CN107127426A - 使用旋转耗材的焊接系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种焊接系统和方法，该焊接系统和方法在焊接操作过程中移动焊接耗材，其中耗材在焊接过程中在焊接触尖的下游移动。提供了一种焊丝操纵装置，在耗材离开该触尖之后或在耗材到达焊接操作的焊接熔池之前，该焊丝操纵装置引起该耗材移动。在焊接过程中，该耗材以不同的图案移动，并且可以基于焊丝的移动来改变焊接过程参数，诸如送丝速度等。

Description

使用旋转耗材的焊接系统和方法

技术领域

符合本发明的使用旋转耗材的焊接系统和方法的装置、系统和方法、并且更具体地使用旋转耗材的焊接方法和系统来减小间隙宽度。

背景

已经开发出将工件焊接/连结在一起的各种方法。随着这些技术的进步，连结更复杂的材料，这要求专业的焊接工艺。例如，用于连结用于高应力和强度的应用(诸如用于液态天然气罐)的材料的那些焊接工艺要求专业焊接，例如，具有高镍含量、并且在焊接过程中使用非常昂贵耗材的工件。例如，当在平焊位置或横焊位置、或甚至立焊位置上焊接时，具有开放根部间隙或具有背垫衬条(backing bar)，由于与碳钢相比，焊接熔池的流动性降低，所以难以获得适当的侧壁熔合。进一步地，当焊接基于Ni的材料时，但为了获得适当的侧壁熔合，期望将根部间隙减小到最小，以确保适当的焊缝。针对基于Ni的工件，这通常是通过以摆动图案使焊炬来回摆动来完成的。然而，因为摆动图案，必须加宽根部间隙(例如，针对6mm厚的工件，间隙超过10mm)，所以操作者可以实现适当的摆动式样并且可以一致地穿透侧壁。这种增大后的间隙宽度增加了焊接操作的时长并且利用更多耗材。一直致力于在焊接过程中经由磁场来使电弧摆动。然而，工件的磁化不是令人期望的，特别是当焊接基于高NI的合金时。因此，需要一种经改进的、更高效的焊接这些类型材料的方法。

通过常规、传统和所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。

发明简要概述

本发明的示例性实施例是一种焊接系统和方法，其中，在焊接耗材离开焊炬的触尖之后，一种机构使该耗材旋转。在使焊丝旋转的同时，焊炬行程相对于焊缝坡口保持在笔直路径上，从而模仿传统的摆动图案。然而，不需要磁化，并且可以完成间隙尺寸最小并且耗材使用最少的、令人满意的焊缝。

附图简要说明

通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加清晰，在附图中：

图1是本发明的实施例的示例性焊接系统的图解表示；

图2是示例性焊接操作的视图的图解表示；

图3是示例性焊接操作的另外一个视图的图解表示；

图4是示例性焊接操作的附加视图的图解表示；

图5A和图5B是本发明的示例性焊接操作的图解表示；

图6A至图6F是示例性耗材路径的图解表示；

图7是本发明的示例性耗材路径的图解表示；并且

图8是本发明的示例性焊丝操纵套环的图解表示。

详细说明

现在将详细参照多个不同的和可替代的示例性实施例并参照附图，其中相似的数字表示基本上相同的结构元件。每个实例是通过说明的方式而不是作为限制来提供的。事实上，本领域技术人员将清楚的是，在不脱离本披露内容和权利要求的范围或精神的情况下，可以作出修改和变体。例如，作为一个实施例的一部分所图示说明或描述的特征可以被用在另一个实施例上，以产生更进一步的实施例。因此，旨在的是本披露内容包括了在所附权利要求及其等效物范围内的修改和变体。

在此描述的示例性实施例尤其适用于与FCAW焊接操作结合使用，并且因此，本发明的实施例将尤其参照FCAW焊接操作和系统进行描述。然而，所要求保护的本发明具有更宽泛的应用并且可以与其他类型的焊接操作(例如，像GMAW或埋弧焊)一起使用。此外，关于半自动焊接操作描述了以下示例性实施例。然而，其他示例性实施例可以是自动的或手动的。进一步地，虽然关于焊接高强度基于Ni的材料描述了本发明的实施例，但在不同材料和应用的许多不同焊接操作中可以实现在此描述的实施例的益处。

现转到图1，描绘了示例性FCAW焊接系统100。关于已知的系统，系统100包含电源101、送丝器103和焊炬110。电源101可以是任何已知的、能够为焊接操作提供所期望的焊接波形和功率的电源。电源101与送丝器103通信，该送丝器将耗材140(该耗材可以是FCAW耗材)从来源105通过缆线120给送到焊接操作。未示出可以用于一些焊接操作中的保护气体系统。耗材140被递送到焊炬110，该焊炬将耗材140引导至焊接操作，使得可以焊接工件W。该系统还可以包括控制和/或管理焊接操作的控制器130。控制器130可以是能够控制焊接操作的多个方面的、任何类型的计算机或基于微处理器的系统。这样的控制器是普遍已知的并且在此不需要进行详细描述。虽然图1中将控制器130示出为单独的部件，但应理解控制器130可以在另一个部件的内部，诸如电源101，并且不需要是单独的装置或部件。这样的焊接系统的结构和操作已为本领域的人员所知并且不需要在此描述其细节。

如图1中额外所示，示例性系统100包含耗材操纵系统，该耗材操纵系统包含例如控制器131、马达133和焊丝操纵器135。如以下更全面描述的，在焊接过程中，焊丝操纵器135位于焊炬110的触尖的末端下游，在触尖的远端与耗材140的末端之间。马达133可以是任何已知类型的马达、或能够使操纵器135以期望的运动移动的运动控制装置(如以下更全面描述的)。例如，马达可以是任何类型的螺线管、齿轮传动机构、电动马达等。该操纵器用于使耗材140以期望的图案移动，从而提供最佳焊接操作。如所示，耗材140的这种移动如此使得耗材的尖端移离触尖的中心线。这将在以下进行更详细地描述。

图2描绘了示例性焊接操作的特写图。关于典型的焊接操作，焊炬110定位于焊缝坡口的中心线上方。焊炬110至少具有焊嘴111和触尖112，耗材140通过它们传递到焊接操作。在所示实施例中，两个工件W在典型的斜接焊接操作中连结在一起。如以上引用的，当焊接高强度基于Ni的材料时，这种类型的接头需要具有大约10mm或更大的坡口间隙G宽度，以允许焊炬110以摆动图案移动从而获得焊接接头的最佳侧壁穿透。当工件的材料厚度为6mm或更大时尤其是这种情况。在这些焊接操作中，垫板通常使用在间隙的底部以帮助创造焊道。然而，不像已知的焊接操作，在焊接过程中，本发明的实施例不使焊炬110或工件W摆动，而是，以机械方式操纵触尖112的出口的下游的耗材140以使电弧移到期望的位置。如所述，在示例性实施例中，以机械方式而不经由磁来实现耗材140的移动，从而避免磁化工件W的问题。

在示例性实施例中，焊丝操纵器135定位在触尖112的出口的下游并且能够根据期望以机械方式移动焊丝。连杆137可以将操纵器135连接到任何马达133或其他移动机构。连杆137可以包括任何类型的凸轮系统、齿轮系统或需要根据期望(以下进行了更全面地描述)移动耗材140的任何其他装置或部件。通过在触尖112的下游移动耗材140，可以达到所期望的侧壁穿透和焊缝品质与强度，而不需要从一侧到一侧移动焊炬110、或使用磁来操纵电弧。因为这样，当焊接材料厚度为6mm或更大时，本发明的实施例可以显著减小间隙G的宽度。例如，当焊接基于Ni的部件时，间隙G可以减小到3mm到6mm，并且在一些实施例中可以是4mm。这样不仅大大提高了焊炬过程的速度而且还显著减少了所使用的耗材量，从而较已知方法产生显著的财务和品质益处。

图3和图4描绘了焊接操作，其中，在焊接操作过程中，操纵器135已经将耗材140移动到不同的位置。如所示，焊炬110相对于焊缝间隙的中心线保持固定(在行走方向上)，而操纵器135相对于焊缝间隙以一定图案移动耗材140。在图3和图4中，以圆形图案移动耗材140。这个圆形图案具有将至少间隙宽度、材料厚度和焊条伸出度考虑在内的半径，以确保耗材140不与工件W接触并且在焊接过程中达到充分的侧壁穿透。

图5A和图5B描绘了耗材140的任何示例性焊接图案的自顶而下视图。为了清晰性，图5A中所示的耗材140的位置仅仅是焊接操作过程中耗材140的尖端的位置。并且，为了清晰性，未示出操纵器135。如图5A和图5B中所示，耗材140的图案是圆形图案，并且随着焊炬110沿焊缝间隙的中心线(在行走方向)移动，耗材140的尖端以期望的图案移动。如所示，随着焊炬移动通过位置A到E，耗材140的尖端以圆形图案移动。这个圆形图案模仿摆动图案，获得期望的侧壁穿透并且允许使用最小的间隙G宽度。

在图5A所示的实施例中，从自顶而下图中，圆形图案的半径(例如，图5B)如此，耗材140的尖端搭接在焊缝坡口的侧壁上。这是在位置B示出的，在该位置上，从自顶而下图中，尖端140在工件W的至少一部分的上方移动，因为圆形图案或偏转的直径大于间隙G的侧向距离。这还在图3和图4中从正视图被概括地示出。换言之，图案的半径(或偏转量)如此使得如果从焊缝间隙的底部看，耗材的尖端将被工件W的底表面遮蔽。可能需要这样的实施例来在焊接过程中达到所期望的侧壁穿透。在其他示例性实施例中，移动尖端140使得其始终停留在焊缝的间隙内而从不在工件的一部分的上方移动。这在图5A的位置A、C、D和E进行了概括描绘。本发明的实施例可以将焊缝坡口的侧壁的角度/陡度以及坡口厚度考虑在内以确定在焊接过程中离中心线期望的最大侧向偏转度。

虽然图5A和图5B描绘了总体上圆形的耗材操纵图案，但可以使用其他图案和实施例。图6A至图6F描绘了其他可能的耗材操纵图案。图6A描绘了电弧相对于焊炬的行走方向朝背向方向延伸的半圆形图案。图6B相反，其中半圆形电弧在与该行走方向相同的方向延伸。当然，该图案不需要是完整的圆形或者半圆形，但可以是某种程度上的部分圆形(具有恒定半径)的、差不多180度的弧。例如，该弧可以在90度到270度的范围内。在其他示例性实施例中，该图案可以不同于圆形。例如，图6C和图6D描绘了椭圆形、扁圆形、或卵形耗材图案。应注意，虽然图6C和图6D中的形状的长轴被示出垂直于行走方向，但在其他实施例中，长轴可以与行走方向对齐或甚至相对于行走方向成一定角度定位。此外，该耗材能以直接垂直于行走方向(参见图6E)或可以相对于行走方向有角度(参见图6F)的直线图案实际操纵耗材。实际上，虽然未示出，但在一些实施例中，如果期望的话，耗材可以与焊炬的行走方向一致来回摆动。

应注意，以上示例性实施例旨在是示例性并且在焊接过程中可以利用其他耗材行走图案。实际上，在一些示例性实施例中，耗材图案的形状和/或大小在焊接操作过程中可以变化。例如，在一些实施例中，焊接操作的第一部分可以使用具有第一半径的圆形耗材图案，而第二焊接部分可以具有不同于第一半径的第二半径。类似地，其他实施例可以具有图案为圆形的第一部分、和图案为椭圆或直线的第二焊接部分。这可以根据需要经由系统的控制器“飞快”变化。

此外，在焊接过程中，控制器130可以基于耗材的尖端相对于焊缝坡口的实际位置来改变焊接过程中的其他焊接参数。实际上，控制器130可以基于耗材的尖端的定位改变焊炬的送丝速度、电流、电压、伸出度和行走速度中的任一者。这参照图7进行了进一步解释。

在图7中，该图是示例性焊缝坡口和具有代表性耗材位置A、B、C和D的圆形耗材图案(其与坡口的侧壁重叠)的自顶而下图。图7中的焊炬的行走方向是从A到D，即，焊炬在图中向下移动。在本发明的示例性实施例中，控制器130控制电源101、送丝器103、和/或焊炬110，使得焊接电流/电压、WFS、伸出度、和行走速度中的至少一者、或所有或组合贯穿耗材尖端的整个图案是恒定的。然而，在其他实施例中，这可能不是令人期望的，并且随着耗材尖端的定位相对于其在坡口中的位置变化，以上参数中的至少一个参数(可能所有)变化。这的一些实例在以下进行了讨论，但不旨在是限制性的。并且，虽然以下单独讨论了各种参数，但控制器130可以控制操作，使得各种参数的变化根据需要而组合，以达到所期望的焊接品质和结果。

送丝速度(WFS)

在一些示例性实施例中，耗材140的送丝速度在操作过程中可能变化。例如，在位置A，使用第一WFS，并且随着尖端移向位置C，考虑到侧壁的高度，WFS放慢，并且随着尖端前进到位置D，WFS可以再次加速。进一步地，在一些实施例中，WFS在点A与B之间可以是恒定的，并且仅在达到点B时，WFS放慢。这可以完成以防止过度穿透侧壁或接触侧壁和/或当到达侧壁时操纵伸出度。实际上，在一些实施例中，WFS在点A与D之间可以不同。例如，尖端的行走图案可以用于在焊道上建造多个层。例如，当耗材位于点D(图案的前边缘)时，耗材可以用于将根部焊道放入间隙中，并且当尖端到达该点、其行走图案(例如，圆圈)的后部时，耗材可以用于将额外材料放到在点D创造的根部焊道上。即，在点A的焊接操作可以是向已经放置的根部焊道(例如，放置在点D处)增材。在这样的实施例中，可能期望耗材运动图案的前半部具有第一WFS，而后半部具有第二WFS-(假设在自顶向下图中，图案的形状按垂直于穿过行走方向/坡口中心线的线分成两半，该中心线穿过触尖的中心)。取决于期望的焊接表现，第二WFS可以比第一送丝速度更快或更慢。当然，在示例性实施例中，与点变化截然不同，从第一WFS到第二WFS的转变可以是逐渐的。例如，在逐渐再次减小之前，WFS可以从点B到点C逐渐地(例如，线性地)增大。

电流/电压

类似于WFS的控制(以上讨论的)，焊接波形的峰和/或平均电流/电压可以基于耗材的尖端的位置而变化。即，控制器130可以基于耗材的尖端的定位改变焊接波形的参数。即，当尖端处于第一位置(例如，位置A)时，使用具有第一组电流和/或电压参数的第一波形，而在第二位置(例如，位置C)时，可以使用具有第二组电流和/或电压参数的第二波形。实际上，在一些实施例中，波形自身的结构可以变化。例如，在点A，波形是脉冲式焊接波形，而在点B与C之间，波形是短弧式波形。当然，这些波形类型旨在是示例性的而不是限制性的，并且可以使用其他波形类型。因此，和关于WFS的讨论一样，当焊丝移动时，控制器130可以基于耗材的定位来改变焊接波形的多个方面以便达到所期望的焊接参数和穿透。

行走速度

再次，类似于以上的讨论，基于耗材的尖端的定位，(在半自动或自动焊接过程中)可以控制改变焊炬110的行走速度。例如，可能期望当该尖端接近点C时比接近点A和点D时让焊炬110行走更快，并且因此例如从点B到C，焊炬速度加快，并且接着当该尖端移向点C时减速。当然，在其他实施例中，可能期望在焊炬接近点A和/或点D时必须让该焊炬移动更快。再次，取决于所期望的焊道，控制器130可以控制焊炬的行走速度。

伸出度

再次，类似于以上讨论的，在焊接过程中，耗材140的伸出度可以由控制器130基于耗材140的尖端的定位加以调整。如上所述，可能期望当耗材在焊接坡口周围移动时改变耗材移动过程中的伸出度。例如，如果耗材垂直于行走方向中心线线性地移动，可能期望在焊接熔池表面与耗材的末端之间保持恒定距离。例如，当耗材尖端从坡口的中心移动到点C(图7)时，使得当耗材140接近点C时，可能有必要增大伸出度以在尖端与熔池之间保持恒定距离。即，因为移动的几何方面(例如，勾股定理)而没有延长伸出度，所以耗材的尖端与熔池之间的距离将随着与中心的角度增大而增大。因此，如果要保持尖端到熔池的间隙，控制器130可以使伸出度得以保持。这可以以多种不同的方式完成，例如，增大/减小WFS和/或移动焊炬的高度。

应注意，虽然单独讨论了以上参数，但控制器130可以基于耗材140的移动来改变以上参数中的任一者、所有、或任何组合。

在本发明的示例性实施例中，控制器130可以使用来自焊接操作的反馈来确定耗材的定位和控制焊接操作的多个方面。在一些示例性实施例中，控制器130使用来自操纵系统的位置反馈来确定耗材的定位。例如，可以监测马达133和/或操纵器135。进一步地，其他示例性实施例可以监测电压和/或电流反馈，并且使用此信息结合状态表、控制算法等等，可以确定耗材尖端的定位。当然，可以使用其他控制方法，而不脱离本发明的精神或范围。

图8描绘了可以定位在触尖的下游并且用于移动焊丝的焊丝操纵器135的示例性实施例。如所示，操纵器135具有喉道801，耗材通过该喉道传递到焊接操作。喉道801具有窄喉道部803，该窄喉道部稍微大于耗材的直径并且接触耗材以使耗材移动至期望的位置。并且，该喉道具有有角度的壁部805，该角度如此使得在操纵器的每个末端，开口大于窄部803。当操纵器来回移动时，这些有角度的表面805允许耗材通过候道801有角度。当然，可以使用其他几何构型而不脱离本发明的精神或范围。此外，喉道的边缘和拐角可以弯曲以允许耗材140顺滑移动，并且防止擦伤或刨削耗材。进一步地，在示例性实施例中，操纵器135由具有高耐热性的介电材料制成。例如，可以使用陶瓷材料。应注意，在一定程度上，焊接操作需要保护气体，操纵器135应具有一定尺寸和形状以确保保护气体可能有效地起作用。如果操纵器135太大，其可能干扰适当的保护气体功能。

此外，在一些示例性实施例中，焊炬110的触尖112可以具有斜边，该斜边通向耗材140的通路的通路出口。即，在一些实施例中，在触尖112的远端面处的耗材出口是有斜面的，以便允许如上所述的耗材移动，从而防止在触尖的尖锐端擦伤或刨削耗材。

如以上解释的，可以通过能够在期望路径上移动耗材的任何机械装置移动操纵器135。例如，可以使用凸轮或齿轮结构。进一步地，虽然图2、图3和图4示出了焊嘴112的边缘的下游的操纵器135，但在一些实施例中，操纵器的顶部可以至少部分位于焊嘴内。

虽然已参照某些实施例描述了所披露的本申请的主题，但是本领域技术人员将理解，在不脱离要求保护的主题的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以替换等效物。此外，可以进行许多修改以使具体的情况或材料适应所描述的主题的传授内容而不脱离其范围。因此，所旨在的是，所描述的主题不受限于所披露的特定实施例，而所披露的主题将包括落入本说明书的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种焊接系统，包括：

焊接电源，该焊接电源在焊接操作过程中向焊接耗材提供焊接电流；

焊炬，该焊炬包括触尖，其中所述焊接耗材通过所述触尖被递送到所述焊接操作；以及

焊丝操纵装置，该焊丝操纵装置包括焊丝操纵器和用于移动所述焊丝操纵器的机构，其中，所述操纵器定位在所述触尖与所述焊接操作之间；

其中，所述操纵装置将所述焊接耗材相对于所述触尖的中心线移动到所述触尖的下游。

2.如权利要求1所述的焊接系统，其中所述触尖在所述焊接操作过程中相对于工件之间的间隙保持在恒定位置。

3.如权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊丝操纵装置移动所述焊接耗材，使得所述焊接耗材的尖端相对于所述焊接操作以圆形图案移动。

4.如权利要求3所述的焊接系统，其中所述焊接操作的间隙相对于焊接方向具有侧向距离，并且其中所述圆形图案的直径大于所述侧向距离。

5.如权利要求1所述的焊接系统，其中在所述焊接操作过程中，所述焊丝操纵装置改变所述焊接耗材在所述触尖的下游的移动。

6.如权利要求3所述的焊接系统，其中所述焊丝操纵装置在所述焊接操作过程中改变所述圆形图案的半径。

7.如权利要求1所述的焊接系统，其中在所述焊接操作过程中改变送丝速度、焊接电流、焊接电压、伸出度或行走速度中的至少一者。

8.如权利要求1所述的焊接系统，其中基于所述焊丝操纵装置移动所述焊接耗材来在所述焊接操作过程中改变送丝速度、焊接电流、焊接电压、伸出度或行走速度中的至少一者。

9.如权利要求1所述的焊接系统，其中所述操纵器具有喉道部，所述焊接耗材传递通过该喉道部，其中所述喉道部具有在直径上大于所述焊接耗材的窄候道部。

10.如权利要求9所述的焊接系统，其中所述喉道部具有联接至所述窄喉道部的有角度表面。

11.一种焊接方法，包括：

在焊接操作过程中对焊接耗材提供焊接电流；

在所述焊接操作过程中使所述焊接耗材前进通过焊炬上的触尖；

使用具有焊丝操纵器的焊丝操纵装置移动所述焊接耗材，其中所述操纵器定位在所述触尖与所述焊接操作之间；并且

其中，所述操纵装置将所述焊接耗材相对于所述触尖的中心线移动到所述触尖的下游。

12.如权利要求11所述的焊接方法，进一步包括在所述焊接操作过程中将所述触尖相对于工件之间的间隙保持在恒定位置处。

13.如权利要求11所述的焊接方法，进一步包括移动所述焊接耗材，使得所述焊接耗材的尖端相对于所述焊接操作以圆形图案移动。

14.如权利要求13所述的焊接方法，其中所述焊接操作的间隙相对于焊接方向具有侧向距离，并且其中所述圆形图案的直径大于所述侧向距离。

15.如权利要求11所述的焊接方法，进一步包括在所述焊接操作过程中改变所述焊接耗材在所述触尖的下游的移动。

16.如权利要求13所述的焊接方法，进一步包括在所述焊接操作过程中改变所述圆形图案的半径。

17.如权利要求11所述的焊接方法，进一步包括在所述焊接操作过程中改变送丝速度、焊接电流、焊接电压、伸出度或行走速度中的至少一者。

18.如权利要求11所述的焊接方法，进一步包括基于所述焊丝操纵装置移动所述焊接耗材在所述焊接操作过程中改变送丝速度、焊接电流、焊接电压、伸出度或行走速度中的至少一者。

19.如权利要求11所述的焊接方法，进一步包括使所述焊接耗材传递通过所述焊丝操纵器中的喉道部，其中所述喉道部具有在直径上大于所述焊接耗材的窄喉道部。

20.如权利要求19所述的焊接方法，其中所述喉道部具有联接至所述窄喉道部的有角度表面。