CN108136551A - 具有可旋转联接的焊接模块的管爬行焊接装置；用这样的管爬行装置焊接管的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种管爬行焊接装置(100)，该管爬行焊接装置包括其上具有焊接头的焊接模块(114)、安装轴、履带模块(112)和吊杆(102)。吊杆(102)可以固定地联接到安装轴。履带模块(112)可以经由例如第一环形轴承和第二环形轴承可旋转地联接到安装轴，使得履带模块可以相对于安装轴旋转。焊接模块(114)可以固定地联接到安装轴，以使得在使用中，焊接模块(114)、吊杆(102)和安装轴可以相对于履带模块(112)的方向和旋转速度沿着相反的方向并且以相同的旋转速度旋转以保持焊接头的角位置。

Description

具有可旋转联接的焊接模块的管爬行焊接装置；用这样的管 爬行装置焊接管的方法

技术领域

本公开的实施例总体上涉及焊接装置的领域，并且更特别地涉及适于从内部焊接管段的管爬行装置。

背景技术

用于在管的长段内执行埋弧焊接(SAW)的现代装置常常使用安装在大型、悬臂式静止吊杆上的焊接头，所述静止吊杆适于深入延伸到要从内部焊接的管段中。例如，为了以轴向抵接关系将管的两段焊接在一起，常规SAW装置的吊杆纵向地完全延伸通过管段中的一个，以便将焊接头定位在抵接段之间的接头附近。所以吊杆必须至少与两个管段中的较短的一个管段一样长或者接近一样长以到达接头。

上述类型的SAW装置伴有多个缺点。例如，这样的装置的吊杆通常相当长(例如，超过10米)，并且因此在操作环境中例如在制造设施中、在船上、或者在空间很宝贵的其他环境中，需要很大的地板空间。此外，这些类型的SAW装置(吊杆)通常非常重(例如，超过5000kg)，在某些操作环境中例如在SAW装置的重量可能要求定制地板以应对SAW装置的重量和动量的制造设施中，这可能是不利的。更进一步地，这些类型的装置只能与一定长度的管一起使用，原因是吊杆会在其自身重量和焊接头的重量的影响下弯曲，这会导致对准问题并且在最坏的情况下会导致机械变形和/或塑性变形。

鉴于上述情况，期望提供一种用于焊接长形管段的内部的SAW装置，其中这样的装置相对紧凑、重量轻、并且成本低。进一步期望提供这样的SAW装置，其在焊接操作期间不易受到显著振动的影响。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍将在以下的具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容不旨在表述所要求保护的主题内容的关键特征或基本特征，也不旨在帮助确定所要求保护的主题内容的范围。

本公开的各种实施例总体上涉及一种管爬行焊接装置。管爬行焊接装置的一个示例性实施例可以包括具有推进单元的履带模块，所述推进单元配置成可控地驱动所述管爬行焊接装置纵向地通过管。所述管爬行焊接装置还可以包括焊接模块，所述焊接模块可旋转地联接到所述履带模块并且具有安装在其上的焊接头，其中所述焊接模块并且因此安装在其上的所述焊接头相对于所述履带模块的方向和旋转速度沿着相反的方向并且以相同的旋转速度自动地旋转以保持所述焊接头的角位置。

一种用于操作本公开的管爬行焊接装置的方法可以包括将所述管爬行焊接装置的焊接头定位在轴向抵接的第一管和第二管之间的环形接头附近，固定所述管爬行焊接装置的履带模块以防止相对于所述第一管的旋转运动，启动所述焊接头，以第一速度并且沿着第一方向围绕公共轴线旋转所述第一管和所述第二管，以及围绕所述公共轴线以等于所述第一速度的第二速度并且沿着与所述第一方向相反的第二方向旋转所述焊接头以保持所述焊接头的角位置。

附图说明

作为示例，现将参照附图描述所公开的装置的具体实施例，其中：

图1是示出根据本公开的示例性管爬行焊接装置的透视图；

图2是图1所示的管爬行焊接装置的辊单元的侧视图；

图3是示出图1所示的管爬行焊接装置的辊单元的透视细节图；

图4是示出图1所示的管爬行焊接装置的焊接模块的透视细节图；

图5是示出图1所示的管爬行焊接装置的焊接模块和履带模块之间的旋转联接的前透视细节图；

图6是示出图1所示的管爬行焊接装置的焊接模块和履带模块之间的旋转联接的后透视细节图；

图7是示出连接了各种材料、电力和数据通信馈线的图1的管爬行焊接装置的侧视图；

图8是示出使用图1所示管爬行焊接装置的示例性方法的流程图；

图9a-d是示出图8的流程图中所阐述的若干方法步骤的一系列示意图；

图10是示出具有附接到履带模块的可选夹持模块的图1的管爬行焊接装置的横截面侧视图；

图11是示出位于第一管段和第二管段内的根据本公开的替代示例性管爬行焊接装置的部分侧视图；

图12是图11所示的管爬行焊接装置的部分横截面图；

图13是包括用于将吊杆联接到履带单元的马达驱动齿条和小齿轮机构的图11所示的管爬行焊接装置的部分侧视图；

图14A是图11中的履带模块的前透视图；

图14B是图11中的履带模块的后透视图；

图14C是沿着图14B中的线15C-15C截取的履带模块的截面图；

图15A是包括马达、齿条和小齿轮的图11中的管爬行焊接装置的部分侧视图；

图15B是移除了履带模块的图11中的管爬行焊接装置的部分侧视图；

图16A-16H是示出在使用中的管爬行焊接装置的多个视图；

图17是在其第一端部处具有支撑件和角度调节机构的图11所示的管爬行焊接装置的部分横截面图；

图18是示出图11的管爬行焊接装置的横截面侧视图，其中具有夹持模块的可选替代实施例的视图。

具体实施方式

现在将参照附图在下文中更全面地描述根据本公开的装置和方法，其中示出了装置和方法的优选实施例。然而，所公开的装置和方法能够以许多不同的形式实施，并且不应当被解释为受限于本文中阐述的实施例。而且，提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且将装置和方法的范围完整地传达给本领域技术人员。在附图中，相似的附图标记始终表示相似的元件。

参照图1，示出了根据本公开的管爬行焊接装置10(在下文中称为“装置10”)的示例性实施例。为了方便和清楚起见，诸如“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“竖向”、“水平”、“横向”、“纵向”、“高度”和“宽度”这样的术语可以在本文中用于描述装置10及其各个部件的相对布置和取向，均为如图1所示的相对于装置10的几何形状和取向。特别地，更靠近图1的左下角的装置10的纵向端部应当被称为装置的“前部”，并且更靠近图1的右上角的装置的纵向端部应当被称为装置的“后部”。所述术语应包括具体提及的词语、其派生词以及具有类似意义的词语。

如图1所示，装置10可以包括大致圆柱形的履带模块12，该履带模块在其前端处可旋转地联接到焊接模块14，正如下面进一步描述的那样。装置10可以具有适合于纵向插入待焊接的管段中的尺寸和形状。例如，装置10可以具有在100-500毫米之间的范围内的最大外径以适应大多数内部焊接应用，但是可以预见到装置10能够制造得更小或更大(例如，具有达到或超过1500毫米的最大外径)以适应其他的焊接应用而并不脱离本公开的范围。

履带模块12可以设有分别位于履带模块12的前端和后端附近的辊单元16a、16b。辊单元16a、16b可以适于将装置10同心地定中在管段内，同时允许装置10纵向移动通过该管，正如下面进一步描述的那样。辊单元16a、16b可以设有定位轮18a、18b、18c和19a、19b、19c，轮臂20a、20b、20c和21a、21b、21c，以及驱动机构22a、22b、22c和23a、23b、23c的相应组。轮18c、19c，轮臂20c、21c和驱动机构22c、23c不在视图内，但是它们与相应的定位轮18a、18b、19a、19b，轮臂20a、20b、21a、21b以及驱动机构22a、22b、23a、23b大致相同。

辊单元16a的细节图在图2中示出。辊单元16b与辊单元16a大致相同，并且因此应理解的是，辊单元16a及其部件的以下描述同样适用于辊单元16b。

辊单元16a的轮臂20a-c可以围绕履带模块12的周边(或者如果履带模块12不具有圆形横截面，则围绕履带模块12的假想周边)均匀地间隔开。轮臂20a-c可以具有相应的第一端部24a、24b、24c，其能够可枢转地联接到辊单元16a的静止框架部分25。定位轮18a-c能够可旋转地安装到轮臂20a-c的相应的第二端部26a、26b、26c。轮臂20a-c可以联接到相应的驱动机构22a-c，驱动机构可以适于使轮臂20a-c围绕其附接到框架部分25的相应点可控地枢转，由此相对于框架部分25径向向外或向内选择性地移动定位轮18a-c。定位轮18a-c由此能够可控地径向移动进入和脱离与管段的内表面的接合状态，正如下面将进一步描述的那样。驱动机构22a-c可以是适合于可控地枢转轮臂20a-c的任何合适类型的驱动机构，包括但不限于电致动器、气动致动器、和液压致动器。

尽管示例性辊单元16a、16b在图1中示出为具有定位轮18a-c、19a-c，轮臂20a-c、21a-c和驱动机构22a-c、23a-c的三个组，但是可以预见到，辊单元16a、16b可以设有轮臂、定位轮和驱动机构的附加组而不脱离本公开。还可以预见到，辊单元16a、16b中的一者或两者可以替代地设有适于同时驱动所有相应的轮臂20a-c、21a-c的仅仅单个驱动机构。而且，尽管履带模块12在图1中示出为具有位于履带模块12的前端和后端附近的两个辊单元16a、16b，但是可以预见到，履带模块12可以替代地设有位于沿着履带模块12的各个不同位置处的更多或更少数量的辊单元。

再次参照图1，履带模块12可以包括位于辊单元16a、16b中间的推进单元30。推进单元30可以适于可控地驱动装置10纵向地通过管段。例如，参照图3所示的推进单元30的详细视图，推进单元30可以包括能够安装到轮臂34的可旋转驱动的驱动轮32。轮臂34可以联接到驱动机构36以用于以类似于上述的轮臂20a-c的方式相对于推进单元的静止框架部分37径向地延伸和缩回轮臂34。由此驱动轮32可以移动进入和脱离与管段内部的接触状态，正如下面将进一步描述的那样。驱动轮32可以设有高摩擦胎面表面，例如可以由纹理化的橡胶或金属形成，以用于在管段的内部上建立牢固的抓握。驱动轮32还可以设有制动机构(未示出)或制动片，其能够可控地被致动以用于防止驱动轮32意外旋转从而固定装置10在管段内的纵向位置。

推进单元30的驱动轮32和驱动机构36可以由电动马达、压缩气体等驱动，其中必要的电力和/或气体可以从位于履带模块12上或履带模块外部的源(例如，电池、压缩气体气缸等)供应。

尽管履带模块12示出为具有包括单个驱动轮32和轮臂34的单个推进单元30，但是能够预见到，履带模块12可以设有附加的推进单元，和/或推进单元30可以设有附加的驱动轮和/或轮臂而不脱离本公开。另外，可以预见到驱动轮32和/或轮臂34可以由任何其他类型的结构或机构替换或补充，所述结构或机构能够适于可控地接合管的内部并且强制地移动装置10纵向通过其中。这样的结构和机构可以包括但不限于可旋转驱动的轨道和传送带。还可以预见到，推进单元30可以被完全省略，并且辊单元16a、16b的定位轮18a-c、19a-c中的一个或多个能够被可旋转地驱动以使装置10纵向移动通过管段。

参照图1和4，装置10的焊接模块14还可以包括焊接头35、接头检测单元36、交叉滑块38a、38b、和安装部分39。如图5所示，焊接模块14的安装部分39可以包括安装轴40，所述安装轴可以通过环状的环形轴承42(例如但不限于滚子轴承、旋转轴承、轴套等)轴向地联接到履带模块12，所述环形轴承允许焊接模块14相对于履带模块12围绕公共纵向轴线自由旋转。安装轴40可以延伸通过环形轴承43，该环形轴承43径向地插置在安装轴40和履带模块12的前端处的静止环形护套44之间。安装轴40的外径可以仅略小于环形轴承43的内径，并且因此安装轴40能够以与环形轴承径向紧贴的间隙关系延伸通过环形轴承43。环形轴承43可以限制安装轴40的径向运动并且由此可以减轻操作期间焊接模块14的振动，同时允许安装轴40的自由、轴向旋转。可以预见到环形轴承42和环形轴承43可以是或者可以包括便于安装轴40的上述旋转和支撑的任何类型的合适的机械结构。这样的机械结构包括但不限于滚子轴承、球轴承、轴套等。

参照图6，环形齿轮45可以形成或安装在安装轴40上。诸如电动伺服马达这样的马达46可以安装到履带模块12的前端的静止框架部分48。马达46可以联接到环形齿轮45并且可以被操作用以使环形齿轮45、安装轴40且由此使整个焊接模块14相对于履带模块12围绕公共纵向轴线可控地旋转。在本公开的示例性实施例中，马达46可以联接到这样的机构或控制器，所述机构或控制器可以配置成自动地操作马达46以使焊接模块14相对于履带模块12的旋转方向和旋转速度沿着相反的方向并且以大致相同的速度旋转。在一个可预见的实施例中，指示马达46的操作的机构或控制器可以是或者可以包括用以感测焊接模块14的角位置的陀螺仪。由此马达46可以独立于履带模块12的旋转速度和旋转方向地保持焊接模块14的角位置，正如下面进一步描述的那样。

再次参照图4，焊接头35可以定位在焊接模块14的前端处。例如，焊接头35能够可移除地安装在焊接模块14前部处的纵向延伸臂47上。在一个示例中，焊接头35可以是埋弧焊接(SAW)头，其适于以本领域普通技术人员所熟悉的方式将消耗性电极和一定量的焊剂材料可控地输送到焊接区域。然而，可以预见到其他类型的焊接头可以替代SAW头而不脱离本公开。这样的替代焊接头可以适于执行各种焊接工艺，包括但不限于金属惰性气体(MIG)焊接、钨惰性气体(TIG)焊接、焊剂芯电弧焊接(FCAW)、等离子电弧焊接(PAW)等。尽管焊接模块14在本文中示出和描述为具有单个焊接头35，但是可以预见到焊接模块14可以包括以各种配置布置的多个焊接头以适合于各种应用，包括但不限于周边焊接应用和/或纵向焊接应用，正如下面进一步描述的那样。

焊接头35和臂37可以通过交叉滑块38a、38b联接到焊接模块14的安装部分39。在本公开的一个方面，交叉滑块38a、38b可以是能够以偏移关系彼此联接的大致相同的线性致动器。交叉滑块38a、38b可以使用实际上任何类型的可控操作的致动器来实现，包括但不限于电致动器、气动致动器和液压致动器。可以操作交叉滑块38a、38b以实现焊接头35相对于安装部分39沿着横向、相应的运动轴线(例如，图4所示的x轴和y轴)的精细移动。焊接头35相对于焊接模块14的纵向轴线的横向和竖向位置由此能够被可控地调节，正如下面进一步描述的那样。可以预见到焊接模块14的替代实施例，其包括与交叉滑块38a、38b大致类似的交叉滑块，但是其定向成便于实现焊接头35沿着图4所示的z轴线的精细纵向移动。

接头检测单元36可以安装在焊接头35上或焊接头35附近，并且可以配置成检测管的纵向抵接段之间的内部接头或接缝。接头检测单元36可以使用任何合适的机械、电和/或光学传感器或检测器来实现。在一个示例中，接头检测单元36可以是或者可以包括能够将记录图像传送到远程操作者接口的视频摄像头，正如下面进一步描述的那样。在其他示例中，接头检测单元36可以是或者可以包括能够适于检测接头的激光器或光电检测器。更进一步地，接头检测单元可以是或者可以包括机械式接缝跟踪指状件。

参照图7所示的装置10的侧视图，多个卷筒50、52、54、56、57可以位于邻近装置10的一个端部的固定位置处(例如，位于制造设施的地板上或者位于船的甲板上)。当装置10行进通过管时，这些卷筒50-57可以向装置10供应消耗性材料、控制线缆、电力电缆等，正如下面进一步描述的那样。例如，第一卷筒50可以向装置10的焊接头35提供消耗性电极58。第二卷筒52可以向焊接头35提供焊剂供应管线60，焊剂可以通过所述焊剂供应管线从焊剂容器(未示出)输送到焊接头35。第三卷筒54可以向装置10提供电力线62以用于将电力输送到装置10的各个部件。第四卷筒56可以向装置10提供控制线缆64以便于从控制器和/或操作者接口(未示出)控制装置10的各个部件。第五卷筒57可以向焊接头35提供气体管线66，所述气体管线可以将气体供应到装置10上的加压气体气缸(未示出)以用于将压缩气体提供给推进单元30、交叉滑块38a，38b、和/或装置10的其他强制驱动的部件。可以预见到各种附加的卷筒可以类似地实现以用于向装置10提供各种其他的线缆、管线、导体、接线和软管。

尽管示出为卷筒，但是可以预见到，由上述卷筒50、52和57提供的电极、焊剂和压缩气体中的一种或多种可以改为承载在装置10上，并且通过由卷筒56提供的控制线缆64便于实现的控制特征可以改为由装置的机载部件实现。例如，可以预见到装置10可以承载电极和/或焊剂的机载供给部，由此消除对卷筒50和/或52的需要。

在一些实施例中，装置10可以包括纵向地延伸通过履带模块12的导管，以用于路由上述线缆、管线、导体、接线和/或软管中的一种或多种。这样的导管可以容纳线缆、管线、导体、接线和软管，并且可以缓解其与装置10的其他部件的缠结或干扰。在一些实施例中，导管可以用轴承联接到履带模块12，使得在装置10的操作期间当履带模块12旋转时导管可以保持基本静止，由此减轻线缆、管线、导体、接线和软管的扭转。

装置10也可以设有用于无线地接收和传送命令和控制信号的无线通信模块，由此消除了对线缆64和卷筒56的需要。示例性的命令和控制信号包括用于为装置10通电或断电的开/关信号、用于启动驱动轮32以使装置10向前或向后移动通过管的微动信号(jogsignal)、用于操控焊接头35的位置和操作的各种焊接控制信号等。更进一步地，可以预见到装置10可以设有机载压缩气体供给部，由此消除对卷筒57的需要。

参照图8，示出了流程图，该流程图示出了用于操作根据本公开的装置10的通用示例性方法。将结合图1-7所示的装置10和图9A-9D所示的一系列操作步骤的视图来描述该方法。除非另外指明，所描述的方法可以在一个或多个装置操作者的指导下手动地实现，和/或可以在适当配置的控制器的指导下自动地实现，例如通过由此执行各种软件指令来实现。

在第一步骤100，装置10可以定位在停放站70处，如图9a所示，其中焊接模块14的焊接头35处于6点钟取向(即，竖直向下定向)。停放站70可以是直径大致等于要焊接在一起的第一管段72和第二管段74的直径的一段管。第一管段72和第二管段74可以轴向抵接地并且彼此同心对准且与停放站70同心对准地布置在管辊76a、76b、76c和76d上。

在步骤110，可以如上所述地操作辊单元16a、16b的驱动机构22a-c、23a-c以径向地延伸轮臂20a-c、21a-c，由此将定位轮18a-c、19a-c移动成与停放站70的内部接合并且将装置10同心地定中在停放站70内。在该方法的步骤120，可以如上所述地操作推进单元30的驱动机构36以径向地延伸轮臂34，由此将驱动轮32移动成与停放站70的内部接合。

在步骤130，能够可旋转地驱动推进单元30的驱动轮32以将装置10向前推进通过停放站70并进入第一管72，如图9b所示。装置10的辊单元16a、16b可以允许装置10在停放站70和第一管72之间平稳地移动通过，同时保持装置10在其中的同心对准。在示例性方法的替代实施例中，可以省略停放站70，并且可以将装置10直接放置在第一管10中，例如用起重机或升降机放置。在这样的情况下，在将装置10放置到第一管中之后再执行上述的步骤110和120。

在步骤140，推进单元30可以继续向前驱动装置10通过第一管72，直到焊接模块14的焊接头35移动到与第一管72和第二管74之间的接头78纵向对准或者接近纵向对准，如图9c所示。焊接头35相对于接头78的位置可以使用上述的接头检测单元36手动地或自动地确定。在示例性方法的替代实施例中，在焊接头35已经移动到第一管72的前边缘处的期望焊接位置之后，第二管74可以与第一管72轴向抵接并且同心对准地放置在管辊76a、76b上，由此消除对接头检测单元36的需要。

如果通过由推进单元30产生的装置10的纵向移动没有或者不能获得焊接头35的期望焊接位置，则在示例性方法的步骤150中，可以操作交叉滑块38a、38b以实现焊接头35的精细的横向和/或竖向移动，直到获得期望的焊接位置。例如，在必要时，可以操作交叉滑块38b以将焊接头35降低到沿竖直方向更接近接头78的位置。附加地或替代地，在必要时，可以操作交叉滑块38a以调节焊接头35的横向位置。

在步骤160，在焊接头35仍处于6点钟取向的情况下，可以操作辊单元16a、16b的驱动机构22a-c、23a-c以径向向外地驱动轮臂20a-c、21a-c以增加定位轮18a-c、19a-c抵靠第一管72的内部的力，由此增强定位轮18a-c、19a-c与第一管72的内部之间的摩擦接合并且牢固地固定履带模块12以防止相对于第一管72的纵向或旋转运动。驱动轮32可以附加地或替代地以类似于固定履带模块12在管72中的位置的方式压靠在第一管72的内部上。更进一步地，驱动轮32的制动机构(如果驱动轮32设有制动机构的话)也可以用于防止驱动轮32的旋转从而固定履带模块12在第一管72内的纵向位置。

在步骤170，可以启动焊接头35以在电极和接头78之间建立电弧并且在接头78上沉积期望量的焊剂以覆盖电弧。焊接头35由此可以开始将焊接金属沉积在接头78中。

在示例性方法的步骤180，可以启动管辊76a-d以使第一管72和第二管74沿着相同的方向并且以大致相同的速度旋转，如图9D所示。在履带模块12的位置相对于第一管72被牢固地固定的情况下，正如以上的步骤160中所述，当第一管72由管辊76c、76d旋转时履带模块12可以与第一管72一起旋转。同时，与焊接模块14的安装轴40的环形齿轮45联接的马达46(在图6中示出)可以被启动以使焊接模块14相对于履带模块12以大致相同的速度、但是沿着相反的方向自动旋转(如上所述)，由此将焊接头35保持在接头78上方的6点钟取向。因此，当第一管72和第二管74旋转时，环形接头78旋转并在固定的、启动的焊接头35下方经过，所述焊接头将焊接金属沉积在轴向联结第一管72和第二管74的接头78中。

一旦焊接头35已完成第一管72和第二管74之间的焊接(例如可以使用譬如接头检测单元36自动地或手动地确定)，即可在示例性方法的步骤190停用焊接头35和管辊76a-d。在该方法的步骤200，可以从第一管72释放履带模块12，并且可以通过反向执行在上述步骤110-140中执行的操作而驱回装置10返回到停放站70中。

尽管已经关于在一对相对的管段之间进行周边焊接描述了本方法，但是可以预见到，装置10也可以用于在管内形成纵向焊缝。例如，可以在装置10被驱动纵向通过管时启动焊接头35，正如在以上的步骤110-140中所述的那样，其中焊接头35的精确位置被调节，正如在以上的步骤150中所述的那样，从而将焊接头35保持在接头78上方的6点钟位置。还可以预见到，装置10可以配置成专门执行纵向焊接。例如，焊接模块14能够以不允许其间的相对轴向旋转的方式静止地(即，不可旋转地)联接到履带模块12。与上述的装置10的实施例相比，这样的实施例可以更轻、更简单(即，需要的部件更少和/或复杂性更低)、并且制造更便宜，使其更适合于不需要周向焊缝的应用。

参照图10，示出了装置10的替代实施例的横截面侧视图，其中可选的管夹持模块80附接到履带模块12。管夹持模块80可以被实现用于当管段82、84在接合部86处被焊接到一起时在管段82、84的纵向接合部86附近为管段(如图10所示的管段82、84)提供径向支撑。

管夹持模块80可以包括大致圆柱形的近侧支撑架88，其可以例如通过机械紧固件或焊接而可移除地或永久性地附接到履带模块12的静止框架部分48。替代地，管夹持模块80可以与履带模块12的静止框架部分48成一体。近侧支撑架88可以从静止框架部分48向前经过焊接模块14的大部分而延伸到在纵向上短于焊接头35的最前端。

管夹持模块80还可以包括大致圆柱形的远侧支撑架90，其可以与近侧支撑架88同轴并且布置在与近侧支撑架相对的焊接头35的纵向相对侧。远侧支撑架90可以通过桥接构件92连接到近侧支撑架88。桥接构件92可以纵向跨越焊接头35并且可以布置成横向邻近焊接头35。可以预见到在一些实施例中桥接构件92可以附接到焊接头35。桥接构件92可以通过相应的环状的环形轴承94、96(例如但不限于滚子轴承、旋转轴承、轴套等)附接到近侧支撑架88和远侧支撑架90，所述环形轴承允许桥接构件92相对于近侧支撑架88和远侧支撑架90围绕公共纵向轴线自由旋转，正如下面进一步描述的那样。

管夹持模块80还可以包括夹持机构98，所述夹持机构可以与近侧支撑架88和远侧支撑架90成一体。夹持机构98可以包括多个周向间隔开的垫、轨道、支脚等，其可以例如通过机动式致动相对于近侧支撑架88和远侧支撑架90径向地延伸和缩回以选择性地接合和脱离管段82、84的内表面。例如，夹持机构98可以在缩回位置和部署位置(在图10中示出)之间移动，在缩回位置处夹持机构98径向靠近或位于近侧支撑架88和远侧支撑架90内，在部署位置处夹持机构98从近侧支撑架88和远侧支撑架90径向延伸以在邻近接合部86的位置处牢固地接合并径向地支撑管段82、84。在一些实施例中，管夹持模块80可以附加地或替代地包括夹持机构，所述夹持机构可以纵向地延伸和缩回，例如用于接合管段的纵向端部。

当装置10移动到位以将管段82、84焊接在一起时，焊接头35位于接合部86上方，如图10所示，夹持机构98可以移动到部署位置以接合并内部夹持管段82、84。当在焊接操作期间使管段82、84围绕它们的轴线旋转时(如上所述)，近侧支撑架88和远侧支撑架90可以借助于夹持机构98和管段82、84之间的摩擦接合而与管段82、84一起旋转。然而，由于桥接构件92能够围绕其轴线相对于近侧支撑架88和远侧支撑架90自由旋转，因此当管段82、84以及近侧支撑架88和远侧支撑架90旋转时，桥接构件92可以保持基本静止。由此，管夹持模块80可以在焊接操作期间在接合部86的任一纵向侧为管段82、84提供径向支撑，并且桥接构件92不干涉焊接头35。

参照图11-17，示出了装置100的替代实施例。除了在此提供的内容以外，装置100与先前结合图1-10描述的装置10基本相同。

如图11所示，装置100可以包括吊杆102、履带单元112和焊接模块114。焊接模块114可以基本上类似于上面结合图4描述的焊接模块14，并且因此为了简洁起见，在此不再重复焊接模块的描述。

参照图11-13、16A-16F和17，吊杆102可以是具有第一端部104和第二端部106的圆柱形中空管。应当注意，尽管吊杆102示出和描述为具有圆柱形的外形，但是能够预见到吊杆102可以具有任何形状，只要其能配装在第一管段72和第二管段74内即可。吊杆102可以是单一的整体管。替代地，吊杆102可以由多个管段形成，或者可以是伸缩管，例如像美国专利第8,231,045号中所公开的那样。使用例如诸如交叉滑块(如前所述)这样的致动器或者如'045专利中所述，吊杆102就可以前后移动。吊杆102具有适合于插入将要焊接的第一管段72和第二管段74中的尺寸和形状。

吊杆102的第一端部104可以联接到支撑件110(图16A、16C、16G和17)。支撑件110可以固定地联接到操作环境的地板120，例如制造设施、船舶等的地板。在使用中，支撑件110可以固定地联接到吊杆102以用于将吊杆102支撑在适当位置。如图所示，支撑件110可以是用于固定和支撑吊杆102的U形支架112a、112b的形式。然而，本领域普通技术人员应当领会，支撑件110可以采取现在已知或今后研发的任何形式。

正如将在下面更详细地描述的那样，支撑件110可以包括角度调节机构115以用于使整个吊杆102并且因此使与其附接的装置100成角或倾斜。以该方式，角度调节机构115可以使装置100成角或倾斜以抵消吊杆102的弹性变形。也就是说，如前所述，装置100可能非常重(例如，超过5000kg)，这可能会导致吊杆102在其自身重量和与其附接的任何设备(例如，焊接头模块14等)的重量的作用下弯曲或弹性变形。通过提供角度调节机构115，使用者能够抵消一部分或全部的弯曲或弹性变形。角度调节机构115可以提供高达大约3度的角度调节，但是可以预见到角度调节机构115能够允许更多或更少的调节。角度调节机构115可以是任何已知或今后研发的机构，用于按角度地调节吊杆102且因此按角度地调节装置100相对于管段72、74的位置。例如，角度调节机构115可以是(如示例性地图示的)致动器的形式、经由凸轮齿轮联接到吊杆的致动器的形式等。

参照图12，吊杆102可以包括纵向延伸通过其中的内部腔孔105。正如将在下面更详细地描述的那样，安装轴40也可以包括内部腔孔41。分别形成于吊杆102和轴40中的内部腔孔105、41使得能够路由上述线缆、管线、导体、接线和/或软管(示例性地示出为105a)中的一种或多种以用于为焊接模块114服务。在使用中，线缆、管线、导体、接线和/或软管105a可以从吊杆102的第一端部104延伸到吊杆的第二端部106，通过附接至吊杆102的第二端部106的安装轴40，并且随后到达焊接头35。

参照图12和14A-14B，示出了履带模块112。除了在此提供的内容以外，履带模块112可以基本上类似于先前结合图1-10描述的履带模块12。例如，履带模块112可以设有一个或多个辊单元16a，其适于使装置100同心地定中于管段内，同时允许装置100纵向移动通过管。辊单元16a可以设有轮18a、18b、18c，轮臂20a、20b、20c和驱动机构22a、22b、22c的相应组。轮18c、轮臂20c和驱动机构22c不在视图内，但是与相应的轮18a、18b，轮臂20a、20b和驱动机构22a、22b基本相同。轮臂20a-c可以围绕履带模块112的周边(或者如果履带模块112不具有圆形横截面，则围绕履带模块112的假想周边)均匀地间隔开。轮臂20a-c可以具有相应的第一端部24a、24b、24c，其能够可枢转地联接到辊单元16a的静止框架部分25。轮18a-c能够可旋转地安装到轮臂20a-20c的相应的第二端部26a、26b、26c。轮臂20a-c可以联接到相应的驱动机构22a-c，所述驱动机构可以适于使轮臂20a-c围绕其附接到框架部分25的相应点可控地枢转，由此相对于框架部分25径向向外或向内选择性地移动轮18a-c。轮18a-c由此能够可控地径向移动进入和脱离与管段的内表面的接合状态。

如前所述，尽管示例性辊单元16a示出为具有轮18a-c、轮臂20a-c和驱动机构22a-c的三个组，但是可以预见到，辊单元16a可以设有更多或更少的轮臂、轮和驱动机构而不脱离本公开。还可以预见到，辊单元16a可以替代地设有适于同时驱动所有相应的轮臂20a-c的仅仅单个驱动机构。而且，尽管履带模块112示出为具有单个辊单元16a，但是可以预见到，履带模块112可以替代地设有位于沿着履带模块112的各个不同位置处的更多数量的辊单元。

参照图13、15A和15B，吊杆102的第二端部106可以包括驱动马达107，其可操作地联接到小齿轮108以用于接合联接到履带单元112的齿条109。以该方式，与通过辊床76a-d使管段72、74进行的旋转同步地，履带单元112可以由马达107、小齿轮108和齿条109主动地、旋转地驱动。例如，当轮18a-c不能生成抵靠第一管72的内表面的足够摩擦接合时或者如果在轮18a-c不能生成抵靠第一管72的内表面的足够摩擦接合的情况下，或者如下面将更详细地描述的那样，当执行纵向焊接时，可能期望利用马达107、小齿轮108和齿条109来旋转履带单元112。也可以包括离合器机构(未示出)，以使得当履带单元112的被动旋转足够和/或符合期望时，马达107、小齿轮108和齿条109可以脱离。

现在将描述装置100的组装。参照图14A-14C，履带模块112还可以包括在其相对的纵向端部上的第一环形轴承140和第二环形轴承142。此外，参照图14C和15A-B，如前所述，焊接模块114的安装部分39可以包括安装轴40，所述安装轴可以穿过形成于履带单元112中的腔孔113并且与吊杆102的第二端部106机械接合。第一环形轴承140和第二环形轴承142可以将履带单元112联接到安装轴40，使得履带单元112可以相对于安装轴40旋转并因此相对于与其联接的吊杆102和焊接模块114旋转。因此，在使用中，管经由管辊76a-d进行的旋转促使履带单元112相对于吊杆102、安装轴40和焊接模块114旋转。如前所述，安装轴40可以包括腔孔(图12)，以使得线缆、管线、导体、接线和/或软管105a中的一种或多种可以延伸通过安装轴40并且随后到达焊接头35。可以预见到环形轴承140、142可以是便于安装轴40的上述旋转和支撑的任何类型的合适的机械结构。这样的机械结构包括但不限于滚子轴承、球面滚子轴承(能够应对角度偏差)、旋转轴承、球轴承、轴套等。

参照图16A-16G，在使用中，吊杆102的第一端部104固定到支撑件110，所述支撑件紧固到操作环境的地板120，使得吊杆102可以是静止的(不过吊杆102且因此装置100(其固定到吊杆102的第二端部106)可以经由角度调节机构115进行微调)。管段72、74放置到驻留在导轨77上的管辊76a-d上。管辊76a-d能够沿着导轨77纵向地可平移，使得联接到吊杆102的第二端部106的装置100可以适当地定位在管段72、74内。一旦装置100大致定位在其适当的位置，即可经由可以装入焊接模块114中的一个或多个交叉滑块进行精细调节。交叉滑块可以适于并配置成在任何方向上提供调节，例如纵向调节(例如沿着吊杆方向)、竖向调节、横向调节等。交叉滑块可以通过允许焊接头114的轻微移动而实现微调。尽管可以预见到如前所述可以通过一个或多个交叉滑块执行微调，但是也可以预见到，也能够通过移动整个吊杆102执行调节，例如通过包含伸缩臂等进行调节。在此情况下，通过移动整个悬臂或者通过将吊杆段中的一个或多个相对于彼此可伸缩地移动，整个悬臂可以纵向、竖向和/或横向移动。随后，纵向、竖向或横向调节也可以由交叉滑块执行。

装置100可以定位成将两个管段72、74周向地焊接在一起(如图16A-16G所示)或者纵向地焊接一个或多个管段(未示出)。当将两个管段72、74周向地焊接在一起时，吊杆102的第一端部104可以固定到支撑件110，同时装置100可以联接到吊杆102的第二端部106。接下来，管段72、74可以放置到可移动地位于导轨77上的管辊76a-d上。管辊76a-d然后可以纵向移动，直到装置100适当地定位在管段72、74内。一旦已获得期望位置，轮18a-c就可以径向移动到与管段72的内表面接合。接下来，管段72、74可以经由辊床76a-d一致旋转，履带单元102可以随着管段72、74的旋转被动地一致旋转，由于轮18a-c径向接合管段72的内表面和/或与马达107、小齿轮108和齿条109(如果有的话)相组合，因此在轮18a-c径向接合管段72的内表面之后，履带单元112可以由马达107、小齿轮108和齿条109同步可旋转地驱动。因而并且如上所述，通过将焊接头35的焊炬定位在管72、74之间的接头78上，并且在管段焊接在一起时旋转管段72、74，就可以进行圆形管到管焊接。应当注意，尽管在将管段72、74焊接在一起的方面讨论了焊接过程，但是可以预见到，可以在管焊接装置100执行最终焊接之前首先将管段72、74点焊在一起。管段72、74可以旋转360度，使得管段72、74可以焊接在一起。尽管管段72、74已被描述为旋转360度，但是可以预见到可能需要进行多次，并且因此管段72、74可以旋转超过360度，包括例如720度、1080度等。当管段72、74旋转时，焊炬基本上保持在6点钟位置，使得焊接始终在该位置处进行。因此，在操作中，吊杆102、安装轴40和焊接模块114保持旋转固定，同时管段72、74和履带模块112旋转。

如前所述，装置100还可以包括管夹持模块。装置100可以与现在已知的或今后研发的用于将第一管段72和第二管段74夹持在一起的任何夹持模块组合使用。例如，装置100可以与上面结合图10所示和所述的管夹持模块80一起使用。现在参照图18，示出了可选的管夹持模块180的替代实施例的侧视图。在该实施例中，管夹持模块180可以附接到安装部分39、安装轴40或者沿着焊接模块114的任何其他位置，使得管夹持模块180可以静止并且不可旋转地联接到焊接模块114、安装轴40和吊杆102。管夹持模块180可以实现为用于当管段72、74焊接在一起时在管段72、74之间的接头78附近为管段72、74提供径向支撑并且由此提供对准。

管夹持模块180可以包括大致圆柱形的支撑架188，其可以例如用机械紧固件或焊接可移除地或永久性地附接到安装部分39的安装轴40。支撑架188可以在焊接模块114的大部分上延伸并且延伸超过接头78。支撑架188可以通过布置在接头78的纵向相对侧的相应的环形轴承194、196联接到管段72、74，所述环形轴承例如是但不限于滚子轴承、球面滚子轴承(其能够应对角度偏差)、旋转轴承、球轴承、轴套等。环形轴承194、196允许管段72、74相对于支撑架188自由旋转。

管夹持模块180还可以包括夹持机构198。夹持机构198可以包括多个周向间隔开的垫、轨道、支脚等，其可以例如通过机动式致动相对于支撑架188径向地延伸和缩回以选择性地接合和脱离管段72、74的内表面。例如，夹持机构198可以在缩回位置和部署位置(在图18中示出)之间移动，在缩回位置处夹持机构198定位成径向靠近支撑架188或位于支撑架188内，在部署位置处夹持机构198从支撑架88径向延伸以在邻近接头78的位置处牢固地接合并径向支撑且由此对准管段72、74。在一些实施例中，管夹持模块180可以附加地或替代地包括能够纵向延伸和缩回的夹持机构，例如用于对准和/或接合管段72、74的纵向端部。

参照图18，每个夹持机构198示出为与成对的环形轴承194a、194b、196a、196b可操作地关联，所述环形轴承例如是但不限于滚子轴承、球面滚子轴承(其能够应对角度偏差)、旋转轴承、球轴承、轴套等。可以预见到每个夹持机构198可以与更多或更少的环形轴承可操作地关联。例如，每个夹持机构190可以经由单个轴套联接到支撑架188。另外，如图所示，每个环形轴承194、196例如可以经由中间构件199(譬如管)联接到夹持机构190。

在使用中，当装置100移动到位以将管段72、74焊接在一起时，此时焊接头35位于接头78上方，如图18所示，夹持机构198可以移动到部署位置以接合并且内部夹持管段72、74。当管段72、74在焊接操作(如别处所述)期间围绕其轴线旋转时，支撑架188相对于焊接模块114、安装轴40和吊杆102保持固定静止。管夹持模块180可以由此在焊接操作期间在接头78的任一纵向侧为管段72、74提供径向支撑，并且因此提供对准。

为了纵向焊接一个或多个管，装置100可以联接到吊杆102的第二端部106，而吊杆102的第一端部104可以联接到支撑件110。待纵向焊接的管可以放置到可移动地位于导轨上的管辊上。然后管辊可以纵向移动，直到装置100适当地定位在管内。接下来，可以通过利用马达107、小齿轮108和齿条109适当地定位履带单元112。例如，履带单元112可以定位成使得吊杆102能够由两个下轮均匀地支撑，例如其中顶轮大致位于12点钟位置。接下来，轮18a-c可以径向移动到与管的内表面接合。在该特定情况下，轮18a-c可以只用适当的压力接触管的内表面以避免夹持或者仅通过径向扩展两个下轮以接合管的内表面，而大致位于12点钟位置的顶轮不会接触管的内表面。接下来，管辊76可以沿着导轨纵向平移。例如，管辊可以移动以使得管辊76远离吊杆102移动。在焊接头位于6点钟位置的情况下，当管辊76移动且因此管移动时，可以纵向地焊接管。在纵向焊接的情况下，所述系统可以包括从待焊接的管延伸一定距离的起止板(未示出)，以便为焊剂提供支撑并且确保焊接的开始和结束是令人满意的。在完成后，可以移除起止板。

履带单元112通过防止或最小化吊杆102、安装轴40和焊接模块114的振荡(在包含无支撑吊杆的现有系统中会出现这样的振荡)而为焊接模块114且因此为焊接头35提供支撑。对于包含简单的无支撑吊杆的现有技术中的系统而言，在装置100执行周向或纵向焊接时，吊杆可能会弯曲和振荡。这样的振荡使得难以或不能以适于获得高质量焊接的方式来稳定焊接头35。这使得本实施例特别有利于用于超过例如10米的管长度。

正如本文所使用的那样，以单数形式叙述并且前面带有限定词“一”或“一个”的元件或步骤应当被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确阐述了这样的排除。此外，对本发明的“一个实施例”的引用不应被解释为排除了同样包含所述特征的附加实施例的存在。

尽管本文中已经描述了本公开的某些实施例，但是本公开不应受限于此，原因是本公开旨在与所属技术领域允许的范围一样宽，并且应类似地解读说明书。所以，以上描述不应当被解释为限制性的，而仅仅是作为特定实施例的举例说明。本领域技术人员能够想到在所附权利要求的范围和精神内的其他变型。

Claims (22)

1.一种焊接装置，其包括：

具有第一端部和第二端部的吊杆；

履带模块；以及

焊接模块，所述焊接模块具有安装在其上的焊接头；

其中所述履带模块能够相对于所述吊杆和所述焊接模块旋转，以使得所述吊杆和所述焊接模块能够相对于所述履带模块的方向和旋转速度沿着相反的方向并且以相同的旋转速度旋转以保持所述焊接头的角位置。

2.根据权利要求1所述的焊接装置，其中所述吊杆的所述第一端部联接到支撑结构。

3.根据权利要求2所述的焊接装置，其中所述支撑结构包括用于使所述吊杆成角的角度调节机构。

4.根据权利要求1所述的焊接装置，其中所述吊杆的尺寸确定成用于并且适合用于插入一个或多个管段中。

5.根据权利要求1所述的焊接装置，其中所述吊杆还包括邻近所述吊杆的所述第二端部的马达，所述马达联接到所述履带模块上的齿轮，所述马达配置成使所述履带模块相对于所述吊杆和所述焊接模块以相同的旋转速度并且沿着相反的方向旋转。

6.根据权利要求1所述的焊接装置，其还包括具有第一端部和第二端部的安装轴，所述安装轴的所述第一端部联接到所述焊接模块，所述安装轴的所述第二端部联接到所述吊杆的所述第二端部。

7.根据权利要求6所述的焊接装置，其还包括用于将所述安装轴联接到所述履带模块的第一环形轴承和第二环形轴承，以使得所述履带模块能够相对于所述安装轴、所述吊杆和所述焊接模块旋转。

8.根据权利要求1所述的焊接装置，其还包括：

一个或多个管段；

导轨；以及

多个管辊，所述多个管辊可移动地定位在所述导轨上并且可操作用以旋转所述一个或多个管段；

其中所述焊接装置的尺寸确定成且配置成用以通过相对于所述导轨移动所述管辊而插入所述一个或多个管段中。

9.根据权利要求1所述的焊接装置，其还包括管夹持模块，所述管夹持模块附接到所述焊接模块，以使得所述管夹持模块不可旋转地联接到所述焊接模块。

10.根据权利要求9所述的焊接装置，其还包括具有第一端部和第二端部的安装轴，所述安装轴的所述第一端部联接到所述焊接模块，所述安装轴的所述第二端部联接到所述吊杆的所述第二端部，所述管夹持模块附接到所述安装轴。

11.根据权利要求9所述的焊接装置，其中所述管夹持模块适于并且配置成在焊接到一起的第一管段和第二管段之间的周向接头的任一侧提供径向支撑。

12.根据权利要求11所述的焊接装置，其中所述管夹持模块包括支撑架、布置在所述接头的纵向相对侧的第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承使所述第一管段和第二管段能够相对于所述支撑架旋转。

13.根据权利要求11所述的焊接装置，其中所述管夹持模块还包括多个夹持机构，所述多个夹持机构能够相对于支撑架径向延伸以选择性地与所述管段的内表面接合和脱离。

14.根据权利要求13所述的焊接装置，其中所述多个夹持机构还适于并且配置成能够纵向延伸以接合所述管段的纵向端部以用于纵向地对准所述接头。

15.一种用于使用管爬行焊接装置焊接管的方法，所述方法包括：

将与所述管爬行焊接装置相关联的吊杆的第一端部固定到支撑结构；

将一个或多个管段放置到多个管辊上，其中所述管辊可移动地定位在导轨上；

将所述管爬行焊接装置定位到所述一个或多个管段中，以使得与所述管爬行焊接装置相关联的焊接头被适当地定位；

固定与所述管爬行焊接装置相关联的履带模块以防止相对于第一管段的旋转运动；

启动所述焊接头；

围绕公共轴线以第一速度并且沿着第一方向旋转所述一个或多个管段；以及

围绕所述公共轴线以等于所述第一速度的第二速度并且沿着与所述第一方向相反的第二方向旋转所述焊接头以保持所述焊接头的角位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其中通过相对于所述导轨移动所述管辊并且因此移动所述一个或多个管段来定位所述管爬行焊接装置。

17.根据权利要求15所述的方法，其中当所述焊接头位于轴向抵接的第一管段和第二管段之间的环形接头附近时，所述焊接头被适当地定位。

18.根据权利要求17所述的方法，其中当所述焊接头位于管段中的纵向接头附近时，所述焊接头被适当地定位。

19.根据权利要求18所述的方法，其中通过相对于所述导轨移动所述管辊而使所述焊接头相对于所述接头纵向移动。

20.根据权利要求15所述的方法，其中通过经由所述管辊旋转所述管来完成围绕公共轴线以第一速度并且沿着第一方向旋转所述一个或多个管段的步骤。

21.根据权利要求20所述的方法，其中通过马达、齿条和小齿轮来完成围绕所述公共轴线以等于所述第一速度的第二速度并且沿着与所述第一方向相反的第二方向旋转所述焊接头以保持所述焊接头的角位置的步骤。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述马达联接到所述吊杆，并且所述齿轮与履带单元可操作地关联，以使得所述马达的启动将所述履带单元相对于所述吊杆旋转。