使用旋轉(zhuǎn)電弧法焊接的設(shè)備和方法
【專利說明】使用旋轉(zhuǎn)電弧法焊接的設(shè)備和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]不適用。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦政府贊助的研究或開發(fā)的聲明
[0004]不適用。
[0005]達(dá)成聯(lián)合研究協(xié)議的各方名稱
[0006]不適用。
[0007]引用在光盤上提交的序列表、表格、或計(jì)算機(jī)程序清單附錄
[0008]不適用。
【背景技術(shù)】
[0009]本發(fā)明涉及使用可消耗金屬絲電極的連續(xù)給送的電弧焊接、并且更具體地涉及以受控且連續(xù)可調(diào)的方式對(duì)電極的起弧端施加橫向移動(dòng)的此類連續(xù)電弧焊接。
[0010]連續(xù)電弧焊接受多個(gè)變量的影響，這些變量是例如所選氣體及氣體共混物的使用;所選助熔劑;金屬或金屬合金;接縫或縫隙準(zhǔn)備;金屬絲大小和給送速率;焊槍沿著縫隙的移動(dòng)速率、以及施加的電流的量。而且，必須確定對(duì)于此工作而言最佳的是單一道次還是若干道次。這些以及其他的考慮因素使得連續(xù)電弧焊接部?jī)H僅是像我們之前的專利-1979年12月4日標(biāo)題為“振蕩電弧焊接(Oscillat1n Arc Welding)”的美國(guó)專利號(hào)4，177，373以及1983年8月30日標(biāo)題為“可消耗電弧焊接焊槍(Consumable Arc Welding Torch)”的美國(guó)專利號(hào)4，401，878-中所解釋的科學(xué)，這兩個(gè)專利特此全文通過援引并入。
[0011]在焊接過程中通常遇到設(shè)置問題。待連結(jié)的金屬之間的縫隙寬度、待連結(jié)的材料的厚度、以及材料不合格、涂層、灰塵、或油脂造成的電阻的甚至微小變化都會(huì)影響焊接操作的進(jìn)程并且必須進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的焊縫。在焊接設(shè)備中已開發(fā)了多種改進(jìn)來克服遇到的這些問題，尤其是在自動(dòng)設(shè)備中。盡管如此，仍存在進(jìn)一步改進(jìn)的空間，并且下文將討論若干改進(jìn)。
【附圖說明】
[0012]鑒于以上及在下文更全面地出現(xiàn)的其他目的，本發(fā)明包括在下文描述的、在所附權(quán)利要求書中限定的以及在附圖中的優(yōu)選實(shí)施例中展示的所有部分和要素、以及操作、順序和步驟的某些組合、構(gòu)造和安排，在附圖中:
[0013]圖1是被安排成用于結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的這些焊槍改進(jìn)來手動(dòng)使用的連續(xù)電弧焊接設(shè)備的圖解立面圖。
[0014]圖2是被安排成用于結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的這些焊槍改進(jìn)來手動(dòng)使用的連續(xù)電弧焊接設(shè)備的替代實(shí)施例的圖解立面圖。
[0015]圖3是焊槍本體的放大比例的截面立面圖。
[0016]圖4是結(jié)合了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的改進(jìn)的焊槍的機(jī)械化連續(xù)電弧焊接設(shè)備的圖解立面圖。
[0017]圖5是結(jié)合了多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的改進(jìn)的焊槍的機(jī)械化連續(xù)電弧焊接設(shè)備的圖解立面圖。
[0018]圖5A是結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的多個(gè)改進(jìn)的焊槍、以及一種旋轉(zhuǎn)偏置能力的機(jī)械化連續(xù)電弧焊接設(shè)備的另一圖解立面圖。
[0019]圖6A、6B和6C是用于圖5中展示的多焊槍系統(tǒng)的示例性焊接路徑和特征的圖。
[0020]圖7和8是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的焊槍內(nèi)的某些操作性部件的立面視圖，并且以略微夸大的方式示出了攜帶有電極金屬絲的棒的移動(dòng)以及調(diào)整和替代方案對(duì)其的影響。
[0021]圖9A、9B和10示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的焊槍內(nèi)的某些操作性部件的截面立面圖。
[0022]圖11和13示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的焊槍內(nèi)的某些操作性部件的立面視圖。
[0023]圖12、12’和14示出了根據(jù)本發(fā)明通過焊縫連結(jié)在一起的多個(gè)金屬板的截面。
[0024]圖15展示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的焊槍的替代性實(shí)施例的立面視圖。
[0025]圖15A示出了從圖15中的指示線A-A截取的橫向截面視圖。
[0026]圖16示出了圖15中展示的焊槍的替代性實(shí)施例的截面立面圖。
[0027 ]圖16A示出了圖16中展示的焊槍本體的底座末端的放大視圖。
[0028]圖16B示出了從圖16中的指示線B-B截取的橫向截面視圖。
[0029]圖17圖解了結(jié)合有圖4中展示的改進(jìn)的焊槍的機(jī)械化連續(xù)電弧焊接設(shè)備的使用方法。
[0030]圖17A圖解了結(jié)合有多個(gè)圖5中展示的改進(jìn)的焊槍的機(jī)械化連續(xù)電弧焊接設(shè)備的使用方法。
[0031]圖18是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的連續(xù)電弧焊接焊槍的圖解立面圖。
[0032]圖18A示出了從圖18中的指示線18A_18A截取的橫向截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]本發(fā)明將現(xiàn)有技術(shù)擴(kuò)展到超過了本發(fā)明人這些之前專利中所披露的內(nèi)容。改進(jìn)涉及對(duì)焊接過程中變量的控制，尤其是對(duì)響應(yīng)于焊縫連續(xù)監(jiān)測(cè)而做出的連續(xù)調(diào)整以及此類調(diào)整所造成的影響的控制。
[0034]在之前的設(shè)計(jì)中，變速電動(dòng)馬達(dá)與變速控制相連，該變速控制通過改變電壓來改變馬達(dá)速度直到獲得近似的旋轉(zhuǎn)頻率。在此討論的改進(jìn)包括利用具有伴隨的電子控制(MC)的步進(jìn)馬達(dá)(128)來精確定位馬達(dá)的軸、旋轉(zhuǎn)速度、和方向。額外的改進(jìn)包括調(diào)整焊槍的長(zhǎng)形棒和尖端的長(zhǎng)度以便進(jìn)一步調(diào)整電極路徑的物理特征。
[0035]改進(jìn)進(jìn)一步包括將氣體、電極和功率分成多個(gè)分開的供送以便在機(jī)械化設(shè)備中的多個(gè)焊槍之間進(jìn)彳丁更精確的路徑選擇、控制和共孚。進(jìn)一步，對(duì)電極路徑的改進(jìn)控制允許多個(gè)焊槍如此靠近地操作而使得在多個(gè)焊槍之間可以維持一個(gè)共用的熔池。
[0036]如之前的專利中描述的，熔融金屬滴從這一個(gè)或多個(gè)電極被推進(jìn)到縫隙的側(cè)壁以在該縫隙中建立熔融金屬池。在本發(fā)明之前的發(fā)明中，電極的移動(dòng)是圓形路徑，而熔融金屬滴被離心力拋開。電極的電弧端的移動(dòng)被稱為“旋轉(zhuǎn)”，但應(yīng)理解的是，電極金屬絲沒有旋轉(zhuǎn)、而是圍繞軸線自轉(zhuǎn)。在該改進(jìn)的發(fā)明中，對(duì)馬達(dá)的更精確的控制允許實(shí)現(xiàn)可以不涉及完整圓形路徑和/或可以涉及對(duì)方向或速度的若干其他調(diào)整的復(fù)雜路徑。為了簡(jiǎn)化，除非明確指明，否則馬達(dá)移動(dòng)、以及所得到的電極路徑將繼續(xù)總體上稱為旋轉(zhuǎn)。
[0037]對(duì)棒的長(zhǎng)度加以控制影響了尖端與焊接縫隙之間的距離。在機(jī)械設(shè)備中，與棒長(zhǎng)度相連系的額外焊槍定位能力可以精確地控制將焊接尖端維持在焊接表面上方的距離。當(dāng)電極位于焊接縫隙內(nèi)的旋轉(zhuǎn)半徑以及焊槍的角度可以影響當(dāng)改變位置、或穿過金屬絲的電流流動(dòng)時(shí)馬達(dá)可能遇到的阻力。有經(jīng)驗(yàn)的焊工可以通過電弧的亮度、機(jī)械聲音、和/或該過程的其他物理特征感覺到這些變化。
[0038]在本文描述的改進(jìn)的設(shè)計(jì)中，控制器可以包括電流傳感器、光傳感器、麥克風(fēng)、振動(dòng)傳感器等，這些傳感器對(duì)反應(yīng)性地調(diào)整焊槍的位置和物理特性的控制器提供了反饋以便實(shí)現(xiàn)更好的焊縫。進(jìn)一步，控制器可以以其來實(shí)現(xiàn)這些調(diào)整的速度導(dǎo)致了更一致的焊縫。
[0039]步進(jìn)馬達(dá)對(duì)該過程施加的精細(xì)控制允許了精確地調(diào)整旋轉(zhuǎn)。在該優(yōu)選實(shí)施例中，利用了伺服馬達(dá)來使金屬絲旋轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，也可以利用步進(jìn)馬達(dá)。步進(jìn)馬達(dá)允許與之前的移動(dòng)無關(guān)地進(jìn)行精確定位和在任一方向上移動(dòng)。這是對(duì)之前的變速馬達(dá)的顯著改進(jìn)，之前的變速馬達(dá)不能以精確的定時(shí)增量被定位或保持在獨(dú)特位置中。
[0040]作為步進(jìn)馬達(dá)優(yōu)于變速馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)的靈活性的實(shí)例，以變化的速度旋轉(zhuǎn)可以確定由于離心力造成的圓形路徑的半徑。然而，在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中通過改變步進(jìn)模式來一致地改變旋轉(zhuǎn)速度可以改變金屬絲路徑的形狀。如果速度每轉(zhuǎn)改變四次:在第I次和第3次增大而在第2次和第4次減小，其中第1-4次是沿著回轉(zhuǎn)路徑均勻間隔開的且是同時(shí)的，則所得的離心力變化將導(dǎo)致橢圓路徑而不是圓形路徑。擴(kuò)展到極端情況，則橢圓路徑可以在單一平面圖中是長(zhǎng)形的、并且在垂直平面上被壓縮而基本上變成直線運(yùn)動(dòng)。
[0041]替代地，連續(xù)調(diào)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向而不進(jìn)行完整旋轉(zhuǎn)可以將這個(gè)路徑減小成單一往返移動(dòng)。通過調(diào)整步進(jìn)速度、以及每個(gè)方向上的步進(jìn)次數(shù)，可以控制路徑的寬度，并且可以賦予電弧形狀。
[0042]由于步進(jìn)馬達(dá)允許在回轉(zhuǎn)路徑中對(duì)馬達(dá)進(jìn)行精確定位，因此精確的控制允許多個(gè)馬達(dá)緊密靠近地操作，其中它們的路徑可以相互重疊。這在過去對(duì)于變速馬達(dá)是不可能的，在變速馬達(dá)中幾乎相同的馬達(dá)的內(nèi)阻或其他物理特征的甚至微小變化也會(huì)導(dǎo)致速度變化并且導(dǎo)致干擾。
[0043]沿著旋轉(zhuǎn)路徑的精確位置的精確速度控制允許在一個(gè)側(cè)壁處沉積更多金屬。這是對(duì)于在豎直板之間的水平縫隙中的焊縫的罕見改進(jìn)。通過在上板處提供過量金屬，更均勻的焊縫是可能的。另一個(gè)改進(jìn)在于焊接不同厚度的板而在較厚的板處沉積更多金屬。
[0044]用這種焊接方法可獲得的希望的結(jié)果在于以下發(fā)現(xiàn):焊接操作可以與可比較的常規(guī)設(shè)備所可能的情況相比明顯更快地進(jìn)