專利名稱：用于深槽焊接的設備及方法
用于深槽焊接的設備及方法技術(shù)領域本披露一般地涉及焊接，且特定地涉及深槽焊接。
技術(shù)背景氣體保護金屬極電弧焊接，包括金屬極惰性氣體保護(MIG )焊接, 采用可消耗的絲極，在此也稱為絲極、電源和用于將保護氣體引導到焊 接區(qū)的系統(tǒng)。絲極和保護氣體通過與電源電連接的"焊槍"連續(xù)饋給到 焊接區(qū)內(nèi)。工件通過接地線連接，其與電源完成一個回路。絲極使用能 夠供應適當數(shù)量的電流以產(chǎn)生電弧的電源被保持在高于地的電勢。當絲 極觸及工件時，形成電弧，其熔化工件和絲極的局部金屬，形成熔池， 其隨后冷卻以形成焊接件。保護氣體保護熔池不受氧化且提供至少一個 希望的電弧特性。增加焊接速度的通常方式為增加絲極的饋給率，相應增加電流以熔 化相應數(shù)量附加的絲極。然而，從電流的相應增加導致的過多的生熱能 夠引起工件不希望的變形。MIG焊接使用兩條絲，有時稱為雙絲焊接， 也能夠增加焊接速度，從而提高生產(chǎn)率。然而，由于與相鄰磁場相互作 用相關的電弧、金屬傳送的不穩(wěn)定性，以及相應于每個絲極的電弧的能 量的變化，使用單個常規(guī)電源，緊鄰的雙絲焊接不適于諸如深窄槽焊接 的應用。提供絲極冷卻和保護氣體傳輸?shù)倪^程要求的現(xiàn)有嘗試已經(jīng)導致與榨深槽，例如在蒸汽輪機不見生產(chǎn)總使用的那些部相容的雙十焊接焊槍。 因此，本領域中存在用于深槽焊接布置的克服這些缺陷的需要。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的 一個實施例包括焊接設備。該焊接設備包括具有至少 一個 芯部的焊槍本體、從該至少一個芯部以一方向延伸的多個接觸末端、和 靠近多個接觸末端布置的多個氣體供應管，該多個氣體供應管以大致類 似于多個接觸末端的方向延伸。本發(fā)明的另 一實施例包括使用焊接設備增加焊接速度的方法，該焊接設備具有帶有至少 一個芯部的焊槍本體、從該至少 一個芯部以第 一方 向延伸的多個接觸末端、和靠近多個接觸末端布置的多個氣體供應管， 該氣體供應管以大致類似于多個接觸末端的方向延伸。該方法包括將多 個接觸末端的至少 一個定義為前接觸末端，且將多個接觸末端的至少另 一個定義為后接觸末端，以第二方向移動焊接設備，以及將前接觸末端 和后接觸末端的至少 一個獨立于另 一 個控制以增加焊接速度。這些和其他優(yōu)勢和特征從結(jié)合附圖提供的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的 以下詳細i兌明更容易理解。


參見示范性附圖，其中相同的元件在附圖中被類似標記 圖1描繪根據(jù)本發(fā)明實施例的焊接焊槍(welding torch)的頂透視 分解部件圖；圖2描繪根據(jù)本發(fā)明實施例的焊槍的末端的透視圖；和圖3描繪根據(jù)本發(fā)明實施例的包括焊槍的工具布置的示意性側(cè)視圖。
具體實施方式
本發(fā)明的 一個實施例將提供用于使用饋給到焊接材料的共同熔池 中的兩個絲極的窄槽MIG焊接的焊槍和過程。與當前使用的單個絲極 MIG焊接系統(tǒng)相比，焊槍能夠在窄槽中操作以減少需要的焊接時間。在 實施例中，由于更高的焊接速度和絲極的更高的沉積率，該過程利于改 進的焊接生產(chǎn)率。在一個實施例中，每個絲極連接到它自己的電源以能 夠獨立調(diào)節(jié)焊接電壓、電流水平和焊接功率傳輸波形，例如連續(xù)或脈沖 調(diào)制的功率傳輸波形。在一個實施例中，沉積的金屬的成分能夠通過獨立地變動絲極直 徑、合金含量、和兩個分開的接觸末端的每個的饋給率的至少一個而被 定制，以得到改進的冶金和機械特性。兩個絲極的使用將減少需要的焊 道數(shù)量，且通過最小化除渣數(shù)量且減少夾渣的機會而改進生產(chǎn)率和焊接 質(zhì)量。此外，熱輸入?yún)?shù)的增強的控制能減少尺寸變形?，F(xiàn)在參見圖1，描繪雙絲焊接焊槍100的實施例的頂透視分解部件 圖，在此也稱為焊槍，其對于窄槽焊接具有特別的實用性。焊槍100包括安裝板105、焊槍本體110、 一對可消耗的絲125通過其饋給的兩個 接觸末端115、 120、和多個氣體供應管130、 135。在一個實施例中， 焊才全本體110包括至少一個頭組件140,在此也稱為芯部。該至少一個 芯部140包括水冷卻套以移除由焊接產(chǎn)生的熱，從而防止兩個接觸末端 115、 120的熔化。兩個接觸末端115、 120/人至少一個芯部140以方向 線97指示的方向向前延伸。在一個實施例中，焊槍100包括兩個氣體 供應管130、 135。盡管實施例已經(jīng)描述為具有兩個接觸末端115、 120,應當理解的是， 本發(fā)明的范圍并不如此限制，且本發(fā)明也應用于具有多個接觸末端115、 120的焊4倉100，例如三個、四個或更多。絕緣頭塊145布置在芯部140和至少一個聯(lián)接器150之間且將其連 接在一起。聯(lián)接器150被連接到外部電源、可消耗的絲饋給器和水冷卻 器(未顯示)。如本領域中技術(shù)人員應當理解，外部電源提供焊接電流， 可消耗的絲饋給器提供該對可消耗的絲125的供應，且水冷卻器將水通 過芯部140的水冷卻套循環(huán)。在一個實施例中，焊槍本體110包括兩個芯部140和一對接觸末端 保持器155,以提供芯部140和接觸末端115、 120之間的接口。該對接 觸末端保持器155從芯部140以第一方向向前延伸，且保持接觸末端 115、 120。接觸末端保持器155每個包括調(diào)節(jié)器160,例如夾頭，以保 持才妻觸末端115、 120且允許接觸末端115、 120的更換和其延伸超出接 觸末端保持器155的調(diào)節(jié)器160的長度的調(diào)節(jié)。接觸末端115、 120提供焊接電流和定位導向給該對可消耗的絲 125。在一個實施例中，接觸末端115、 120由銅制成，以從電源提供有 利的電傳導給該對可消耗的絲125且經(jīng)由接觸末端保持器155提供熱傳 導給芯部140的水冷卻套。在一個實施例中，接觸末端115、 120具有 大約1/4英寸的直徑以利于部署到窄槽中。在一個實施例中，接觸末端 115、 120延伸超出該對接觸末端保持器155的至少一個至少四英寸。在 另一實施例中，接觸末端115、 120延伸超出該對接觸末端保持器155 的至少一個至少六英寸。在又一實施例中，接觸末端115、 120延伸超 出該對接觸末端保持器155的至少一個至少八英寸。絕緣件布置在每個接觸末端115、 120的外部上或環(huán)繞每個接觸末 端，且/人后端165 (布置在接觸末端保持器155的該對末端的相應一個內(nèi))向最前端170,在此也稱為每個接觸末端115、 120的末端170延伸。 絕緣件從后端165向每個接觸末端115、 120的末端170延伸，以將每 個接觸末端115、 120從另一個和工件熱絕緣和電絕纟彖。在一個實施例 中，絕緣件包括織造的玻璃套管、和例如可以用于變壓器疊片的清漆的 至少一個。在另一實施例中，絕緣件包括陶瓷涂層。
在一個實施例中，焊槍100提供包括在接觸末端115、 120之間的 定位角175。調(diào)節(jié)器180通過定位角175的調(diào)節(jié)也允許兩個接觸末端115、 120的相對位置或方位的物理調(diào)節(jié)。在一個實施例中，調(diào)節(jié)器180通過 改變兩個芯部140之間的間隔距離185調(diào)節(jié)定位角。
現(xiàn)在參見圖2,描繪焊槍100的末端170的透視圖?？梢灶A期到， 調(diào)節(jié)器180的實施例提供一個接觸末端115、 120相對于另一個以偏移 方向的平移，如方向線98所指示。
現(xiàn)在回到圖1,保護氣體通過氣體供應管130、 135經(jīng)由聯(lián)接件190 供應，聯(lián)接件例如接頭或螺紋接頭。保護氣體冷卻每個接觸末端115、 120的末端170且提供適當?shù)谋Ｗo以維持電弧的穩(wěn)定，且防止焊接材料 的熔池的氧化。 一個以上氣體供應管130、 135的使用允許緊鄰焊接材 料的熔池的一種以上保護氣體的定制混合，以改進焊接特性。在一個實 施例中，氣體供應管130、 135/人接觸末端115、 120分開，且乂人在該對 接觸末端保持器155和該至少一個芯部140中間機械連接的至少一個導 氣箍195向前突出。氣體供應管130、 135以大致類似于接觸末端115、 120的方向突出，,人而氣體供應管130、 135和接觸末端115、 120能夠 被布置在單個槽內(nèi)，如以下進一步描述的且在圖3中描繪的。在一個實 施例中，氣體供應管130、 135沿焊4倉100的相對側(cè)布置，在兩個接觸 末端115、 120外部。換句話i兌，4妻觸末端115、 120布置在氣體供應管 130、 135之間。在一個實施例中，氣體供應管130、 135直徑為大約3/8 英寸。
參見圖1結(jié)合圖2,氣體供應管130、 135大致平行于兩個接觸末端 115、 120， /人而氣體供應管130、 135和接觸末端115、 120能夠被布置 在單個槽內(nèi)，如以下進一步描述的且在圖3中描繪的。在一個實施例中， 氣體供應管130、 135每個經(jīng)由調(diào)節(jié)器196,例如固定螺釘或夾子被固定 到導氣箍195。包括在兩個接觸末端115、 120之間的定位角175的調(diào)節(jié) 將導致包括在氣體供應管130、 135之間的角的同樣改變。氣體供應管130、 135的至少一個的方位的調(diào)節(jié)通過松開調(diào)節(jié)器196完成，以允許導 氣箍195的旋轉(zhuǎn)和氣體供應管130、 135相對于導氣箍195的平移的至 少一個。導氣箍195圍繞芯部140的旋轉(zhuǎn)提供相應氣體供應管130、 135 以偏移方向98相對于兩個接觸末端115、 120的平移。氣體供應管130、 135相對于導氣箍195的平移提供氣體供應管130、 135相對于兩個接觸 末端115、 120的長度的調(diào)節(jié)。
盡管實施例已經(jīng)以具有圓形輪廓的氣體供應管130、 135描繪，應 當理解的是，本發(fā)明的范圍并不如此限制，且也應用于具有包括可替換 輪廓幾何形狀的氣體供應管130、 135的焊槍100,例如卵圓、橢圓、和 矩形，例如在焊接操作中在大致垂直于焊槍100的移動的方向具有大約 3/8英寸的輪廓尺度。盡管實施例已經(jīng)描述為具有相對于兩個接觸末端 115、 120大致平行地定位氣體供應管130、 135的導氣箍195,應當理 解的是，本發(fā)明的范圍并不如此限制，且本發(fā)明也應用于具有以其他角 度定位氣體供應管130、 135的其他安裝裝置的焊槍100,例如一般地接 近兩個接觸末端115、 120或從其離開。
本領域中技術(shù)人員應當理解的是，當該對可消耗的絲125的每個可 消耗的絲通過每個接觸末端115、 120的末端170時，在接觸末端115、 120的末端170的最前位置處引起局部的磨損。局部磨損由當它們以懸 臂的方式延伸超出接觸末端115、 120的末端170時施加在該對可消耗 的絲125的每個可消耗的絲上的導向力引起。另外，該磨損被存在接觸 末端115、 120的末端170處的高溫加速。作為末端170磨損的結(jié)果， 末端170的最前部分的內(nèi)徑變^尋更大。由于它增加末端170的內(nèi)徑和該 對可消肆毛的絲125的相應一個之間的間隙的量，/人而減少由末端170對 該對可消耗的絲125的相應一個的定位導向的精確性，所以末端170的 內(nèi)徑的增加是不希望的。作為從兩個接觸末端115、 120到該對可消耗 的絲125的相應一個的每個的電流傳導路徑改變的結(jié)果，末端170的內(nèi) 徑的增加也改變電弧的至少一個特性。兩個接觸末端115、 120的至少 一個的末端170的最前(和磨損最多)部分的移除大體上提供包括較少 磨損內(nèi)徑的相應的新的末端170,以提供增加的定位導向精確性和到該 對可消耗的絲125的相應一個的提高的電流傳導路徑一致性。因此，使 用調(diào)節(jié)器160以將接觸末端115、 120從接觸末端保持器155快速移除 將允許末端170的最前部分的方便移除，以提供一致的絲導向和電流傳導路徑相關的電弧特性，同時維持兩個末端170之間合適的相對位置。
此外，末端170的最前部分的這種移除延長兩個接觸末端115、 120的 總體有用壽命和焊槍100的維修間隔。
現(xiàn)在參見圖3,描繪包括焊槍100的工具布置200的示意性側(cè)視圖。 在一個實施例中，焊槍IOO被用于將蒸汽輪機隔板帶224焊接到蒸汽輪 才幾隔板連接板(web)226。工具布置200的兩個參數(shù)包括槽角6和槽深 230。在此披露的焊槍IOO適于在包括小到3度的槽角6的達到大約12 英寸的槽深230內(nèi)焊接。應當理解的是，前述示例是為了說明而不是限 制。
由焊接過程產(chǎn)生的電流導致的磁場效果能夠影響電弧的至少 一個 特性。這些效果，以及關于保護氣體傳輸?shù)奶魬?zhàn)，在諸如帶224和連接 板226之間的槽的深窄槽中加劇，且增加在這樣的槽內(nèi)焊接的難度。此 外，帶224和連接板226之間的尺寸差異生成關于帶224和連接板226 吸熱能力的不平衡。通過焊接速度增加生產(chǎn)量的通常方式是增加絲極的 饋給率，焊接電流相應增加以熔化由增加的饋給率提供的附加金屬。然 而，如果焊接速度試圖通過增加的焊接電流而增加，其產(chǎn)生過多量的施 加熱，吸熱能力的不平衡通常導致較小構(gòu)件的變形。因此，通過焊接參 數(shù)選擇的熱輸入的小心控制將減少變形。
響應于焊4全100以如圖1中(到圖3頁面的平面內(nèi))方向線99所 示的第二方向平移，接觸末端115將定義為前接觸末端，且接觸末端120 將定義為后接觸末端。焊槍100以由方向線99所示的方向平移定義為 大致與兩個接觸末端115、 120共面的運動。應當理解的是，響應于焊 槍100以與方向線99相對的方向平移，接觸末端120將定義為前接觸 末端，且接觸末端115將定義為后纟妻觸末端。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電弧的特性和焊接質(zhì)量通過不同焊接參數(shù)的選擇而提 高。焊接參數(shù)的定制，或獨立于另一接觸末端115、 120控制兩個接觸 末端115、 120的每個已經(jīng)發(fā)現(xiàn)為增加材料沉積率、焊接速度，提高總 體焊接質(zhì)量，并且避免過多的變形。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本領域中稱為協(xié) 同控制算法的使用優(yōu)選用于前接觸末端，其中至少一個其他焊接參數(shù)， 例如焊接電流、焊接電壓、和焊接功率傳輸波形響應該對可消耗的絲125 的相應一個的饋給率的變化。也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，脈沖控制算法優(yōu)選用于后接 觸末端，其中焊接電流是脈沖的，或者迅速從關閉狀態(tài)到打開狀態(tài)交替，而獨立于該對可消耗的絲125的可消耗的絲饋給率的相應一個饋給率。 此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與后接觸末端相比，該對可消耗的絲125的相應一個 的較大的饋給率優(yōu)選用于前接觸末端。在一個實施例中，作為總體熱輸 入率減少的結(jié)果，通過使用焊槍100促進的焊接速度的增加將減少變形。 采用所披露的雙絲布置的試驗已經(jīng)在具有五英寸深、三度的槽的蒸 汽輪機隔板上進行。如在此所披露的，焊槍100和焊接參數(shù)的使用已經(jīng) 提供可接受的焊接件，具有適于這樣的窄的深槽的單絲過程的焊接速度 的大約兩倍。
筌于前述內(nèi)容，焊槍100利于在窄槽中增加焊接速度的方法。該方 法包括將兩個接觸末端115、 120的一個定義為前接觸末端，且將兩個 接觸末端115、 120的另一個定義為后接觸末端，以由方向線99指示的 大致共面于兩個接觸末端115、 120的笫二方向移動焊槍100,以及將前 接觸末端和后接觸末端的至少一個獨立于另一 個控制以增加焊接速度。
該方法的實施例包括將協(xié)同控制算法應用于前接觸末端。該方法的 另 一實施例包括將脈沖控制算法應用于后接觸末端。
在一個實施例中，將前和后接觸末端的至少一個獨立于另一個控制 包括「控制該對可消4毛的絲才及125的每個的直徑、該對可消庫毛的絲^及125 的每個的々貴給率、該對可消^毛的絲極125的每個的成分、應用于該對可 消耗的絲極125的每個的焊接電壓的幅度、應用于該對可消耗的絲極 125的每個的焊接電流的幅度、以及應用于該對可消耗的絲極125的每 個的焊接功率傳輸波形的至少一個。在一個實施例中，對應于前接觸末
饋給率。
如4皮露，本發(fā)明的一些實施例可以包括以下優(yōu)勢的一些在深窄槽 內(nèi)實現(xiàn)較高的焊接材料沉積率的能力；控制熱輸入以減少工件變形的能 力；通過減少夾渣的可能性提高焊接質(zhì)量的能力；通過增加生產(chǎn)率減少 制造過程成本的能力；提供包括精確受控的化學性質(zhì)包括獨特的冶金和 機械特性的定制的焊接材料的能力；減少總體熱輸入率的能力；以及緊 鄰焊接材料的熔池將 一種以上保護氣體混合在 一起以改進焊接特性的 能力。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考示范性實施例描述，本領域中技術(shù)人員應當理 解的是，可以進行不同的變動且等價物可以替換其元素而不偏離本發(fā)明
10的范圍。此外，可以進行許多修改以使特定情況或材料適于本發(fā)明的教 示而不偏移其本質(zhì)范圍。因此，本發(fā)明并不意圖限于作為預期為實施本 發(fā)明的最佳或僅有模式披露的特定實施例，而本發(fā)明將包括落入到所附 權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實施例。同樣，在附圖和說明書中，已經(jīng)披 露了本發(fā)明的示范性實施例，盡管已經(jīng)采用具體的術(shù)語，除非另有陳述， 它們僅以一般的和說明性的意思使用，而不是限制的目的，因此本發(fā)明 的范圍并不如此限制。另外，術(shù)語第一、第二等的使用并不代表任何順 序或重要性，而是術(shù)語第一、第二等用于區(qū)別一個元件和另一元件。此 外，術(shù)語一、 一個等的使用并不代表數(shù)量的限制，而是代表參考的項目 的至少一個存在。零件列表 方向線97方向線98 方向線99 雙絲焊接焊槍100 安裝一反105 焊槍本體110 4妻觸末端115 接觸末端120 可消4毛的絲才及125 氣體供應管130 氣體供應管135 頭組件或芯部140 絕緣頭塊145 聯(lián)接器150 接觸末端保持器155 調(diào)節(jié)器160 后端165 前端或末端170 定位角175 調(diào)節(jié)器180 間隔距離185 聯(lián)接件190 導氣箍195 調(diào)節(jié)器196 工具布置200 蒸汽輪機隔板帶224 蒸汽輪機隔板連接板226 槽深230
權(quán)利要求
1.一種焊接設備，包括包括至少一個芯部(140)的焊槍本體(110)；從該至少一個芯部(140)以一方向延伸的多個接觸末端(115)(120)；和靠近該多個接觸末端(115)(120)布置的多個氣體供應管(130)(135)，該多個氣體供應管(130)(135)以大致類似于該多個接觸末端(115)(120)的方向延伸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中該多個接觸末端(115) (120)的至少一個布置在該多個氣體供應 管(130) ( 135 )之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，進一步包括以下的至少一個 調(diào)節(jié)該多個接觸末端(115) (120)的至少一個的方位的調(diào)節(jié)器(180);和調(diào)節(jié)該多個氣體供應管(130 ) ( 135 )的至少一個的方位的調(diào)節(jié)器 (180)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中該多個接觸末端(115) ( 120)的至少一個的直徑為大約1/4英寸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設備，進一步包括從該至少一個芯部(140)延伸的多個接觸末端保持器(155),該 多個接觸末端(115) (120)的至少一個延伸超出該多個接觸末端保持 器(155)的至少一個至少四英寸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設備，其中該多個接觸末端(115) (120)的至少一個延伸超出該多個接觸末 端保持器(155)的至少一個至少八英寸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中 該至少一個芯部(140)包^fe水冷卻套。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，進一步包括布置在該多個接觸末端(115) (120)的至少一個的外部上的絕緣件。
9. 一種使用焊接設備增加焊接速度的方法，該焊接設備具有帶有 至少一個芯部(140)的焊槍本體(110)、從該至少一個芯部(140)以第一方向延伸的多個接觸末端(115) (120)、和靠近該多個接觸末 端(115) ( 120)布置的多個氣體供應管(130 ) ( 135 ),該氣體供應 管(130 ) ( 135 )以大致類似于該多個接觸末端(115) (120)的方向 延伸，該方法包括將該多個接觸末端(115) (120)的至少一個定義為前接觸末端 (115) ( 120),且將該多個接觸末端(115) (120)的至少另一個定 義為后接觸末端(115) (120);以第二方向移動焊接設備；以及將前接觸末端(115) ( 120)和后接觸末端(115) (120)的至少一個獨立于另 一 個控制以增加焊接速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中該控制包括 控制前接觸末端(115) ( 120)的可消耗的絲饋給率大于后接觸末端(115) ( 120)的可消耗的絲饋給率。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于深槽焊接的設備及方法。披露一種焊接設備。該焊接設備包括具有至少一個芯部(140)的焊槍本體(110)、從該至少一個芯部(140)以一方向延伸的多個接觸末端(115)(120)、和靠近多個接觸末端(115)(120)布置的多個氣體供應管(130)(135)，該多個氣體供應管(130)(135)以大致類似于多個接觸末端(115)(120)的方向延伸。
文檔編號B23K9/173GK101219500SQ200810002909
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月11日
發(fā)明者E·K·艾利斯, L·B·斯皮格爾, P·R·伯克, W·H·蔡爾茲 申請人:通用電氣公司