CN104827161B - 高压电弧焊接 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在高压情况下进行电弧焊接的装置。本发明的装置包括用于提供焊接电流和/或焊接电压的供电装置（10）、用于形成带有焊接部位（14）的焊接室（13）的隔板（11）、焊接设备（15），该焊接设备设置在或可设置在焊接室（13）中，且通过电连接线（16、17、17′）经由隔板（11）与供电装置（10）连接或可连接。本发明还涉及一种用于使得相应的焊接装置工作的方法。

Description

高压电弧焊接

技术领域

本发明涉及一种用于在高压情况下进行电弧焊接的装置。本发明还涉及一种用于使得具有焊接设备的焊接装置工作的方法，借助于该焊接设备在高压（hyperbar）气氛中进行电弧焊接。

背景技术

DE 1 145 729 AS公开了一种用于特别是利用二氧化碳进行保护气体电弧焊接的装置，其具有连续进给的可熔性电焊条和在焊接电路中与电弧串联的感应电阻。

CH 421 339 PS披露了一种用于传送丝线状或带条状电焊条的装置，其带有用于引导焊条的两对卷轴，其中，每对卷轴都驱动至少一个卷轴，而每对卷轴中都有一个卷轴可以借助能调节的弹簧弹性地朝向另一个卷轴移动或者从其移开。

已知的用于电弧焊接的装置和带有用来实现在高压气氛中进行电弧焊接的焊接设备的焊接装置的工作方法，在焊接时导致各种不同的问题，而这些问题在大气条件下并不存在。隧道钻孔工程的计划和实施在世界范围内与日俱增，这对隧道钻孔装置的制造商和运营商提出了严峻的挑战。这牵涉到巨大的时限压力和成本压力，因而需要能在持续的工作中快速地成本低廉地进行更换和维修作业。这尤其包括修理钻孔装置的因磨耗式磨损而损坏的切割轮和切割钢。为了尽可能少地浪费时间，最好直接在开挖面墙的前面在使用地点对隧道钻孔机的钻孔装置的切割钢进行维修。在这种情况下将产生相应高的环境压力。当时存在一些扩展至1巴~20巴的压力范围的工程。

发明内容

本发明的目的是，提出一种焊接装置和一种用于使得相应的焊接装置工作的方法，借此能实现在高压的不利环境下进行有效焊接。在此特别是要给使用者提供高度的灵活性和操作舒适性。

该目的通过一种用于在高压下进行电弧焊接的装置得以实现，该装置包括用于提供焊接电流和焊接电压的供电装置、用于形成带有焊接部位的焊接室的隔板、焊接设备，该焊接设备设置在或可设置在焊接室中，且通过电连接线经由隔板与供电装置连接或可连接。

通过本发明的装置产生了一种非常可靠而有效的用于电弧焊接的装置，因为特别是把供电装置设置在大气侧，且通过带有高压侧面的隔板能实现与焊接设备连接，该焊接设备尤其可以是焊炬或手工焊接设备。

此外，优选使得至少一个压缩气体管线和/或至少一个控制导线穿过隔板，由此提高了安全性。这样就能由焊接室控制供电装置，另外，把气体容器放置在大气环境下，由此提高了安全性。优选在焊接室中设置冷却装置。该冷却装置特别是用于冷却焊接设备，因而特别是给焊接设备例如设置冷却水。由此把冷却装置设置在高压区域中。冷却装置具有冷却液体储备器，该冷却液体储备器与高压区域中的大气或环境空气连通。这具有的优点是，用来输送冷却液体的软管连接线不会因焊接室中的高压而卡住或挤压出。冷却装置优选把冷却液体引导经过焊接设备，其中，焊接设备和冷却装置与至少一个软管连接。通过冷却装置上的压力补偿，可以在此采用软管，从而操作人员能够很好地操作焊接设备。

焊接设备优选以连续地进给的电焊条工作，且在焊接室中设置有与焊接设备分开的第一焊丝进给装置。第一焊丝进给装置特别是包括焊丝储备器。例如把焊丝储备器卷绕在卷轴上，并借助第一焊丝进给装置从焊丝卷轴抽出，且朝向焊接设备输送。电焊条在此优选被软管或外壳包套，以便无论操作人员还是焊丝都受到免于损伤的保护。

优选在焊接设备上设置有第二焊丝进给装置。该第二焊丝进给装置优选按照拉-推法（推/拉）工作。特别优选地，第二焊丝进给装置内置在焊接设备中。若出现相应的问题，则可以由操作人员简便地把焊接设备包括第二焊丝进给装置在内全都更换掉，从而浪费的时间较短。

优选在焊接室中设置有控制装置，借此可控制或控制供电装置。操作人员可以在控制装置中例如调节焊接电流，且例如调节焊丝进给速度。也可以设置有紧急按钮和其它还将在下面介绍的控制部件。控制装置通过电连接线和隔板或者通过无线电与供电装置连接，并相应地控制供电装置。控制装置特别为操作装置或远程操作机构，且用于调节焊接参数。

特别优选把供电装置设置在大气压力下，和/或使得焊接室置于高压压力下，和/或焊接室处于高压压力下。

特别优选设置有第一焊丝进给装置，其具有用于接至焊接设备的电子连接线、电连接线、气体连接线和/或冷却水连接线的分布功能。第一焊丝进给装置因而集成了连接电缆、冷却水连接软管、气体管线和/或电焊条连接线，其从冷却装置、供电装置或气体储备装置伸展至焊接设备和控制装置。

第一焊丝进给装置特别是还具有焊丝储备器，且相应的软管组也就是可将多个组件比如电子线路和电线路、水管线、压力气体管线内置于其中的软管从隔板伸展至第一焊丝进给装置，相应地伸展至其它组件。

所述目的还通过一种用于使得带有焊接设备的焊接装置工作的方法得以实现，借此在高压气氛中进行电弧焊接，该方法具有如下方法步骤：

－ 连续地进给电焊条；

－ 提供经由电焊条和电弧流至工件的焊接电流，其中，把电流强度调节至恒定的第一值。

所述调节至恒定的值优选利用PID调节器来进行。在本发明的范围内，PID调节器也是PI调节器。根据本发明的PI调节器优选具有PT1特性。优选监视焊接电压，且在焊接电压下降到可设定的值以下时，把电流强度调节至大于第一值的第二值，和/或降低电焊条的进给速度。

电弧焊接优选是MAG焊接、MAG-F焊接、MIG焊接或MOG焊接。头三种焊接方式是所谓的金属-保护气体焊接。MAG焊接表示金属-活性气体焊接，MAG-F焊接表示利用填充焊丝进行的金属-活性气体焊接，MIG焊接表示金属-惰性气体焊接，MOG焊接表示无保护气体却利用能自我保护的填充焊丝进行的金属焊接。出于工作安全的原因，这些焊接方法设有最大65伏的空载电压限制。此外，为设备操纵者设有紧急停下按钮。该紧急停下按钮可以设置在供电装置附近或者设置于其上，且补充地或者替代地设置在焊接设备和/或控制装置的附近或者设置于其上。优选针对MAG焊接、MAG-F焊接或MIG焊接把气体输入到焊接区域中，其中，气体压力和/或气体量根据在高压气氛中的压力大小特别是以直线相关的方式来调整。

通过设置气体，或者把气体输入到焊接区域中，焊接结果明显改善。在高压中焊接时已发现，必须提高气体量，确切地说，特别是与压力大小直线相关地进行提高。也就是说，相比于2巴的高压，在5巴高压下必须把更多的气体输入到焊接区域中。

优选规定一种利用本发明的装置用于对工具特别是隧道掘进机进行高压焊接的方法。

附图说明

由对本发明的实施方式的说明结合权利要求书和附图可得到本发明的其它特征。本发明的实施方式可以实现各个特征或多个特征的组合。

下面在不限制本发明的通用构思的情况下借助实施例参照附图阐述本发明，其中，本发明的在文本中未详述的所有细节都具体参见附图。其中：

图1为本发明的用于电弧焊接的装置的示意图；和

图2为本发明的焊接装置工作方法的示意性的方框图。

在这些附图中，相同的或同类的部件和/或部分均标有相同的附图标记，故分别略去重复的说明。

具体实施方式

图1示意性地示出本发明的用于在高压情况下进行电弧焊接的装置。示出了一种供电装置10，其设置在例如隧道的大气供应区域25内。根据图1的实施例，用于电弧焊接的装置也包括焊接设备15，该焊接设备可以称为手工焊炬且由操作人员操作，以便在工件上的焊接部位14进行焊接。该工件在图1中也被示意性地示出。

焊接通过电弧40来进行，该电弧从持续地进给的电焊条29延伸至焊接部位14。对于焊接和产生电弧所必需的功率即焊接电流和焊接电压由供电装置10来提供。焊接电流和焊接电压经由导线16从供电装置引至焊接设备15，并在那里特别是引至电焊条29。电连接线16穿过隔墙12的隔板11，以便把大气区域25与高压区域分隔开，所述高压区域称为焊接室13。

焊接室13又分为高压供应区域26和高压工作区域27。这两个区域用虚线示出地分隔开。

还有一些其它引线穿过隔板11，但这些管线未全部示出。例如，控制导线28引回到供电装置10，以便把例如通过远程操作机构21调节的控制信号经由电连接线16″和控制导线28引导至供电装置10，并在那里按照所选的调节来设定焊接电流、焊接电压，特别是还设定电焊条29的输送速度。此外，气体管线23穿过隔板11。气体管线23从气体瓶24穿过隔板11延伸至进给装置19，然后经由软管组（Schlauchpaket）17以及软管组17′到达焊接设备15。此外，可以设置有气体返回管线，其在图1中未示出，而且也穿过隔壁11。该气体返回管线用于把产生的烟气或者通过焊接产生的反应气体从焊接部位14引开。

为了冷却焊接设备15，设置有冷却装置18，其把冷却液体经由水软管22穿过进给装置19和软管组17及17′引导至焊接设备15，并相应地引回去。为明了起见，引回水软管在图1中未示出。冷却装置18具有压力补偿机构，以便使得在焊接室13中产生的压力经受冷却液体特别是水。通过在焊接室13中特别是在高压供应区域26中设置冷却装置18，可以有效地冷却焊接设备15。

进给装置19用于把电焊条29输送至焊接设备15。进给装置19优选还包括例如在卷轴上的电焊条储备器，并把电焊条相应地从该卷轴开卷，且将电焊条朝向焊接设备15输送。该焊接设备在进给装置19与焊炬之间的距离例如长达3米或4米的情况下能良好地工作。若距离较长例如长达20m，则最好附加地设置有焊丝输送装置20，其相应地牵拉焊丝，并把最后一段推压至焊接设备15的出口，即推压至电焊条。

根据一种特别优选的设计，焊接设备15内置地具有焊丝输送装置20。还可以设置有其它附加设备，其特别是通过进给装置19或者经过它穿过隔板与供电装置10电连接。所述附加设备例如可以是紧急开关或照明装置。此外也可以设置有加热设备比如加热垫，以便相应地加热工件以获得更好的焊接结果。

供电装置10优选具有多个组件。这些组件包括电网供电源、功率部分以及电压和电流测量装置。此外，也可以在供电装置上输入给定值，接通和切断设备本身，输出实际值或干扰信号。这里也可以进行各种不同的调节。例如可以设置有调节器，其接收电流和电压的测量值并与给定值比较，以便据此控制供电装置的功率部分。也可以规定，通过供电装置10对焊丝进给机构即进给装置19和/或还有焊丝输送装置20进行供电，优选还进行控制或调节。

所述调节特别是焊接电流调节尤其在模拟的基础上通过安置在供电装置10中的运算放大器来进行。供电装置10的功率电子机构采用二次脉冲法以20kHz和MOS-FET输出级进行工作。电流调节回路优选被构造成带有PT1特性的PI调节器。在此，电流给定值作为恒定的设定值被馈入到调节器中，且通过脉冲宽度调制器传递至功率部分的驱动级。电流实际值通过分流机构来截取，并通过差动输入放大器被标准化地传递至调节回路。除了用于电流限制和起动改善的电路外，还在电流调节器的上级设有动态的电压调整机构。该电压调整机构在焊接过程期间持续不断地测量过程电压，并在低于可调节的阈值例如20伏特时给电流调节器提供附加的给定值，从而给定值随之提高。该给定值在强度和速度方面即在静态和动态方面均可调节。通过这种组合来负责受控的电流上升，这避免了在焊接时确切地说特别是在短路阶段期间形成严重的尖峰。因而，焊接电压基本上自由变化，而焊接电流却被调节恒定。

工作区域总共分成三个区域：大气区域、高压供应区域和高压工作区域。在大气区域中安置了带有控制电子机构和功率电子机构的供电装置10以及保护气体供应机构和所有对于设备的能量供应必需的接头。还可以设置有另一外部的紧急开关，其允许监视人员在紧急情况下将整个焊接工艺设备的电流切断。在该区域之后是真正的钻头的高压区域。该区域在水面以下或者下坍地域进行钻孔时必须持续地处于高压下，以避免隧道天顶塌方。通过耐压的隔墙12，大气区域与高压区域分隔开。借助隔板穿引机构11，所有对于焊接工作必需的供应管线都穿过隔板11。所述管线系指焊接电流导线和控制导线以及工作区域中的保护气体供应机构。

借助本发明的装置不仅可以进行焊接工作，而且可以进行切割工作。

高压区域例如分成两个区域，即置于隧道钻孔工具的切割轮之前的供应区域和例如被图1中虚线所示的壁分开的区域。工作区域27被污物和水严重地污染，且在切割轮区域中直接位于开挖面墙之前。在供应区域中存放有外围设备、工具、替换件和所需要的焊接附件。这些设备以及焊接设备15通过未示出的人员闸门从大气区域关进高压区域和关出。对于工作必需的耗材和工具优选通过附加的材料闸门来传送。这些闸门本身是高压供应区域的组成部分。隔板穿引机构11是大气区域与高压区域之间的连接件。它防止位于高压区域中的空气逸出。通过它来传送控制和焊接电流回路以及保护气体供应机构。隔板11例如包括约30mm厚的钢板，该钢板嵌入到钻孔工具的隔墙12中。在该钢板中设置有传送插接器，用于在两侧接纳连接导线。为了防止压缩空气在此处逸出，把插接器安装在焊接的耐压连接管道中并附加地密封。

所需要的信号导线和焊接导线从位于大气区域中的焊接电流源即供电装置10起，穿过长约10m的中间软管组，引至隔板穿引机构。在隔板11后面设有另一中间软管组，其在图1中仅在进给装置19与焊接设备15之间示出。

连接机构优选是可插接的，以便保证尽可能大的灵活性。也可以采用总长度长达40m的中间软管组。

供电装置10不仅用于产生焊接电流，而且用作用于外围设备比如冷却装置18、进给装置19、焊丝输送装置20及其它未示出的设备的供电单元。输出电压优选被调节至65伏特的直流电压或者42伏特的交流电压。这为焊接工提供了免受电危险的尽可能大的保护。

为了简化操作，设置有远程操作机构21，借助它能够进行设备调节，特别是调节焊接电流、焊接电压和/或焊丝的进给速度。此外，也可以通过远程操作机构来调节工作方式本身，例如用于电焊条焊接或MSG焊接的焊接程序或者预热程序。最大输出电流例如被确定为600A，以便不仅实现焊接目的，而且实现切割工作比如刨削或压缩空气接合（Druckluffugen），以及实现用于避免通过加热垫产生的热裂纹的预热程序。

对于高压区域中的操作人员来说，可以利用一些技巧来进行操作。因而一方面可以通过操作方式开关来给定工作方式，这包括MSG焊接、电焊条手工焊接或退火焊作为调节方案，否则可以通过两个电位计对焊接过程施加影响。这样一来，所有工作方式的操作对于操作人员来说对外都是相同的或非常相似的。

利用第一电位计可以调节焊接电流或退火电流。利用第二电位计可以在MSG焊接中根据设定的焊接电流来调整焊丝速度。远程操作机构21安装在耐压且耐冲击的壳体中。除了设置有刚刚介绍过的工作方式开关和用于调节焊接电流与焊丝速度的两个电位计外，这里特别是还设置有用于电流源起动的释放开关以及两个用于测试保护气体量和焊丝速度的按键以及用于将焊接工艺设备的电流切断的紧急开关。也可以设置有显示机构，以便显示焊接电流和/或焊接电压。

进给装置19一方面具有焊丝传送的功能。除了输送焊丝外，进给装置19优选还具有对与系统至关重要的全部信号和通信进行分布的功能。特别是把冷却装置18、未示出的工作场地灯、焊接设备15和/或电焊条钳通过各自的接口与进给装置19连接起来。另一方面，进给装置19或焊丝输送装置20或焊接设备15具有节流阀，该节流阀可以调节保护气体的输送量。

进给装置19被设计用于例如容纳20cm大的5kg重的焊丝圈（Drahtspule）。它也可以被设计用于容纳直径为300mm的15kg重的焊丝圈。为了输送焊丝，采用带有42伏90瓦直流电机的四卷轴传送机构。这里特别是设置有快速锁定耦接机构，例如用于与所述水软管22或者这些水软管22连接。若进给装置19与焊接设备15之间的距离较远，就需要设置焊丝输送装置20，以便把由进给装置19推送的焊丝附加地从焊丝引导芯（Seele）拉出。

由于在焊炬或焊接设备15内的焊接过程中因损耗功率和辐射而产生大量热量，必须对焊接设备充分冷却，还必须保护连接软管免因高温而受损。但此外焊接设备15还必须轻便而便于使用。出于这个原因，最好采用水冷。

冷却设备18在开放式冷却系统中按照空气-水-热交换器的原理工作。在此，冷的冷却水从水箱中出来，借助离心泵受到压迫而经过焊炬或焊接设备15并变热。随后，在冷却设备中回流的水经过冷却器又汇集在水箱内。利用冷却风扇把排放至冷却器的热量带走，冷却风扇的空气流经冷却器。为了防止焊接腔中的高压未挤压出焊炬冷却机构的水软管进而阻碍冷却水流动，冷却系统中的压力必须始终都高于外界压力。为了达到该压力，使冷却装置18位于高压区域中。由于系统的开放式结构，且为了压力补偿而给水箱设有通风和排气机构，通过冷却水泵的输送压力在冷却系统中产生高压。

已表明，特别是就MAG焊接而言，电弧中的电流-电压比和等离子压力在高压环境下焊接时相比于在大气环境下焊接时有所不同。一方面，保护气体因高压产生的受压迫或挤压引起未充分覆盖焊接区，进而造成形成大量细孔和脏污的焊缝。另一方面，电弧中的电压降发生改变，这又导致剥落情况恶化、形成斑点和熔接有误。

解决和克服这些问题的措施一方面在于，增加在高压情况下或者在高压环境中的保护气体量，另一方面在于，采用在图2中示意性地示出的方法。在焊接时，例如采用直径为1.2mm的金属粉末填充焊丝和含有82%氩气与18% CO₂的保护气体。保护气体量大致与绝对压力成比例地调整。也就是说，若绝对压力加倍，保护气体量也加倍。作业场地的操作人员例如可以在焊丝进给设备中调节气体节流阀并借助检查小管来对气体量进行精确调节。

现在，为了即使在高压情况下在MSG焊接时特别是在MAG焊接时也能实现良好的焊接结果，将抛弃以前的焊接方法而采用恒定的焊接电流进行工作。图2中示意性地示出了该方法。在30处调节焊丝进给速度。接下来在31处调节焊接电流。在32处询问是否达到了设定的焊接电压，也就是说，焊接电压是否高于可设定的值。对于这种情况，即当答案为“是”（j）时，把焊接电流调节至恒定值。这在33处进行。优选为此采用PID调节器。

调节机构本身或者PID调节器本身优选安装在供电装置10中。

焊丝的靠近工具的区域用作电焊条29，例如若该焊丝的进给速度被调节得过大，致使焊丝过于靠近工件，从而等离子弧或电弧过短，以至于其上的电压降过低，进而导致焊接电压下降到可设定的值以下，则对于这种情况，在34处增大焊接电流，因而消耗更多的焊丝，从而补偿过高的焊丝进给速度。替代地也可以受控地或者受调节地减小焊丝进给速度。也可以并行地采取这两种措施。

采用本发明的方法可以实现稳定的焊接过程和稳定的电弧长度。为了避免在焊丝附着时出现短路，优选还附加地设置带有后置动态性控制机构的电压监视机构。

所述的所有特征，还有可单独由附图得到的特征，以及还有结合其它特征公开的各个特征，独立地和组合地都视为本发明的重要内容。本发明的实施方式可以通过各个特征或多个特征的组合来实现。

附图标记清单

10 供电装置

11 隔板

12 隔墙

13 焊接室

14 焊接部位

15 焊接设备

16、16′、16″ 电连接线

17、17′ 软管组

18 冷却装置

19 进给装置

20 焊丝输送装置

21 远程操作机构

22 水软管

23 气体管线

24 气体瓶

25 大气供应区域

26 高压供应区域

27 高压工作区域

28 控制导线

29 电焊条

30 调节焊丝进给速度

31 调节焊接电流

32 实际焊接电压大于可设定的值

33 以PID方式调节至恒定的焊接电流

34 增大焊接电流

40 电弧。

Claims (14)

1.一种用于在高压情况下进行电弧焊接的装置，包括用于提供焊接电流和焊接电压的供电装置（10）、用于形成带有焊接部位（14）的焊接室（13）的隔板（11）、焊接设备（15），该焊接设备设置在焊接室（13）中，且通过电连接线（16、16′、16″）经由隔板（11）与供电装置（10）连接，其中，供电装置（10）设置在大气压力下，焊接室（13）处于高压压力下，其中，隔板（11）把大气区域与高压区域分隔开，其中在焊接室（13）中设置有控制装置（21），借助该控制装置能够控制供电装置（10）。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，至少一个压缩气体管线（23）和/或至少一个控制导线（28）穿过隔板（11）。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在焊接室（13）中设置有冷却装置（18）。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，冷却装置（18）把冷却液体引导经过焊接设备（15），其中，焊接设备（15）和冷却装置（18）与至少一个软管连接。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，焊接设备（15）以连续地进给的电焊条（29）工作，且在焊接室（13）中设置有与焊接设备（15）分开的第一焊丝进给装置（19）。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在焊接设备（15）上设置有第二焊丝进给装置（20）。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，第一焊丝进给装置（19）具有用于接至焊接设备（15）的电子连接线、电连接线、气体供应连接线和/或冷却水连接线的分布功能。

8.一种用于使得带有焊接设备（15）的如权利要求1~7中任一项所述的装置工作的方法，采用该方法在高压气氛中进行电弧焊接，该方法具有如下方法步骤：

- 连续地进给电焊条（29）；

- 提供经由电焊条（29）和电弧（40）流至工件的焊接电流，其中，把电流强度调节至恒定的第一值。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，监视焊接电压，且在焊接电压下降到能够设定的值以下时，把电流强度调节至大于第一值的第二值，和/或降低电焊条（29）的进给速度。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，电弧焊接是MAG焊接、MAG-F焊接、MIG焊接或MOG焊接，其中所述MAG-F焊接表示利用填充焊丝进行的金属-活性气体焊接，并且所述MOG焊接表示无保护气体却利用能自我保护的填充焊丝进行的金属焊接。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，针对MAG焊接、MAG-F焊接或MIG焊接把气体输入到焊接区域中，其中，气体压力和/或气体量根据在高压气氛中的压力大小来调整。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述调整是直线相关的。

13.一种利用根据权利要求1~7中任一项的装置用于对工具进行高压焊接的方法。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述工具是隧道掘进机。