CN109843496A - 用于在焊接装置中提供具有特定轮廓的保护气体层流的装置；相应的焊接装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及焊接装置的部件，其被配置成产生具有成型流轮廓(1)的保护气体，其提供与通过传统装置获得的长度相比在更长的长度上具有层流轮廓的保护气体柱。所述部件利用一个或多个限流器，该限流器被配置成在从保护气体流动通道的中心起递增的距离处对保护气体的流动提供更高的阻力。通过朝向通道的外缘提供递增的阻力，在相对短的流长度上获得成型的保护气体流轮廓(1)。

Description

用于在焊接装置中提供具有特定轮廓的保护气体层流的装 置；相应的焊接装置

本申请要求2016年8月15日提交的美国临时专利申请62/375,021、2016年11月8日提交的美国临时专利申请62/418,923以及2017年8月14日提交的美国专利申请15/676,065的优先权，所述专利申请各自的全部内容援引加入本文中。

背景技术

保护气体在制造优质焊缝中发挥重要作用。具体而言，保护气体防护或保护焊缝免受导致氧化的大气中氧气及其他大气污染物影响。因此，为了确保可以制造优质焊缝，维持通过焊接装置的保护气体的适合流量是重要的。例如，因为层流轮廓将较少的来自大气的不期望的反应性气体引入到保护焊接区域的惰性气体柱中，所以离开焊接装置的气体出口(例如喷嘴)的保护气体柱适合地具有层流流动轮廓，而不是湍流流动轮廓。

然而，由于在保护气体与在保护气体柱周围的大气的速度差异，在保护气体柱的外边缘处存在开尔文-亥姆霍兹不稳定性。这些不稳定性起始于波状运动并且增长，直至保护气体的流动在与气体出口相隔某一距离的位置处变成完全湍流。保护气体柱在其上维持基本上层流流动轮廓的距离取决于多种因素，包括保护气体的流量、气体出口的横截面尺寸(通常随着喷嘴部件的杯尺寸而改变)，及诸如此类。

保护气体也适合地在与喷嘴节流孔相隔显著的距离处维持层流流动轮廓，即保护气体柱对于相对长的长度维持基本上层流流动轮廓。这使焊接装置得以在钨电极从喷嘴的端部进一步延伸(伸出)的情况下进行操作，从而增进焊接区域的可视性和可访问性，由此允许焊接装置的用户更有效地焊接更紧密的接头或难以到达的接头。由于这些原因，在焊接装置提供具有持久层流流动轮廓的保护气体柱情况中，可以实现较高质量且更易于获得的焊缝。

为了提供具有期望的层流流动轮廓的保护气体柱，传统的焊接装置通常利用气体喷嘴、气体透镜(gas lenses)，或其组合。

用于焊接装置的气体喷嘴，也常被简称为喷嘴或杯，是与焊接装置的头部附接并且具有出口的部件，保护气体经由该出口离开焊接装置并且流向焊接区域，所述焊接区域内的部分被称为保护气体柱。气体喷嘴的出口通常是收窄的，从而在出口处提供变窄的流动横截面积，由此减少湍流。喷嘴可以由任何类型的耐热材料制成，但是通常由陶瓷、金属(例如铜、黄铜等)或其组合制成。许多焊接装置，例如气体保护钨极焊接装置，利用可替换的陶瓷喷嘴，其被拧入到焊炬头中或者被推入到焊炬头上的合适位置。虽然喷嘴用来减少保护气体柱中的湍流，但一般而言，在保护气体柱变成湍流之前，钨电极可以伸出与喷嘴出口直径的大约一半相等的距离。

用于焊接装置的气体透镜是替代传统筒夹体而与焊接装置附接的部件。典型的气体透镜由金属(例如铜和/或黄铜)体构成，其具有一层或多层钢/不锈钢的网筛(与钢相比，不锈钢提供更大的耐用性和防锈性和防腐蚀性)。更先进的气体透镜利用工程设计的多孔过滤介质替代网筛。网筛和多孔过滤介质都用来使保护气体均匀地分布在电极周围，从而产生具有平推流轮廓的保护气体，其中所述气体的速度在流动通道的整个横截面各处基本上相等。通过产生平推流，气体透镜减少保护气体湍流并且提供具有较长层流流动轮廓的保护气体柱。这进而允许电极延伸超过焊炬端部更远的距离。例如，一般而言，当利用气体透镜和喷嘴时，在保护气体柱变成湍流之前，钨电极可以伸出长达约喷嘴出口直径的距离。

本发明的实施例涉及向焊接装置提供具有层流流动轮廓的保护气体柱的装置，与利用传统部件获得的那些层流流动轮廓相比，所述层流流动轮廓从气体出口延伸更远的距离。因此，在一些实施例中，所述装置可以替换传统的气体透镜和喷嘴。

发明内容

本公开的实施例涉及一种焊接器具的部件，其被配置成产生具有成型流(developed flow)轮廓的保护气体，其提供与通过传统装置获得的长度相比在更长的长度上具有层流轮廓的保护气体柱。所述部件包括在第一端和第二端之间延伸的主体，所述第一端被配置成与所述焊接器具的头部附接。所述主体界定通道，所述通道穿过所述主体在第一端和第二端之间延伸。所述通道被配置用于保护气体从在主体的第一端处的入口至在主体的第二端处的出口的流动。一个或多个限流器被定位在通道内。所述一个或多个限流器被配置成在从所述通道的中心起递增的距离处对所述保护气体流动提供更高的阻力。通过朝向通道的外缘提供越来越大的阻力，可以在相对短的流动长度上获得成型的保护气体流轮廓。

本公开的实施例还涉及一种焊接器具，例如，气体保护钨极弧焊(GTAW)焊炬、气体保护金属极弧焊(GMAW)焊炬或激光焊接装置，该焊接器具包括一部件，所述部件被配置成产生具有完全成型的流轮廓的保护气体。例如，本公开的实施例涉及包括上述部件的焊接器具。

附加的特征和优点将在以下具体实施方式中陈述，并且部分的特征和优点对本领域技术人员而言将是从所述陈述中容易明白的，或者通过实施本文(包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图)中所述的实施例易于认识到的。

应理解以上发明内容和以下具体实施方式仅是示例性的，并且意在提供概述或框架以理解权利要求书的性质和特征。所包括的附图是为了提供进一步理解，并且附图被包括在本说明书内并且是本说明书的组成部分。附图示出一个或多个实施例，并与说明书一起用于解释各种实施例的原理和操作。

附图说明

通过参考附图中示出的示例性且因此非限制性实施例，一个或多个实施例的优点和特征的清楚构思将变得更明显，在附图中：

图1是流过导管的流体的速度轮廓的图示，其示出向成型流的过渡。

图2是包括根据本公开的实施例的部件的气体保护钨极弧焊焊炬的立体图。

图3A是根据本公开的实施例的部件的立体图，该部件具有包括蜂窝状结构的限流器。

图3B是图3A中所示部件的前立视图。

图3C是图3A和3B中所示部件沿着线A-A截取的剖视图。

图4A是根据本公开的实施例的部件的立体图，所述部件具有包括多个相邻管道的限流器。

图4B是图4A中所示部件的前立视图。

图4C是图4A和4B中所示部件沿着线A-A截取的剖视图。

图5A是根据本公开的实施例的部件的立体图，所述部件具有包括多个嵌套式管道的限流器。

图5B是图5A中所示部件的前立视图。

图5C是图5A和5B中所示部件沿着线A-A截取的剖视图。

图6A是根据本公开的实施例的部件的立体图，该部件具有包括盘旋结构的限流器。

图6B是图6A中所示部件的前立视图。

图6C是图6A和6B中所示部件沿着线A-A截取的剖视图。

图7是根据本公开的实施例的部件的剖视图，该部件具有包括填充床材料的限流器。

图8是根据本公开的实施例的部件的剖视图，该部件具有包括多孔材料的限流器。

图9是从恒定剪切流过渡到成型流的流体的速度轮廓的图示。

具体实施方式

现将详细地描述某些实施例，其实例在附图中示出。只要可能，在所有附图中将使用相同的附图标记表示相同或相似的部件。

焊接器具或焊接装置是指被配置成执行焊接操作的任何装置。在本文中使用的焊接操作包括导致结合的那些操作，例如，两个或更多个物理对象的焊接或钎焊、物理对象的熔覆(overlaying)、织构化、热处理，和/或物理对象的切割)。一般焊接装置包括也常被称为焊炬的装置，用于执行气体保护钨极弧焊(GTAW)或气体保护金属极弧焊(GMAW)。其他焊接装置包括激光焊接装置和等离子体焊接装置，已知其每一种都容易受保护气体柱中引入的湍流的影响。

例如以上列出的那些焊接装置将保护气体柱施加到焊接区域以便保护熔融的焊接熔池免受大气影响。在没有此保护的情况下，熔融金属与大气中的气体反应并且在焊缝中产生不连续性和缺陷。焊缝熔敷甚至可能具有令焊缝强度大幅降低的不期望的机械性质。保护气体通常以压缩气瓶的形式提供，该压缩气瓶被连接到焊接装置。保护气体通常是惰性气体，最常用的保护气体是氦气、氩气，或者氦气和氩气的混合物。在一些应用中，一种或多种惰性气体还可以包含小百分比的另一种气体，例如氢气、氮气、氧气或二氧化碳。例如，在一些应用中，保护气体可以是约85-95％氩气和5-15％氢气的混合物、约95-99％氩气和1-5％氮气的混合物、约95-99％氩气和1-5％氧气的混合物，或者约75-90％氩气和10-25％二氧化碳的混合物。

本公开的实施例涉及一种部件，该部件用于操纵焊接器具内的保护气体流以产生期望的流动轮廓，即该流动轮廓提供在从焊接器具的气体出口的延长的距离上维持基本上层流流动的保护气体柱。例如，所述部件可以被配置成操纵焊接装置内的保护气体流以产生成型流轮廓。

成型流是指流过导管的流体流的区域，在所述区域，流体流的速度轮廓基本上完全成型，即在所述区域，流过导管的流体流的速度轮廓将持续基本上不变(对于导管、外部因素的引入等而言没有变化)。图1中示出向完全成型流1的典型过渡。通常，为了获得完全成型流1，流体必须流过导管的进口长度。导管的进口长度是指其中来自导管的相对两侧的速度边界层2尚未相交的流体力学区域。对于典型的保护气体、流量和焊接导管直径，进口长度在约0.5米和约1.5米之间。因为此长度的导管对于焊接装置或焊接操作而言不实用，因此本公开的方面涉及用于以更紧凑的方式(即在较短导管长度中)产生成型流的方式。

如图1中所示，成型流轮廓通常包括抛物线形状，其中在导管的中心处流动的流体具有最高速度并且在导管壁处流动的流体具有最低速度。参考本文所述的用于产生成型流的紧凑式部件的具体实施例可以更好地理解，在一些情形中，图1中界定成型流轮廓的平滑抛物线可以被阶梯形线替代，在所述阶梯形线中，与完全平滑的抛物线方式不同，流体的速度从导管的中心朝向导管壁以阶梯式方式降低。相似地，与图1中界定成型流轮廓的平滑抛物线不同，本文中所述的紧凑式部件的具体实施例可以产生不平滑的线，例如，包含一些不规则性的线。然而，至少为了本公开的目的，只要在导管的中心和导管壁之间大致存在速度梯度，此类阶梯形的和/或不平滑的轮廓被认为是成型流(因此其对保护气体柱的总体效果很大程度上相同)。

操纵保护气体以产生成型流轮廓是特别可取的，因为它将保护气体一经离开焊接器具时在保护气体柱和大气之间形成的速度梯度减小。通过减小此速度梯度，减少剪切诱导的湍流(例如由开尔文-亥姆霍兹不稳定性导致的湍流)，并且保护气体柱能够在较长距离上维持层流流动。如前所述，这提供较高质量的焊缝、能见度更高的焊接区域，以及更大电极伸出长度的使用，由此可以使困难的焊接操作变得简单。

因此，本公开的实施例涉及操纵焊接器具中的保护气体流动的装置，以便以紧凑的方式(即在比原本可能需要的进口长度显著更短的距离上)产生成型流。在一些实施例中，所述装置可以被配置成使得离开焊接器具的气体具有成型流轮廓。如前所述，离开焊接器具的保护气体可以具有阶梯形或不规则的速度轮廓而不是平滑的速度轮廓，并且仍然可以被认为是成型流。例如，在离开焊接器具的气体具有成型流轮廓的情况中，气体一经离开焊接器具的保护气体通道的末端，在保护气体柱和大气之间形成的速度梯度就减小。

在其他实施例中，所述装置可以被配置成在保护气体一经离开焊接器具时就利用在保护气体柱和周围大气之间存在的速度梯度以便将保护气体的速度轮廓转变成成型流轮廓。虽然成型流轮廓减小剪切诱导的湍流对保护气体柱的影响，但是剪切诱导的湍流将最终导致层流保护气体柱瓦解成湍流。形成成型流轮廓只是将在气体离开焊接器具之后发生这种瓦解的时间点延迟，由此提供能够在从焊接器具起更长的距离上维持层流的保护气体柱。在一些实施例中，可以延长保护气体柱维持层流的长度，所述长度超过通过使保护气体以成型流轮廓离开焊接器具可获得的长度。具体而言，通过在保护气体离开焊接器具之后在某距离处使保护气体柱获得成型流轮廓，而不是使保护气体以已成型的流轮廓离开焊接器具，层流保护气体柱的长度可以进一步增加从焊接器具算起的一定距离，在该距离上，周围大气作用于保护气体从而产生成型流轮廓。

可理解，在保护气体柱与周围大气之间形成的速度梯度使保护气体柱的外部部分变得缓慢而使保护气体柱的内部部分加速。因此，可以利用此效果以便在焊接器具的保护气体通道的末端之后在表示为D的某距离处形成成型流轮廓。具体而言，在距离D上在保护气体柱和周围大气之间的速度梯度用于形成成型流，而不是使已成型的流轮廓瓦解。因此，速度梯度将在距离D之后才开始瓦解成型流轮廓，而不是在保护气体从焊接器具离开时立即开始瓦解成型流轮廓。以此方式，层流保护气体柱可以进一步延长距离D，该距离D超过以完全成型流轮廓离开焊接器具的保护气体达到的距离。

此效果示出在例如图9中。图9示出三种流动轮廓，标记为a1、b1和c1。在a1处流动轮廓是恒定剪切流轮廓。如同成型流轮廓，恒定剪切流轮廓是一种流动轮廓，其中在导管的中心处流动的流体具有最高速度并且在导管壁处流动的流体具有最低速度。然而，例如在a1处所示，在恒定剪切流轮廓中，从导管的中心到导管壁的速度梯度是线性的，而不是基本上抛物线形状。在一些实施例中，可以适宜地产生基本上恒定的剪切流。虽然速度梯度在a1中被示出为是完美线性的，但是速度梯度可以呈现其他形状并且仍然可以被视为基本上恒定的剪切流。例如，保护气体可以具有稍微弯曲的速度轮廓并且仍然可以被视为基本上恒定的剪切流。此外，与线性速度轮廓不同，保护气体可以具有阶梯形或不规则形速度轮廓，并且仍然可以被视为基本上恒定的剪切流。

随着周围大气作用于以基本上恒定的剪切流离开焊接器具的保护气体，保护气体的流动轮廓将过渡到成型流轮廓，诸如在c1处所示。此过渡在图9中示出。在b1处所示的流动轮廓是介于在a1处的恒定剪切轮廓与在c1处的成型流轮廓之间的中间轮廓。从在a1处的流动轮廓过渡到在c1处的流动轮廓经过的距离被标记为D。如上所述，通过利用周围大气而以此方式形成成型流，层流式保护气体柱可以进一步延长距离D。

因此，在一些实施例中，所述装置可以被配置成使得离开焊接器具的保护气体具有流动轮廓，所述流动轮廓将在离开焊接器具之后受到周围大气作用而形成成型流。例如，所述装置可以被配置成产生保护气体流动轮廓，所述保护气体流动轮廓将受到周围大气作用而在从焊接器具的保护气体通道的末端起的距离D处形成成型流。例如，所述装置可以被配置成使得离开焊接器具的气体具有基本上恒定的剪切流轮廓。在其他实施例中，所述装置可以被配置成使得离开焊接器具的气体具有中间流动轮廓，即在恒定剪切流轮廓和成型流轮廓之间过渡期间可存在的流动轮廓。

无论装置被配置成产生(a)在焊接器具的末端处具有成型流轮廓的保护气体，还是产生(b)具有在焊接器具的末端之后受到周围大气作用而获得成型流轮廓的流动轮廓的保护气体，所述装置都可以被配置成以大致相同的方式修改保护气体的流动。

具体而言，这些装置利用一个或多个限流器，其作用是限制流体流动，并且更具体地是对朝向保护气体流动通道的壁的流体流施加比朝向保护气体流动通道的中心的流体流更大的限制。换言之，一个或多个限流器被配置成随着与保护气体流动通道的中心的距离越来越大而对保护气体的流动提供越来越高的阻力。以此方式，通过一个或多个限流器的保护气体的流动可以使保护气体的速度轮廓快速地逼近并且在一些情形中达到成型流轮廓，例如与图1中所示的完全成型流轮廓类似的成型流轮廓，而无需保护气体流过很长的通道进口长度。通过简单地改变由一个或多个限流器提供的相对阻力量，可以相似地使保护气体的速度轮廓快速地逼近或达到基本上恒定的剪切流轮廓，或者逼近或达到介于恒定剪切流轮廓和成型流轮廓之间的中间流动轮廓。

本文中所述的装置通常被配置成焊接器具的部件。在图2中示出根据本公开的部件10的实施例。部件10包括在第一近端11和第二远端12之间延伸的主体。所述部件的近端11被配置成附接到焊接器具，例如传统的GTAW焊炬30，如图2中所示。部件10可以是消耗性装置，其方便地可附接到焊接器具和从焊接器具拆卸。例如，部件10的近端11可以被设计成通过螺纹配合、搭扣配合、摩擦配合或类似手段而与焊炬的头部配合。可替代地，部件10可以与焊接器具本身成一体(例如，仅仅一个或多个限流器可以是可拆卸/可更换的)。部件10的远端12优选地位于焊炬组装件40的远端处或附近。在一些实施例中，诸如图2中所示的实施例，部件的远端12本身可以形成焊接器具30的气体出口。在其他(未示出的)实施例中，喷嘴可以在部件10之上被插入并且延伸超出该部件的远端12。

部件10包括保护气体流动通道14，其延伸穿过主体并且被配置用于使保护气体在部件的近端11和远端12之间流动。例如，当部件10被附接到焊接器具30时，通道14被配置成与焊接器具的保护气体流动通道对齐，以便保护气体从焊接器具流入(并且通过)通道14。通道14包括至少一个外壁15，其可以例如由主体的内表面界定，正如在图2中所示的实施例中那样，或者可以包括位于主体内部的附加壁。

部件10还包括定位在通道14内的一个或多个限流器20。一个或多个限流器20可以采取多种不同的形式，如以下详细描述。然而，无论何种形式，一个或多个限流器20不应遮住部件10的整个横截面。相反，在部件10的第一近端11和第二远端12之间延伸的路径的中心应当保持畅通无阻，以便至少电极(图2中未示出)或另一部件(例如一些激光焊接装置中的焊丝)可以穿过其中。

例如，在一些实施例中，部件10还包括中心电极接收通路16。将电极接收通路16相对于保护气体通道14向内同心地定位。在一些实施例中，电极接收通路16可以被配置成接收电极和传统的筒夹31。筒夹31是GTAW焊炬的部件，其被设计成将钨电极固定就位并且产生良好的电流传输所需的电接触。在一些实施例中，部件10可以包括内壁17，其用于将电极接收通路16与围绕其的保护气体流动通道14分隔开。在其他实施例中，一个或多个限流器20可以简单地包括中心孔，其形成电极接收通路16的边界，在此种情况下，在部件10被附接到焊炬30时，筒夹31可以充当通道14的内壁。

一个或多个限流器20可以采取多种形式中的任一种。在一些实施例中，一个或多个限流器20可以包括多个流体流动导管，其提供不同程度的流动阻力。例如，限流器20可以包括多个气体导管，所述多个气体导管被配置成使得在离保护气体流动通道14的中心逐渐增大的距离处，所述气体导管具有逐渐减小的横截面、逐渐增加的长度，或其组合。就本说明书而言，长度用于表示在部件10的近端11和远端12之间的方向。换言之，使用长度的方式对应于保护气体流过部件10的方向。

在一些实施例中，例如，通道14的至少一部分可以包括限流器20，所述限流器包括具有不同的横截面积(或者在导管具有圆形横截面的情况中不同的水力直径)的多个单独的流体流动导管。更具体地，与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的流体流动导管相比，位于通道的外壁15附近的流体流动导管可以具有较小的横截面积(或者较小的直径)。任选地，多个流体流动导管的长度可以基本上相同。因为与通过较宽导管的保护气体流动相比，通过较窄导管的保护气体流动受到较大程度的限制，所以与在通道的中心附近离开流体流动导管的保护气体的速度相比，在通道的外壁15附近离开流体流动导管的保护气体的速度较低。结果是使得保护气体被操纵从而在相对短的距离逼近或获得期望的流动轮廓。

在其他实施例中，通道14的至少一部分可以包括限流器20，所述限流器包括具有不同长度的多个单独的流体流动导管。更具体地，与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的流体流动导管相比，位于通道的外壁15附近的流体流动导管可以具有更长的长度。任选地，多个流体流动导管的横截面积(或水力直径)可以基本上相同。因为与通过较短导管的保护气体流动相比，通过较长导管的保护气体流动受到较大程度的限制，所以与在通道的中心附近离开流体流动导管的保护气体的速度相比，在通道的外壁15附近离开流体流动导管的保护气体的速度较低。结果是使得保护气体被操纵从而在相对短的距离逼近或获得期望的流动轮廓。

在又一些其他实施例中，可以一起采用以上两种构思。例如，与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的流体流动导管相比，位于通道的外壁15附近的流体流动导管可以兼具(a)较小的横截面积和(b)更长的长度。因为与通过较宽且较短导管的保护气体流动相比，通过较窄且较长导管的保护气体流动受到较大程度的限制，所以与在通道的中心附近离开流体流动导管的保护气体的速度相比，在通道的外壁15附近离开流体流动导管的保护气体的速度较低。结果是使得保护气体被操纵从而在相对短的距离逼近或获得期望的流动轮廓。

以上实施例的流体流动导管可以采取多种形式和/或排布。例如，多个气体导管可以包括多个相邻的导管。

在一些实施例中，限流器20可以包括，例如，蜂巢状结构21，其设有在该结构的横截面各处排布的多个通路，并且所述通路具有不同的横截面、长度或其组合的期望取向。

具有蜂巢状结构21的限流器20的实例在图3A到3C中示出。如所述图中可见，位于保护气体流动通道14的至少一部分内的蜂巢状结构21在所述通道的至少一部分内形成多个单独的气体导管。在图3A至3C中所示的实施例中，所述蜂巢状结构21被配置成以便与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的气体导管相比，位于通道的外壁15附近的气体导管具有更长的长度。这可以例如通过使蜂巢状结构21的远端从外壁15朝向通道的中心(即背离部件的远端12)向内弯曲或倾斜而实现。此布置可以在图3C中最清楚地看到，图3C示出蜂巢状结构21的远端向内弯曲而产生不同长度的气体导管。虽然图3A至3C中所示的实施例包括具有向内弯曲的远端的蜂巢状结构21，但是其他实施例可以包括具有向内倾斜的远端的蜂巢状结构，例如，以基本上线性的方式从外壁15向电极接收通路16向内倾斜。蜂巢状结构21还可以被配置成以其他未示出的方式产生不同长度的气体导管。例如，蜂巢状结构21的近端可以弯曲或向内倾斜(即背离部件的近端11)，而不是上述远端的弯曲或向内倾斜，或者与上述远端的弯曲或向内倾斜相结合。

如图3B中所示，在图3A到3C中所示的实施例中，由蜂巢状结构21界定的多个气体导管的横截面积基本上相同。然而，大体如以上所述，蜂巢状结构21可以被配置成使得与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的气体导管相比，位于通道的外壁15附近的气体导管可以具有较小的横截面积。这可以是蜂巢状结构21被配置成提供不同长度的气体导管的(a)附加或者(b)替代。

在其他实施例中，限流器20可以包括多个单独的导管，例如，管道22，其设置在通道14内而具有不同的横截面、长度或其组合的期望取向。

具有多个独立管道22的限流器20的实例在图4A到4C中示出。如所述图中可见，位于保护气体流动通道14的至少一部分内的多个管道22在所述通道的至少一部分内形成多个气体导管。在图4A至4C中所示的实施例中，所述多个管道22被配置成使得与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的气体导管相比，位于通道的外壁15附近的气体导管具有更长的长度。这可以例如通过使多个管道22的远端定位在从部件的远端12起不同距离处而实现。例如，与位于通道14的外壁15附近的管道相比，朝向通道的中心定位的管道22可以具有从部件的远端12起更进一步向内定位的远端。

在多个相邻管道22形成在柱塞内的情况中，如图4A到4C中所示，例如，可以通过使柱塞的界定管道远端的部分从外壁15朝向通道的中心(即背离部件的远端12)向内弯曲或倾斜从而使多个管道22具有不同的长度。此布置可以在图4C中最清楚地看见，图4C示出多个管道22的远端的这种向内弯曲产生不同长度的气体导管。虽然图4A至4C中的实施例示出柱塞的界定管道向内弯曲的远端的部分，但是柱塞的远端也可以向内倾斜，例如，以基本上线性的方式从外壁15向电极接收通路16向内倾斜。在其他未示出的实施例中，例如，在多个管道22包括成扎的单独管道的情况下(与界定多个管道的柱塞相反)，通过排布该管道扎中的各个管道以使得与朝向通道的中心定位的管道相比朝向通道的外壁15定位的管道具有较长的长度，多个管道可以被配置成具有不同的长度。

多个管道22还可以被配置成以其他未示出的方式产生不同长度的气体导管。例如，可以例如以上述方式使多个管道22的近端定位在从部件的近端11起不同距离处。这可以替代管道22的远端相对于部件的远端12的不同定位，或者与管道22的远端相对于部件的远端12的不同定位相结合。

此外，如图4B中最清楚可见，所示实施例中的多个管道22被配置成与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的气体导管相比，位于通道的外壁15附近的气体导管具有较小的横截面积。然而，在其他实施例中，多个管道22可以被配置成提供气体导管，所述气体导管仅具有(a)不同的横截面积或者(b)不同的长度，与图4A至4C中所示的既提供不同的横截面积又提供不同的长度的实施例相反。在其他实施例中，多个气体导管可以包括多个同中心的导管。

例如，限流器20可以包括多个嵌套式管道23，其中相邻的嵌套式管道的横截面积的差异朝向通道的外壁15减小。在嵌套式管道23的横截面基本上呈圆形的情况中，例如，在外壁15附近的相邻嵌套式管道可以具有彼此相对接近的直径，从而由相邻的嵌套式管道形成的导管相对窄。在通道的中心附近(即在电极接收通路16附近)，相邻的嵌套式管道23的直径之间的差异可以较大，从而由相邻的嵌套式管道形成的导管更宽。可替代地，限流器20可以包括多个嵌套式管道23，其中外部管道的长度可以长于内部管道的长度，以使得由相邻的嵌套式管道形成的导管在通道的外壁15附近比在通道的中心附近更长。或者，多个嵌套式管道23可以被配置成以便由管道的嵌套结构形成的导管在通道的外壁15附近比在通道的中心附近(a)更窄而且(b)更长。

具有多个嵌套式管道23的限流器20的实例在图5A到5C中示出。如所述图中可见，位于保护气体流动通道14的至少一部分内的多个嵌套式管道23在所述通道的至少一部分内形成多个气体导管。在图5A至5C中所示的实施例中，所述多个嵌套式管道23被配置成与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的气体导管相比，位于通道的外壁15附近的气体导管具有更长的长度。这可以例如通过使多个管道23的远端定位在从部件的远端12起不同距离处而实现。此排布可以在图5C中最清楚地看见，图5C示出，与位于通道14的外壁15附近的管道相比，朝向通道的中心定位的管道23具有从部件的远端12起更进一步向内定位的远端。多个管道23还可以被配置成以其他未示出的方式产生不同长度的气体导管。例如，可以使多个管道23的近端以与上述相同的方式定位在从部件的近端11起不同距离处。这可以替代管道23的远端相对于部件的远端12的不同定位，或者与管道23的远端相对于部件的远端12的不同定位相结合。

此外，如图5B中最清楚可见，多个嵌套式管道23被配置成与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的气体导管相比，位于通道的外壁15附近的气体导管具有较小的横截面积。如前所述，这可以通过改变相邻的嵌套式管道23的管道直径的差异来实现，例如，与朝向通道的外壁的相邻管道相比，朝向通道的中心的相邻管道可以具有较大的直径差异。在其他实施例中，多个管道23可以被配置成提供气体导管，所述气体导管仅具有(a)不同的横截面积或者(b)不同的长度，与图5A至5C中所示既提供不同的横截面积又提供不同的长度的实施例相反。

在其他实施例中，限流器20可以包括单个盘旋结构24，其操作而在该结构的相邻盘旋环之间形成多个气体导管。限流器20可以包括盘旋结构24，其被配置成使得(a)盘旋结构的相邻部分之间的横截面间距随着与通道的中心的距离增大而减小，(b)盘旋结构的一些部分的长度随着与通道的中心的距离增大而增大，或者(c)上述两者的组合。

在图6A到6C中示出了限流器20的一个实例，该限流器20具有产生多个气体导管的盘旋结构24。如所述图中可见，位于保护气体流动通道14的至少一部分内的盘旋结构24在所述通道的至少一部分内形成多个气体导管。在图6A至6C中所示的实施例中，所述盘旋结构24被配置成与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的气体导管相比，位于通道的外壁15附近的气体导管具有更长的长度。这可以例如通过使盘旋结构24的各个盘旋环的远端定位在从部件的远端12起不同距离处而实现。此排布可以在图6C中最清楚地看见，图6C示出与位于通道14的外壁15附近的盘旋结构的盘旋环相比，朝向通道的中心定位的盘旋结构24的环具有从部件的远端12起更进一步向内定位的远端。盘旋结构24还可以被配置成以其他未示出的方式产生不同长度的气体导管。例如，可以使盘旋结构24的盘旋环的近端以与上述相同的方式相对于远端定位在从部件的近端11起不同距离处。这可以替代盘旋环的远端相对于部件的远端12的不同定位，或者与盘旋环的远端相对于部件的远端12的不同定位相结合。

如图6B中所示，在图6A到6C中所示的实施例中，由盘旋结构24界定的多个气体导管的横截面积基本上相同。然而，大体如上所述，盘旋结构24可以被配置成与位于通道的中心附近(即电极接收通路16附近)的气体导管相比，位于通道的外壁15附近的气体导管可以具有较小的横截面积。这可以例如通过改变盘旋结构24的相邻盘旋环之间的直径差异来实现，例如，与朝向通道的外壁定位的相邻环相比，朝向通道的中心定位的相邻环可以具有较大的直径差异。这可以是盘旋结构24被配置成提供不同长度的气体导管的(a)附加或(b)替代。对于每一个上述实施例，可以(例如通过常规优化)改变流体流动导管的准确数量、多个导管的直径和/或多个导管的长度以便获得具体期望的流动轮廓。此外，限流器20可以由能够耐受高温的任何材料制成。在一些优选的实施例中，例如，限流器20可以是金属、陶瓷，或其组合。

在其他实施例中，限流器20可以包括填充在保护气体流动通道14的至少一部分内的一种或多种材料，所述填充不同程度地限制气体的流动。例如，通道14的至少一部分可以沿着该通道的不同长度填充有一种或多种材料，和/或与朝向通道的中心(即电极接收通路16附近)相比，通道14的至少一部分可以朝向通道的外壁15更紧密地填充有一种或多种材料。

在一些实施例中，例如，限流器20可以包括填充床材料25。通过用填充材料25填充保护气体通道14的至少一部分，在填充材料的各个区段之间形成多个导管。例如，通过改变填充床的长度，可以获得限流器，该限流器操纵保护气体从而在相对短的距离上接近或获得成型流。例如，填充床25可以在从通道的中心起递增的距离处(即在电极接收通路16附近)延伸过保护气体通道14的较长长度。因此，保护气体需要朝向通道的中心流过相对短的填充床25而同时需要朝向通道的外壁15流过相对长的填充床。具有此类填充床25的限流器20的实例在图7中示出。因为保护气体必须越过的填充床25的量与对保护气体施加的流量限制的量相关联，故此在从通道的中心起递增的距离处保护气体受到更高的阻力。这可以操纵流过通道14的气体而在短距离上接近或获得期望的流动轮廓。

填充材料25可以包括能够耐受高温的任何材料。例如，填充材料25可以包括金属、陶瓷、聚合物、热固性塑料，或其组合。在填充床内的气体流动导管的尺寸和取向可以至少部分地根据所选填充材料25的性质和填充特征而改变。因此，填充材料25的尺寸和形状可以被选择成提供期望程度的流量限制。在一个实例中，填充材料25可以包括球形或基本上球形的材料，所述材料被紧密填充和/或烧结在一起以产生窄的气体流动导管。

在其它实施例中，限流器20可以包括多孔材料26。多孔材料26包含多个孔，其充当保护气体可以流动通过的导管。通过改变其中包含多孔材料26的通道14的长度，可以获得限流器20，该限流器操纵保护气体从而在相对短的距离上接近或获得成型流。例如，多孔材料26可以在从通道的中心起递增的距离处延伸过保护气体通道14的较长长度。因此，保护气体需要朝向通道的中心流过相对少量的多孔材料26而同时需要朝向通道的外壁15流过相对大量的多孔材料。具有此类多孔填充材料26的限流器20的实例在图8中示出。因为保护气体必须越过的多孔材料26的量与对保护气体施加的流量限制的量相关联，故此在从通道的中心起递增的距离处保护气体受到更高的阻力。这可以操纵流过通道14的气体而在短距离上接近或获得期望的流动轮廓。

多孔材料26可以包括能够耐受高温的任何材料。例如，多孔材料26可以包括金属、陶瓷、聚合物、热固性塑料，或其组合。多孔材料26内的孔的尺寸和取向可以根据选定的多孔材料而改变。因此，多孔材料26可以被选择成提供期望程度的流量限制。

在一些实施例中，可以适宜地在一个或多个限流器20下游包括基本上不受限制长度的通道。例如，在保护气体的流动轮廓不完全平滑的情形中，随着来自各个导管中的每一个导管的气体合并在一起而产生统一的流动轮廓，此不受限制长度的通道14可以使阶梯形或不规则形的轮廓变得平滑。此外，如果当保护气体离开一个或多个限流器20时保护气体的流动轮廓尚未充分成型，则此不受限制长度的通道可以使保护气体的统一流动能够过渡到成型流。

本公开的一些方面还涉及焊接器具，也被称为焊接装置，包括在本文所述的任一个实施例中所述的部件。例如，在图2中示出具有部件10的GTAW焊接装置30的实施例，该部件10配置成操纵保护气体以产生期望的流动轮廓。如图2中所示，部件10可以被配置成附接到焊接装置30的头部，以便该部件的电极接收通路16包围传统的筒夹21。因此，部件10可以代替传统的气体透镜或筒夹体部件被附接到焊炬30。因此，本公开的部件10可以容易地并且在对焊接器具本身不作任何修改的情况下附接至现有的焊接器具和与现有的焊接器具一起使用。

焊接装置组装件40——其包括焊接装置30和部件10的组合——可操作从而在没有附接气体透镜或喷嘴部件的情况下获得基本上层流保护气体柱。因此，焊接装置组装件40的实施例被配置成在没有独立的喷嘴部件的情况下使用。最好，打算针对具体焊接操作(正如用喷嘴以传统方式完成的)选择具有期望的横截面直径的部件10。因此，多个部件10——各自具有不同的保护气体通道14直径——可以被配置成可附接到相同的焊炬30。在一些实施例中，单独的喷嘴部件仍然可以被附接到组装件40的头部。然而，优选地，单独的喷嘴部件可以不提供保护气体流动通道14的显著收窄(或者根本不提供收窄)，因为收窄可能妨碍由本文公开的部件10产生的期望的流动轮廓。

因为部件10操纵保护气体而产生期望的流动轮廓，包括本文所述的部件的焊接装置组装件40能够提供一种保护气体柱，该保护气体柱在与使用气体透镜和/或传统喷嘴情况相比更长的距离上具有基本上层流的流动。例如，利用本文所述的部件10的气体保护钨极弧焊焊炬30可以提供一种保护气体柱，该保护气体柱在大于气体出口直径的钨极伸出距离上具有基本上层流的流动(在此术语“气体出口”替代喷嘴直径，因为本公开的组装件40可以被配置成在有或无喷嘴的情况下操作)。可替代地，利用本文所述的部件10的气体保护钨极弧焊焊炬30可以提供一种保护气体柱，该保护气体柱在一钨极伸出距离上具有基本上层流的流动，所述钨极伸出距离是气体出口的直径的至少1.1倍，可替代地是气体出口的直径的至少1.2倍，可替代地是气体出口的直径的至少1.3倍，可替代地是气体出口的直径的至少1.4倍，可替代地是气体出口的直径的至少1.5倍，可替代地是气体出口的直径的至少1.6倍，可替代地是气体出口的直径的至少1.7倍，可替代地是气体出口的直径的至少1.8倍，可替代地是气体出口的直径的至少1.9倍，可替代地是气体出口的直径的至少2.0倍。

本公开的一些方面还涉及操纵焊接器具内的保护气体流以便产生成型的流轮廓的方法。例如，所述方法可以包括：提供包括一个或多个限流器20的部件10；将部件10附接到焊接器具而产生组装件；和启动保护气体流并使之流过焊接器具，以便使离开所述组装件的气体出口的保护气体具有成型的流轮廓。在其他实施例中，所述方法可以包括引导保护气体流过焊接器具内的一个或多个流量调节器，以便使一个或多个流量调节器操纵保护气体流动而产生成型的流轮廓。所述方法还可以包括执行焊接操作同时引导保护气体流过一个或多个流量调节器，以便使一个或多个流量调节器操纵保护气体流动而产生成型的流轮廓。

可替代地，所述方法可以包括：提供包括一个或多个限流器20的部件10；将部件10附接到焊接器具而产生组装件；和启动保护气体流并使之流过焊接器具，以便使离开所述组装件的气体出口的保护气体具有在离开组装件的气体出口之后被转变成成型流轮廓的流动轮廓。在其他实施例中，所述方法可以包括引导保护气体流过焊接器具内的一个或多个流量调节器，以便使一个或多个流量调节器操纵保护气体流动而产生流动轮廓，所述流动轮廓受周围大气作用而产生成型的流轮廓。所述方法还可以包括执行焊接操作同时引导保护气体流过一个或多个流量调节器，以便使一个或多个流量调节器操纵保护气体流动而产生流动轮廓，所述流动轮廓受周围大气作用而产生成型的流轮廓。

在实践中，可能难以确定保护气体流动是否已获得成型的流轮廓、基本上抛物线形的流动轮廓、基本上恒定剪切的流轮廓，或者中间流动轮廓。因此，打算使用模拟器来模拟保护气体通过商业装置的流动轮廓，以便确定是否已获得特定的流动轮廓。这可以例如通过以电子方式再现该商业装置并且模拟保护气体通过该装置的(例如以一种或多种可操作的气体流速)流动，所述商业装置具体地包括保护气体流动通过的任何装置。

可见所述的实施例提供与本领域中那些装置和方法相比具有多种优点的独特且新颖的装置和方法。虽然本文中示出和描述了体现本发明的某些具体结构，但是对本领域技术人员而言显然可以对多种部件进行各种修改和重新排布而不脱离基本发明构思的精神和范围，并且本发明的范围仅受限于随附权利要求书的范围所示的范围而不限于本文中所示和所述的具体形式。

Claims (24)

1.一种焊接器具的部件，包括：

在第一端和第二端之间延伸的主体，所述第一端被配置成附接到所述焊接器具；

保护气体通道，所述保护气体通道在所述第一端和所述第二端之间延伸穿过所述主体并且配置用于使保护气体在所述第一端和所述第二端之间流动；和

在所述通道内的一个或多个限流器，所述一个或多个限流器被配置成在从所述通道的中心起递增的距离处对所述保护气体流动提供更高的阻力。

2.根据权利要求1所述的部件，其中所述一个或多个限流器包括多个气体导管。

3.根据权利要求2所述的部件，其中在从所述通道的所述中心起递增的距离处，所述气体导管具有递减的横截面、递增的长度，或其组合。

4.根据权利要求3所述的部件，其中在从所述通道的所述中心起递增的距离处所述气体导管具有递减的横截面。

5.根据权利要求3所述的部件，其中在从所述通道的所述中心起递增的距离处所述气体导管具有递增的长度。

6.根据权利要求3所述的部件，其中所述多个气体导管包括一系列嵌套式导管。

7.根据权利要求3所述的部件，其中所述多个气体导管包括一系列相邻导管。

8.根据权利要求1所述的部件，其中所述一个或多个限流器包括填充床或多孔材料中的至少一种。

9.根据权利要求8所述的部件，其中在从所述通道的所述中心起递增的距离处所述填充床或所述多孔材料的长度增加。

10.根据权利要求1所述的部件，其中所述一个或多个限流器包括盘旋结构，所述盘旋结构被配置成使得(a)所述盘旋结构的相邻部分之间的横截面间距在从所述通道的所述中心起递增的距离处减小，(b)所述盘旋结构的一些部分的长度在从所述通道的所述中心起递增的距离处增大，(c)或者(a)和(b)的组合。

11.根据权利要求1所述的部件，其中所述一个或多个限流器被配置成为离开所述部件的保护气体提供成型的流轮廓。

12.根据权利要求1所述的部件，其中所述一个或多个限流器被配置成为离开所述部件的保护气体提供抛物线形流动轮廓。

13.根据权利要求1所述的部件，其中所述一个或多个限流器被配置成提供保护气体，所述保护气体在离开所述部件之后被转变成成型的流轮廓。

14.根据权利要求1所述的部件，其中所述一个或多个限流器被配置成为离开所述部件的保护气体提供基本上恒定剪切流轮廓。

15.根据权利要求1所述的部件，其中所述一个或多个限流器被配置成为离开所述部件的保护气体提供介于恒定剪切流轮廓和成型流轮廓之间的中间流动轮廓。

16.根据权利要求1所述的部件，其中所述通道包括在所述一个或多个限流器下游的基本上不受限制的长度。

17.根据权利要求1所述的部件，还包括内壁，所述内壁将所述保护气体通道与中心通路分隔开。

18.一种焊接器具的部件，包括权利要求1所述的部件。

19.根据权利要求18所述的焊接器具，其中所述焊接器具是气体保护钨极弧焊焊炬。

20.根据权利要求19所述的焊接器具，其中

所述部件包括中心通路，

所述气体保护钨极弧焊焊炬包括被筒夹部分地包围的电极，和

所述部件被附接到所述气体保护钨极弧焊焊炬，以便所述部件的所述中心通路至少部分地包围所述筒夹。

21.根据权利要求19所述的焊接器具，其中所述焊接器具可操作而在没有气体透镜或喷嘴附接的情况下获得基本上层流的保护气体柱。

22.根据权利要求19所述的焊接器具，其中所述焊炬提供在大于气体出口直径的钨极伸出距离上具有基本上层流流动的保护气体柱。

23.根据权利要求22所述的焊接器具，其中所述焊炬提供在所述气体出口的所述直径的至少1.5倍的钨极伸出距离上具有基本上层流流动的保护气体柱。

24.根据权利要求18所述的焊接器具，其中所述焊接器具是气体保护金属极弧焊焊接器具、激光焊接器具和等离子体焊接器具中的一种。