CN103889632A - 用于检测和/或降低在工件表面内的不规则的空气碳电弧系统以及使用其的方法 - Google Patents

Abstract

本申请描述了一种用于降低在工件（20）表面内的不规则的空气碳电弧系统（10），包括：控制箱（12）、焊炬头（14）以及悬吊件（16），其中，焊炬头（14）能够操作地连接到控制箱（12），并且配置成与工件（20）配合以产生电弧；悬吊件（16）能够操作地连接到控制箱（12），并且具有用于降低在工件（20）表面内的不规则的工具。

Description

用于检测和/或降低在工件表面内的不规则的空气碳电弧系统以及使用其的方法

技术领域

本公开总体上涉及一种空气碳电弧系统、装置以及使用其的方法。更具体地，本发明涉及一种用于检测和/或降低在工件表面内的不规则的空气碳电弧系统和装置以及使用其的方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供涉及本公开的背景信息，并且可能不构成现有技术。

空气碳电弧系统和工艺可以广泛用于各种应用，比如金属加工和铸造加工、化工和石油技术、建筑、采矿、常规维修和保养。关于金属加工和铸造加工，空气碳电弧金属去除系统和工艺可以用来从表面进行刨削、开槽、切割或者冲刷金属。几乎所有的金属都可以得以制造，包括但不限于：碳钢，不锈钢和其他的铁基合金；灰色的，有延展性和韧性的铁；铝；镍和铜合金和其他的有色金属。

可以期望的是使用空气碳电弧金属去除系统或工艺来修改工件，比如具有大体上平的，齐平的，光滑的，和/或以其他形式的恒定的表面。然而，如果工件表面包含不规则，则可能难以通过使用空气碳电弧系统工艺生成大体上平的，齐平的，光滑的，和/或以其他形式的恒定的表面。

可以期望的是从物体去除和/或重新应用硬面（hardfaced）材料。“硬面（Hardfacing）”是涉及将硬质材料的层应用到衬底以便用于提高衬底的耐磨性和耐腐蚀性的目的的一种技术。硬质材料的层可以通过焊接或热喷涂而应用到物体。通过电弧焊接的硬面可以用作表面操作，以便延长工业零件的使用寿命，表面操作抢先用于新的零件或者用作维修计划的部分。硬面可以在机器故障时间和生产成本中实现大量的节省；其结果是该工艺已经被许多工业采用，比如钢铁、水泥、采矿、石化、电力、甘蔗和食品工业。

钢轧辊或轴常常为硬面。例如，辊和轴一般得以修改成具有沿着辊或轴的所有或部分长度彼此相邻并均匀间隔的一系列同心的硬面圆圈。作为另一个实例，辊或轴可以修改成具有沿着辊或轴的所有或部分长度彼此相邻并均匀间隔的一系列方形的硬面表面。硬面钢轧辊可以用于各种应用，比如用于轧纸的压扁辊。

尽管硬面具有优点，但是硬面材料可能在零件的非硬面材料之前受到磨损。这可能是由于许多因素，比如，硬面的材料的脆性或其它性质，或者是零件的硬面的部分往往是零件的工作表面，并因此在零件处于操作时受到不成比例的应力和力的事实。由于这些和其他因素以及各种操作条件，因此硬面材料可能没有均匀地磨损，并且可能包括不规则的表面。

因此，渴望提供一种用于检测和/或降低在工件表面内的不规则的空气碳电弧系统和装置以及使用其的方法。

发明内容

在克服了现有技术的限制和缺点方面，本系统、装置和方法提供了一种用于检测和/或降低在工件表面内的不规则的空气碳电弧系统和装置以及使用其的方法。

在一个方面，提供一种用于检测和/或降低在工件表面内的不规则的空气碳电弧系统，系统包括，控制箱、焊炬头以及悬吊件，其中，所述焊炬头能够操作地连接到所述控制箱，并且配置成与所述工件配合以产生电弧，所述悬吊件能够操作地连接到所述控制箱，并且具有用于降低在所述工件表面内的不规则的工具。系统可以能够手动地或者自动地检测和/或降低不规则。

在另一个方面，提供一种用于检测和/或降低在工件表面内的不规则的空气碳电弧装置，装置包括，控制箱、焊炬头以及悬吊件，其中，所述焊炬头能够操作地连接到所述控制箱，并且配置成与所述工件配合以产生电弧，所述悬吊件能够操作地连接到所述控制箱，并且具有用于降低在所述工件表面内的不规则的工具。系统可以能够手动地或者自动地检测和/或降低不规则。

在又一个方面，提供一种用于降低在工件表面内的不规则的方法，其包括：操作空气碳电弧系统以从所述工件表面去除材料，其中所述空气碳电弧系统包括控制箱、焊炬头以及悬吊件，所述焊炬头具有电极，并且能够操作地连接到所述控制箱，并且配置成与所述工件配合以产生电弧；所述悬吊件能够操作地连接到所述控制箱；测量贯穿所述工件的电压；控制所述电极关于所述工件表面的位置，以便将贯穿所述工件的电压维持基本恒定；并且在检测到在所述工件表面内的不规则时，中断控制所述电极的位置的步骤。

参照所附并且构成本说明书的一部分的附图和权利要求书，在研究下面的描述之后，系统、装置和方法的进一步的目的、特征和优点将对于本领域技术人员来说容易变得明显。

另外的应用领域将根据本文所提供的描述而变得明显。应当理解的是，描述和具体实例仅旨在说明的目的，而并非旨在限制本公开的范围。

附图说明

为了使本公开可以被很好地理解，现在将描述参考所附附图以实例的方式给出的其各种形式，附图中：

图1显示了描绘体现本发明的原理的并且具有控制箱、焊炬头和远程悬吊件的空气碳电弧系统10的流程图；

图2为控制箱（比如，在图1中描绘的控制箱）的等距视图，其中，出于说明性的目的而去除一个侧面覆盖面板；

图3为在图2中显示的控制箱的第二等距视图，其中，出于说明性的目的而去除另一个侧面覆盖面板；

图4为焊炬头（比如，在图1中描绘的焊炬头）的等距视图；

图5为在图4中显示的焊炬头的分解等距视图；

图6为远程悬吊件（比如，在图1中描绘的远程悬吊件）的等距视图；

图7为在图6中显示的远程悬吊件的第二等距视图；以及

图8为位于固定装置内的工件和来自焊炬头（比如，在图5和图6中显示的焊炬头）的电极的横截面图。

本文所描述的附图仅用于说明目的，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。

具体实施方式

下面的说明在本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本公开，应用或用途。

现在参照附图，图1显示了描绘空气碳电弧系统10的流程图，空气碳电弧系统10体现了本发明的原理并且主要包括用于控制系统10的控制箱12、具有用于产生焊接电弧的电极24的焊炬头14、用于接收来自系统10操作人员的操作输入的远程悬吊件16、以及用于对工件20上的不规则表面进行检测和/或补偿的水平定位控制18。工件20在固定装置22内被保护，并且功能上地与系统10联接。系统10可以用于各种操作，比如从表面（比如，工件20）进行刨削、开槽、切割或者冲刷金属。

焊接电源25通过焊接电力接入26、控制箱12以及焊炬电力接入32给焊炬头14提供电源。在一种形式中，焊接电源25具有1600安培的电流，但是可以以可替代的设置进行操作。当在操作中并且在电弧模式下时，来自焊接电源25的电流通过控制箱沿着电极24流到焊炬头14，并且通过电弧（未示出）流到工件20。电弧加热工件20的局部部分，并且使电极24消耗并且工件20的局部部分变成熔融金属。在图中显示的电极24为碳基的，但是可以由可替代的材料制成。在图中显示的焊炬头14包括接收从5/16"到3/4"的刨削电极的显示组件（show assembly），但是可以使用具有可替代的容量的焊炬头。此外，在图中显示的电极24关于工件20表面以45度角放置，但是可以以可替代的位置进行使用。

在图中显示的系统10能够在工件20内产生沟槽。例如，系统10可以产生具有单道的最深达到1-1/8”（28.6mm）的各种深度的U形或J形沟槽以及具有两道或更多道的更深的沟槽。如下的图表提供了可以用于选择电极尺寸和其他参数的示例性信息：

在图1中显示的系统包括接触器接合40，以便确保在焊接工/操作人员在远程悬吊件16上按压“开始”按钮时仅出现刨削电流。接触器接合40在闭合的位置和打开的位置之间是活动的，在闭合的位置处电流能够传递至焊炬头14，并且在打开的位置处电流不能够传递至焊炬头14。

在图1中显示的系统进一步包括用于将压缩空气传递至焊炬头14的零件，以便将熔融金属从工件20喷走。具体地，压缩空气入口28将压缩空气供应至控制箱27，控制箱27将压缩空气的流控制到达压缩空气出口30和焊炬头14。在图中显示的系统10使用在60和100psi之间的压缩空气，但是可以以不同的设置进行操作。通过熔化并将熔融金属从远离工件20的局部区域喷走，电弧和压缩空气进行配合以有效地从工件20的局部区域去除材料，从而刨削、切割、刻痕或者以另外的方式修改工件20。基于焊炬头14相对于工件20的移动、焊炬头14的操作设置、工件20和电极24的特性以及其他变量，可以以不同的量和图形从工件20去除材料。系统10也可以包括用于去除熔融金属的真空系统，比如在名为“Vacuum Carbon Air Metal Removal Processand Apparatus”的第4,797,528号美国专利中公开的系统、装置和工艺，该美国专利的内容通过引用并入本文。

AC电力接入27提供用于操作控制箱12、在焊炬头14中的电动机41（图4和图5）以及牵引系统42的电源。在图1中显示的AC电力接入27优选地以每60赫兹120伏特或每50赫兹220伏特进行操作，但是可以以可替代的设置进行操作。参照图2，控制箱12包括两个插头27a和27b，一个用于以每60赫兹120伏特进行操作并且一个用于以每50赫兹220伏特进行操作。电动机41位于焊炬头14内，并且配置成朝向或远离工件20馈送或缩回电极24。电动机由从控制箱12延伸至焊炬头14的电动机馈送34a和电动机缩回34b进行控制。牵引系统42为用于导致焊炬头14的横向移动的底盘，比如，采用电动机和轮子。牵引系统42也可以包括用于支撑牵引系统42的移动并使其变得容易的成对轨道。牵引系统接入43向牵引系统42提供电力，并且可以以120伏特或220伏特进行操作。

电动机41基于来自电压传感线36的输入通过控制箱12进行控制。例如，当在图1中显示的系统10处于操作时，电压传感线36、电压接地线38以及接触器接合40（在致动以被闭合时）配合以限定具有基于在电极24和工件20之间的距离而改变的电压的闭合电路。当系统10处于操作并且在电弧模式中时，电压与在电极24和工件20之间的距离成比例。换言之，当电极24朝向工件20移动时，由电压传感线36测量的电压将降低。同样地，当电极24远离工件20移动时，由电压传感线36测量的电压将提高。

在图中显示的远程悬吊件16包括用于转换并选择系统10的操作模式的模式选择按钮46a、46b和46c。操作模式和其他参数得以显示在显示屏幕48上。在图中显示的远程悬吊件16也包括用于通过牵引系统42调节焊炬头14的位置的行驶按钮52以及用于相对于焊炬头14馈送或缩回电极24的点动按钮54a和54b。在图中显示的远程悬吊件16进一步包括用于调节系统10的操作模式和/或操作设置的旋转拨盘58。

在操作期间，系统10的各个零件可以沿着不同的轴相对于彼此移动。例如，在图中显示的系统10中：焊炬头14能够通过牵引系统42相对于工件20移动；工件20能够通过固定装置22相对于焊炬头14旋转；并且电极24能够通过电动机41朝向或远离工件20移动（图4和图5）。

标准操作模式

当操作人员期望使用系统10以将工件刨削成具有平滑的、相对地或完全地恒定的表面时，他/她可能希望以标准操作模式来操作系统。在标准操作模式中，焊炬头14或固定装置22以恒定的、期望的行驶速率移动，并且控制箱12维持贯穿工件20的期望的电压。

如果工件20是平的，则操作人员可以将牵引系统42设定为贯穿工件20的期望的行驶速率。由于牵引系统42和焊炬头14沿直线贯穿工件20移动，因此工件20得以确保在合适的位置。

如果工件20是圆的，则操作人员可以持续地旋转固定装置22，以生成环绕工件的同心环。在该工艺中，牵引系统42和焊炬头14得以维持在恒定的位置的同时，固定装置22和工件20旋转，以便生成同心环。在环得以刨削之后，操作人员可以停止电弧并沿着工件的轴横向地移动焊炬头14，以便确定下一个环的位置。

不考虑工件20是否为圆形的或平的，当系统10在标准操作模式下操作时，操作人员将控制箱12设定为期望的电压，并且电动机41得以自动地致动以朝向或远离工件20移动电极24，以便在电压传感线36中维持操作人员规定的电压。例如，通过使用调节旋钮58，系统10操作人员将目标电压和期望的电压范围输入至控制箱12。作为进一步的实例，系统操作人员可以选择以具有+/-0.5伏特范围的40伏特的期望电压操作在图1中的系统10。当系统10配置成维持操作人员规定的电压时，电弧的强度和从工件20去除的材料的量贯穿工件20的平的或恒定的部分保持恒定或基本恒定。

在选择期望的设置（比如，牵引系统42的横向速度或固定装置22的旋转速度以及贯穿工件20的期望电压）之后，操作人员可以按下开始按钮50，并且使电流从焊接电源25行进到电极24，使得在电极和工件20之间形成电弧。如果操作人员按下停止按钮56，电流将不再从焊接电源25流至电极24，并且在电极24和工件20之间的电弧将终止。

由于电弧的电压，并因此材料从工件20去除的速率，取决于在电极24的末梢尖端和工件20之间的距离，如果在操作人员开始使用系统10之前工件20为平的、齐平的、光滑的和/或其他恒定表面，则标准操作模式对于生成相对平的、齐平的、光滑的和/或其他恒定表面是有效的。然而，使用标准操作模式的操作人员可能在工件20的表面内降低不规则上存在困难。更具体地，因为控制箱在标准操作模式期间在工件20和电极24之间维持恒定的距离，电极24将倾向于跟随并可能放大表面不规则，而不是降低它们。

图8为位于固定装置22内的工件20和电极24的横截面图。工件20包括围绕工件20的圆周具有大体上恒定厚度的硬面部分，除了硬面已经碎裂或磨损的凹陷62。如果系统10在图8中显示的工件20上在标准操作模式下进行操作，则其将基于操作人员的输入将硬面去除到特定的深度。例如，系统10可以具有期望的电压设置，以便将硬面去除到如虚线64所示的深度。

因为在标准操作模式下操作的系统将大体上在电极24的末梢端部66和待被加工的工件20的部分之间维持恒定的距离，所以虚线64将围绕工件20的恒定直径部分保持为相对平滑并恒定。然而，当电极24接近凹陷62时，其将通过向下移动至凹陷62内并去除其材料而跟随凹陷62。其结果是，后加工的凹陷可能比原始的凹陷62更深并更大。

手动校正模式

另一个这样的操作模式，手动校正模式，与标准操作模式一样进行操作，但是允许系统10操作人员使电动机41超负荷，以便使在工件20的表面内的表面不规则最小化或者消除表面不规则。例如，如图6和图7所示，远程悬吊件16包括粗调按钮（rough button）68，以便在粗调按钮68被按下的同时使电动机停转并阻止电极24朝向工件20移动。当电动机41得以停转时，由于电极24被耗完，因此电极24不再向前移动，并且结果是焊炬头14不再有电弧。在该时间内，贯穿工件20的电压降低至零。

例如，当系统操作人员按下粗调按钮68时，远程悬吊件16通过信号70发送电信号至控制箱12，信号70可以为无线信号或有线信号。反过来，只要粗调按钮68被按下，控制箱12就使电动机41失效，以便阻止电极24朝向或远离工件20移动。一旦电极24清除了凹陷62或其他表面不规则，则操作人员将优选地释放粗调按钮68，并且电动机41将以恒定或基本恒定的深度重新从事并恢复刨削过程。

再次转向图8，系统操作人员将在电极24刚好到达凹陷62的前沿72之前最佳地按下粗调按钮68，从而阻止电极24移动到凹陷62内并跟随表面不规则。然后，系统操作人员将在电极24刚好到达凹陷62的后沿74之前最佳地释放粗调按钮68，从而恢复刨削过程。

当在手动校正模式下操作系统10时，操作人员优选地保持与工件20的视觉上的联系，或者通过经由适当的防护眼镜或半透明或透明防护罩，或者通过在与操作系统相距安全距离处的视频显示器的辅助来观察工件20。在任何一个情况下，必不可少的是，操作人员保持与系统的安全距离，并且遵从用于焊接和/或刨削过程的所有其它适当的安全规程。

自动校正模式

还有另一种这样的操作模式，自动校正模式，其与手动校正模式一样进行操作，但是允许系统10在电极24接近在工件20上的表面不规则时自动地使电动机41停转。在图1中描绘的水平定位控制18优选地包括用于检测表面不规则的接触式和/或非接触式传感器或者其他设备。当水平定位控制18检测到不规则时，控制箱12在电极24到达表面不规则的前沿时自动地停转电动机41，并且在电极24到达表面不规则的后沿时恢复刨削过程。与手动校正模式一样，当电动机41得以停转时，由于电极24被耗完，因此电极24不再向前移动，并且结果是焊炬头14不再有电弧。

在接触式传感器的情况下，水平定位控制18可以包括触针或其他物理设备，其在沿着对于焊炬头14的行驶方向进行测量时优选地位于电极前面。触针或其他物理设备可以为弹簧加载，或者以其他方式自由地在垂直于工件的表面的方向上移动，以便跟踪其表面。此外，当沿着对于焊炬头14的行驶方向进行测量时，触针或其他物理设备可以位于在电极前面的最小间隙距离处，以便降低触针或其他物理设备被熔融金属损坏的可能性。在该情况下，在电极24和触针或其他物理设备之间的距离优选地为相对恒定，并且所述距离得以输入至控制箱12，因此控制箱12能够基于触针或其他物理设备的位置确定电极的位置。此外，如果系统10包括用于去除熔融金属的真空系统，比如在名为“Vacuum Carbon Air Metal Removal Process and Apparatus”的第4,797,528号美国专利中公开的系统、装置和工艺，则其可以降低接触式传感器由熔融金属损坏或破坏的可能性和/或提高接触式传感器的性能。

在非接触式传感器的情况下，水平定位控制18可以包括用于检测在工件20的表面上的不规则的激光器、光学设备或其他非接触式传感器。非接触式传感器优选地针对在沿着对于焊炬头14的行驶的方向进行测量时在电极前面的位置。此外，非接触式传感器的物理零件可以位于与电极的末梢端部的相距最小间隙距离处，以便降低触针或其他物理设备由熔融金属损坏的可能性。如上针对接触式传感器所述的，真空系统可以提高非接触式传感器的性能和/或部件寿命。

通过保持电弧电压或安培数以及恒定的行驶速度，通过系统10在工件20内形成的沟槽可以非常精确，比如在0.025"（0.635mm）的目标深度内。

系统可以使用彼此搭配的电极24，以便提供电极24的不间断的馈送。例如，系统10可以使用用于产生长度不限的沟槽的具有锥形的公和母端部的

Jointed Jetrod电极。

比如电极尺寸、期望深度、DC电流、行驶速度的信息以及其他系统参数可以储存在在控制箱12或远程悬吊件16中的微处理器中，并且可以通过在远程悬吊件16上的显示屏幕48而显示给系统操作人员。如下的图表提供了可以用于选择电极尺寸、期望深度、DC电流和行驶速度的示例性信息：

在控制箱12和/或远程悬吊件16中的微处理器也可以记录系统诊断数据，比如刨削运行时间、操作参数、低压关断事件以及其他可以对于诊断并修理问题有帮助的其他信息。低压关断事件发生在供应至系统10的电压降低至低于28伏特时，以便使对系统的潜在损害最小化或使其降低。

在一个可选的实施方案中，悬吊件通过无线连接得以可操作地连接到控制箱12。在另一个可选的实施方案中，悬吊件安装至控制箱12或者悬吊件控制被集成到控制箱12。

在另一个可选的实施方案中，系统通过维持贯穿工件的恒定电流进行操作，而不是如上所述维持恒定的电压。

应当注意的是，本公开并不限于作为实例所描述的并示出的实施方案。各种各样的修改已经被描述，并且更多的是本领域技术人员的知识的一部分。这些和进一步的修改，以及通过技术等效物进行的任何替代可以被添加到本说明书和附图，而不脱离本公开和本专利的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于降低在工件表面内的不规则的空气碳电弧系统，包括：

控制箱；

焊炬头，所述焊炬头能够操作地连接到所述控制箱，并且配置成与所述工件配合以产生电弧；以及

悬吊件，所述悬吊件能够操作地连接到所述控制箱，并且具有用于降低在所述工件表面内的不规则的工具。

2.根据权利要求1所述的空气碳电弧系统，其中所述焊炬头包括用于与所述工件配合来产生电弧的电极，以及用于使所述电极朝向或远离所述工件前进或缩回的电动机。

3.根据权利要求2所述的空气碳电弧系统，其中用于降低在所述工件表面内的不规则的所述工具包括用于使所述电动机停转，并且阻止所述电动机使所述电极朝向或远离所述工件前进或缩回的操作人员输入。

4.根据权利要求3所述的空气碳电弧系统，其中用于降低在所述工件表面内的不规则的所述工具进一步包括用于使所述电动机停转，并且阻止所述电动机使所述电极朝向或远离所述工件前进或缩回的自动操作。

5.根据权利要求4所述的空气碳电弧系统，其中所述系统进一步包括用于检测在所述工件表面内的不规则的接触式传感器。

6.根据权利要求5所述的空气碳电弧系统，其中所述接触式传感器包括触针。

7.根据权利要求4所述的空气碳电弧系统，其中所述系统进一步包括用于检测在所述工件表面内的不规则的非接触式传感器。

8.根据权利要求7所述的空气碳电弧系统，其中所述非接触式传感器包括激光器。

9.根据权利要求1所述的空气碳电弧系统，其中所述悬吊件包括用于储存系统参数信息的微处理器。

10.根据权利要求9所述的空气碳电弧系统，其中所述悬吊件包括用于显示所述系统参数信息的显示屏幕。

11.根据权利要求9所述的空气碳电弧系统，其中所述微处理器配置成储存系统操作信息。

12.根据权利要求11所述的空气碳电弧系统，其中所述悬吊件包括用于显示所述系统操作信息的显示屏幕。

13.一种用于降低在工件表面内的不规则的空气碳电弧装置，包括：

控制箱；

焊炬头，所述焊炬头能够操作地连接到所述控制箱，并且配置成与所述工件配合以产生电弧；以及

悬吊件，所述悬吊件能够操作地连接到所述控制箱，并且具有用于降低在所述工件表面内的不规则的工具。

14.一种用于降低在工件表面内的不规则的方法，包括：

操作空气碳电弧系统以从所述工件表面去除材料，其中所述空气碳电弧系统包括控制箱、焊炬头以及悬吊件，所述焊炬头具有电极，并且能够操作地连接到所述控制箱，并且配置成与所述工件配合以产生电弧，所述悬吊件能够操作地连接到所述控制箱；

测量贯穿所述工件的电压；

控制所述电极关于所述工件表面的位置，以便将贯穿所述工件的电压维持基本恒定；以及

在检测到在所述工件表面内的不规则时，中断控制所述电极的位置的步骤。

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