CN102725091A - 用于深坡口焊接的集成化保护气体和磁场装置以及焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种焊接系统（100），其可以在窄间隙厚壁工件中进行焊接，焊接系统（100）具有包含磁线圈（117）的磁场单元、磁场探头（107）以及保护气体管道（105）和喷嘴（106）。所述单元具有形状和构造，所述形状和构造靠近焊接电弧递送保护气体和磁场，从而提供通过磁场依照要求操纵的受保护焊接电弧。

Description

用于深坡口焊接的集成化保护气体和磁场装置以及焊接系统

优先权：本专利申请要求2009年12月9日提交的美国临时专利申请No.61/267,960的优先权，其全部内容以引用方式全文并入文本。

背景技术

技术领域

与本发明相符合的装置、系统和方法涉及当在深坡口(deep groove)应用中进行焊接时用于焊接和操纵焊接电弧的设备和方法。

相关技术的描述

当在大型工业应用中进行焊接(如，管路或板焊接)时，常常必需将非常厚的工件焊接在一起。这些厚度可以高达4英寸或更大。厚工件焊接的要求是，对于要被焊接在一起的工件的整个厚度进行填充焊接。此外，要焊接的工件常常具有斜角面-也就是说，两个斜角面被相互焊接-并且填充焊接是用于填充整个由工件的斜角面形成的工件间的间隙。因为工件间的间隙越大，在焊接过程中进行填充需要的时间越长，所以间隙大是不太理想的并且理想的是使工件间的间隙尽可能地窄。然而，当设法焊接窄间隙-厚壁工件时，难以保持电弧稳定、确保足够的侧壁熔深以及向焊接过程递送保护气体，使得可以得到高质量的高效率焊缝。用现有系统来高效率且有效地递送在窄-深坡口间隙中得到充分保护的稳定焊接电弧是非常困难的。

发明内容

为了实现合格焊接并且具体地讲为了允许对工件进行便利且一致的厚壁和/或窄间隙焊接，提出了一种根据权利要求1所述的焊接电弧操纵单元或根据权利要求10所述的焊接系统。就焊接电弧操纵单元而言，可以从权利要求2至9中得到优选的特征，并且就焊接电弧操纵单元而言，可以从权利要求2至9中得到优选的特征。对于后者，如果磁探头被磁性耦合到所述保护气体管道105，和/或所述磁探头包括相互固定的多个层合板，和/或所述层合板中的至少一些具有与所述层合板中的其他层合板不同的长度，和/或焊接系统还包括包围所述线圈的外壳，和/或如果所述外壳和所述支承结构中的至少一者包括冷却剂歧管结构以允许冷却剂流过所述冷却剂歧管结构，和/或如果所述磁探头和所述保护气体管道中的至少一者由高硅钢制成，和/或所述磁线圈至少部分包围在吸热的灌封材料中，和/或如果所述层合板中的至少一些由高硅钢制成，和/或所述磁探头在接近所述支承结构附件处的厚度大于在远离所述支承结构处的点的厚度，和/或所述支承结构包括冷却剂歧管结构以允许冷却剂流过所述冷却剂歧管结构，则可以是优选的。本发明的示例性实施方案是焊接电弧操纵单元以及包括所述焊接电弧操纵单元的系统，其中所述单元具有支承磁线圈的支承结构，所述磁线圈响应于电流和磁探头产生磁场，所述磁探头磁性耦合到磁线圈并且在所述支承结构之方延伸，使得磁探头可以延伸到焊接间隙中，以向焊接电弧递送磁场。所述单元还具有保护气体管道，所述保护气体管道耦合到所述支承结构并且在所述支承结构之下延伸，使得所述保护气体管道可以延伸到焊接间隙中，以向焊接电弧递送保护气体。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的以上和/或其他方面将更清楚，在附图中：

图1示出窄间隙厚壁焊接接头和工件的图示；

图2示出根据本发明的示例性实施方案的磁场产生单元的图示；

图3示出图2中的单元的侧视图的图示；

图3A是本发明的示例性实施方案的保护气体和管道的形状的图示；

图4示出图2中的单元的分解图的图示；

图5示出焊接操作中的本发明的示例性实施方案的图示；

图6示出图5中的焊接操作的另一个视图的图示；以及

图7示出根据本发明的示例性实施方案的焊接系统的图示。

示例性实施方案的详细描述

现在，通过参考附图，以下将描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，并非意图以任何方式限制本发明的范围。相同的参考标号始终指示相同的要素。

图1是如本专利申请中讨论的窄间隙厚壁焊接的代表性图示。如可以看到的，两个相邻的工件具有面对的侧壁，每个侧壁都具有斜角面。侧壁形成斜角，以允许在间隙最深的部分进行焊接。通常，当间隙的深度为1英寸或更大时，认为焊接是厚壁的。另外，当面对的侧壁之间的角度是20度或更小时，通常认为焊接是窄间隙焊接。应该注意，本发明的实施方案不限于这些各个尺寸的焊接应用，而是可以用在任何合适的焊接应用中，只要实现了所需的焊接结果即可。

为了实现合格的焊缝，通常要求在面对的侧壁中各个侧壁的焊接熔深近似，并且要求用于填充间隙的焊道均匀且一致。此外，理想的是，在惰性气氛中执行焊接，使得空气中的氧气和氮气不会污染焊缝。在窄间隙焊接的最深部分中实现这些目标中的每个目标可能是及其困难的，因为难以控制焊接电弧并且因为难以将保护气体递送到间隙的最深部分中。当在2G或类似焊接位置中进行焊接时，尤为如此。以下更充分讨论的本发明的各种实施方案解决了这些问题中的每个问题，并且允许对工件进行便利且一致的厚壁-窄间隙焊接。

因为通常是使用钨极惰性气体焊接工艺(TIG)进行厚壁-窄间隙焊接，所以以下的各种实施方案将关注TIG焊接应用。然而，在这点上，本发明不受限制，因为还可以在其他焊接工艺如MIG焊接中采用本发明的实施方案。

现在转到图2，示出了根据本发明的示例性实施方案的一体化的电弧操纵单元100。电弧操纵单元100包括多个组件，这多个组件包括磁线圈外壳101、磁线圈支承件103、保护气体管道105和喷嘴106以及磁场探头107。外壳101是用于将单元100固定到焊接头组件(未示出)的支架结构113。可以基于支架113所固定到的焊接头组件的结构，依照要求设置和构造支架113。以下将进一步对此进行讨论。

插入到外壳101中的是耦合至气体管道105的气体入口109、电气导管入口111以及冷却管道入口115和冷却管道出口116。以下将进一步讨论这些组件中的每个。

电弧操纵单元100采用磁场控制和邻近保护气体递送这两者，以在窄间隙-厚壁焊接中实现最佳焊接质量。以下将对此进行更充分的讨论。

现在转到图3和图4，提供了对电弧操纵单元100的组件的更详细讨论。

如以上所讨论的，单元100提供保护气体递送和对焊接电弧的磁场控制和/或操纵。保护气体经由气体入口109、气体管道105和喷嘴106供应给电弧。通常，由气体源(未示出)向入口109供应保护气体。入口109耦合到气体管道105，气体管道105延伸通过外壳101并且在外壳101和支承件103之下延伸。管道105终止于喷嘴106，喷嘴106将保护气体导向焊接电弧，以提供足够的保护。注意的是，虽然这里讨论的是分别的组件入口109、管道105和喷嘴106，但料想到的是，气体递送结构可以一体地形成为单个单元。也就是说，在其他示例性实施方案中，管道、入口和喷嘴形成为单个单元，只要保护气体远距离地递送到焊接电弧即可。如图3和图4中示出的实施方案中所示，喷嘴106形成斜角，以在焊接过程中从外壳向外指向，向下指向焊道。然而，在本发明的其他示例性实施方案中，喷嘴106具有可调的方向。这种可调性使得用户能改变喷嘴106的方向，以在焊接操作的过程中提供最佳的保护气体递送。因此，基于要执行的焊接操作，操作者能灵活地将喷嘴106的方向变为所需位置，以提供所需的保护气体递送。这种可调性可以用任何已知方式实现，包括使用锁扣、凸轮或齿轮结构，以允许调节喷嘴106的角度并且在调节之后保持稳定。

管道105和喷嘴106的内部区域的横截面使得能确保将保护气体充分递送至焊接电路。在本发明的示例性实施方案中，管道105和喷嘴106的横截面是矩形、卵形、椭圆形或具有倒圆边缘的矩形(或类似形状)。这种成形允许管道105和喷嘴106更深地插入焊接间隙中。因此，在本发明的示例性实施方案中，管道105和喷嘴106的成形被优化，以允许在焊接间隙中形成可能的最深的熔深(deepest penetration)。这样确保了尽可能近地将保护气体递送至焊接电弧，以优化保护。

在本发明的示例性实施方案中，当从单元100的正面或背面观察时，管道105和/或喷嘴106具有梯形形状。也就是说，管道105和/或喷嘴106在顶部(更靠近单元)较宽而在底部(靠近焊接处)较窄。这可以在图3A中示出。这种形状使结构方面的稳定性最优，而同时确保了在焊接间隙中形成尽可能深的熔深。管道105处于外壳101以及板或支承件103之下的长度被确定，以向焊接提供最佳保护气体递送。也就是说，对于间隙较深的焊接，可能需要或使用较长的管道105。喷嘴106要具有为电弧提供足够保护的形状，并且该形状不限于本专利申请的图2至图4中示出的形状。另外，虽然未示出，还料想到，喷嘴106和/或管道105具有与图中所示的喷嘴106相对的附加端口或喷嘴，用于提供尾部保护气体。在一些应用中，可能理想的是，提供附加的尾部保护气体，以在冷却过程中保护焊池。因此，本发明的实施方案在喷嘴106或管道105上可以具有附加的喷嘴或端口，用于提供这种保护。

在本发明的示例性实施方案中，管道105和/或喷嘴106容易更换，从而允许由于损坏或磨损或者由于不同的工装要求而进行更换。也就是说，可以料想到，可以向使用者提供不同长度的管道105，所述使用者可以根据要焊接的间隙的深度和/或形状容易地更换管道105和/或喷嘴106。事实上，可以料想到，可以针对同一间隙的焊接更换管道。例如，当间隙变得更窄时，可以采用不同的喷嘴/管道来优化焊接。为了有助于进行这种可更换性，在示例性实施方案中，可以将管道105螺纹连接到板103中，使得其可以容易地旋出管道105，以根据焊接操作用新部件或不同部件进行更换。在其他实施方案中，借助已知装置(如，紧固件等)将管道105固定至板103和/或外壳101，以顾及其可更换性。

在本发明的示例性实施方案中，入口109、管道105和喷嘴106由磁性的钢制成。这样确保了这些组件可以经受住与靠近焊接操作相关的高温，并且将有助于递送磁场-以下将对此进行更详细的讨论。例如，管道105和/或喷嘴106可以由高硅钢制成。本发明不限于使用钢，因为其他材料可以适于本应用。然而，所选材料所属的类型应该是能经受住高温的类型，而不会牺牲过多结构的整体性或形状，并且其所属的类型是传播磁场的类型，或者至少不干扰磁场。

磁场探头107固定于管道105的背部。磁场探头107同样由钢或能经受住高温同时还发射磁场的其他材料制成。例如，探头107可以由高硅钢制成，并且其所属类型常常用在电气变压器中。如以下进一步讨论的，探头107提供靠近焊接电弧的磁场，该磁场用于稳定焊接电弧并且操纵电弧左右移动，以确保在焊接过程中工件的每个侧壁具有足够和一致的熔深。在示例性实施方案中，借助焊接或其他合适装置将探头107固定于管道105，并且探头107的上部延伸进入外壳101中足够的距离，以接合磁线圈17。

如同管道105/喷嘴106，在本发明的示例性实施方案中，当从单元100的正面观察时，探头107具有梯形形状。也就是说，探头107在其最下端最窄，而随着其靠近外壳101，其宽度增大。在一些示例性实施方案中，探头107在外壳101内具有恒定的横截面，或者在与线圈117接合的部分处具有恒定的横截面。在其他示例性实施方案中，探头的整个长度始终具有恒定的横截面。应该优化探头107的整体形状，以递送所需的磁场来操纵焊接电弧。

在图3和图4中所示的实施方案中，探头107包括形状为矩形并且具有不同长度的多个磁性层合件120、121、122(例如，高硅钢)，使得当组装这些层合件时，探头107基本上具有梯形形状，在靠近外壳101的地方比其近端(靠近喷嘴106)具有更厚的横截面。例如，借助焊接将这些层合件彼此固定，以形成近侧固体探头(near solid probe)107。然而，在其他示例性实施方案中，探头107可以通过加工磁性材料的单块原料来制成。在这点上，本发明不受探头107的特定构造方法限制。

与管道105类似，探头107的长度将使得其大大地穿入焊接间隙中，以允许所产生的磁场(以下讨论)稳定并操纵焊接电弧。在一些示例性实施方案中，探头107的长度比管道105和喷嘴106的长度短。也就是说，如图3中所示，探头107没有在喷嘴106底部之下延伸。不管怎样，探头107具有的长度应该使得在操作过程中探头107不影响间隙中的焊道。

探头107的尺寸或质量也可以变化，以增强探头107的磁场的高斯强度。例如，当以更高的安培数(例如，在400安至500安的范围内)进行焊接时，通常要求更强的磁场来操纵电弧，因此可能必须使探头具有较大的尺寸。因此，如上所述，探头107的整体形状和尺寸确定将随着作为一整体的单元100和探头107的所需操作参数的变化而变化。

另外，虽然在图2至图4中，示出探头107位于管道105和喷嘴106的背后，但本发明不限于这种构造。在本发明的可替代实施方案中，探头107的位置比管道105更靠近焊接电弧，以移动探头107的磁场，使其更靠近电弧。然而，在这种实施方案中，喷嘴106应该被设置并构造成确保保护气体至焊接电弧的充分并足够递送。

此外，与管道105一样，在本发明的示例性实施方案中，探头107从外壳101是可移除的，以允许由于损坏而进行更换，并且允许安装不同长度的探头107以有助于在不同深度的间隙中进行焊接。例如，可以借助螺栓、螺钉或可以允许探头107容易移除的其他类似紧固件来安装探头107。

在本发明的示例性实施方案中，探头107固定于管道105，以形成一体化单元。例如，可以将探头107和管道105沿着其长度焊接在一起，在支承件103之下延伸。在另一个示例性实施方案中，可以沿着足以将管道105有效地磁性耦合到探头105的长度，将管道105和探头107相互焊接，使得在将磁场递送到电弧的过程中，管道105充当探头107的一部分。在这种实施方案中，可以使整个探头/管道单元是可移除的和可替换的。在这种实施方案中，出于发射磁场以稳定和操纵焊接电弧的目的，管道105变成探头107的延伸部分。在其他示例性实施方案中，在探头107和管道105并非一体的情况下，可以料想到，可以借助耦合装置(未示出)将管道105和探头107磁性耦合，所述耦合装置有助于将管道105磁性耦合到探头107。这种装置的实施例包括金属夹或紧固件。

在另一个示例性实方案中，管道105和/或探头107耦合到单元稳定器130。稳定器130固定到管道105和/或探头107并且具有在管道105和/或探头107之间延伸的延伸部分并且接触焊接间隙的侧壁。稳定器130有助于在焊接操作过程中稳定单元100和/或使单元100居中。当焊接磁性金属时，这样是尤为有利的。因为探头107产生磁场，所以可能的是(当焊接磁性材料)，单元100可以向着侧壁之一移动。稳定器130将有助于单元100保持在稳定或居中间的位置。在本发明的示例性实施方案中，稳定器130由刚性而又挠性的材料制成，以确保单元保持稳定，而同时在焊接过程期间适应不同宽度的焊接间隙。在另一个示例性实施方案中，稳定器130是非金属的，但是抗高热。在其他实施方案中，可以采用金属稳定器。另外，稳定器130不限于挠性构件，而是具有任何提供稳定性和位置固定性的构造，如滚轮或轴承等。

如上所述，探头107的上端插入位于外壳101内的磁线圈117中。探头107插入线圈117的中部中，使得当线圈117产生磁场(通过使用线圈中的电流)时，磁场从线圈117传送至探头107中，使得在探头107的近端(靠近喷嘴106)产生磁场。这是用于操纵和稳定电弧的那个磁场。线圈117的结构和构造使得其足以形成进行电弧控制和操纵所需的磁场。在本发明的示例性实施方案中，线圈117包含至少1100绕22规格(22gauge)的高温线。当然，线圈117的构造和参数是通过要产生的磁场的应用和所需性能来决定的，而以上讨论的特性只是示例性的。探头107的上端插入线圈117中，使得在线圈117和探头107之间出现足够的磁性耦合。

在示例性实施方案中，接着用电绝缘体(未具体示出)覆盖或卷绕线圈117，使得线圈117充分电绝缘。可以使用任何充分的电绝缘装置，包括条带、硅等。

另外，在本发明的示例性实施方案中，磁线圈117(在一些实施方案中，包括探头107的上端)被灌封在热绝缘的灌封化合物118中。如可以预期的，探头107并且因此线圈117将在焊接操作过程中暴露于非常高的温度。这种高温环境会影响线圈117和探头107的结构完整性以及性能两者。因为存在导热性灌封化合物118，所以通过从线圈117和/或探头107散热，减弱了高温环境的影响。这有助于延长线圈117和探头107的寿命。本发明不受可使用的化合物或耐热环氧化物的类型限制。另外，在本发明的另外示例性实施方案中，灌封化合物118完全填充外壳101的内部腔体。这样还进一步在整体上增强了对单元100和线圈117的热保护。

在本发明的另一个示例性实施方案中，外壳101的至少某一部分包含腔体(未示出)，相机或其他传感器装置(如，温度传感器)可以固定在该腔体中。通过使用相机或其他传感器，允许单元100还提供关于焊接操作的数据。当然，外壳101中的至少一些开口必须被设置成允许相机和/或传感器正确工作。然而，可以用允许传感器/相机工作的材料(如，焊接保护玻璃)闭合或覆盖这些腔体。在本发明的各种实施方案中，相机/传感器可以布置在外壳内的腔体中，或者可以位于固定于单元100或焊接小车(未示出)上的其他结构的单独外壳结构中。

如图3和图4中所示，线圈117位于线圈支承件103上，管道105和探头107中的每个都穿过线圈支承件103。支承件103具有凹陷部分124，线圈117放置在凹陷部分124中。线圈117可以借助一些机械装置固定于支承件103，或者可以只是借助凹陷部分124保持在支承件中。另外，支承件具有至少两个孔，用于允许探头107和管道105从其穿过。

另外，在本发明的示例性实施方案中，支承件103具有歧管结构126，使冷却剂流过歧管结构126。具体地讲，将冷却剂(如，水)供应到冷却剂入口115，向下进入外壳101中并且进入支承件103的歧管结构126中。冷却剂经过歧管结构103以冷却支承件103、线圈117和探头107。冷却剂可以是任何类型，包括水、油或其他导热流体。可以依照要求构造歧管结构126，以允许冷却剂流过支承件103。在本发明的另外实施方案中，歧管结构126不仅是在支承件103中，而是其还可以遍布外壳101中，以提供进一步的散热。歧管结构126可以与支承件103/外壳101一体形成，或者可以是热耦合到支承件103和/或外壳101的单独结构。还料想到，在本发明的其他实施方案中，至少某个歧管结构126热耦合到线圈117和/或探头107的上部，以为这些组件提供进一步的散热。注意的是，如上所述的使用冷却系统对于本发明的各种实施方案不是必须的，但是在许多应用中是期望的，以延长组件的操作寿命。冷却系统和歧管结构126的精确构造、走线和结构随着单元100中的散热需要的变化而变化，并且可以针对特定应用和用途依照要求来构造。

在另外的示例性实施方案中，探头107具有位于其耦合到歧管结构126的结构内部的通道，使得冷却剂在操作过程中被向下传递进入探头107中。这为高热应用提供了附加散热。在其他再一个示例性实施方案中，不同于具有冷却剂的通道的探头107，管道105耦合到冷却剂通道或歧管结构，有助于在操作过程中从管道105和/或探头107去除热。

另外，电气导管入口111耦合到外壳101，电气导管入口111用作电连接(如，线圈117所需的那些电连接)的入口。

外壳101、入口111和支承件103可以由任何合适的材料(包括铝和钢)制成。

另外，虽然图3和图4中示出的实施方案示出支承件103和外壳101为单独的组件，但在这方面，本发明不受限制，因为这些组件可以一体形成，或者用其他方式构造以执行相同功能。

使用紧固件119将支架113安装于外壳101。支架被采用来将单元100固定于焊接头组件(未示出)并且支架可以依照要求来构造以固定单元100。

现在，将参照图5、图6和图7讨论本发明的各种实施方案的功能和操作。如之前所讨论的，以下的讨论将在TIG焊接的背景下，但是本发明的构思不限于TIG焊接并且可以用于其他焊接应用。如图5中所示，当焊接厚壁工件时，单元100靠近焊接头200设置。单元100和焊接头200安装于公共小车(未示出)，使得在焊接操作期间，单元100相对于焊接头200的位置没有变化。这样将确保单元100提供的磁场和保护气体在整个焊接操作过程中保持一致。可以料想到，小车(未示出)可以允许单元100关于焊接头200的相对位置的方便调节，以提高采用单元100的焊接系统的灵活性。

如图所示，焊接头200包括钨焊接电极205(常用于TIG焊接)，电极205具有足以在焊接间隙的合适深度进行焊接的伸出长度。电极205耦合到焊炬头201，焊炬头201耦合到电连接件207，电连接件207将焊炬头210连接到焊接电源152。在本发明的示例性实施方案中，保护气体罩203向焊接区提供附加的保护气体。

在TIG焊接期间，填充焊丝W插入焊接电弧区中并且熔化以有助于形成焊道。

电源152、焊炬头201、电极205、连接件207、罩203和填充焊丝W属于本领域的技术人员已知的类型，并且在这方面，本发明不受限制。

在焊接操作期间，焊接头小车(未示出)具有焊接头200和固定于焊接头200的单元100两者，并且它们插入焊接间隙中，达到要形成的焊道上方的合适高度。如针对TIG焊接已知的，焊接电源152将焊接波形提供到焊炬头201和电极205，这在电极205和要焊接的工件之间形成焊接电弧。在本发明的示例性实施方案中，采用脉冲焊接。焊接波形根据已知方法受焊接电源152控制并且不需要在本文中详细描述。

为了解决与窄深焊接间隙中进行焊接相关的上述电弧稳定性问题，本发明的实施方案采用线圈117产生的磁场，以稳定并操纵电弧。具体地讲，由包含磁电弧控制系统的磁场控制装置153产生电信号。焊接工业中使用磁电弧控制系统是已知的并且将不做详细描述。在本发明的实施方案中，这个装置153与焊接电源152形成一体。然而，这不是必要的，因为装置153可以是单独的操作装置。在任一种情形下，装置153内的磁电弧控制系统向探头107提供正确的磁场来操纵电弧。在操作过程中，装置向线圈117提供电流，以在线圈117中产生磁场，凭借与探头的连接，该磁场还提供到探头107和/或管道105和喷嘴106。这个磁场会影响焊接电弧的稳定性和定位。采用磁场的强度、频率和极性被用来操纵电弧，以实现所需的焊接参数。例如，通过变化探头107的磁场的强度和极性两者，可以使焊接电弧在焊接间隙中左右(side to side)移动。这种控制允许系统操纵电弧，使得在焊接期间实现一致的侧壁熔深。此外，可以控制频率和强度来稳定电弧，以提供一致且良好的受控焊接操作。在本发明之前，这不可能在窄间隙厚壁焊接操作中一致地实现。

因此，本发明的各种实施方案可以提供各种类型的焊接电弧操纵，以优化焊接操作。具体地讲，本发明的实施方案可以提供电弧稳定、电弧振荡和/或焊接电弧的高频磁性搅拌。至于电弧稳定，本发明的实施方案采用磁场将焊接电弧保持在一个位置或地点以防止发生电弧偏吹，或者以其他方式提供一致焊接并且防止电弧在焊接操作中漂移。至于电弧振荡，本发明的实施方案采用磁场，磁场用于操纵电弧在焊接间隙内左右移动，以确保一致侧壁熔深并且控制焊接期间的热分布。至于电弧的高频磁搅拌，本发明的实施方案采用磁场搅动并搅拌焊接熔池，以在焊接期间形成流动性较好的焊接熔池。这种搅动可以有助于从焊接熔池浮出杂质和气孔。这种磁性搅动还可以在焊接期间能够具有更高的送丝速度和沉积速率。

在本发明的各种实施方案中，可以料想到，单元100和焊接头200在焊接期间沿着单个路径移动，例如，以形成单个行程。然而，在本发明的其他实施方案中，还可以料想到，单元100和焊接头200可以在焊接期间进行机械振荡。可以进行这个步骤来进一步增强以上讨论的焊池搅拌。

此外，本发明的实施方案不限于单元100和焊接头200的相对定位。例如，在一些示例性实施方案中，单元100位于焊接头200的在前侧(也就是说，位于焊接电弧的上游侧)，而在其他示例性实施方案中，单元100位于焊接头200的尾侧。

装置153的操作可以是手动的，使得操作者可以控制磁场来操作焊接电弧，或者所述操作基于来自焊接电源的数据/信息可以是自动的。也就是说，焊接电源152和磁场控制装置153通过使用编程等一起工作以在焊接期间依照要求移动焊接电弧和/或稳定电弧是在本发明的范围之内的。

图7示出根据本发明的实施方案的焊接系统300，其中，焊接电源152向焊接头200提供焊接波形并且磁场控制装置153向单元100提供电信号，单元100产生靠近电弧的磁场以操纵和稳定电弧。焊接电源152可以具有任何已知构造。另外，可以在自动化、机器人化或半自动化焊接单元中利用本发明。在这点上，本发明不受限制。可以采用处理控制器154来控制、管理和同步系统300的整体操作。具体地，处理控制器154(包含存储器、中央处理单元、控制面板等)用于控制焊接电源152和磁场控制装置153，以确保形成正确的焊缝。受处理控制器154控制的磁场控制装置153将磁电弧偏转与所有其他的焊接处理同步。具体地，电弧电流、电弧电压和送丝速度(例如)都与磁电弧振荡同步。可以手动进行这种控制、管理和同步，其中用户控制焊接操作的各种方面，包括焊接电弧和磁场，或者可以自动进行这种控制、管理和同步，其中处理控制器154自主地管理电源153和磁场控制装置153。另外，处理控制器154还可以控制单元100和焊接头200的移动。除了控制焊接处理的一些方面外，处理控制器154还可以监控焊接操作的各种方面，包括：焊接电弧的特性；冷却剂流及大小；屏蔽气体流及大小；单元100；探头107产生的磁场等。

另外，提供保护气体供应系统150，该保护气体供应系统150向单元100供应保护气体(在适当的压力和流速下)，单元100借助喷嘴106将保护气体递送到电弧区。保护气体系统150可以包含屏蔽气体的源(如，罐)以及流动调节监控系统，如通过焊接工业中已知的流动调节器。

另外，提供冷却剂供应系统151。冷却剂供应系统151向单元100供应冷却剂，如水、油或其他导热液体，其中，这为单元100和其内的组件提供冷却。在本发明的示例性实施方案中，冷却剂供应系统151可以包括供应罐和泵机构。然而，在另外的示例性实施方案中，系统151包括冷却级(未示出)，当冷却剂从单元100返回时，其对冷却剂进行主动冷却，以增强冷却剂的热交换特性。

因为本发明的属性，所以在非常靠近电弧的地方提供保护气体和磁场，因此与现有的系统不同，当焊接窄间隙厚工件时，充分保护、稳定并操纵电弧。

注意的是，本发明不限于使用TIG焊接，但是可以与要求受控和受保护的焊接电弧的任何行业或应用一起使用。

尽管本发明已被具体示出并且参照本发明的示例性实施方案被描述，本发明并不限于这些实施方案。本领域普通技术人员将会理解，可以从中进行各种形式的和细节的变化，而不偏离如所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

参考标号：

100操纵单元             121磁性层合件

101外壳                 122磁性层合件

103支承件               126歧管结构

105保护气体管道         130稳定器

106喷嘴                 150供应系统

107探头                 152电源

109气体入口             153控制装置

111电气导管入口         154处理控制器

113支架结构             200焊接头

115冷却剂管道入口       201焊炬头

116冷却剂管道出口       203气体罩

117磁线圈               205电极

118灌封化合物           207电连接件

120磁性层合件           300焊接系统

Claims (13)

1.一种焊接电弧操纵单元，所述焊接电弧操纵单元包括：

支承结构或支承件（103），所述支承结构或支承件（103）支承磁线圈（117），所述磁线圈响应于电流产生磁场；

磁探头（107），所述磁探头（107）与所述磁线圈（117）磁性耦合并且在所述支承结构之下延伸，使得所述磁探头（107）可延伸到焊接间隙中，以向焊接电弧递送磁场；以及

保护气体管道（105），所述保护气体管道（105）耦合到所述支承结构并且在所述支承结构之下延伸，使得所述保护气体管道（105）可以延伸到所述焊接间隙中，以向所述焊接电弧递送保护气体。

2.根据权利要求1所述的焊接电弧操纵单元，其中，所述磁探头（107）磁性耦合到所述保护气体管道（105）。

3.根据权利要求1所述的焊接电弧操纵单元，其中，所述磁探头包括彼此固定的多个层合板或磁性层合件（120、121、122）。

4.根据权利要求3所述的焊接电弧操纵单元，其中，所述层合板中的至少一些具有与所述层合板中的其他层合板不同的长度。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的焊接电弧操纵单元，还包括包围所述线圈的外壳（101）。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的焊接电弧操纵单元，其中，包围所述线圈的外壳（101）和所述支承结构中的至少一者包括冷却剂歧管结构（126），用于允许冷却剂流过所述冷却剂歧管结构。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的焊接电弧操纵单元，其中，所述磁探头和所述保护气体管和/或所述层合板中的至少一些中的至少一者由高硅钢制成。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的焊接电弧操纵单元，其中，所述磁线圈（117）至少部分被包围在吸热的灌封材料或灌封化合物（118）中。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的焊接电弧操纵单元，其中，所述磁探头（107）在接近所述支承结构处具有一厚度，所述厚度大于远离所述支承结构的点处的厚度。

10.一种焊接系统，所述焊接系统包括：

焊接电源（152），所述焊接电源（152）耦合到焊接头（200），所述焊接头在电极（205）和工件之间产生焊接电弧；

磁场控制装置（153）；以及

焊接电弧操纵单元，所述单元包括：

支承结构或支承件（103），所述支承结构或支承件（103）支承磁线圈（117），所述磁线圈响应于来自所述磁场控制装置（153）的电流来产生磁场；

磁探头（107），所述磁探头（107）与所述磁线圈（117）磁性耦合并且在所述支承结构之下延伸，使得所述磁探头可以延伸到焊接间隙中，以向所述焊接电弧递送所述磁场的至少一部分；以及

保护气体管道（105），所述保护气体管道（105）在所述支承结构之下延伸，使得所述保护气体管道可以延伸到所述焊接间隙中，以向所述焊接电弧递送保护气体。

11.根据权利要求10所述的焊接系统，还包括冷却系统，所述冷却系统耦合到所述焊接电弧操纵单元，以冷却所述焊接电弧操纵单元。

12.根据权利要求10或11所述的焊接系统，还包括保护气体系统，所述保护气体系统耦合到所述焊接电弧操纵单元，以向所述保护气体管道供应保护气体。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的焊接系统，其中，所述电源是钨极惰性气体焊接工艺电源。

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