CN104646831B - 用于空间偏移部件的复合焊接设备、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于空间偏移部件的复合焊接设备、系统和方法。复合焊接方法包括将来自激光器的激光束引导到相对于第二部件竖向偏移的第一部件上，以及将来自弧焊机的焊弧引导到位于第一部件与第二部件之间的焊缝上，以便将第一部件与第二部件焊接在一起。
Description
背景技术
本说明书中公开的主题涉及焊接，并且更为具体地涉及用于空间偏移部件的复合焊接。
焊接可用于多种不同的工业装置中的多种制造或维修过程。例如，焊接可用于将多种部件连结在一起、对用过的部件中的裂缝、间隙或缺陷进行维修、在用过的或新的部件中积累材料、或将具体应用所需的一个或多个部件以其它方式焊接或连结在一起。然而，焊接可发生的效率(ability)或速度可受限于多个因素，这多个因素包括正被焊接的部件的厚度和对齐方式以及焊接设备的功率。
复合焊接可将激光焊接与弧焊的利用相结合以便在仍旧实现全透(fullpenetration)的同时可能地以较快的速率进行焊接。然而，由于部件变厚，全透会仍旧需要增大激光功率。因此可对激光焊机和弧焊机的构造进行调整以影响焊接结果。例如，复合焊接可包括使用前导激光焊机，继之以使用前倾弧焊机以便提供相对平滑的焊缝。然而，这种构造可还在基材部件的相对取向方面受到限制。例如，竖向偏移超过约0.04英寸的部件会需要附加调节以确保两个部件的全透焊接(full penetration weld)。然而，这些附加调节还会取决于在运转期间改变焊接参数以提供一致的结果的适应性焊接控制。
因此，替代的复合焊接设备、系统和方法在本领域中会是受欢迎的。
发明内容
在一个实施方式中，公开了一种复合焊接方法。该复合焊接方法包括将来自激光器的激光束引导到相对于第二部件竖向偏移的第一部件上，以及将来自弧焊机的焊弧引导到位于第一部件与第二部件之间的焊缝上以便将第一部件与第二部件焊接在一起。
在另一实施方式中，公开了一种复合焊接设备。该复合焊接设备包括：激光器，该激光器产生被引导到相对于第二部件竖向偏移的第一部件上的激光束；和弧焊机，该弧焊机产生被引导到位于第一部件与第二部件之间的焊缝上的焊弧。
在再一实施方式中，公开了一种复合焊接系统。该复合焊接系统包括：复合焊接设备，该复合焊接设备包括产生激光束的激光器；和产生焊弧的弧焊机。该复合焊接系统还包括相对于第二部件竖向偏移的第一部件，其中，激光束被引导到第一部件上并且焊弧被引导到位于第一部件与第二部件之间的焊缝上。
鉴于结合附图进行的下列详细说明，由本说明书中所讨论的实施方式提供的这些和附加特征将得到更为充分的理解。
附图说明
附图中所阐述的实施方式在本质上是说明性的且是示例性的且并不意欲限制由权利要求所限定的本发明。对说明性实施方式进行的下列详细描述可在结合附图进行阅读时得到理解，其中，相似的结构以相似的附图标记指代，并且附图中：
图1是根据本说明书中所示和所述的一个或多个实施方式的复合焊接系统的示意性表示的透视图；
图2是根据本说明书中所示或所述的一个或多个实施方式的复合焊接方法；和
图3是由根据本说明书中所示或所述的一个或多个实施方式的复合焊接系统形成的全透焊接的截面图。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个具体实施方式。在试图提供对于这些实施方式作出的简明描述的过程中，不可能在说明书中对实际实施方案的所有特征进行描述。应该了解的是，在任一这种实际实施方案的研发过程中，如在任一工程或设计方案中，必须作出多种为实施方案所特有的决定以实现研发者的具体目的，例如服从与系统相关并与商业相关的约束条件，这在实施方案之间可能是不同的。此外，应该了解的是，这种研发努力可能是复杂而耗时的，尽管如此，它对于受益于本公开的本领域技术人员而言会是一种设计、加工、和制造的常规任务。
当介绍本发明的多种实施方式的元件时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”意欲意指存在元件中的一种或多种。术语“包括”、“包含”和“具有”意图在于是包括性的并且意指可能存在除所列元件之外的附加元件。
如本说明书中所公开的用于空间偏移部件的复合焊接系统主要包括复合焊接设备和其间具有焊缝的两个空间偏移部件。该复合焊接设备主要包括激光器和弧焊机。激光器将激光束引导到相对于第二部件至少竖向偏移的第一部件上。弧焊机将焊弧朝向位于第一部件与第二部件之间的焊缝引导。与将激光引导至焊缝自身成对比，将激光引导到第一部件上可在较少初始焊缝准备和/或无需适应性控制的情况下在两个空间偏移的部件之间提供全透焊接。现在，将在本说明书中更为详细地描述用于空间偏移部件的复合焊接设备、系统和方法。
现在参照图1进行说明，示意性地示出了复合焊接系统10，该复合焊接系统10包括复合焊接设备20和两个空间偏移部件62和64。
第一部件62和第二部件64可包括待被焊接在一起的空间偏移的任意两种材料。如在本说明书中所使用的那样，“空间偏移”指的是沿竖向方向y和/或水平方向x分离开(其中，焊接方向z垂直于包括竖向方向y和水平方向x的平面)。第一部件62和第二部件64可包括两个分离开的且性质不同的零件(例如，集合在一起的管道)或者可包括单个零件上的由将要被焊接的空间分离开的两个不同的区域(例如，管道中的裂缝)。
在一些实施方式中，第一部件62可相对于第二部件64竖向偏移61。例如，第一部件62可相对于第二部件64竖向偏移61至少约0.02英寸。在一些实施方式中，第一部件62可相对于第二部件64竖向偏移61至少约0.05英寸。甚至在一些实施方式中，第一部件62可相对于第二部件64竖向偏移61高达且包括0.125英寸。
第一部件62和第二部件64可出于多种原因竖向偏移61。例如，第一部件62和第二部件64可包括彼此抵靠在一起的直径不同的管道，可包括厚度不同的工件使得较厚的部件竖向高于其它部件，可包括随着焊缝54沿焊接方向z前进而在竖向方向y上升降的不一致的边缘，或者可在提供竖向偏移61的构造中以其它方式对齐，如本说明书中所讨论的。
在一些实施方式中，第一部件62可另外相对于第二部件64水平偏移63。例如，第一部件62可相对于第二部件64水平偏移63至少约0.01英寸。在一些实施方式中，第一部件62可相对于第二部件64水平偏移63至少约0.02英寸。甚至在一些实施方式中，第一部件62可相对于第二部件64水平偏移63高达且包括0.045英寸。
与竖向偏移61相似，水平偏移63可以是多种原因的结果。例如，部件62和64中的一个或两者可具有随着焊接沿焊接方向z前进而沿水平方向x偏离的不一致的边缘，或者可在提供水平偏移63的构造中以其它方式对齐，如本说明书中所讨论的。
第一部件62与第二部件64之间的空间偏移(即，竖向偏移61和可能的水平偏移63)可针对焊缝54的整个长度或针对焊缝54的一个或多个部分呈现出来。例如，当第一部件62与第二部件64包括相对一致的边缘(例如被放在一起的直径不同的齐断管(cleanly cutpipes))，至少竖向偏移61可被呈现出来并且对于焊缝54的大致整个长度都是可能地相对一致的。作为选择，在第一部件62和/或第二部件64包括不一致的边缘或者成微小的角度对齐的情况下，竖向偏移61和可能的水平偏移63可沿焊缝54的长度沿焊接方向z变化。例如，竖向偏移61可相对于沿焊接方向z的位置增大以及减小，并且可甚至仅针对其若干部分存在。
待焊接的部件62和64可从诸如含铁材料和非铁材料之类的材料中选择。含铁材料和非铁材料的示例包括但不限于超级合金、低碳钢、高强度钢、不锈钢、钛、铝、及其组合。
仍旧参照图1，除了第一部件62和第二部件64之外，复合焊接系统10还包括复合焊接设备20。复合焊接设备20自身包括激光器30和弧焊机40。
激光器30可包括可产生激光束32并将激光束32朝向部件62和64中的一个引导的任何激光系统。例如，在一些实施方式中，激光器30从Nd:YAG激光器、CO2激光器、纤维激光器、或盘形激光器中选择。在一些实施方式中，激光器30是高功率密度激光器。
激光器30产生激光束32。激光束32被朝向第一部件62或第二部件64引导。具体来说，激光束32可被朝向较高的偏移部件62(如所示)或较低的偏移部件64引导。此外，激光束32可被相对于焊缝54以多种角度引导，例如0度的角度(即，垂直于焊缝54，如所示)或者相对0度基准成约正30度至约负30度。通过将激光束32只提供到竖向偏移部件62和64中的的一个(与焊缝54自身对比)上，激光束32可随着焊接沿焊接方向z进行而在无需适应性控制的情况下促进焊缝54的完全焊透。
激光器30的激光头31可与第一部件62的顶面83和第二部件64的顶面85中的一个间隔开高度22。在一些实施方式中，高度22可基于激光头31的运转要求。在一些实施方式中，随着焊接沿焊接方向z行进，激光头31与第一部件62的顶面83和第二部件64的顶面85中的一个之间的高度22保持固定。在其它实施方式中，随着焊接沿焊接方向z行进，激光头31与第一部件62的顶面83和第二部件64的顶面85中的一个之间的高度22改变(例如由于移动的激光头和/或不平坦的表面83或85)。
在一些实施方式中，如在图1中所示的实施方式中，激光束32具有焦点34，该焦点34聚焦在部件62的表面83与部件64的表面85中的一个上。在这种实施方式中，焦距(即，激光束32在激光头31与焦点34之间的长度)与激光头31和第一部件62的顶面83和第二部件64的顶面85中的一个之间的距离22相同。这种实施方式可通过将所有的或大部分的激光能量聚焦在较小的表面区域上并且提供较大的穿透能力来将最大的激光功率提供至相关的部件62和64。具体来说，通过将所有的或大部分的激光能量聚焦于表面83和85中的一个，与将其分配至更宽的区域相反，这种实施方式可利用功率相对较低的激光器30(例如，小于或等于约4kW，例如用于焊接厚度高达约6.35mm的部件)。对于较厚的部件，会需要更高的激光器功率，例如高达或超过20kW。
仍旧参照图1进行说明，除了激光器30以外，复合焊接设备20还包括弧焊机40。在一个实施方式中，弧焊机40从包括可消耗电极44的焊机和送丝的具有不可消耗电极的焊机中选择，其中，包括可消耗电极44的焊机例如为但不限于气体金属弧焊机(GMAW)(例如金属惰性气体(MIG)焊机)、包芯焊条弧焊机(FCAW)，送丝的具有不可消耗电极的焊机例如为但不限于送丝的气体钨极弧焊机(GTAW)和送丝的等离子弧焊机(PAW)。
弧焊机40产生沿焊接方向z行进的焊弧42。在一些实施方式中，激光束32可同时并紧邻焊弧42产生以提高来自两种源头的能量的组合。在一些实施方式中，激光束32并不与焊缝54具有任何重叠。通过减少或消除该重叠，焊缝54可具有更为一致的特性。
在一些实施方式中，激光器30和弧焊机40安装在分离开的位置中。在其它实施方式中，例如图1中所示的实施方式中，激光器30和弧焊机40安装在单个固定件90上。此外，在一些实施方式中，激光束32可在焊接过程中具有大致恒定的焊接功率。例如，当激光束32并不与焊缝54重叠时，可能无需适应性地控制激光束32而仍旧产生一致的焊缝。
另外参照图2进行说明，示出了用于焊接至空间偏移部件62和64的方法100。方法100包括在步骤110中将来自激光器30的激光束32引导到相对于第二部件64竖向偏移61的第一部件62上，如在本说明书中公开的。方法100还包括在步骤120中将来自弧焊机40的焊弧42引导到位于第一部件62与第二部件64之间的焊缝54上以便将第一部件62与第二部件64焊接在一起，也如在本说明书中公开的。应该了解到的是，步骤110和120可同时或者以任何相关的次序开始、停止和发生以获得满足需要的焊缝54。
示例
两个圆形部件被邻近于彼此放置，以便利用如本说明书中公开的复合焊接系统来执行焊接。部件中的每一个均包括一块0.25英寸厚的不锈钢304L，其中，第一部件竖向偏移约0.125英寸并且水平偏移约0.045英寸。
激光器产生8kW的激光束，并且弧焊机包括在电压设定值为26.5V的情况下以350imp的送丝速率产生焊缝的GMAW。激光束和焊弧沿焊接方向以60英寸每分钟(ipm)的速度行进。微观分析验证实现了全透焊接(图3中呈现)。
现在应该了解到的是，与将激光引导到焊缝自身相反，将激光引导到第一部件上可在较小的初始焊缝准备和/或无需适应性控制的情况下在两个空间偏移部件之间提供了全透焊接。这种复合焊接设备、系统和方法可由此提供了对于空间偏移部件的更为有效的焊接。
尽管已经仅结合有限数量的实施方式详细描述了本发明，但应该容易地明白的是，本发明并不限于这种公开的实施方式。相反，可对本发明进行更改以结合任何数量的迄今为止并未描述但与本发明的精神和范围相当的变型、改变、替代或等效结构。此外，尽管已经描述了本发明的多种实施方式，但将会了解到的是，本发明的多个方面可仅包括所述实施方式中的一些实施方式。因此，本发明并不被视为受限于前述描述，而是仅受限于所附权利要求的范围。
Claims (12)
1. 一种复合焊接方法，包括：
将来自激光器的激光束引导到相对于第二部件竖向偏移的第一部件上；以及
将来自弧焊机的焊弧引导到位于所述第一部件与所述第二部件之间的焊缝上，以便将所述第一部件与所述第二部件焊接在一起，其中，所述第一部件和所述第二部件的相邻端水平偏移，并且所述第一部件与所述第二部件水平地且垂直地分离开一距离，所述第一部件的顶面与所述第二部件的顶面平行但不共面，并且所述第一部件的底面与所述第二部件的底面平行但不共面，其中，所述第一部件和所述第二部件在焊接部位处水平不重叠，并且其中，所述激光束聚焦在所述第一部件的位于背离所述第二部件的一侧的顶面上。
2.根据权利要求1所述的复合焊接方法，其特征在于，所述激光束并不与所述焊缝重叠。
3. 根据权利要求1所述的复合焊接方法，其特征在于，所述第一部件相对于所述第二部件竖向偏移从0.02 英寸至0.125 英寸。
4. 根据权利要求1所述的复合焊接方法，其特征在于，所述第一部件相对于所述第二部件水平偏移从0.02 英寸至0.045 英寸。
5.根据权利要求1所述的复合焊接方法，其特征在于，所述激光束在焊接过程中具有大致恒定的功率。
6. 根据权利要求1所述的复合焊接方法，其特征在于，所述激光器具有小于或等于8kw的功率。
7.一种复合焊接系统，包括：
复合焊接设备，所述复合焊接设备包括产生激光束的激光器；
弧焊机，所述弧焊机产生焊弧；和
相对于第二部件竖向偏移的第一部件，其中，所述激光束被引导到所述第一部件上并且所述焊弧被引导到位于所述第一部件与所述第二部件之间的焊缝上，
其中，所述第一部件和所述第二部件的相邻端水平偏移，并且所述第一部件与所述第二部件水平地且垂直地分离开一距离，所述第一部件的顶面与所述第二部件的顶面平行但不共面，并且所述第一部件的底面与所述第二部件的底面平行但不共面，其中，所述第一部件和所述第二部件在焊接部位处水平不重叠，并且其中，所述激光束聚焦在所述第一部件的远离所述第二部件的一侧的顶面上。
8.根据权利要求7所述的复合焊接系统，其特征在于，所述激光束并不与所述焊缝重叠。
9. 根据权利要求7所述的复合焊接系统，其特征在于，所述第一部件相对于所述第二部件竖向偏移从0.02 英寸至0.125 英寸。
10. 根据权利要求7所述的复合焊接系统，其特征在于，所述第一部件相对于所述第二部件水平偏移从0.02 英寸至0.045 英寸。
11.根据权利要求7所述的复合焊接系统，其特征在于，所述激光器在焊接过程中以大致恒定的功率产生所述激光束。
12. 根据权利要求7所述的复合焊接系统，其特征在于，所述激光器具有小于或等于8kw的功率。
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