
在工作中，驅(qū)動電動機驅(qū)動焊接小車以選定的穩(wěn)定的速度繞著導(dǎo)軌運動。當焊接小車移動經(jīng)過如時鐘12點的位置，也就是管子的最高點，及約9點的位置，也就是管子的中腰，速度都是穩(wěn)定的。但是，對于焊接小車向下運動到時鐘的6點這一位置的平衡，因為重力以更快的速度拉熔池，小車的運動必然加速。為了與此相應(yīng)，在現(xiàn)代實踐中，此時使小車的驅(qū)動電動機制動。隨后操作者調(diào)整驅(qū)動電動機的速度使其加速。隨后起動驅(qū)動電動機，繼續(xù)焊接過程。當作這一速度調(diào)整時，焊接小車總是制動著。
制動驅(qū)動電動機使完成焊接的時間有損失。還必須考慮其它相關(guān)的問題，如保持焊縫的連續(xù)性。但是，即使有這些問題，上述方法還是廣泛地使用著，主要因為它比現(xiàn)有的其它方法好。
本發(fā)明的目的是提供一種焊接裝置及系統(tǒng)，可以在管外進行第一焊道或根焊的焊接，使焊縫沒有向內(nèi)的突起。
本發(fā)明提供了一種把第一管段的一端與第二管端的一端焊接起來的方法，它使用改進的焊接小車。焊接小車設(shè)有供絲器，驅(qū)動供絲器的裝置，及用來驅(qū)動焊接小車繞設(shè)在管的周邊外面的導(dǎo)軌上運動的驅(qū)動裝置。還有在焊接小車繞軌道連續(xù)運動時改變小車速度的裝置。當焊接管時，管位于水平位置，也就是說管的軸線通常是水平的。在靠近第一和第二管的端部處從第一管和第二管的外面進行起始焊道或根焊的焊接。這個方法中不用或不需要帶有底墊的內(nèi)調(diào)節(jié)夾具。
通常使用兩個焊接小車，一個繞著導(dǎo)軌的一半運動，而另一個繞著導(dǎo)軌的近似另一半運動。從時針12點鐘至9點鐘的位置，一個焊接小車從接近垂直位置轉(zhuǎn)動到接近水平位置。這時焊接小車的速度必須改變以保持帶著焊絲的電極剛好位于焊接熔池的前面。而另一個焊接小車從12點的位置轉(zhuǎn)動通過3點到6點鐘的位置。這兩個小車同時轉(zhuǎn)動或運動。但是，一個小車將略先于另一個小車起動，而且一個小車比另一個小車早停止并從焊接區(qū)域移走以便兩個小車的焊道相遇處仍是連續(xù)的焊縫。在結(jié)束焊道使用一個表面-張力-傳送(STT)電源。在系統(tǒng)中這一點是新的。通過使用這一系統(tǒng)及合適的小車驅(qū)動速度及焊絲供給速度，在斜邊的各邊只有稍些燒化。焊接模式的表面張力使它混合在一起，拉緊斜面的各邊使得管的內(nèi)部只留下平的焊縫。因此，不再需要在管的里面進行起始焊道或根焊的焊接及不需要在管中用專門的設(shè)備。在本發(fā)明以前，使用包括焊接小車的系統(tǒng)焊接管段時，總是要在管內(nèi)進行起始焊道或根焊的焊接，或要把夾具、底墊等專門設(shè)備放在管內(nèi)。本發(fā)明不需要這些設(shè)備。
還設(shè)有改變供絲器的供絲速度的裝置使得可把要求量的焊絲供入焊接熔池中。在另一個實施例中，通過改變小車的驅(qū)動電動機的速度來控制及改變供絲器的供絲速度使得達到要求的供絲速度。
在操作中，操作者連續(xù)地觀察焊接熔池與電極或供應(yīng)的焊絲的端部的關(guān)系。操作者要保持焊絲的端剛好位于熔池的前面。因此操作者將改變小車的速度以保持焊接頭的合適的位置。這可以在小車及焊接程序不停頓的情形下完成。在小車的實際運動中，可改變焊絲供應(yīng)速度來把要求的焊絲量供給電極。另外，如果要求，可進行控制使供絲器的供絲速度根據(jù)焊接小車的速度而變化。


圖1是示出本發(fā)明主要部件的示意圖；圖2示出裝在導(dǎo)軌上的一個焊接小車，示出了要與另一管段焊接的一管段；圖3是圖2的焊接小車的正視圖；圖4是圖3的焊接小車的后視圖；圖5是圖4的焊接小車的部分的左側(cè)視圖；圖6示出可松開地把導(dǎo)向輥的夾緊裝置和焊接小車的運動驅(qū)動輥夾緊到導(dǎo)軌上的夾緊裝置；圖7是類似圖6的視圖，但夾具處在松開的位置；
圖8和9一起示出焊接頭的擺動；圖10示出焊接小車的底視圖；圖11示出驅(qū)動供絲器的電位計和驅(qū)動電動機的電位計連接使得驅(qū)動供絲器按照焊接小車的運動速度的改變調(diào)節(jié)；圖12是控制焊接小車上的驅(qū)動電動機的速度的系統(tǒng)的示意圖；圖13示出圖12的控制系統(tǒng)的脈沖。
首先參見圖1，圖1是示出了使用改型的焊接小車的焊接系統(tǒng)的主要部分的示意圖。其中示出了第一管段10及要與第一管段10焊起來的第二管段12。導(dǎo)軌14設(shè)置并固定在焊接的管段外面，靠近要焊接的管端處。焊接小車16沿著該導(dǎo)軌運動。通常設(shè)兩個焊接小車，但圖中只示出一個。定位或?qū)蛑С谢蜉?0使焊接小車16運動時保持在導(dǎo)軌上。焊接小車中的運動電動機18驅(qū)動滾花的運動輥21繞導(dǎo)軌14運動。運動電動機的速度由電位器控制器22控制。
焊接小車16支承著焊接頭30，而焊接頭30支承著焊絲28，其作為電極29穿過焊接頭30。導(dǎo)軌14設(shè)在管段12上，使得焊絲28的端部正好置于相對管段10和12的端部。從焊接小車16上支承著一個CO2電磁閥32，其提供CO2或其它要求的氣體在焊接頭30的下端在焊接線電極29的端部釋放。
在圖1裝置的操作中，首先打開CO2電磁閥使得在電極29供電前把所有其它的氣體從電極29的周圍沖走。從表面張力轉(zhuǎn)移電源(Surface tension transfer power source)31通過電線84給焊接頭30供電。電源31在下面要說明是一種用焊接小車的自動焊接系統(tǒng)的電源?，F(xiàn)在起動表面張力轉(zhuǎn)移電源。
隨后同時起動供絲電動機24和焊接小車運動電動機18。這使焊接小車16開始沿著導(dǎo)軌14運動。操作者監(jiān)視操作，特別是焊接的熔池部位。焊接小車的速度應(yīng)該使得電極29恰好保持在熔池部位的前面。隨著焊接小車繞管段的運動，重力使熔池部分的運動改變。操作者通過在焊接進行中操作電位計控制器改變驅(qū)動速度22來對此作補償。如果供絲電動機沒有足夠快地供給焊絲，那么對于控制焊絲的驅(qū)動速度的電位計控制器26可增加供電，或者如果要求也可減小。當焊接小車16沿著導(dǎo)軌14運動，也可這樣調(diào)整(現(xiàn)有技術(shù)中當焊接進行時，焊接小車沿導(dǎo)軌的運動速度沒有改變)。
代替與供絲電動機24的速度無關(guān)地控制運動電動機18的驅(qū)動速度，可以把供絲電動機的速度作為運動電動機速度的一個函數(shù)。在圖11示出可如此作用的一個裝置。在該裝置中，焊接小車的操作者可旋轉(zhuǎn)旋鈕38來調(diào)節(jié)焊接小車的運動速度。這種改變是改變電位計的設(shè)定來控制電動機的速度的通常方式。在這種情形下，在驅(qū)動供絲器26的電位計的軸或轉(zhuǎn)子34和運動電動機28的電位計的轉(zhuǎn)子36之間連接著傳動鏈或帶40，因此，當輪38轉(zhuǎn)動時，傳動鏈40驅(qū)動電動機34以調(diào)整驅(qū)動供絲器26的電位計。因此，隨著焊接小車的速度改變，驅(qū)動供絲器的速度可相應(yīng)地改變。
管道牽引器42具有一發(fā)電機，其對表面張力轉(zhuǎn)移(STT)電源32供電。原則上說，STT電源是具有以微秒級(例如約750微秒已實行)傳送或改變電流的能力的電源。STT電源可從Lincoln電器公司(美國，Ohio44117-1199，Cleveland市)購得。
下面參見圖2，圖2示出安排在包著管44上的導(dǎo)軌14上的改型焊接小車16。導(dǎo)軌14可以是對繞著管運動的焊接小車導(dǎo)向的普通導(dǎo)軌。焊接小車16的主要元件包括一個焊絲頭或電極31，其設(shè)在焊接頭30中，焊接頭30有一個氣體錐50，可把焊接氣體(典型地如CO2)導(dǎo)到電極31的周圍。管線84把STT電源32與焊接頭30連接起來。作為電極的焊絲繞在焊絲盤58上，穿過保護管60，62，在兩根保護管60，62之間設(shè)有供絲器64。供絲器是通常的，并具有張緊調(diào)節(jié)器65。供絲器64用于驅(qū)動焊絲以預(yù)定的速度穿過焊接頭30。CO2供應(yīng)管82以普通的方式與焊接頭30連接。設(shè)有一擺動電動機66驅(qū)動擺動機構(gòu)68，該機構(gòu)68通過連接器70連接而擺動焊接頭30，使得電極前后運動穿過要焊接的管端之間的開口。連接器70可用來調(diào)節(jié)焊接頭30的位置。旋扭85用來調(diào)節(jié)焊接頭的高度。
下面參見圖3，圖3示出放大的焊接小車16。圖中示出擺動器調(diào)節(jié)機構(gòu)74，用來調(diào)節(jié)擺動弧的高度，也就是擺動的寬度(擺動系統(tǒng)可以是用于普通焊接小車中的那樣的)。
下面參見圖8，其示出焊絲端在擺動弧的一邊，而圖9中示出焊絲端擺動弧的另一邊。焊絲端52由焊接頭30支承。該擺動系統(tǒng)用在普通的焊接小車中，這里示出只是為了便于明白整個系統(tǒng)。
圖3也示出一個調(diào)節(jié)旋鈕85，用來相對焊接小車調(diào)節(jié)焊接頭的高度，事實上該高度與焊接的管有關(guān)。
重要的是把引入氣體(最好是二氧化碳)供至焊接頭。這由如圖4所示從與電磁閥80連接的氣源軟管78提供，該電磁閥80有一出口軟管82，它進入焊接頭中。當電磁閥打開時，氣體通過電磁閥提供。從STT電源32伸出的電源管線84供給焊接頭30以工作電流。
一個可變的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器86提供了需要時調(diào)節(jié)焊接頭角度的裝置。
下面說明運動電動機18及運動及驅(qū)動輥20，它們與停在導(dǎo)軌14上及沿導(dǎo)軌14運動有關(guān)。運動及驅(qū)動輥可以是普通的，這里示出是為了完成整個新的組合。下面參見圖6，7，10。圖10是焊接小車16的底視圖。圖中示出用于輥的殼體座88A，88B，88C及88D。在殼體座88A，88C中有側(cè)輥90，在殼體座88B及88D中有滾花輪92A及92B，它們由驅(qū)動電動機18驅(qū)動。側(cè)輥使焊接小車卡在導(dǎo)軌上。滾花輪使焊接小車沿著導(dǎo)軌運動。圖6和7示出用來把輥夾緊就位的夾緊桿。圖7示出夾緊桿是脫開的使得輥可以放置在合適位置。輥應(yīng)該貼對著導(dǎo)軌條。因此設(shè)有一彈簧及調(diào)節(jié)螺母104。
如圖5所示，在導(dǎo)軌14頂部的支承軸承141，143及在導(dǎo)軌14底部的軸承145，147使焊接小車16保持與導(dǎo)軌14接觸。
圖10中還示出焊接頭30、擺動器驅(qū)動電動機66及擺動調(diào)節(jié)器74的底視圖。
焊絲導(dǎo)向機構(gòu)是從以前的普通的焊接小車上的焊絲驅(qū)動系統(tǒng)中的焊絲導(dǎo)向機構(gòu)改型而成。普通的焊接小車要求在改變小車的供絲電動機或驅(qū)動電動機的速度前使小車制動。而本發(fā)明中，改型成為不要制動焊接小車的運動而改變焊絲的供應(yīng)速度。驅(qū)動焊接小車沿導(dǎo)軌14運動的驅(qū)動機構(gòu)已從普通的焊接小車改型成不用制動焊接過程而可以改變運動電動機的速度。
下面參照圖12，13討論控制小車運動電動機的速度及焊絲驅(qū)動電動機的速度的控制機構(gòu)。
下面參見圖12，圖中示出用于控制運動電動機18的速度的控制裝置的示意圖(所示的系統(tǒng)也可以用來控制供絲電動機24的速度)。該裝置包括一個脈沖寬度擺動器120，它具有一電源輸入122。脈沖寬度擺動器120有一個參考電壓(典型地為2.5伏)電源電路132與電動機18連接。電動機18的速度作為電路132的電流的電壓的函數(shù)而改變。電動機的輸出通過電線134及可變電阻器128送回到擺動器120。從電線134到擺動器120有一反饋線130。該反饋線130有電阻126和把瞬間反饋提供給擺動器120。電阻器128可以調(diào)節(jié)以改變電動機18的速度(只要轉(zhuǎn)動電位計22上的旋鈕)。當電阻器128的電阻改變時，在電路132上的輸出電壓改變。在電路130上的電壓與擺動器參考電壓124比較。圖13所示的脈沖140、142的寬度改變直到電路130的瞬間反饋等于參考電壓。隨后這樣控制電動機18的速度。本專業(yè)的技術(shù)人員通過上述示意圖及說明可方便地實施該速度控制系統(tǒng)的操作。也可用其它的裝置來使電動機控制速度。
圖4，5示出裝在控制箱27上的電位計焊接小車運動速度控制旋鈕22A及焊絲速度控制旋鈕26。這些旋鈕可用來與圖2的控制系統(tǒng)配合來調(diào)節(jié)小車運動電動機的速度和/或供絲速度?？刂乒芫€147，149分別把控制箱27與運動電動機18及供絲電動機24連接起來。
上面已說明本發(fā)明的主要部件，下面來說明它們的工作。在工作中，管段10，12的端部放成相互鄰近，如圖1所示。一個導(dǎo)軌14連接成繞在管段12的外面。STT電源32與管線牽引器發(fā)電機33連接以對焊接操作提供電源。導(dǎo)軌14設(shè)成使得焊絲頭29合適地相對于管段10，12之間的間隙定位。對焊接頭的高度及擺動作通常的調(diào)節(jié)。
隨后致動二氧化碳電磁閥80以打開CO2供應(yīng)源使得CO2可傳送到焊接頭30?，F(xiàn)在在焊絲頭29處于正確的位置后同時起動運動電動機18及供絲電動機24。
焊接操作的起始焊道或根焊在管的外面焊接，在圖1所示的位置進行。使用表面張力轉(zhuǎn)移(STT)電源32是最重要的。STT電源不是在穩(wěn)定電流(CC)或穩(wěn)定電壓(CV)模式下工作。相反的，它是一種高頻(寬-帶-寬度)電流控制機其中供給電弧的電源基于瞬時電弧要求，不是基于“平均直流電壓”。它是有以微秒級傳送及改變電極電流能力的電源。
當運動電動機引起焊接小車16繞導(dǎo)軌14前進時，操作者密切監(jiān)視焊接小車以保持焊絲頭29剛好位于小車的前面。當焊接小車16向下運動時，重力使焊接小車更快地移動。隨后操作者將只轉(zhuǎn)動旋鈕22A(如圖4所示)以便按照要求調(diào)節(jié)速度。操作者也可以轉(zhuǎn)動旋鈕26A(如圖4所示)來調(diào)供絲電動機24的速度。這一操作可以在不停止運動電動機18或供絲電動機24的情形下完成。與圖1見到的管段一側(cè)相對的另一側(cè)還有一個焊接頭(未示出)。第二操作者也以上述的同樣方式操作焊接小車。其中一個小車將比另一個小車稍微更早一些起動使得焊縫開始的頂部不留有間隙。并且一個小車比另一個小車更早制動使得只留一個小車繼續(xù)焊縫直到繼續(xù)到底部。這些操作都在管的外面進行。因為使用了上述新的系統(tǒng)，因此沒有液滴突塊之類進入管中。不需要在管內(nèi)進行第一焊道。這使很費時的程序去掉了。在根焊已完成后，可以使用普通的焊接技術(shù)完成附加的焊道。
雖然本發(fā)明參照一些具體的細節(jié)作了說明，但是應(yīng)明白對于這些結(jié)構(gòu)的細節(jié)可作出很多改變及改型而不背離本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該明白本發(fā)明不限于用來說明的實施例，而只是由所附的權(quán)利要求書來限定，還包括各元件的等同物。
權(quán)利要求
1.一種電弧焊裝置，用來把材料的間隔開的兩個端部焊接起來，該兩個端部間限定一個間隙，所述的電弧焊包括把送進的焊絲熔化，把所述的熔化的焊絲沉積在上述空間內(nèi)以至少部分連接所述的間隔開的兩個端部，所述的裝置包括一個用來支承所述的焊絲的焊接頭；一個電源與所述的焊接頭連接把工作電流加到所述的焊頭上；一個控制器用來控制高頻的工作電流。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，其特征在于所述的間隔開的兩個端部是至少一個管子的端部。
3.按照權(quán)利要求2的裝置，其特征在于所述的間隔開的兩個端部是兩個管子的端部。
4.按照權(quán)利要求1-3中任一項的裝置，其特征在于所述的間隙由來自至少一根焊絲的熔化物多次沉積充填。
5.按照權(quán)利要求1-4中任一項的裝置，其特征在于所述的電源具有以微秒級傳送及改變所述的工作電流的能力。
6.按照權(quán)利要求1-5中任一項的裝置，其特征在于所述的電源把電力供到所述的焊絲和所述的材料之間的電弧，所述的電力基于瞬時的電弧要求。
7.一種電弧焊的方法，用來焊接限定兩個端部之間的一個間隙的材料的兩個間隔開的端部，所述的方法包括a.放置一根焊絲和把所述的焊絲朝所述的間隙移動；b.使所述的焊絲的一端熔化，以把所述的焊化的焊絲沉積在上述空間內(nèi)以至少部分連接所述的間隔開的兩個端部；c.提供一個電源，把工作電流供到所述的焊絲，和d.提供一個控制器的控制高頻的工作電流。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述的間隔開的兩個端部是至少一個管子的端部。
9.按照權(quán)利要求7或8的方法，其特征在于所述的間隔開的兩個端部是兩個管子的端部。
10.按照權(quán)利要求7-9中任一項的方法，其特征在于所述的間隙由來自一根焊絲的熔化物多次沉積充填。
11.按照權(quán)利要求7-10中任一項的方法，其特征在于所述的電源把電力供到所述的焊絲和所述的材料之間的電弧，所述的電力基于瞬時的電弧要求。
12.按照權(quán)利要求7-11中任一項的方法，其特征在于所述的間隔開的兩個端部是兩個管子的端部。
13.按照權(quán)利要求7-12中任一項的方法，其特征在于所述的電源具有以微秒級傳送及改變所述的工作電流的能力。
全文摘要
一種電弧焊裝置，用來把材料的間隔開的兩個端部焊接起來，該兩個端部間限定一個間隙，所述的電弧焊包括把送進的焊絲熔化，把所述的熔化的焊絲沉積在上述空間內(nèi)以至少部分連接所述的間隔開的兩個端部，所述的裝置包括一個用來支承所述的焊絲的焊接頭；一個電源與所述的焊接頭連接把工作電流加到所述的焊頭上；一個控制器用來控制高頻的工作電流。本發(fā)明還提供了電弧焊接的方法。
文檔編號B23K9/12GK1439475SQ0310429
公開日2003年9月3日 申請日期2003年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月11日
發(fā)明者威廉姆·D·帕克 申請人:林肯電氣公司