CN106794540B - 减少了变形的混合式感应加热/焊接组件 - Google Patents

Abstract

通过感应加热头将感应加热添加到金属加工工艺，例如，焊接工艺。感应加热头专门针对此用途来调整，并且包含引导并施加感应能量的一个或更多个线圈36、保护结构等。可通过从感应加热头施加热来提高焊接工艺的生产率。所述加热是来自焊接电弧50的热以外的加热，并且可促进将焊丝电极材料施加到窄的凹槽和间隙中，并且使工艺较适于使用焊丝、保护气体、助焊剂材料等的某些组成。此外，除焊接电弧源之外还通过施加感应加热能量来减少变形和应力。

Description

减少了变形的混合式感应加热/焊接组件

相关申请的交叉引用

本申请主张以下专利申请的优先权和权益：2014年10月14日提交申请的名为“利用感应加热实现的焊接变形减少(WELDING DISTORTION REDUCTION UTILIZING INDUCTIONHEATING)”的第62/063,678号美国临时专利申请；2014年10月14日提交申请的名为“利用感应加热实现的焊接生产率提高(WELDING PRODUCTIVITY IMPROVEMENT UTILIZINGINDUCTION HEATING)”的第62/063,688号美国临时专利申请；以及2014年10月14日提交申请的名为“金属加工感应加热头配置(METAL WORKING INDUCTION HEATING HEADCONFIGURATIONS)”的第62/063,698号美国临时专利申请，其中的每一件专利申请的全部内容出于所有目的以引用方式并入本文中。

背景技术

本公开大体上涉及焊接系统和工艺的领域，并且更明确地说，涉及将感应加热用作额外加热能量源的焊接系统和工艺。

生产率在任何制造操作中都是极其重要的。在许多制造操作中，工件的焊接是生产高质量组件的重要且必要的部分。已使用并且正在研发许多焊接系统，包含熔化极气体保护电弧焊(GMAW)、钨极气体保护电弧焊(GTAW)、保护金属极电弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)等。并且可依赖于例如将结合的部件、材料的尺寸和厚度、期望的最终组件和所使用的材料等因素来使用所有这些焊接系统。

在一些情形下，已提出结合焊接系统而利用辅助热源，例如，感应加热。这些工艺有时被称为“混合式感应焊接”工艺。相比例如单独电弧焊等工艺，混合式感应焊接可在较高速度下，通过较少的焊接前预备工作，并使用较少耗材来产生焊缝。此外，辅助加热可改变焊缝的冷却速率，这可提高完工焊缝的质量。材料熔融以便形成焊接接头的所有熔焊工艺包括某一形式的热的施加或产生。混合式感应焊接工艺从感应加热头或源增加热量，这会提高生产率。但过多热量的增加可能是有害的——一些合金对温度敏感，并且较高温度或较大加热区域可对焊缝或邻近于焊缝的热作用区的质量和性质有害。增加的热可导致增加的变形，从而导致必须在焊接之后平直化或需要焊接后进行额外处理的焊缝。

这些混合式感应焊接工艺仍然需要改进，然而，特别需要解决现有系统中的这些缺陷。

发明内容

本公开阐述金属加工系统和工艺的实施例，例如，通过使用感应加热来提高性能和效率的焊接系统和工艺。在某些实施例中，可通过一起使用感应加热和焊接电弧加热来控制并减少应力和变形。感应加热头、线圈的某些新颖布置和配置可有助于上述提高。此外，可由于通过焊接电弧和感应加热源而进行的加热的组合来使用唯一的气体制剂、气体与焊丝组合物等。

附图简单说明

当参照附图阅读具体实施方式时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中在全部附图中，相同附图标记表示相同部分，其中：

图1是示范性焊接系统的框图，其中所述示范性焊接系统包含被配置成在焊接工艺之前提高焊接位置的温度的感应加热系统；

图2是图示根据本公开的方面的图1的焊接系统和感应加热系统的示范性功能部件的框图；

图3是图示根据本公开的方面的图1的感应加热系统的示范性功能部件的框图；

图4是根据本公开的方面的混合式感应加热/焊接组件的实施例上的内部部件的立体图，所述内部部件包含完全围住感应加热线圈的保护壳的实施例；

图5是根据本公开的方面的保护壳与焊炬的实施例的立体图，其中所述保护壳设置在感应加热线圈和对应的通量汇聚材料之间；

图6是根据本公开的方面的混合式感应加热/焊接组件的实施例的内部部件的立体图；

图7A和图7B是根据本公开的方面的混合式感应加热/焊接组件的实施例的内部部件的立体图；

图8是根据本公开的方面的混合式感应加热/焊接组件的圆形气刀和水喷头的实施例的横截面侧视图；

图9是根据本公开的方面的混合式感应加热/焊接组件的保护壳的实施例的侧视图；

图10是根据本公开的方面的耦接到机械运动系统的图9的混合式感应加热/焊接组件的立体图；

图11A和图11B图示根据本公开的方面的针对对焊接头的两个感应加热线圈配置；

图12A到图12H图示根据本公开的方面的针对T形角焊接头的各种感应加热线圈配置；

图13A和图13B分别图示根据本公开的方面的用于对焊接头和T形角焊接头中的焊接背衬的各种形状；

图14A和图14B图示根据本公开的方面的混合式感应加热/焊接组件的感应加热线圈与工件的表面之间的线圈对峙距离；

图15A和图15B分别图示根据本公开的方面的针对对焊接头和T形角焊接头的工件之间的各种焊接间隙距离；

图16图示在其中使用V形接头轮廓的常规焊接操作以及随之发生的来自焊接电弧的能量损耗；

图17图示根据本公开的方面，可如何组合感应加热和电弧加热的应用以在窄间隙焊接中实现平衡加热；

图18A和图18B图示根据本公开的方面的各种感应加热线圈配置；

图19A和图19B图示根据本公开的方面的多个感应加热线圈的各种配置；

图20图示根据本公开的方面的使用混合式感应电弧焊工艺而执行的窄间隙焊接；

图21图示可由常规对焊电弧产生的不均匀热分布以及工件从其原始形状到变形形状的变形；

图22图示根据本公开的方面的可使用混合式感应电弧焊工艺而在对焊中产生的均匀热分布；

图23图示可由常规T形角焊电弧产生的热分布以及工件从其原始形状到变形形状的变形；以及

图24图示根据本公开的方面的可使用混合式感应电弧焊工艺而在T形角焊中产生的热分布。

具体实施方式

公开一种混合式感应金属加工工艺，其中所述混合式感应金属加工工艺结合金属加工系统(例如，焊接系统)而利用感应加热源。虽然实施例在本文中被描述为焊接工艺，但应记住，更一般来说，所述实施例可以是金属加工工艺，例如，切割操作、熔覆操作、弯曲操作、热处理操作、预备和后加工操作等。在所描述的实施例中的至少一些中，采取GMAW工艺，其中GMAW工艺利用一个或更多个焊接电源、接收电力和保护气体的一个或更多个焊炬以及穿过一个或更多个焊炬而提供所需要的电力、气体和焊丝电极的一个或更多个送丝机。

此外，所公开的实施例可结合以下美国专利申请中所阐述的系统和工艺中的一种或更多种来使用，所述美国专利申请中的每一个的全部内容出于所有目的以引用方式并入本文中：Holverson等人在2011年5月19日提交申请的名为“辅助焊接加热系统(AUXILIARYWELDING HEATING SYSTEM)”的第13/111,433号美国专利申请；Beist le等人在2014年5月16日提交申请的名为“感应加热系统(INDUCTION HEATING SYSTEM)”的第14/280,164号美国专利申请；Verhagen等人在2014年5月16日提交申请的名为“感应加热系统温度传感器组件(INDUCTION HEATING SYSTEM TEMPERATURE SENSOR ASSEMBLY)”的第14/280,197号美国专利申请；Garvey等人在2014年5月16日提交申请的名为“感应加热系统行程传感器组件(INDUCTION HEATING SYSTEM TRAVEL SENSOR ASSEMBLY)”的第14/280,227号美国专利申请；Albrecht等人在2014年9月23日提交申请的名为“金属加热和加工系统和方法(METALHEATING AND WORKING SYSTEM AND METHOD)”的第14/494248号美国专利申请；Jones等人在2014年11月4日提交申请的名为“大规模金属成形(LARGE SCALE METAL FORMING)”的第14/532,695号美国专利申请；以及Jones等人在2015年5月6日提交申请的名为“大规模金属成形控制系统和方法(LARGE SCALE METAL FORMING CONTROL SYSTEM AND METHOD)”的第14/705,738号美国专利申请。

现参照附图，图1图示示范性焊接系统10，其中示范性焊接系统10为焊接操作供电、控制焊接操作并向焊接操作提供耗材。焊接系统10包含焊接电力供应器12(或在某些实施例中，多个焊接电力供应器12)、送丝机14(或在某些实施例中，多个送丝机14)和焊炬16(或在某些实施例中，多个焊炬16)。电力供应器12可以是电力转换器或是需要电源18的基于逆变器的焊接电力供应器(或可以不是同一类型的多个电力供应器)。在某些实施例中，多个电力供应器12(相同或不同类型)可连接到一个送丝机14和焊炬16。可在电源18中提供许多不同电路设计，并且可设想许多不同焊接方案，例如，直流、交流、脉冲式、短路等。可结合本发明的感应加热技术来使用这些常规电路和工艺技术中的任一种。在其它实施例中，焊接电力供应器12可以是发电机或交流发电机焊接电力供应器，其可包含内燃机。需要时，焊接电力供应器12还可包含用于调整例如电压和电流等各种焊接参数并用于连接电源18的用户接口20。此外，气体源22可耦接到焊接电力供应器12。气体源22是供应到焊炬16的保护气体的源。此外，在某些实施例中，气体源22还将保护气体供应到辅助保护气体扩散器24。例如，在某些实施例中，气体源22可供应氩气。如应了解的是，保护气体由焊炬16和/或辅助气体扩散器24施加到液态熔池的位置，以防止可对焊缝造成冶金损坏的周围气体的吸收。如图所示，焊接电力供应器12耦接到送丝机14。例如，焊接电力供应器12可由送丝机电力引线、焊接电缆、气体软管和控制电缆耦接到送丝机14。

所图示的实施例所示的送丝机14将焊丝提供到焊炬16以用于焊接操作中。可使用各种焊丝。例如，焊丝可以是实心钢、实心铝、实心不锈钢、金属芯焊丝、药芯焊丝、平条状电极等。本文所述的实施例可与任何适当类型的电极(或在某些实施例中，冷态送丝)和任何适当焊丝组成一起使用。此外，焊丝的厚度可依赖于使用焊丝的焊接应用而改变。例如，焊丝可以是0.045"、0.052"、1/16"、3/32"、1/8"或任何其它直径。此外，送丝机14可围住各种内部部件，例如，送丝驱动系统、电动机组件、电动机等。送丝机14可还包含允许用户设定一个或更多个送丝参数(例如，送丝速度)的控制面板(未示出)。在所图示的实施例中，辅助保护气体扩散器24还由气体软管26耦接到送丝机14(或可直接连接到气体源并从用户接口20进行控制)。然而，送丝机14可与包含气体操作(熔化极气体保护电弧焊(GMAW))、无气体操作(保护金属极电弧焊(SMAW)或自保护药芯电弧焊(FCAW))、埋弧焊(SAW)等的任何送丝工艺一起使用。

如图所示，焊丝经由第一电缆28而送丝到焊炬16。第一电缆28还可将气体供应到焊炬16，并且还可将冷却水供应到焊炬16。如进一步示出，第二电缆30将焊接电力供应器12耦接到工件32(通常经由夹具)以在焊接操作期间补足焊接电力供应器12与焊炬16之间的电路。

示范性焊接系统10还包含感应加热系统34。如上所述，感应加热系统34包含感应加热线圈36以及感应电力供应器38。感应电力供应器38包含用户接口40。用户接口40可包含按钮、旋钮、拨盘等，以允许操作员调节感应电力供应器38的各种操作参数。例如，用户接口40可被配置成使操作员能够设定并调整由感应电力供应器38产生的交变电流的频率。类似地，用户接口40可使操作员能够选择感应加热线圈36的期望输出温度。用户接口40还可包含被配置成将系统反馈(例如，感应加热线圈36的实时温度、感应加热线圈36相对于工件32的行进速度等)提供给操作员的一个或更多个显示器。在某些实施例中，感应电力供应器38可通过电线导体44而耦接到降压变压器42。更具体来说，两条电线导体44从感应电力供应器38布设到变压器42，并且每一电线导体44布设在柔性管或导管内。此外，感应加热系统34可以是风冷或液冷系统。例如，冷却剂可在布设电线导体44中的每一个电线导体的柔性管内流动。在某些实施例中，布设电线导体44的一根柔性管含有进入变压器42的流动的冷却剂，并且布设电线导体44的另一柔性管含有流动的冷却剂，所述冷却剂从变压器42流动到热交换器或从冷却剂移除热的另一装置。

交变电流离开变压器42并由电导体46供应到感应加热线圈36。在某些实施例中，电导体46可具有中空内芯，并且还可导引流动的冷却剂穿过感应加热线圈36。在所图示的实施例中，感应加热线圈36被设置成接近工件32。随着交变电流流经感应加热线圈36，在工件32内产生并诱发涡电流。涡电流克服工件32的电阻而流动，因此在工件32中产生局部加热。如图所示，感应加热线圈36定位在焊炬16之前。换句话说，针对在方向48上操作且行进的焊炬16，感应加热线圈36被放置在焊炬16之前(即，沿着焊接接头并在由焊炬16产生的焊接电弧50之前)。因此，感应加热线圈36对于工件32紧靠焊接电弧50之前的局部区域52进行加热，因此提高刚好在焊接电弧50之前的局部区域52的温度。如本领域的技术人员应了解的是，这些温度通常实质上高于常规“预加热”温度(并且可达到像熔点那样高的温度)。因此，随着焊炬16在方向48上行进，不需要来自焊接电弧50的太多的热就可使工件32的局部区域52达到熔点温度。因此，焊接电弧50所产生的较多热可用于使焊丝熔化，以使得焊丝可在较高速率下被送丝到焊接电弧，这使焊炬16能够在较高速度下完成工件32的焊接。因此，与相当的常规焊接相比，本文所述的混合式感应加热/焊接组件90的特征的组合可导致焊接速率提高到两倍(或甚至提高到三倍)。

如图所示，在某些实施例中，焊接电力供应器12和感应电力供应器38也可耦接。例如，焊接电力供应器12和感应电力供应器38可由硬线耦接，通过无线连接来耦接，在网络上耦接，等等。如下文详细地论述，焊接电力供应器12和感应电力供应器38可在示范性焊接系统10的操作期间交换数据和信息。更明确地说，焊接电力供应器12和感应电力供应器38可合作地起作用(例如，利用相互之间的反馈)以调整示范性焊接系统10的各种操作参数。

应注意，可根据本公开的方面对图1的示范性焊接系统10作出修改。虽然在电弧焊工艺的背景下描述所图示的实施例，但本发明的实施例的特征可与各种其它适当焊接或切割系统和工艺一起利用。例如，感应加热系统34可与等离子体切割系统或板弯曲系统一起使用。更具体来说，感应加热系统34可设置在等离子体切割器之前以提高等离子体切割操作之前的局部区域的温度，因此实现提高的切割速度。此外，虽然感应加热系统34在本实施例中定位在焊炬16之前，但感应加热系统34可定位在其它位置中。例如，感应加热系统34可定位在焊炬16之后以在工件32被焊接且熔合之后对焊接位置提供热处理。类似地，某些实施例可包含不止一个感应加热系统34或感应加热线圈36，即，第一感应加热系统34或感应加热线圈36，其定位在焊炬16之前以提高局部区域52的温度；第二加热系统34或感应加热线圈36，其定位在焊炬16之后以提供已熔合的焊接位置的热处理；和/或第三加热系统34或感应加热线圈36，在焊接工艺之前或之后加热工件32以降低焊缝的冷却的速率以防止冶金损坏。

图2是示范性焊接系统10的某些内部部件的框图。如上文所论述，电源18可对一个或更多个焊接电力供应器12和/或一个或更多个感应电力供应器38供电。每一焊接电力供应器12将电力提供到送丝机14或焊炬16，并且焊接电力供应器12耦接到工件32，因此在焊接操作期间补足焊接电力供应器12与焊炬16之间的电路。每一感应电力供应器38产生交变电流，所述交变电流被供应至变压器42，其中变压器42随后将电流导引到感应加热线圈36。如上所述，焊接电力供应器12和感应电力供应器38可耦接并被配置成交换信息和数据(例如，操作参数、设定、用户输入等)以使焊接电力供应器12和感应电力供应器38能够合作地起作用。

焊接电力供应器12包含若干内部部件以调节焊接系统10的各种操作参数。在所图示的实施例中，焊接电力供应器12包含控制电路54、处理器56、存储器电路58和接口电路60。控制电路54被配置成将控制信号施加到焊接电力供应器12和/或送丝机14。例如，控制电路54可将与焊接电力供应器12所提供的电压或电流相关的控制信号提供给送丝机14。控制电路54还可提供用于调节送丝机14的操作的控制信号(例如，脉宽调制(PWM)信号)以调节送丝机14中的电动机组件的占空比等。

控制电路54进一步耦接到处理器56、存储器电路58和接口电路60。接口电路60耦接到焊接电力供应器12的用户接口20。如上文所论述，用户接口20被配置成使操作员能够输入并控制焊接电力供应器12的各种设定。例如，用户接口20可包含用于选择输出到送丝机14的期望电压或电流的菜单。此外，用户接口20可包含焊接工艺或焊丝材料和直径的菜单或列表。如应了解的是，不同焊接工艺、焊丝材料和焊丝直径可具有不同特性并且可针对各种操作参数需要不同配置。例如，需要不同值的配置参数可包含电压输出、电流输出、送丝速度、送丝转矩等。这些配置参数的预设值以及其它值可针对各种焊接工艺、焊丝材料和焊丝直径中的每一个而存储在存储器电路58中。

例如，用户可从焊接电力供应器12的用户接口20上所显示的多种不同焊接工艺的菜单中选择焊接工艺。用户接口20将焊接工艺的选择传达到接口电路60，其中接口电路60将所述选择传达到处理器56。处理器56接着检索存储器电路58中所储存的焊接工艺的特定配置参数。此后，处理器56将配置参数发送到控制电路54以使得控制电路54可将适当控制信号施加到送丝机14。在某些实施例中，如下文所论述，焊接电力供应器12的控制电路54还可将配置参数传达到感应电力供应器38。

在所图示的实施例中，感应电力供应器38包含控制电路62、处理器64、存储器电路66和接口电路68。控制电路62被配置成将控制信号施加到感应电力供应器38和/或变压器42。例如，控制电路62可提供控制信号，所述控制信号与感应电力供应器38供应到变压器42的交变电流(例如，交变电流频率)相关。此外，控制电路62可调节与感应电力供应器38和/或变压器42一起使用的冷却系统的操作。如上所述，感应加热系统34可使用空气或冷却剂以遍布感应加热系统34地提供循环冷却。例如，控制电路62可调节穿过变压器42和感应加热线圈36的液体冷却剂的流动以维持感应加热系统34的期望温度。

控制电路62进一步耦接到处理器64、存储器电路66和接口电路68。接口电路68耦接到感应电力供应器38的用户接口40。如上所述，感应电力供应器38的用户接口40使操作员能够调节感应电力供应系统38的一个或更多个操作参数或设定。例如，用户接口40可使用户能够从设计的菜单选择感应加热线圈36的特定设计。如应了解的是，不同感应加热线圈36设计可具有不同配置参数。例如，不同设计可具有不同最大操作温度，并且可需要不同频率的交变电流以取得期望温度。类似地，用于冷却感应加热系统34的冷却剂可具有不同配置参数(例如，热传递系数、粘度、流率等)。这些配置参数的预设值以及其它值可存储在存储器电路66中。例如，用户接口40可将感应加热线圈36设计的用户选择传达到接口电路68，其中接口电路68可将所述选择传达到处理器64。处理器64可接着检索存储器电路66中所储存的感应加热线圈36的特定配置参数。此后，处理器64将配置参数发送到控制电路62以使得控制电路62可将适当控制信号施加到感应电力供应器38和变压器42。

如上所述，焊接电力供应器12和感应电力供应器38可由硬线、无线连接、网络连接等相互耦接。明确地说，焊接电力供应器12和感应电力供应器38可被配置成相互发送和接收与焊接系统10的操作相关的数据和信息。例如，焊接电力供应器12和感应电力供应器38可相互通信以协调感应加热线圈36和焊炬16沿着工件32的速度。如本文所述，在某些实施例中，感应加热线圈36与焊炬16两者是针对自动化操作而设计。因此，焊接电力供应器12和感应电力供应器38可耦接并被配置成随着感应加热线圈36与焊炬16在方向48上沿着工件32行进而相互通信并主动调整感应加热线圈36与焊接电弧50之间的距离。例如，在某些实施例中，焊炬16和感应加热线圈36可各自具有传感器，所述传感器被配置成测量沿着工件32的行进速度或温度。

另外举例，焊接电力供应器12可将用户选择的焊接工艺(即，由操作员经由用户接口20而选择的焊接工艺)传达到感应电力供应器38。更具体来说，焊接电力供应器12的控制电路54可将焊接工艺选择传达到感应电力供应器38的控制电路62。此后，感应电力供应器38的控制电路62可基于用户选择的焊接工艺而修改各种操作参数中的任一个。例如，控制电路62可开始或结束所述工艺，或基于所选择的焊接工艺而调节提供到感应加热线圈36的交变电流的频率或振幅或穿过变压器42和/或感应加热线圈36的冷却剂的流率以取得感应加热线圈36的期望最大温度。更具体来说，针对所选择的焊接工艺，处理器64可从存储器电路66检索所选择的焊接工艺的配置参数，并将配置参数发送到控制电路62。类似地，感应电力供应器38的控制电路62可将操作信息或数据发送到焊接电力供应器12的控制电路54。例如，控制电路62可将感应加热线圈36的温度数据(例如，最大温度或实时温度)发送到焊接电力供应器12的控制电路54。此后，焊接电力供应器12的控制电路54可响应于从感应电力供应器38接收的数据而调整焊接电力供应器和/或送丝机14的一个或更多个操作参数。例如，焊接电力供应器12的控制电路54可开始或结束焊接工艺或基于从感应电力供应器38的控制电路62接收的感应加热线圈36的温度数据而调整送丝机14的送丝速度或转矩。如应了解的是，针对由感应加热线圈36提供到焊接电弧50之前的工件32的局部区域52的较高温度，可能需要较慢或较快送丝速度。

应注意，在某些实施例中，用于感应加热电力和焊接电力的产生和控制的电力供应器和控制电路可结合在一起。也就是说，一些或全部所述电路可设置在单个电力供应器中，并且某些所述电路可具有两种功能(例如，操作员接口部件)。此外，中央控制器可将协调与同步命令提供到焊接/切割系统与感应系统两者。

还应注意，虽然在本公开中有时参照焊炬16和邻近感应加热系统34的前进或移动，但依赖于焊接系统设计，焊炬16和感应加热系统34事实上可处于其它位置，而在其它系统中，焊炬16和感应加热系统34可保持大体上固定，而一个或更多个工件移动。例如，在某些机械手或自动化操作中，在埋弧应用中等等，正是此种状况。两种情形希望被本公开涵盖，并且对移动焊炬16和感应加热系统34的引用应被理解为包含这些部件与工件32之间的任何相对运动。

图3是图1的感应加热系统34的实施例的框图，图示感应电力供应器38、降压变压器42以及定位在焊炬16所产生的焊接电弧50之前的感应加热线圈36。如上文所论述，变压器42由电线导体44耦接到感应电力供应器38。感应电力供应器38经由电线导体44而将交变电流供应到变压器42。从变压器42，交变电流由电导体46供应到感应加热线圈36。具体来说，交变电流经由附接到变压器42的底座72的电力连接70而离开变压器42。电导体46例如通过钎焊、铜焊或螺栓连接而耦接到电力连接70。如上所述，在某些实施例中，电导体46可具有中空内芯，因此使冷却剂能够流经电导体46和感应加热线圈36以调节感应加热线圈36的最大温度。换句话说，电导体46和感应加热线圈36可携带交变电流和冷却剂流。

如图所示，变压器42由顶板74和底板76支撑。在某些实施例中，顶板74和底板76可由陶瓷或其它电绝缘材料形成。顶板74和底板76进一步耦接到金属、陶瓷或聚合物框架78。金属、陶瓷或聚合物框架78可以是可配置的，以使得工件32与感应加热线圈36之间的距离80可被调整。例如，金属框架78可进一步固定到机械手操纵器88(例如，参见图2)，其中机械手操纵器88被配置成沿着工件32的焊接接头在多个平面内移动并导引感应加热系统34。此外，机械手操纵器88可耦接到感应电力供应器38的控制电路62以使得控制电路62可调节感应加热线圈36和/或整个感应加热系统34相对于工件32的移动和速度。

感应加热线圈36的用途是将电流从变压器42或电力供应器12携载到将被加热的部件(例如，工件32)。感应加热线圈36基本上是在变压器42或电力供应器12的两极之间的直接电短路。如果感应加热线圈36发生任何损坏，那么它可在损坏区域处快速过热并熔化。在某些实施例中，感应加热线圈36可以是已弯曲或成形或制造为将加热所述部件(例如，工件32)的形状的金属管。水或其它冷却剂流经感应加热线圈36的内部以防止感应加热线圈36过热。如果冷却剂达到沸点以致于气泡形成在感应加热线圈36的内表面上，那么气泡形成障壁，所述障壁阻止冷却剂从线圈内表面的此区域移除热。如果未被监视，那么感应加热线圈36可由于此气泡的位置处的局部熔化而受到损坏。例如，感应加热线圈36的招致不同于原始设计形状的形状的微小凹痕或弯曲可能导致流动紊乱或冷却剂流的滞流区域，这是冷却剂加热到高于沸点的可能位置。并且，金属的冷加工将降低局部变形区域处的感应加热线圈36的电导率，这可能导致感应加热线圈36上的点过热。

感应加热线圈36的电导率性质是重要物理特性。感应加热线圈36的任何电阻加热将降低感应加热工艺的效率。用于电阻加热感应加热线圈36的能量可接着损耗到冷却剂，并且不可用以加热所述部件(例如，工件32)。金属的电导率通过弯曲或成形以及通过合金成分来降低。金属箔片，如果在制造期间弯曲或成形，将具有在此变形区域中增大的电阻。相比较高强度的金属，较低强度的金属在变形时将展现较少的电导率降低。因此，感应加热线圈36可在最低强度的机械条件下由纯金属或近乎纯的金属制成。因此，在某些实施例中，感应加热线圈36受到保护而免受任何弯曲或其它机械损坏。

明确地说，如图4所图示，在某些实施例中，感应加热线圈36可通过将外部护套或结构用作线圈保护壳82来受到保护。例如，在某些实施例中，感应加热线圈36可完全被线圈保护壳82包围。此结构必须不导电以防止由感应加热线圈36加热。较高强度的聚合物和陶瓷材料可用于防止对感应加热线圈36造成机械损坏。陶瓷材料可在烧结之前成形，并且聚合物材料可被铸造或机械加工成提供支撑以防止对感应加热线圈36造成损坏。例如，在某些实施例中，线圈保护壳82可以是单件式结构或多件式结构。多件式结构可由全部是相同材料的零件制成，或可由各自可以是不同材料或相同材料的多个零件制成。例如，在某些实施例中，线圈保护壳82可由高密度聚丙烯的两个零件制成，因此两个零件可分开并容易移除和更换。此外，如果从所加热的部件(例如，工件32)辐射的热足以对线圈保护壳82造成损坏，那么可使用多个零件，其中线圈保护壳82的一部分由可耐受所加热的部件(例如，工件32)附近的加热的陶瓷材料制成。一些陶瓷材料易受因感应的加热。在使用这些类型的陶瓷的状况下，可屏蔽线圈保护壳82的陶瓷材料不受因电流流过感应加热线圈36而产生的电磁辐射。在这些实施例中，电磁通量汇聚材料84可放置在感应加热线圈36与线圈保护壳82的一个或更多个陶瓷零件之间。

当感应加热线圈36在热成型工艺的状况下正用于产生加热点或加热线，在混合式感应电弧焊的状况下在焊炬16之前产生加热线或在混合式感应切割的状况下在切割焊炬之前产生加热线时，可添加额外陶瓷材料以进一步保护感应加热线圈36免受所述工艺的热量影响。材料的选择可依赖于材料的具体性质，例如，耐磨性、对流动的液态金属或液态金属氧化物或其它加热材料所致的腐蚀的抗性或对焊接电弧或等离子体切割电弧的辐射热的抗性。对感应加热线圈36的加热的敏感性是次要材料性质，而耐磨性、耐腐蚀性或对来自电弧(例如，焊接电弧50)的辐射热的抗性是借以作出材料选择的主要性质。为了防止电磁场影响陶瓷材料，通过将通量汇聚材料放置在感应加热线圈36所产生的辐射电磁场的路径中，用于保护感应加热线圈36的这些陶瓷部件可自身受到保护而免受感应加热线圈36的加热。

例如，图5图示具有陶瓷线圈保护壳82的感应加热线圈36的实施例，在感应加热线圈36与陶瓷线圈保护壳82之间使用通量汇聚材料84。更具体来说，如图5所图示，在某些实施例中，通量汇聚材料84可设置在感应加热线圈36周围。以此方式减少或防止磨损和其它降级的通量汇聚材料84可包含耐热的、非金属的、耐磨的并且电绝缘的材料，例如，纤维加强材料、淬火玻璃或复合物。

防止对感应加热线圈36造成损坏的另一方法是感测到感应加热线圈36可能因碰撞而受损，并且激活一个或多个运动装置以防止碰撞和损坏。例如，如图6所图示，在某些实施例中，一个或更多个传感器86可用于保护线圈免受碰撞和损坏。例如，在某些实施例中，激光高度/距离传感器86(或其它位置检测传感器)可用于感测以防止感应加热线圈36随着感应加热线圈36沿着并接近非平坦表面移动而与所述表面碰撞，或防止感应加热线圈36与从所述表面突起的物体碰撞。

如图2所图示，在某些实施例中，机械手操纵器88或其它机械运动系统可由来自一个或更多个传感器86的信号控制以移动感应加热线圈36来避免与物体碰撞。还可能使用多个激光距离传感器86，或使一个或更多个激光距离传感器86指向不同方向，或在不同位置处的弯曲表面上，将数据输入提供到控制电路(例如，分别提供到焊接电力供应器12和感应电力供应器38的控制电路54、62或系统10的某一其它控制电路)，并且针对控制电路54、62，控制多个机械手操纵器88或其它机械运动系统以防止与弯曲表面碰撞，但维持感应加热线圈36与表面的恒定对峙距离。替代的碰撞检测方法是可能的，包含检测小程度的挠曲的接头。在达到小程度的挠曲之后，运动可停止以防止损坏。此外，在系统10中感测到高于正常程度的力可用于感测碰撞并在发生损坏之前停止系统10。

此外，在某些实施例中，控制电路(例如，分别为焊接电力供应器12和感应电力供应器38的控制电路54、62或系统10的某一其它控制电路)可控制多个机械手操纵器88或其它机械运动系统以独立控制焊炬16和变压器42和/或感应加热线圈36相对于正加工的工件32的位置、取向和/或移动。例如，机械手操纵器88或其它机械运动系统可包含独立定位系统，所述独立定位系统设置在混合式感应加热/焊接组件90(例如，参见图7A、图7B、图9和图10)的共同壳体(例如，参见图9和图10所图示的壳134)内。更具体来说，在某些实施例中，设置在混合式感应加热/焊接组件90的共同壳体134内的独立定位系统可包含多轴定位系统，其中所述多轴定位系统被配置成独立地调整焊炬16和变压器42和/或感应加热线圈36相对于共同壳体134并因此相对于正加工的工件32的位置、取向和/或移动。因此，这些多轴定位系统形成本文所述的机械手操纵器88或其它机械运动系统的一部分。

如果感应加热线圈36移动得过于远离正被感应加热线圈36加热的部件(例如，工件32)的表面，那么与金属部件耦合的电磁场将减小，并且能量传递将减少。此状况可能导致感应加热线圈36过热，并有可能受损。在此情形下，一个或更多个激光距离传感器86保护感应加热线圈36以免过热。

在某些实施例中，圆形气刀92可用于将气帘引导到正成形的金属(例如，工件32)的表面。图7A和图7B示出根据本公开的方面的感应加热头组件90的内部部件的实施例的两个不同的立体图。如图示，感应加热线圈36与圆形气刀92和水喷头94一起使用。在所图示的实施例中，感应加热线圈36是电磁场通量汇聚器84所围绕的圆形线圈。然而，如本文所述，也可结合圆形气刀92而使用感应加热线圈36和电磁场通量汇聚器84的其它配置。

图8是圆形气刀92和水喷头94的实施例的横截面侧视图。应了解，可在不同实施例中使用圆形气刀92和水喷头94的其它配置。在图8所图示的实施例中，圆形气刀92具有截头圆锥形状，并且截头圆锥形气刀92被水喷头94围绕，其中水喷头94供应遵循箭头96、98所图示的路径直到工件32的水雾。应注意，虽然在这里被描述为使用水，但可使用其它冷却剂(例如，诸如液化氩气等液化气、例如干冰霜等固化气等)来替代水，这特别是为了提高可与水反应的金属的冷却速率。

在所图示的实施例中，空气110由内部通道102输送，其中内部通道102使空气110在向下路径上开始，接着使气流朝向截头圆锥形气刀92的中央径向向内转向，如箭头104所图示。在邻近于截头圆锥形气刀92的开口处，空气输送装置通道102变窄并形成气幕，其中气幕产生与气幕所遵循的弯曲表面相符的流动。表面的弯曲结束在与对应截头圆锥形气刀92相同的流动角度，以使得流动空气110的气幕接着转移到、并遵循截头圆锥形气刀92的表面，向下直达工件32。截头圆锥形气刀92围绕感应加热线圈36，所述感应加热线圈36邻近于工件32而固持，从而在工件32上形成加热区域。遵循箭头76、78所图示的路径的水雾通过箭头106、108、110所图示的气流远离工件32上的加热区域地被引导。

因此，截头圆锥形气刀92维持金属的温度，从而防止热通过传导而扩散到周围材料。圆形气刀92的截头圆锥形状(即，较小端部接近工件32)在工件32的表面处提供局部气压的略微提高，因此随着圆形气刀92冲击工件32而强迫气流向外，从而防止来自周围水帘的任何水滴在圆形气刀92内飞溅并撞击在工件32上。圆形气刀92的冲击环内的工件32上的相对干燥的点是感应加热线圈36产生加热点的位置。此干燥区域具有两个重要目标：1)工件32的表面上的任何水降低感应加热效率；以及2)工件32的表面上的水中断从工件32的表面反射的激光，因此使一个或更多个激光距离传感器86检测到错误的高度读数，所述高度读数用于控制机械手操纵器88以维持感应加热线圈36的最佳对峙距离。

现参照图7A和图7B，如图示，混合式感应加热/焊接组件90包含一个或更多个激光高度传感器86，其被设置成邻近于圆形气刀92和/或喷头94，以使得一个或更多个激光高度传感器86可检测其相对于正加热的部件(例如，工件32)的表面的距离(高度)，籍此，此距离可用作指标以确定感应加热线圈36相对于正加热的部件(例如，工件32)的表面的位置。更具体来说，一个或更多个激光高度传感器86可通信地耦接到控制电路(例如，分别为焊接电力供应器12和感应电力供应器38的控制电路54、62或系统10的某一其它控制电路)，并且控制电路54、62可从一个或更多个激光高度传感器86接收信号，并确定如何相应地控制混合式感应加热/焊接组件90的操作。例如，如本文所述，控制电路54、62可控制多个机械手操纵器88或其它机械运动系统以防止感应加热线圈36与正加热的部件(例如，工件32)的表面碰撞，并且维持感应加热线圈36相对于正加热的部件(例如，工件32)的表面的恒定对峙距离。

如图7A和图7B所图示，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90可包含通信地耦接到一个或更多个激光高度传感器86的独立激光高度传感器模块112(例如，设置在混合式感应加热/焊接组件90的壳内)，并且激光高度传感器模块112可被配置成从一个或更多个激光高度传感器86接收信号，并确定如何相应地控制混合式感应加热/焊接组件90的操作。例如，激光高度传感器模块112可包含其自身的的控制电路(例如，类似于本文所述的控制电路54、62，被配置成执行一个或更多个存储介质中所存储的代码的一个或更多个处理器)，用于确定感应加热线圈36相对于正加热的部件(例如，工件32)的表面的距离并因此至少部分地控制混合式感应加热/焊接组件90的操作(例如，单独地控制或分别提供与焊接电力供应器12和感应电力供应器38的控制电路54、62或系统10的某一其它控制电路的协调控制)。例如，激光高度传感器模块112可被配置成将控制信号发送到多个机械手操纵器88或其它机械运动系统以防止感应加热线圈36与正加热的部件(例如，工件32)的表面碰撞，并且维持感应加热线圈36相对于正加热的部件(例如，工件32)的表面的恒定对峙距离。

此外，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90可包含红外温度传感器模块114(例如，设置在混合式感应加热/焊接组件90的壳内)，其中红外温度传感器模块114包含一个或更多个红外温度传感器，并被配置成确定如何相应地控制混合式感应加热/焊接组件90的操作。例如，红外温度传感器模块114可包含其自身的控制电路(例如，类似于本文所述的控制电路54、62，被配置成执行一个或更多个存储介质中所存储的代码的一个或更多个处理器)，用于确定接近感应加热线圈36和/或正加热的部件(例如，工件32)的表面的温度并因此至少部分地控制混合式感应加热/焊接组件90的操作(例如，单独地控制或分别提供与焊接电力供应器12和感应电力供应器38的控制电路54、62或系统10的某一其它控制电路的协调控制)。例如，红外温度传感器模块114可被配置成将控制信号发送到焊接电力供应器12的控制电路54和/或感应电力供应器38的控制电路62以调整由焊接电力供应器12和/或感应电力供应器38供应到混合式感应加热/焊接组件90的焊接和/或感应电力，发送控制信号以控制混合式感应加热/焊接组件90相对于正加热的部件(例如，工件32)的表面的位置、取向和/或移动，调整由混合式感应加热/焊接组件90输送到正加热的部件(例如，工件32)的表面的空气和/或冷却剂的流率和/或温度，等等。

此外，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90可包含压缩空气歧管116，其中压缩空气歧管116被配置成将压缩空气输送到正加热的部件(例如，工件32)的表面。例如，在某些实施例中，一个或更多个气阀118可受到控制，以使得输送到正加热的部件(例如，工件32)的表面的一股或更多股气流(例如，由图8所图示的截头圆锥形气刀92导引的空气100)的流率可受到控制。

此外，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90可包含一个或更多个气流传感器120，其中一个或更多个气流传感器120被配置成检测输送到正加热的部件(例如，工件32)的表面的多股气流(例如，由图8所图示的截头圆锥形气刀92导引的空气100)的流率。一个或更多个气流传感器120可通信地耦接到控制电路(例如，分别耦接到焊接电力供应器12和感应电力供应器38的控制电路54、62或系统10的某一其它控制电路)，并且控制电路54、62可从一个或更多个气流传感器120接收信号，并确定如何例如通过操作一个或更多个气流阀118以调整输送到正加热的部件(例如，工件32)的表面的气流的流率来相应地控制混合式感应加热/焊接组件90的操作。

此外，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90可包含水歧管122，其中水歧管122被配置成例如通过喷头94将水(或其它冷却剂)输送到正加热的部件(例如，工件32)的表面。此外，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90可包含一个或更多个水流率传感器124和/或一个或更多个水温传感器126，其中一个或更多个水流率传感器124和/或一个或更多个水温传感器126被配置成分别检测输送到正加热的部件(例如，工件32)的表面的多股水流(例如，图8所图示的水雾96、98)的流率和/或温度。一个或更多个水流率传感器124和/或一个或更多个水温传感器126可通信地耦接到控制电路(例如，分别耦接到焊接电力供应器12和感应电力供应器38的控制电路54、62或系统10的某一其它控制电路)，并且控制电路54、62可从一个或更多个水流率传感器124和/或一个或更多个水温传感器126接收信号，并确定如何例如通过调整输送到正加热的部件(例如，工件32)的表面的多股水流的流率和/或温度来相应地控制混合式感应加热/焊接组件90的操作。

如本文所述，在某些实施例中，图7A和图7B所图示的所有部件可设置在混合式感应加热/焊接组件90的单个壳内。因此，如图7A所图示，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90可包含复合安装部128，其用于将变压器42安装到混合式感应加热/焊接组件90的安装支架130。各种支架132对混合式感应加热/焊接组件90的许多其它部件提供支撑，并如图7B所图示，为混合式感应加热/焊接组件90的壳134提供支撑结构，焊炬16和一个或更多个感应加热线圈36(以及图4到图8所图示的其它内部部件)可至少部分封闭在所述壳134中。

图9是混合式感应加热/焊接组件90的保护壳134的侧视图。保护壳134可包括许多不同保护材料，包含(但不限于)高密度聚丙烯、陶瓷、有机玻璃或其它保护材料。此外，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90可包含检修盖136，其中检修盖136被配置成便于访问混合式感应加热/焊接组件90的内部部件(图示在图7A和图7B中)。例如，在图示实施例中，检修盖136被配置成枢转打开，如箭头138所图示。

如图9还图示，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90可还包含设置在保护壳134外部的机动安装件140。在某些实施例中，机动安装件140便于混合式感应加热/焊接组件90的360°旋转(例如，围绕轴线142，如箭头144所图示)。例如，机动安装件140可包含电动机，其中电动机被配置成导致旋转，所述旋转使得混合式感应加热/焊接组件90旋转。此外，混合式感应加热/焊接组件90的机动安装件140便于将混合式感应加热/焊接组件90耦接到多个机械手操纵器88或本文所述的其它机械运动系统(例如，参见图2)。例如，图10是耦接到机械运动系统146、148的混合式感应加热/焊接组件90的立体图。在某些实施例中，第一机械运动系统146可便于混合式感应加热/焊接组件90的机动安装件140的x轴和y轴线性运动，而第二机械运动系统148可便于混合式感应加热/焊接组件90的机动安装件140的z轴机动运动。

现参照图6，虽然被描述为用于混合式感应电弧焊工艺的焊炬16，但在其它实施例中，焊炬16可由用于混合式感应切割工艺的等离子体切割焊炬来替代，或其它混合式金属加工和感应加热工艺可使用其它类型的金属加工工具来实施。实际上，在某些实施例中，焊炬16(以及等离子体切割焊炬等)可以是可从混合式感应加热/焊接组件90移除并更换的(即，保持混合式感应加热/焊接组件90的内部部件的剩余部分不变)，以使得不同混合式感应加热工艺可由混合式感应加热/焊接组件90以相对极小的工作量来实施。

除具有可移除且可更换的焊炬16和/或等离子体切割焊炬等之外，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90的感应加热线圈36也可以是可移除且可更换的。实际上，在某些实施例中，多个感应加热线圈36可安装到混合式感应加热/焊接组件90中以便于被焊接、切割、成形等的部件(例如，工件32)的不同配置。例如，图11A和图11B图示针对对焊接头的两种感应加热线圈36配置。如图11A所图示，在某些实施例中，单个感应加热线圈36可设置在正焊接的部件(例如，工件32)的第一侧上。在其它实施例中，第一感应加热线圈36可设置在正焊接的部件(例如，工件32)的第一侧上，而第二(例如，背侧)感应加热线圈36可设置在正焊接的部件(例如，工件32)的第二、相对侧(例如，背侧)上。图12A到图12H图示针对T形角焊接头的各种感应加热线圈36配置。

在某些实施例中，可结合混合式感应加热/焊接组件90来使用焊接背衬150。更具体来说，如图13A所图示，在对焊接头的情形下，焊接背衬150可设置在正焊接的部件(例如，工件32)与混合式感应加热/焊接组件90的感应加热线圈36相对的一侧上。图13A还图示用于对焊接头中的焊接背衬150的各种形状。类似地，如图13B所图示，在T形角焊接头的情形下，焊接背衬150可设置在正焊接的部件(例如，工件32)之一与混合式感应加热/焊接组件90的感应加热线圈36相对的一侧上。图13B还图示用于T形角焊接头中的焊接背衬150的示范性形状。图13A和图13B所图示的焊接背衬150可由各种材料制成，包含(但不限于)铜、水冷却铜、陶瓷、粉末状助焊剂、玻璃纤维、玻璃纤维织布等。

如本文所述，混合式感应加热/焊接组件90可包含各种传感器和/或传感器模块，其中所述传感器和/或传感器模块被配置成检测混合式感应加热/焊接组件90的操作参数(例如，混合式感应加热/焊接组件90的感应加热线圈36相对于工件32的表面的位置、取向和/或移动、空气和/或冷却剂流率和/或温度、焊接电力、感应加热电力等)并出于调整操作参数的目的而将信号发送到控制电路(例如，分别发送到焊接电力供应器12和感应电力供应器38的控制电路54、62或系统10的某一其它控制电路)。例如，如图14A和图14B所图示，在某些实施例中，混合式感应加热/焊接组件90的感应加热线圈36与工件32的表面之间的距离152(被称为“线圈对峙距离”)可例如由一个或更多个机械手操纵器88或本文所述的其它机械运动系统(例如，参见图2)至少部分基于来自混合式感应加热/焊接组件90的各种传感器和/或传感器模块的反馈来连续调整。此外，如图15A和图15B所图示，在某些实施例中，工件32之间的距离154(被称为“焊接间隙距离”)可例如由一个或更多个机械手操纵器88或本文所述的其它机械运动系统(例如，参见图2)至少部分基于来自混合式感应加热/焊接组件90的各种传感器和/或传感器模块的反馈来连续调整。

本文所述的混合式感应金属加工工艺精确地施加附加的热，加速所述工艺，以使得例如焊接金属和底料金属每单位的焊缝长度不具有附加的热，并在减少变形以及变形相关问题的位置施加热。通过将感应热用于将焊接接头的表面升高到较高温度或甚至接近熔化，焊接电弧的热可用于使焊丝熔化，并且所述工艺可在比常规焊接高得多的行进速度下运行。电弧可主要局限于窄焊接接头间隙中，因此少得多的电弧能量被损耗到周围环境中，因此导致电弧等离子体中的能量的有效得多的使用。需要劳力和材料以及计划时间的焊接缺陷减少，因此导致较高的总生产率。此外，当使用常规焊接技术时，窄间隙焊接是仅将焊接电弧用于加热时的问题——间隙需要相对宽，并且通常需要在顶部较宽以容纳焊接电弧。通过本文所述的改进的混合式感应金属加工工艺，可使用窄得多的间隙，这是因为电弧可容易融入已经较接近熔点的焊接边缘中，而不需要机械加工或研磨焊接接头来使顶部开口。

因为窄间隙导致耗材的减少的使用，生产率也提高。填充焊接接头间隙所需的金属的量由熔熔化焊丝供应。较窄间隙将必定减少焊丝消耗，这本质上是将原本使用常规焊接间隙的情况下昂贵焊丝的消耗替换为正结合的部件(例如，工件32)的便宜得多的底料金属。窄间隙也减少保护气体或助焊剂的量。因此，生产率提高，所述生产率可表示为每单位成本而产生的焊缝长度的比率的度量。此外，焊炬16(特别是更换部件)的磨损和损坏通常通过总“电弧接通”时间来测量。所述工艺的提高的速度减少电弧接通的时间量，因此减少焊炬16以及送丝机的磨损和损坏。能量的使用也是如此——作为能量辐射器，到周围环境的电弧等离子体损耗可以是30％到50％。感应加热通常是8％或更小的能量损耗，这导致生产率的额外提高。

如本文所使用，术语“窄间隙”旨在涵盖由工件32之间分别在工件32的顶部和底部的相对类似的宽度表征的间隙。例如，在某些实施例中，工件32之间在工件32的顶部的宽度可仅比工件32之间在工件32的底部的宽度大了约10％到75％，这可导致约10°到约25°、约1°到约10°、约0°到约5°、约0°到约2.5°或甚至更小的窄间隙的相对小的角度。实际上，在某些实施例中，工件32之间在工件32的顶部的宽度可实质上类似于工件32之间在工件32的底部的宽度(例如，在0％到5％内)，这可导致约0°(例如，小于约1°、小于约0.5°，等等)的窄间隙的角度。应了解，其它不那么窄的角度(例如，约35°到约45°)也可从本文所公开的实施例获益。

由于关于焊接电弧可用能量水平的各种约束条件，焊接接头(明确地说，在结合较厚金属时)被切割、研磨或机械加工以使其在最接近焊接电弧的表面处具有较大的轮廓。工业统计表明需要较多时间(可能多达双倍的时间)来设置切割机以制造此斜角焊接接头轮廓或V形接头轮廓。图16图示在其中使用V形接头轮廓的常规焊接操作以及焊接电弧50的结果能量损耗156。更多的时间和成本被花费来形成其它类型的焊接接头轮廓(例如，J形槽或U型槽)以及类似的结果能量损耗。

图17图示一种焊接工艺(例如，GMAW焊接工艺)，其中大体上平直的窄间隙158设置在拟结合的工件32之间。明确地，在所图示的实施例中，窄间隙158的内表面(例如，相互面对的表面)159可实质上相互平行(例如，在5°内、在2°内，在1°内，或甚至更小)。感应加热线圈36用于加热工件32。焊接电弧50的热分布通常与感应热分布平衡以在窄间隙158中提供较平衡的加热分布。更具体来说，如图17所图示，由于感应加热线圈36和焊炬16相对于工件32的定位(这同样可由本文所述的控制电路主动控制)，感应加热线圈36所产生的感应加热分布与焊炬16所产生的焊接电弧加热分布的组合可贯穿工件32之间所形成的平直窄间隙158的整个厚度wnarrow而平衡(例如，实质上均匀地分布)。例如，在某些实施例中，工件32的内表面159上所产生的热可沿着内表面159变化不到15％、不到10％、不到5％、不到2％，等等。焊缝已通过本文所述的零宽度平头对焊接头间隙的混合式感应焊接工艺而产生。已表明，所述工艺以大到0.125"的间隙158产生可接受的焊缝。看上去可行的是，以大到0.375"或更大的间隙158产生焊缝，然而，生产率方面的主要优点是从尽可能窄的间隙158(例如，小于约0.375"、小于约0.125"，等等)获得的。

应了解，焊接电弧50所产生的热分布与感应加热线圈36所产生的感应热分布之间的平衡可由焊接电力供应器12的控制电路54、感应电力供应器38的控制电路62或系统10的某一其它控制电路主动控制。例如，焊接电力供应器12的控制电路54、感应电力供应器38的控制电路62或系统10的某一其它控制电路可从本文所述的各种传感器和/或传感器模块接收信号，所述信号与混合式感应加热/焊接组件90的所检测的操作参数相关，并且可确定(例如，估计)焊接电弧50所产生的热分布和/或感应加热线圈36所产生的感应热分布，接着确定组合的热分布(例如，焊接电弧50所产生的所估计的热分布和/或感应加热线圈36所产生的所估计的感应热分布的组合)，并调整某些操作参数以平衡焊接电弧50所产生的热分布以及感应加热线圈36所产生的感应热分布以例如将工件32中的变形和应力减到最小。例如，在某些实施例中，焊炬和/或感应加热线圈36相对于工件32的定位可例如由一个或更多个机械手操纵器88或本文所述的其它机械运动系统(例如，参见图2)至少部分基于焊接电力供应器12的控制电路54、感应电力供应器38的控制电路62或系统10的某一其它控制电路所执行的算法来连续调整，以至少部分基于来自混合式感应加热/焊接组件90的各种传感器和/或传感器模块的反馈而确定(估计)焊接电弧50所产生的热分布和/或感应加热线圈36所产生的感应热分布，并且接着确定组合的热分布(例如，焊接电弧50所产生的所估计的热分布和/或感应加热线圈36所产生的所估计的感应热分布的组合)。

对于常规电弧焊工艺来说，侧壁熔合缺陷在窄间隙焊接中是常见的。缺陷修复在材料和劳力方面是昂贵的，并导致生产计划延迟，并且因此显著危害到生产率。由于独立控制的感应加热线圈36和电弧等离子体(例如，由焊炬16产生)的组合所产生的平衡加热，侧壁熔合缺陷减少或消除。

虽然单个感应加热线圈36的使用可能是本文所述的混合式感应焊接工艺的最简单的应用，但可使用多个感应加热线圈36以进一步提高生产率。明确地说，在某些实施例中，单个宽感应加热线圈36可跨过焊接接头间隙，从而同时加热两侧(例如，参见图18A)。相反，在其它实施例中，焊接接头间隙的两侧上的双重平行感应加热线圈36可用于将感应加热提高到两倍，并且随着焊接电弧送丝速度和电力电平的提高，将焊接速度提高到两倍或两倍以上(例如，参见图18B)。

在某些实施例中，也可串联地使用多个感应加热线圈36。例如，两个相对宽的感应加热线圈36(沿着焊缝在焊炬16之前，一个在另一个之前)可用于将感应电力提高到两倍。此外，如图19A所图示，在某些实施例中，可串联地使用多组平行感应加热线圈36，以将感应加热电力提高到四倍。此外，如图19B所图示，在其它实施例中，可使用感应加热线圈36的其它组合，例如，两个平行感应加热线圈36进一步在焊接方向160的前方(例如，进一步在焊炬16之前)与单个宽感应加热线圈36串联地设置。

多个取向是可能的，包含将感应加热线圈36设置在焊缝的背侧上，或定位成对于期望的渗透偏爱的方向或根据访问限制的规定而定位。完工的焊缝轮廓(横截面)表明熔化材料偏爱具有感应加热的区域。因此，感应加热线圈36相对于接头的定位增加了另一级别的控制以影响完工的焊缝的渗透轮廓或切割工艺的优选方向。例如，在将较厚构件结合到较薄构件的状况下，感应加热可用于在厚构件上确保充分的渗透，而在较薄构件上不存在过量加热。此工艺可实现在过去使用常规工艺太难以实现的接头。此外，焊接渗透将偏爱材料已被加热的位置。因此，通过策略性地布置感应加热，可优化完工的焊接渗透位置、深度、宽度或其它关键的横截面量度。

可用于受到气体保护的混合式感应电弧工艺的焊接保护气体的类型不存在限制。所有标准焊接保护气体应能够对本文所述的混合式感应电弧焊工艺提供保护。所述工艺提供产生新气体混合物的机会，其中所述新气体混合物增强混合式感应电弧焊，但可能不适于常规电弧焊工艺。例如，可使用含有其中氦气的比例较高的氩气与氦气的混合物的焊接气体，以增强电弧特性。在焊接接头间隙在顶部较宽的普通焊接工艺中，含有较高百分比的低密度气体的气体混合物将容易分离，并且低密度气体可容易穿过宽间隙开口逸出。例如，在氩气/氦气混合物中，氩气将容易集中在焊接接头的底部，并且氦气集中在焊接接头的顶部。对于常规GMAW工艺来说，保护气体中的氦气的最高含量是75％，然后，对于本文所述的混合式感应加热工艺来说，具有75％到95％的氦气的保护气体将提供具有卓越侧壁润湿能力的较热电弧，以防止缺陷形成。氦气比氩气更昂贵，但极窄焊接接头间隙约束了所需要的气体的体积的宽度，并且较低成本的前导气体和拖尾气体的使用将保护气体约束到小体积，因此降低成本，并提高作为每单位焊缝长度的成本的度量的生产率。其它焊接气体混合物可与本文所述的混合式感应电弧焊工艺一起使用，其中这些焊接气体混合物通常将不用于常规气体保护焊接工艺。例如，约17％的氩气(例如，在约15％到20％范围内的氩气)与约83％的氦气(例如，在约80％到85％范围内的氦气)的气体混合物可用于本文所述的混合式感应电弧焊(或切割)工艺。

本文所述的混合式感应电弧焊(或切割)工艺可利用比普通金属制造工艺更快的行进速度。因此，常规气体输送机构可能是不足的。例如，常规工艺主要使用一个气体流喷嘴(例如，用以从气体源22输送保护气体)。相比之下，本文所述的系统10可能需要前导气体喷嘴、主要气体喷嘴和拖尾气体喷嘴。通过额外输送位置，可针对特定目的(例如，加热、表面张力、净化氮气的区域、搅拌作用、工艺动态特性等)来优化每一位置处的气体燃烧。

在常规气体保护电弧焊工艺中，一旦已完成焊接电弧，等离子体便终止到液态金属池中。相反，通过本文所述的混合式感应电弧焊工艺，窄间隙158完全以电弧50填充，以使得电弧力将液态金属保持在焊接接头间隙的此区域之外，这本质上产生阻拦液态金属的“河流”的坝，如图20所图示。随着焊炬16沿着接头移动，液态金属在焊接电弧50之后填充。为了获得良好的侧壁熔合，重要的是将液态金属的薄膜保持涂布在焊接接头间隙侧面。因此，在与液态金属接触时减少液态金属池的表面能量的保护气体组份将容易促进对具有液态金属的焊接接头间隙的表面的均匀涂布。这是因为，如果在液态金属涂布中出现间隙，那么间隙将产生较高能量表面，因此液态金属将伸长以维持固态金属表面的覆盖。将表面能量减到最小的倾向是表面和界面的形态和组成中的绝对性因素。通常，如果相对于周围环境的液态表面能量低于固态金属表面的能量，那么液体进行的表面的润湿被促进。含有降低液体的表面能量的气体的气体混合物因此将促进具有液态金属的金属表面的涂布。例如，液态铁中仅50ppm的硫的存在将表面张力减小约20％。六氟化硫是不起反应并且无毒的密度相对大的气体，并且用作液体产物的气雾剂输送的推进剂。因此，例如，约17％的氩气(例如，在约15％到20％范围内的氩气)、约82.5％的氦气(例如，在约80％到85％范围内的氦气)以及约0.5％的六氟化硫(例如，在约0.1到1.0％范围内的六氟化硫)的气体混合物可用于促进焊接接头间隙的侧面的润湿，并防止侧面熔合缺陷。

可与本文所述的混合式感应电弧焊工艺一起使用的焊丝的类型不存在限制。然而，粉末状金属芯焊丝容易产生具有较均匀直径的焊接电弧50，这将从电弧等离子体提供更均匀的热分布。因为本文所述的混合式感应电弧焊工艺不需要来自电弧50的同样多的能量就能加热基底材料(例如，工件32)，所以焊丝可被优化以施加较多的能量来使焊丝熔化。例如，可使用较具阻性的实心焊丝或其外部包层较具阻性(通过厚度或合金化)的金属芯焊丝，以使得焊丝较容易熔化。

相对于基底材料增加在焊丝上的加热的焊接工艺可用于提高熔化速率。例如反接(例如，DCEN)焊接、延伸的电极伸出以及AC焊接工艺等工艺可用于在焊丝上施加较多热。通常，原本具有低劣渗透性的工艺现在可与本文所述的混合式感应加热电弧焊工艺一起使用。

已表明通过本文所述的混合式感应电弧焊工艺而以最大速度产生高质量焊缝的某些示范性焊丝/气体组成例如包含：(1)使用具有下文表1所示的组成的铁合金焊丝，并使用约17％的氩气/约83％的氦气的气体混合物；(2)使用具有下文表1所示的组成的铁合金焊丝，并使用约17％的氩气/约82.5％的氦气/约0.5％的六氟化硫的气体混合物；以及(3)使用具有下文表1所示的组成的铁合金焊丝，并使用约10％的二氧化碳/约90％的氩气的气体混合物。

焊接金属分析
		碳(C)	0.03
锰(Mn)	1.57
		硅(Si)	0.69
磷(P)	0.001
		硫(S)	0.006

表1

当焊缝中的热不是均匀分布时，导致焊缝变形。当金属冷却时，金属与金属的温度成比例地收缩(参见图16)。对于电弧焊来说，电弧辐射热能。焊缝的较接近电弧的部分相比焊缝的与电弧相对的一侧上的金属接收较多热。随着焊缝冷却，较热区相比较冷区较多地收缩。这导致在焊缝中产生不均匀热应力。不均匀热应力导致在进行焊接工艺之前，金属从部件的原始尺寸开始变形。图21图示可由常规焊接电弧产生的不均匀热分布162以及工件从其原始形状164到变形形状166的变形变形。

本文所述的混合式感应电弧焊工艺利用两个独立热源(例如，焊接电弧50所产生的热分布与感应加热线圈36所产生的感应热分布)以平衡焊缝中的热分布。具有均匀加热的结果热分布提供均匀地收缩并且不产生不均匀热应力的焊缝。至少一个高频感应线圈36被设置在焊炬16附近。感应线圈36将焊缝的顶部加热到接近工件32的熔点(例如，大于50％的同系温度)。如本公开所使用，材料的“同系温度”是指材料的实际温度与材料的熔化温度之比，其中实际温度与熔化温度两者都是以绝对温度项(例如，开氏度)来表达的。接着，在感应线圈36之后，电弧焊工艺由焊炬16以如下方式施加：以使得焊缝的底部被加热(例如，参见图17)。作为结果的热分布是遍及焊缝的均匀加热。焊缝因而不产生不均匀热应力，并且焊缝的收缩遍及焊缝是均匀的。均匀热应力不使焊缝变形(对比图22的均匀热分布168与图21的不均匀热分布162)。

可在其它焊接接头设计中产生类似热图谱，以防止发生变形。例如，针对T形角焊接头，变形机制不同于对焊接头。在T形角焊接头中，焊缝的电弧等离子体加热不连续的构件的表面，但金属的中心柱仍是冷的。其结果是，底部构件170中的冷的中心柱保持相对固定，而顶部构件172和焊接金属的表面的受热金属自身冷却并收缩。这使得顶部构件172朝向焊缝弯曲，如箭头174所图示(参见图23)。

通过将焊缝的表面加热到接近熔点，电弧接着提供足够热以加热顶部构件172的整个厚度，因此消除底部构件170的中心的冷金属柱。当焊缝冷却时，顶部构件172通过顶部构件172的中心的热收缩而朝向底部构件170被牵引。收缩的焊接沉积物随着顶部构件172而收缩，并且不将任何应力负载施加到底部构件170，因此消除焊缝变形(参见图24)。如本文所述，由一个或更多个感应加热线圈36所产生的感应加热分布以及焊炬16所产生的电弧焊接加热分布的组合的加热分布引起的应力和变形的减少可通过一个或更多个感应加热线圈36和/或焊炬16相对于正加工的工件32的定位的最佳关系的确定以及根据此确定对一个或更多个感应加热线圈36和/或焊炬16的定位的独立调整来影响。如本文所述，控制电路(例如，分别为焊接电力供应器12和感应电力供应器38的控制电路54、62或系统10的某一其它控制电路)可从本文所述的传感器和/或传感器模块接收反馈，并且可使用此反馈来确定(例如，估计)一个或更多个感应加热线圈36所产生的感应加热分布以及焊炬16所产生的电弧焊加热分布，并且可将这些所确定的加热分布组合为组合的加热分布，确定一个或更多个感应加热线圈36和/或焊炬16相对于正加工的工件32的最佳定位以将工件32中的变形和/或应力减到最小，并且接着例如通过以下方式来实施所确定的最佳定位：根据所确定的最佳定位来控制多个机械手操纵器88或其它机械运动系统以独立控制一个或更多个感应加热线圈36和/或焊炬16相对于工件32的位置、取向和/或移动，以使得工件32中的变形和/或应力减到最小。例如，在某些实施例中，所确定的最佳定位可在工件32中实质上不导致变形和/或应力(例如，导致小于5％的变形、小于2％的变形、小于1％的变形、小于0.5％的变形等)。通常，本文所述的实施例得到这样的焊缝，其中与相当的焊缝相比，工件32表现出至少60％、或甚至大于80％的变形减少。

可在例如搭焊接头等其它类型的焊接接头中产生类似加热图案。存在可取决于焊接条件而应用到工艺的许多不同线圈形状配置。针对对焊接头的实例线圈配置示出在图18A和图18B中。针对T形角焊接头的实例线圈配置示出在图12A到图12H中。

虽然仅在本文中已对本公开的某些特征进行了说明和描述，但对于本领域的技术人员来说，许多修改和改变将会出现。因此，应理解，随附权利要求书希望涵盖落入本公开的真实精神内的所有这些修改和改变。当前公开的方法可用于使用任何金属制造工艺的系统中，所述金属制造工艺例如为，焊接工艺，例如，熔化极气体保护电弧焊(GMAW或MIG)、药芯电弧焊(FCAW)、气体保护药芯电弧焊(FCAW-G)、金属芯电弧焊(MCAW)、埋弧焊(SAW)、保护金属极电弧焊(SMAW或STICK或MMA或MMAW)、等离子体、激光、螺柱焊、闪光对焊、等离子体焊接、点焊、缝焊、激光焊接、钨极气体保护电弧焊(GTAW或TIG)、摩擦搅拌焊接(FSW)、两种或更多种工艺的混合工艺；切割工艺，包含等离子体切割工艺、氧气切割工艺、两种或更多种工艺的混合切割工艺；成形工艺；或类似工艺。

Claims (21)

1.一种混合式感应加热/焊接组件，包括：

金属加工工具，所述金属加工工具被配置成对至少一个工件执行金属加工工艺，其中所述金属加工工艺在所述至少一个工件中产生金属加工热分布；以及

至少一个感应加热线圈，所述至少一个感应加热线圈被配置成将感应热施加到所述至少一个工件，其中所述感应热在所述至少一个工件中产生感应热分布；

其中所述金属加工热分布和所述感应热分布组合以在所述至少一个工件中产生组合的热分布，其中所述组合的热分布导致来自所述金属加工工艺的所述至少一个工件中实质上不产生变形；以及

控制电路，所述控制电路被配置成:

估计所述至少一个工件中的所述金属加工热分布和所述感应热分布，基于所估计的金属加工热分布和感应热分布来估计所述组合的热分布;以及

控制所述金属加工工具、所述至少一个感应加热线圈或两者的相对定位，以调节所述金属加工热分布或所述感应热分布在所述工件上的位置以将所述至少一个工件中的变形减到最少。

2.根据权利要求1所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述至少一个感应加热线圈是位于焊炬之前的第一感应加热线圈，所述混合式感应加热/焊接组件进一步包括位于所述焊炬之后的第二感应加热线圈以提供已熔合的焊接位置的热处理，以及包括第三感应加热线圈以在所述金属加工工艺之前或之后加热所述工件以降低焊缝的冷却的速率以防止冶金损坏。

3.根据权利要求1所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述控制电路被配置成通过将控制信号传输到至少一个机械手操纵器而控制所述金属加工工具、所述至少一个感应加热线圈或两者的所述相对定位。

4.根据权利要求1所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述控制电路被配置成至少部分基于来自一个或多个传感器的反馈而估计所述至少一个工件中的所述金属加工热分布和所述感应热分布。

5.根据权利要求4所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述一个或多个传感器包括一个或多个位置检测传感器、一个或多个温度传感器、或一个或多个位置检测传感器与一个或多个温度传感器的组合，所述一个或多个位置检测传感器被配置成检测所述金属加工工具或所述至少一个感应加热线圈相对于所述至少一个工件的相对位置，所述一个或多个温度传感器被配置成检测所述至少一个工件附近的温度。

6.根据权利要求1所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述至少一个工件包括形成窄间隙的两个工件。

7.根据权利要求1所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述至少一个工件包括一起形成T形角焊接头的两个工件。

8.根据权利要求1所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述至少一个工件包括一起形成对焊接头的两个工件。

9.根据权利要求1所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述金属加工工具包括焊炬。

10.根据权利要求1所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述金属加工工具包括等离子体切割焊炬。

11.一种混合式感应加热/焊接组件，包括：

保护外壳，所述保护外壳被配置成相对于至少一个工件移动；

金属加工工具，所述金属加工工具被配置成对所述至少一个工件执行金属加工工艺，其中所述金属加工工具至少部分包围在所述保护外壳内，并且其中所述金属加工工艺在所述至少一个工件中产生金属加工热分布；

至少一个感应加热线圈，所述至少一个感应加热线圈被配置成将感应热施加到所述至少一个工件，其中所述至少一个感应加热线圈至少部分包围在所述保护外壳内并且与所述金属加工工具搭配，并且其中所述感应热在所述至少一个工件中产生感应热分布；

其中所述金属加工热分布和所述感应热分布组合以在所述至少一个工件中产生组合的热分布，其中所述组合的热分布导致来自所述金属加工工艺的所述至少一个工件中实质上不产生变形；以及

控制电路，所述控制电路被配置成:

估计所述至少一个工件中的所述金属加工热分布和所述感应热分布，基于所估计的金属加工热分布和感应热分布来估计所述组合的热分布;以及

控制所述金属加工工具、所述至少一个感应加热线圈或两者的相对定位，以将所述至少一个工件中的变形减到最少。

12.根据权利要求11所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述控制电路被配置成通过将控制信号传输到至少一个机械手操纵器而控制所述金属加工工具、所述至少一个感应加热线圈或所述保护外壳关于所述工件的相对定位。

13.根据权利要求11所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述控制电路至少部分基于来自一个或多个传感器的反馈而估计所述至少一个工件中的所述金属加工热分布和所述感应热分布。

14.根据权利要求13所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述一个或多个传感器包括一个或多个位置检测传感器、一个或多个温度传感器、或一个或多个位置检测传感器与一个或多个温度传感器的组合，所述一个或多个位置检测传感器被配置成检测所述金属加工工具或所述至少一个感应加热线圈相对于所述至少一个工件的相对位置，所述一个或多个温度传感器被配置成检测所述至少一个工件附近的温度。

15.根据权利要求11所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述至少一个工件包括形成窄间隙的两个工件。

16.根据权利要求11所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述至少一个工件包括一起形成T形角焊接头的两个工件。

17.根据权利要求11所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述至少一个工件包括一起形成对焊接头的两个工件。

18.根据权利要求11所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述金属加工工具包括焊炬。

19.根据权利要求11所述的混合式感应加热/焊接组件，其中所述金属加工工具包括等离子体切割焊炬。

20. 一种混合式感应加热/焊接组件，包括：

金属加工工具，所述金属加工工具被配置成对至少一个工件执行金属加工工艺，其中所述金属加工工艺在所述至少一个工件中产生金属加工热分布；以及

至少一个感应加热线圈，所述至少一个感应加热线圈被配置成将感应热施加到所述至少一个工件，其中所述感应热在所述至少一个工件中产生感应热分布，其中所述混合式感应加热/焊接组件还包括圆形气刀和水喷头，所述圆形气刀被配置成围绕所述至少一个感应加热线圈，所述水喷头被配置成围绕所述圆形气刀；

其中所述金属加工热分布和所述感应热分布组合以在所述至少一个工件中产生组合的热分布，其中所述组合的热分布在所述至少一个工件中实质上不产生变形；以及

控制电路，其中所述控制电路被配置成估计所述至少一个工件中的所述金属加工热分布和所述感应热分布，基于所估计的金属加工热分布和感应热分布来估计所述组合的热分布，并控制所述金属加工工具、所述至少一个感应加热线圈或两者相对于所述至少一个工件的位置、取向和/或移动以将所述至少一个工件中的变形减到最少。

21.一种混合式感应加热/焊接组件，包括：

保护外壳；

金属加工工具，所述金属加工工具被配置成对至少一个工件执行金属加工工艺，其中所述金属加工工具至少部分包围在所述保护外壳内，并且其中所述金属加工工艺在所述至少一个工件中产生金属加工热分布；以及

至少一个感应加热线圈，所述至少一个感应加热线圈被配置成将感应热施加到所述至少一个工件，其中所述至少一个感应加热线圈至少部分包围在所述保护外壳内，并且其中所述感应热在所述至少一个工件中产生感应热分布，其中所述混合式感应加热/焊接组件还包括圆形气刀和水喷头，所述圆形气刀被配置成围绕所述至少一个感应加热线圈，所述水喷头被配置成围绕所述圆形气刀；

其中所述金属加工热分布和所述感应热分布组合以在所述至少一个工件中产生组合的热分布，其中所述组合的热分布在所述至少一个工件中实质上不产生变形；以及

控制电路，其中所述控制电路被配置成估计所述至少一个工件中的所述金属加工热分布和所述感应热分布，基于所估计的金属加工热分布和感应热分布来估计所述组合的热分布，并控制所述金属加工工具、所述至少一个感应加热线圈或两者相对于所述至少一个工件的位置、取向和/或移动以将所述至少一个工件中的变形减到最少。

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