符合本發(fā)明的使用旋轉(zhuǎn)耗材的焊接系統(tǒng)和方法的裝置、系統(tǒng)和方法、并且更具體地使用旋轉(zhuǎn)耗材的焊接方法和系統(tǒng)來減小間隙寬度。

背景

已經(jīng)開發(fā)出將工件焊接/連結(jié)在一起的各種方法。隨著這些技術(shù)的進步，連結(jié)更復(fù)雜的材料，這要求專業(yè)的焊接工藝。例如，用于連結(jié)用于高應(yīng)力和強度的應(yīng)用(諸如用于液態(tài)天然氣罐)的材料的那些焊接工藝要求專業(yè)焊接，例如，具有高鎳含量、并且在焊接過程中使用非常昂貴耗材的工件。例如，當(dāng)在平焊位置或橫焊位置、或甚至立焊位置上焊接時，具有開放根部間隙或具有背墊襯條(backingbar)，由于與碳鋼相比，焊接熔池的流動性降低，所以難以獲得適當(dāng)?shù)膫?cè)壁熔合。進一步地，當(dāng)焊接基于ni的材料時，但為了獲得適當(dāng)?shù)膫?cè)壁熔合，期望將根部間隙減小到最小，以確保適當(dāng)?shù)暮缚p。針對基于ni的工件，這通常是通過以擺動圖案使焊炬來回擺動來完成的。然而，因為擺動圖案，必須加寬根部間隙(例如，針對6mm厚的工件，間隙超過10mm)，所以操作者可以實現(xiàn)適當(dāng)?shù)臄[動式樣并且可以一致地穿透側(cè)壁。這種增大后的間隙寬度增加了焊接操作的時長并且利用更多耗材。一直致力于在焊接過程中經(jīng)由磁場來使電弧擺動。然而，工件的磁化不是令人期望的，特別是當(dāng)焊接基于高ni的合金時。因此，需要一種經(jīng)改進的、更高效的焊接這些類型材料的方法。

通過常規(guī)、傳統(tǒng)和所提出的方法與本申請的其余部分中參照附圖闡述的本發(fā)明的實施例相比較，這些方法的進一步的局限性和缺點對本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言將變得明顯。

發(fā)明簡要概述

本發(fā)明的示例性實施例是一種焊接系統(tǒng)和方法，其中，在焊接耗材離開焊炬的觸尖之后，一種機構(gòu)使該耗材旋轉(zhuǎn)。在使焊絲旋轉(zhuǎn)的同時，焊炬行程相對于焊縫坡口保持在筆直路徑上，從而模仿傳統(tǒng)的擺動圖案。然而，不需要磁化，并且可以完成間隙尺寸最小并且耗材使用最少的、令人滿意的焊縫。

附圖簡要說明

通過參考附圖來詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的上述和/或其他方面將會更加清晰，在附圖中：

圖1是本發(fā)明的實施例的示例性焊接系統(tǒng)的圖解表示；

圖2是示例性焊接操作的視圖的圖解表示；

圖3是示例性焊接操作的另外一個視圖的圖解表示；

圖4是示例性焊接操作的附加視圖的圖解表示；

圖5a和圖5b是本發(fā)明的示例性焊接操作的圖解表示；

圖6a至圖6f是示例性耗材路徑的圖解表示；

圖7是本發(fā)明的示例性耗材路徑的圖解表示；并且

圖8是本發(fā)明的示例性焊絲操縱套環(huán)的圖解表示。

詳細說明

現(xiàn)在將詳細參照多個不同的和可替代的示例性實施例并參照附圖，其中相似的數(shù)字表示基本上相同的結(jié)構(gòu)元件。每個實例是通過說明的方式而不是作為限制來提供的。事實上，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚的是，在不脫離本披露內(nèi)容和權(quán)利要求的范圍或精神的情況下，可以作出修改和變體。例如，作為一個實施例的一部分所圖示說明或描述的特征可以被用在另一個實施例上，以產(chǎn)生更進一步的實施例。因此，旨在的是本披露內(nèi)容包括了在所附權(quán)利要求及其等效物范圍內(nèi)的修改和變體。

在此描述的示例性實施例尤其適用于與fcaw焊接操作結(jié)合使用，并且因此，本發(fā)明的實施例將尤其參照fcaw焊接操作和系統(tǒng)進行描述。然而，所要求保護的本發(fā)明具有更寬泛的應(yīng)用并且可以與其他類型的焊接操作(例如，像gmaw或埋弧焊)一起使用。此外，關(guān)于半自動焊接操作描述了以下示例性實施例。然而，其他示例性實施例可以是自動的或手動的。進一步地，雖然關(guān)于焊接高強度基于ni的材料描述了本發(fā)明的實施例，但在不同材料和應(yīng)用的許多不同焊接操作中可以實現(xiàn)在此描述的實施例的益處。

現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖1，描繪了示例性fcaw焊接系統(tǒng)100。關(guān)于已知的系統(tǒng)，系統(tǒng)100包含電源101、送絲器103和焊炬110。電源101可以是任何已知的、能夠為焊接操作提供所期望的焊接波形和功率的電源。電源101與送絲器103通信，該送絲器將耗材140(該耗材可以是fcaw耗材)從來源105通過纜線120給送到焊接操作。未示出可以用于一些焊接操作中的保護氣體系統(tǒng)。耗材140被遞送到焊炬110，該焊炬將耗材140引導(dǎo)至焊接操作，使得可以焊接工件w。該系統(tǒng)還可以包括控制和/或管理焊接操作的控制器130?？刂破?30可以是能夠控制焊接操作的多個方面的、任何類型的計算機或基于微處理器的系統(tǒng)。這樣的控制器是普遍已知的并且在此不需要進行詳細描述。雖然圖1中將控制器130示出為單獨的部件，但應(yīng)理解控制器130可以在另一個部件的內(nèi)部，諸如電源101，并且不需要是單獨的裝置或部件。這樣的焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作已為本領(lǐng)域的人員所知并且不需要在此描述其細節(jié)。

如圖1中額外所示，示例性系統(tǒng)100包含耗材操縱系統(tǒng)，該耗材操縱系統(tǒng)包含例如控制器131、馬達133和焊絲操縱器135。如以下更全面描述的，在焊接過程中，焊絲操縱器135位于焊炬110的觸尖的末端下游，在觸尖的遠端與耗材140的末端之間。馬達133可以是任何已知類型的馬達、或能夠使操縱器135以期望的運動移動的運動控制裝置(如以下更全面描述的)。例如，馬達可以是任何類型的螺線管、齒輪傳動機構(gòu)、電動馬達等。該操縱器用于使耗材140以期望的圖案移動，從而提供最佳焊接操作。如所示，耗材140的這種移動如此使得耗材的尖端移離觸尖的中心線。這將在以下進行更詳細地描述。

圖2描繪了示例性焊接操作的特寫圖。關(guān)于典型的焊接操作，焊炬110定位于焊縫坡口的中心線上方。焊炬110至少具有焊嘴111和觸尖112，耗材140通過它們傳遞到焊接操作。在所示實施例中，兩個工件w在典型的斜接焊接操作中連結(jié)在一起。如以上引用的，當(dāng)焊接高強度基于ni的材料時，這種類型的接頭需要具有大約10mm或更大的坡口間隙g寬度，以允許焊炬110以擺動圖案移動從而獲得焊接接頭的最佳側(cè)壁穿透。當(dāng)工件的材料厚度為6mm或更大時尤其是這種情況。在這些焊接操作中，墊板通常使用在間隙的底部以幫助創(chuàng)造焊道。然而，不像已知的焊接操作，在焊接過程中，本發(fā)明的實施例不使焊炬110或工件w擺動，而是，以機械方式操縱觸尖112的出口的下游的耗材140以使電弧移到期望的位置。如所述，在示例性實施例中，以機械方式而不經(jīng)由磁來實現(xiàn)耗材140的移動，從而避免磁化工件w的問題。

在示例性實施例中，焊絲操縱器135定位在觸尖112的出口的下游并且能夠根據(jù)期望以機械方式移動焊絲。連桿137可以將操縱器135連接到任何馬達133或其他移動機構(gòu)。連桿137可以包括任何類型的凸輪系統(tǒng)、齒輪系統(tǒng)或需要根據(jù)期望(以下進行了更全面地描述)移動耗材140的任何其他裝置或部件。通過在觸尖112的下游移動耗材140，可以達到所期望的側(cè)壁穿透和焊縫品質(zhì)與強度，而不需要從一側(cè)到一側(cè)移動焊炬110、或使用磁來操縱電弧。因為這樣，當(dāng)焊接材料厚度為6mm或更大時，本發(fā)明的實施例可以顯著減小間隙g的寬度。例如，當(dāng)焊接基于ni的部件時，間隙g可以減小到3mm到6mm，并且在一些實施例中可以是4mm。這樣不僅大大提高了焊炬過程的速度而且還顯著減少了所使用的耗材量，從而較已知方法產(chǎn)生顯著的財務(wù)和品質(zhì)益處。

圖3和圖4描繪了焊接操作，其中，在焊接操作過程中，操縱器135已經(jīng)將耗材140移動到不同的位置。如所示，焊炬110相對于焊縫間隙的中心線保持固定(在行走方向上)，而操縱器135相對于焊縫間隙以一定圖案移動耗材140。在圖3和圖4中，以圓形圖案移動耗材140。這個圓形圖案具有將至少間隙寬度、材料厚度和焊條伸出度考慮在內(nèi)的半徑，以確保耗材140不與工件w接觸并且在焊接過程中達到充分的側(cè)壁穿透。

圖5a和圖5b描繪了耗材140的任何示例性焊接圖案的自頂而下視圖。為了清晰性，圖5a中所示的耗材140的位置僅僅是焊接操作過程中耗材140的尖端的位置。并且，為了清晰性，未示出操縱器135。如圖5a和圖5b中所示，耗材140的圖案是圓形圖案，并且隨著焊炬110沿焊縫間隙的中心線(在行走方向)移動，耗材140的尖端以期望的圖案移動。如所示，隨著焊炬移動通過位置a到e，耗材140的尖端以圓形圖案移動。這個圓形圖案模仿擺動圖案，獲得期望的側(cè)壁穿透并且允許使用最小的間隙g寬度。

在圖5a所示的實施例中，從自頂而下圖中，圓形圖案的半徑(例如，圖5b)如此，耗材140的尖端搭接在焊縫坡口的側(cè)壁上。這是在位置b示出的，在該位置上，從自頂而下圖中，尖端140在工件w的至少一部分的上方移動，因為圓形圖案或偏轉(zhuǎn)的直徑大于間隙g的側(cè)向距離。這還在圖3和圖4中從正視圖被概括地示出。換言之，圖案的半徑(或偏轉(zhuǎn)量)如此使得如果從焊縫間隙的底部看，耗材的尖端將被工件w的底表面遮蔽?？赡苄枰@樣的實施例來在焊接過程中達到所期望的側(cè)壁穿透。在其他示例性實施例中，移動尖端140使得其始終停留在焊縫的間隙內(nèi)而從不在工件的一部分的上方移動。這在圖5a的位置a、c、d和e進行了概括描繪。本發(fā)明的實施例可以將焊縫坡口的側(cè)壁的角度/陡度以及坡口厚度考慮在內(nèi)以確定在焊接過程中離中心線期望的最大側(cè)向偏轉(zhuǎn)度。

雖然圖5a和圖5b描繪了總體上圓形的耗材操縱圖案，但可以使用其他圖案和實施例。圖6a至圖6f描繪了其他可能的耗材操縱圖案。圖6a描繪了電弧相對于焊炬的行走方向朝背向方向延伸的半圓形圖案。圖6b相反，其中半圓形電弧在與該行走方向相同的方向延伸。當(dāng)然，該圖案不需要是完整的圓形或者半圓形，但可以是某種程度上的部分圓形(具有恒定半徑)的、差不多180度的弧。例如，該弧可以在90度到270度的范圍內(nèi)。在其他示例性實施例中，該圖案可以不同于圓形。例如，圖6c和圖6d描繪了橢圓形、扁圓形、或卵形耗材圖案。應(yīng)注意，雖然圖6c和圖6d中的形狀的長軸被示出垂直于行走方向，但在其他實施例中，長軸可以與行走方向?qū)R或甚至相對于行走方向成一定角度定位。此外，該耗材能以直接垂直于行走方向(參見圖6e)或可以相對于行走方向有角度(參見圖6f)的直線圖案實際操縱耗材。實際上，雖然未示出，但在一些實施例中，如果期望的話，耗材可以與焊炬的行走方向一致來回擺動。

應(yīng)注意，以上示例性實施例旨在是示例性并且在焊接過程中可以利用其他耗材行走圖案。實際上，在一些示例性實施例中，耗材圖案的形狀和/或大小在焊接操作過程中可以變化。例如，在一些實施例中，焊接操作的第一部分可以使用具有第一半徑的圓形耗材圖案，而第二焊接部分可以具有不同于第一半徑的第二半徑。類似地，其他實施例可以具有圖案為圓形的第一部分、和圖案為橢圓或直線的第二焊接部分。這可以根據(jù)需要經(jīng)由系統(tǒng)的控制器“飛快”變化。

此外，在焊接過程中，控制器130可以基于耗材的尖端相對于焊縫坡口的實際位置來改變焊接過程中的其他焊接參數(shù)。實際上，控制器130可以基于耗材的尖端的定位改變焊炬的送絲速度、電流、電壓、伸出度和行走速度中的任一者。這參照圖7進行了進一步解釋。

在圖7中，該圖是示例性焊縫坡口和具有代表性耗材位置a、b、c和d的圓形耗材圖案(其與坡口的側(cè)壁重疊)的自頂而下圖。圖7中的焊炬的行走方向是從a到d，即，焊炬在圖中向下移動。在本發(fā)明的示例性實施例中，控制器130控制電源101、送絲器103、和/或焊炬110，使得焊接電流/電壓、wfs、伸出度、和行走速度中的至少一者、或所有或組合貫穿耗材尖端的整個圖案是恒定的。然而，在其他實施例中，這可能不是令人期望的，并且隨著耗材尖端的定位相對于其在坡口中的位置變化，以上參數(shù)中的至少一個參數(shù)(可能所有)變化。這的一些實例在以下進行了討論，但不旨在是限制性的。并且，雖然以下單獨討論了各種參數(shù)，但控制器130可以控制操作，使得各種參數(shù)的變化根據(jù)需要而組合，以達到所期望的焊接品質(zhì)和結(jié)果。

送絲速度(wfs)

在一些示例性實施例中，耗材140的送絲速度在操作過程中可能變化。例如，在位置a，使用第一wfs，并且隨著尖端移向位置c，考慮到側(cè)壁的高度，wfs放慢，并且隨著尖端前進到位置d，wfs可以再次加速。進一步地，在一些實施例中，wfs在點a與b之間可以是恒定的，并且僅在達到點b時，wfs放慢。這可以完成以防止過度穿透側(cè)壁或接觸側(cè)壁和/或當(dāng)?shù)竭_側(cè)壁時操縱伸出度。實際上，在一些實施例中，wfs在點a與d之間可以不同。例如，尖端的行走圖案可以用于在焊道上建造多個層。例如，當(dāng)耗材位于點d(圖案的前邊緣)時，耗材可以用于將根部焊道放入間隙中，并且當(dāng)尖端到達該點、其行走圖案(例如，圓圈)的后部時，耗材可以用于將額外材料放到在點d創(chuàng)造的根部焊道上。即，在點a的焊接操作可以是向已經(jīng)放置的根部焊道(例如，放置在點d處)增材。在這樣的實施例中，可能期望耗材運動圖案的前半部具有第一wfs，而后半部具有第二wfs-(假設(shè)在自頂向下圖中，圖案的形狀按垂直于穿過行走方向/坡口中心線的線分成兩半，該中心線穿過觸尖的中心)。取決于期望的焊接表現(xiàn)，第二wfs可以比第一送絲速度更快或更慢。當(dāng)然，在示例性實施例中，與點變化截然不同，從第一wfs到第二wfs的轉(zhuǎn)變可以是逐漸的。例如，在逐漸再次減小之前，wfs可以從點b到點c逐漸地(例如，線性地)增大。

電流/電壓

類似于wfs的控制(以上討論的)，焊接波形的峰和/或平均電流/電壓可以基于耗材的尖端的位置而變化。即，控制器130可以基于耗材的尖端的定位改變焊接波形的參數(shù)。即，當(dāng)尖端處于第一位置(例如，位置a)時，使用具有第一組電流和/或電壓參數(shù)的第一波形，而在第二位置(例如，位置c)時，可以使用具有第二組電流和/或電壓參數(shù)的第二波形。實際上，在一些實施例中，波形自身的結(jié)構(gòu)可以變化。例如，在點a，波形是脈沖式焊接波形，而在點b與c之間，波形是短弧式波形。當(dāng)然，這些波形類型旨在是示例性的而不是限制性的，并且可以使用其他波形類型。因此，和關(guān)于wfs的討論一樣，當(dāng)焊絲移動時，控制器130可以基于耗材的定位來改變焊接波形的多個方面以便達到所期望的焊接參數(shù)和穿透。

行走速度

再次，類似于以上的討論，基于耗材的尖端的定位，(在半自動或自動焊接過程中)可以控制改變焊炬110的行走速度。例如，可能期望當(dāng)該尖端接近點c時比接近點a和點d時讓焊炬110行走更快，并且因此例如從點b到c，焊炬速度加快，并且接著當(dāng)該尖端移向點c時減速。當(dāng)然，在其他實施例中，可能期望在焊炬接近點a和/或點d時必須讓該焊炬移動更快。再次，取決于所期望的焊道，控制器130可以控制焊炬的行走速度。

伸出度

再次，類似于以上討論的，在焊接過程中，耗材140的伸出度可以由控制器130基于耗材140的尖端的定位加以調(diào)整。如上所述，可能期望當(dāng)耗材在焊接坡口周圍移動時改變耗材移動過程中的伸出度。例如，如果耗材垂直于行走方向中心線線性地移動，可能期望在焊接熔池表面與耗材的末端之間保持恒定距離。例如，當(dāng)耗材尖端從坡口的中心移動到點c(圖7)時，使得當(dāng)耗材140接近點c時，可能有必要增大伸出度以在尖端與熔池之間保持恒定距離。即，因為移動的幾何方面(例如，勾股定理)而沒有延長伸出度，所以耗材的尖端與熔池之間的距離將隨著與中心的角度增大而增大。因此，如果要保持尖端到熔池的間隙，控制器130可以使伸出度得以保持。這可以以多種不同的方式完成，例如，增大/減小wfs和/或移動焊炬的高度。

應(yīng)注意，雖然單獨討論了以上參數(shù)，但控制器130可以基于耗材140的移動來改變以上參數(shù)中的任一者、所有、或任何組合。

在本發(fā)明的示例性實施例中，控制器130可以使用來自焊接操作的反饋來確定耗材的定位和控制焊接操作的多個方面。在一些示例性實施例中，控制器130使用來自操縱系統(tǒng)的位置反饋來確定耗材的定位。例如，可以監(jiān)測馬達133和/或操縱器135。進一步地，其他示例性實施例可以監(jiān)測電壓和/或電流反饋，并且使用此信息結(jié)合狀態(tài)表、控制算法等等，可以確定耗材尖端的定位。當(dāng)然，可以使用其他控制方法，而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。

圖8描繪了可以定位在觸尖的下游并且用于移動焊絲的焊絲操縱器135的示例性實施例。如所示，操縱器135具有喉道801，耗材通過該喉道傳遞到焊接操作。喉道801具有窄喉道部803，該窄喉道部稍微大于耗材的直徑并且接觸耗材以使耗材移動至期望的位置。并且，該喉道具有有角度的壁部805，該角度如此使得在操縱器的每個末端，開口大于窄部803。當(dāng)操縱器來回移動時，這些有角度的表面805允許耗材通過候道801有角度。當(dāng)然，可以使用其他幾何構(gòu)型而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。此外，喉道的邊緣和拐角可以彎曲以允許耗材140順滑移動，并且防止擦傷或刨削耗材。進一步地，在示例性實施例中，操縱器135由具有高耐熱性的介電材料制成。例如，可以使用陶瓷材料。應(yīng)注意，在一定程度上，焊接操作需要保護氣體，操縱器135應(yīng)具有一定尺寸和形狀以確保保護氣體可能有效地起作用。如果操縱器135太大，其可能干擾適當(dāng)?shù)谋Ｗo氣體功能。

此外，在一些示例性實施例中，焊炬110的觸尖112可以具有斜邊，該斜邊通向耗材140的通路的通路出口。即，在一些實施例中，在觸尖112的遠端面處的耗材出口是有斜面的，以便允許如上所述的耗材移動，從而防止在觸尖的尖銳端擦傷或刨削耗材。

如以上解釋的，可以通過能夠在期望路徑上移動耗材的任何機械裝置移動操縱器135。例如，可以使用凸輪或齒輪結(jié)構(gòu)。進一步地，雖然圖2、圖3和圖4示出了焊嘴112的邊緣的下游的操縱器135，但在一些實施例中，操縱器的頂部可以至少部分位于焊嘴內(nèi)。

雖然已參照某些實施例描述了所披露的本申請的主題，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離要求保護的主題的范圍的情況下，可以進行各種改變，并且可以替換等效物。此外，可以進行許多修改以使具體的情況或材料適應(yīng)所描述的主題的傳授內(nèi)容而不脫離其范圍。因此，所旨在的是，所描述的主題不受限于所披露的特定實施例，而所披露的主題將包括落入本說明書的范圍內(nèi)的所有實施例。