专利名称：用于深槽焊接的设备及方法
用于深槽焊接的设备及方法技术领域本披露一般地涉及焊接，且特定地涉及深槽焊接。
技术背景气体保护金属极电弧焊接，包括金属极惰性气体保护(MIG )焊接, 采用可消耗的丝极，在此也称为丝极、电源和用于将保护气体引导到焊 接区的系统。丝极和保护气体通过与电源电连接的"焊枪"连续馈给到 焊接区内。工件通过接地线连接，其与电源完成一个回路。丝极使用能 够供应适当数量的电流以产生电弧的电源被保持在高于地的电势。当丝 极触及工件时，形成电弧，其熔化工件和丝极的局部金属，形成熔池， 其随后冷却以形成焊接件。保护气体保护熔池不受氧化且提供至少一个 希望的电弧特性。增加焊接速度的通常方式为增加丝极的馈给率，相应增加电流以熔 化相应数量附加的丝极。然而，从电流的相应增加导致的过多的生热能 够引起工件不希望的变形。MIG焊接使用两条丝，有时称为双丝焊接， 也能够增加焊接速度，从而提高生产率。然而，由于与相邻磁场相互作 用相关的电弧、金属传送的不稳定性，以及相应于每个丝极的电弧的能 量的变化，使用单个常规电源，紧邻的双丝焊接不适于诸如深窄槽焊接 的应用。提供丝极冷却和保护气体传输的过程要求的现有尝试已经导致与榨深槽，例如在蒸汽轮机不见生产总使用的那些部相容的双十焊接焊枪。 因此，本领域中存在用于深槽焊接布置的克服这些缺陷的需要。发明内容本发明的 一个实施例包括焊接设备。该焊接设备包括具有至少 一个 芯部的焊枪本体、从该至少一个芯部以一方向延伸的多个接触末端、和 靠近多个接触末端布置的多个气体供应管，该多个气体供应管以大致类 似于多个接触末端的方向延伸。本发明的另 一实施例包括使用焊接设备增加焊接速度的方法，该焊接设备具有带有至少 一个芯部的焊枪本体、从该至少 一个芯部以第 一方 向延伸的多个接触末端、和靠近多个接触末端布置的多个气体供应管， 该气体供应管以大致类似于多个接触末端的方向延伸。该方法包括将多 个接触末端的至少 一个定义为前接触末端，且将多个接触末端的至少另 一个定义为后接触末端，以第二方向移动焊接设备，以及将前接触末端 和后接触末端的至少 一个独立于另 一 个控制以增加焊接速度。这些和其他优势和特征从结合附图提供的本发明的优选实施例的 以下详细i兌明更容易理解。
参见示范性附图，其中相同的元件在附图中被类似标记 图1描绘根据本发明实施例的焊接焊枪(welding torch)的顶透视 分解部件图；图2描绘根据本发明实施例的焊枪的末端的透视图；和图3描绘根据本发明实施例的包括焊枪的工具布置的示意性侧视图。
具体实施方式
本发明的 一个实施例将提供用于使用馈给到焊接材料的共同熔池 中的两个丝极的窄槽MIG焊接的焊枪和过程。与当前使用的单个丝极 MIG焊接系统相比，焊枪能够在窄槽中操作以减少需要的焊接时间。在 实施例中，由于更高的焊接速度和丝极的更高的沉积率，该过程利于改 进的焊接生产率。在一个实施例中，每个丝极连接到它自己的电源以能 够独立调节焊接电压、电流水平和焊接功率传输波形，例如连续或脉冲 调制的功率传输波形。在一个实施例中，沉积的金属的成分能够通过独立地变动丝极直 径、合金含量、和两个分开的接触末端的每个的馈给率的至少一个而被 定制，以得到改进的冶金和机械特性。两个丝极的使用将减少需要的焊 道数量，且通过最小化除渣数量且减少夹渣的机会而改进生产率和焊接 质量。此外，热输入参数的增强的控制能减少尺寸变形。现在参见图1，描绘双丝焊接焊枪100的实施例的顶透视分解部件 图，在此也称为焊枪，其对于窄槽焊接具有特别的实用性。焊枪100包括安装板105、焊枪本体110、 一对可消耗的丝125通过其馈给的两个 接触末端115、 120、和多个气体供应管130、 135。在一个实施例中， 焊才全本体110包括至少一个头组件140,在此也称为芯部。该至少一个 芯部140包括水冷却套以移除由焊接产生的热，从而防止两个接触末端 115、 120的熔化。两个接触末端115、 120/人至少一个芯部140以方向 线97指示的方向向前延伸。在一个实施例中，焊枪100包括两个气体 供应管130、 135。尽管实施例已经描述为具有两个接触末端115、 120,应当理解的是， 本发明的范围并不如此限制，且本发明也应用于具有多个接触末端115、 120的焊4仓100，例如三个、四个或更多。绝缘头块145布置在芯部140和至少一个联接器150之间且将其连 接在一起。联接器150被连接到外部电源、可消耗的丝馈给器和水冷却 器(未显示)。如本领域中技术人员应当理解，外部电源提供焊接电流， 可消耗的丝馈给器提供该对可消耗的丝125的供应，且水冷却器将水通 过芯部140的水冷却套循环。在一个实施例中，焊枪本体110包括两个芯部140和一对接触末端 保持器155,以提供芯部140和接触末端115、 120之间的接口。该对接 触末端保持器155从芯部140以第一方向向前延伸，且保持接触末端 115、 120。接触末端保持器155每个包括调节器160,例如夹头，以保 持才妻触末端115、 120且允许接触末端115、 120的更换和其延伸超出接 触末端保持器155的调节器160的长度的调节。接触末端115、 120提供焊接电流和定位导向给该对可消耗的丝 125。在一个实施例中，接触末端115、 120由铜制成，以从电源提供有 利的电传导给该对可消耗的丝125且经由接触末端保持器155提供热传 导给芯部140的水冷却套。在一个实施例中，接触末端115、 120具有 大约1/4英寸的直径以利于部署到窄槽中。在一个实施例中，接触末端 115、 120延伸超出该对接触末端保持器155的至少一个至少四英寸。在 另一实施例中，接触末端115、 120延伸超出该对接触末端保持器155 的至少一个至少六英寸。在又一实施例中，接触末端115、 120延伸超 出该对接触末端保持器155的至少一个至少八英寸。绝缘件布置在每个接触末端115、 120的外部上或环绕每个接触末 端，且/人后端165 (布置在接触末端保持器155的该对末端的相应一个内)向最前端170,在此也称为每个接触末端115、 120的末端170延伸。 绝缘件从后端165向每个接触末端115、 120的末端170延伸，以将每 个接触末端115、 120从另一个和工件热绝缘和电绝纟彖。在一个实施例 中，绝缘件包括织造的玻璃套管、和例如可以用于变压器叠片的清漆的 至少一个。在另一实施例中，绝缘件包括陶瓷涂层。
在一个实施例中，焊枪100提供包括在接触末端115、 120之间的 定位角175。调节器180通过定位角175的调节也允许两个接触末端115、 120的相对位置或方位的物理调节。在一个实施例中，调节器180通过 改变两个芯部140之间的间隔距离185调节定位角。
现在参见图2,描绘焊枪100的末端170的透视图。可以预期到， 调节器180的实施例提供一个接触末端115、 120相对于另一个以偏移 方向的平移，如方向线98所指示。
现在回到图1,保护气体通过气体供应管130、 135经由联接件190 供应，联接件例如接头或螺紋接头。保护气体冷却每个接触末端115、 120的末端170且提供适当的保护以维持电弧的稳定，且防止焊接材料 的熔池的氧化。 一个以上气体供应管130、 135的使用允许紧邻焊接材 料的熔池的一种以上保护气体的定制混合，以改进焊接特性。在一个实 施例中，气体供应管130、 135/人接触末端115、 120分开，且乂人在该对 接触末端保持器155和该至少一个芯部140中间机械连接的至少一个导 气箍195向前突出。气体供应管130、 135以大致类似于接触末端115、 120的方向突出，,人而气体供应管130、 135和接触末端115、 120能够 被布置在单个槽内，如以下进一步描述的且在图3中描绘的。在一个实 施例中，气体供应管130、 135沿焊4仓100的相对侧布置，在两个接触 末端115、 120外部。换句话i兌，4妻触末端115、 120布置在气体供应管 130、 135之间。在一个实施例中，气体供应管130、 135直径为大约3/8 英寸。
参见图1结合图2,气体供应管130、 135大致平行于两个接触末端 115、 120， /人而气体供应管130、 135和接触末端115、 120能够被布置 在单个槽内，如以下进一步描述的且在图3中描绘的。在一个实施例中， 气体供应管130、 135每个经由调节器196,例如固定螺钉或夹子被固定 到导气箍195。包括在两个接触末端115、 120之间的定位角175的调节 将导致包括在气体供应管130、 135之间的角的同样改变。气体供应管130、 135的至少一个的方位的调节通过松开调节器196完成，以允许导 气箍195的旋转和气体供应管130、 135相对于导气箍195的平移的至 少一个。导气箍195围绕芯部140的旋转提供相应气体供应管130、 135 以偏移方向98相对于两个接触末端115、 120的平移。气体供应管130、 135相对于导气箍195的平移提供气体供应管130、 135相对于两个接触 末端115、 120的长度的调节。
尽管实施例已经以具有圆形轮廓的气体供应管130、 135描绘，应 当理解的是，本发明的范围并不如此限制，且也应用于具有包括可替换 轮廓几何形状的气体供应管130、 135的焊枪100,例如卵圆、椭圆、和 矩形，例如在焊接操作中在大致垂直于焊枪100的移动的方向具有大约 3/8英寸的轮廓尺度。尽管实施例已经描述为具有相对于两个接触末端 115、 120大致平行地定位气体供应管130、 135的导气箍195,应当理 解的是，本发明的范围并不如此限制，且本发明也应用于具有以其他角 度定位气体供应管130、 135的其他安装装置的焊枪100,例如一般地接 近两个接触末端115、 120或从其离开。
本领域中技术人员应当理解的是，当该对可消耗的丝125的每个可 消耗的丝通过每个接触末端115、 120的末端170时，在接触末端115、 120的末端170的最前位置处引起局部的磨损。局部磨损由当它们以悬 臂的方式延伸超出接触末端115、 120的末端170时施加在该对可消耗 的丝125的每个可消耗的丝上的导向力引起。另外，该磨损被存在接触 末端115、 120的末端170处的高温加速。作为末端170磨损的结果， 末端170的最前部分的内径变^寻更大。由于它增加末端170的内径和该 对可消肆毛的丝125的相应一个之间的间隙的量，/人而减少由末端170对 该对可消耗的丝125的相应一个的定位导向的精确性，所以末端170的 内径的增加是不希望的。作为从两个接触末端115、 120到该对可消耗 的丝125的相应一个的每个的电流传导路径改变的结果，末端170的内 径的增加也改变电弧的至少一个特性。两个接触末端115、 120的至少 一个的末端170的最前(和磨损最多)部分的移除大体上提供包括较少 磨损内径的相应的新的末端170,以提供增加的定位导向精确性和到该 对可消耗的丝125的相应一个的提高的电流传导路径一致性。因此，使 用调节器160以将接触末端115、 120从接触末端保持器155快速移除 将允许末端170的最前部分的方便移除，以提供一致的丝导向和电流传导路径相关的电弧特性，同时维持两个末端170之间合适的相对位置。
此外，末端170的最前部分的这种移除延长两个接触末端115、 120的 总体有用寿命和焊枪100的维修间隔。
现在参见图3,描绘包括焊枪100的工具布置200的示意性侧视图。 在一个实施例中，焊枪IOO被用于将蒸汽轮机隔板带224焊接到蒸汽轮 才几隔板连接板(web)226。工具布置200的两个参数包括槽角6和槽深 230。在此披露的焊枪IOO适于在包括小到3度的槽角6的达到大约12 英寸的槽深230内焊接。应当理解的是，前述示例是为了说明而不是限 制。
由焊接过程产生的电流导致的磁场效果能够影响电弧的至少 一个 特性。这些效果，以及关于保护气体传输的挑战，在诸如带224和连接 板226之间的槽的深窄槽中加剧，且增加在这样的槽内焊接的难度。此 外，带224和连接板226之间的尺寸差异生成关于带224和连接板226 吸热能力的不平衡。通过焊接速度增加生产量的通常方式是增加丝极的 馈给率，焊接电流相应增加以熔化由增加的馈给率提供的附加金属。然 而，如果焊接速度试图通过增加的焊接电流而增加，其产生过多量的施 加热，吸热能力的不平衡通常导致较小构件的变形。因此，通过焊接参 数选择的热输入的小心控制将减少变形。
响应于焊4全100以如图1中(到图3页面的平面内)方向线99所 示的第二方向平移，接触末端115将定义为前接触末端，且接触末端120 将定义为后接触末端。焊枪100以由方向线99所示的方向平移定义为 大致与两个接触末端115、 120共面的运动。应当理解的是，响应于焊 枪100以与方向线99相对的方向平移，接触末端120将定义为前接触 末端，且接触末端115将定义为后纟妻触末端。
已经发现，电弧的特性和焊接质量通过不同焊接参数的选择而提 高。焊接参数的定制，或独立于另一接触末端115、 120控制两个接触 末端115、 120的每个已经发现为增加材料沉积率、焊接速度，提高总 体焊接质量，并且避免过多的变形。例如，已经发现，本领域中称为协 同控制算法的使用优选用于前接触末端，其中至少一个其他焊接参数， 例如焊接电流、焊接电压、和焊接功率传输波形响应该对可消耗的丝125 的相应一个的馈给率的变化。也已经发现，脉沖控制算法优选用于后接 触末端，其中焊接电流是脉冲的，或者迅速从关闭状态到打开状态交替，而独立于该对可消耗的丝125的可消耗的丝馈给率的相应一个馈给率。 此外，已经发现，与后接触末端相比，该对可消耗的丝125的相应一个 的较大的馈给率优选用于前接触末端。在一个实施例中，作为总体热输 入率减少的结果，通过使用焊枪100促进的焊接速度的增加将减少变形。 采用所披露的双丝布置的试验已经在具有五英寸深、三度的槽的蒸 汽轮机隔板上进行。如在此所披露的，焊枪100和焊接参数的使用已经 提供可接受的焊接件，具有适于这样的窄的深槽的单丝过程的焊接速度 的大约两倍。
筌于前述内容，焊枪100利于在窄槽中增加焊接速度的方法。该方 法包括将两个接触末端115、 120的一个定义为前接触末端，且将两个 接触末端115、 120的另一个定义为后接触末端，以由方向线99指示的 大致共面于两个接触末端115、 120的笫二方向移动焊枪100,以及将前 接触末端和后接触末端的至少一个独立于另一 个控制以增加焊接速度。
该方法的实施例包括将协同控制算法应用于前接触末端。该方法的 另 一实施例包括将脉冲控制算法应用于后接触末端。
在一个实施例中，将前和后接触末端的至少一个独立于另一个控制 包括「控制该对可消4毛的丝才及125的每个的直径、该对可消库毛的丝^及125 的每个的々贵给率、该对可消^毛的丝极125的每个的成分、应用于该对可 消耗的丝极125的每个的焊接电压的幅度、应用于该对可消耗的丝极 125的每个的焊接电流的幅度、以及应用于该对可消耗的丝极125的每 个的焊接功率传输波形的至少一个。在一个实施例中，对应于前接触末
馈给率。
如4皮露，本发明的一些实施例可以包括以下优势的一些在深窄槽 内实现较高的焊接材料沉积率的能力；控制热输入以减少工件变形的能 力；通过减少夹渣的可能性提高焊接质量的能力；通过增加生产率减少 制造过程成本的能力；提供包括精确受控的化学性质包括独特的冶金和 机械特性的定制的焊接材料的能力；减少总体热输入率的能力；以及紧 邻焊接材料的熔池将 一种以上保护气体混合在 一起以改进焊接特性的 能力。
尽管本发明已经参考示范性实施例描述，本领域中技术人员应当理 解的是，可以进行不同的变动且等价物可以替换其元素而不偏离本发明
10的范围。此外，可以进行许多修改以使特定情况或材料适于本发明的教 示而不偏移其本质范围。因此，本发明并不意图限于作为预期为实施本 发明的最佳或仅有模式披露的特定实施例，而本发明将包括落入到所附 权利要求书的范围内的所有实施例。同样，在附图和说明书中，已经披 露了本发明的示范性实施例，尽管已经采用具体的术语，除非另有陈述， 它们仅以一般的和说明性的意思使用，而不是限制的目的，因此本发明 的范围并不如此限制。另外，术语第一、第二等的使用并不代表任何顺 序或重要性，而是术语第一、第二等用于区别一个元件和另一元件。此 外，术语一、 一个等的使用并不代表数量的限制，而是代表参考的项目 的至少一个存在。零件列表 方向线97方向线98 方向线99 双丝焊接焊枪100 安装一反105 焊枪本体110 4妻触末端115 接触末端120 可消4毛的丝才及125 气体供应管130 气体供应管135 头组件或芯部140 绝缘头块145 联接器150 接触末端保持器155 调节器160 后端165 前端或末端170 定位角175 调节器180 间隔距离185 联接件190 导气箍195 调节器196 工具布置200 蒸汽轮机隔板带224 蒸汽轮机隔板连接板226 槽深230
权利要求
1.一种焊接设备，包括包括至少一个芯部(140)的焊枪本体(110)；从该至少一个芯部(140)以一方向延伸的多个接触末端(115)(120)；和靠近该多个接触末端(115)(120)布置的多个气体供应管(130)(135)，该多个气体供应管(130)(135)以大致类似于该多个接触末端(115)(120)的方向延伸。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中该多个接触末端(115) (120)的至少一个布置在该多个气体供应 管(130) ( 135 )之间。
3. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括以下的至少一个 调节该多个接触末端(115) (120)的至少一个的方位的调节器(180);和调节该多个气体供应管(130 ) ( 135 )的至少一个的方位的调节器 (180)。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中该多个接触末端(115) ( 120)的至少一个的直径为大约1/4英寸。
5. 根据权利要求4所述的设备，进一步包括从该至少一个芯部(140)延伸的多个接触末端保持器(155),该 多个接触末端(115) (120)的至少一个延伸超出该多个接触末端保持 器(155)的至少一个至少四英寸。
6. 根据权利要求5所述的设备，其中该多个接触末端(115) (120)的至少一个延伸超出该多个接触末 端保持器(155)的至少一个至少八英寸。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中 该至少一个芯部(140)包^fe水冷却套。
8. 根据权利要求1所述的设备，进一步包括布置在该多个接触末端(115) (120)的至少一个的外部上的绝缘件。
9. 一种使用焊接设备增加焊接速度的方法，该焊接设备具有带有 至少一个芯部(140)的焊枪本体(110)、从该至少一个芯部(140)以第一方向延伸的多个接触末端(115) (120)、和靠近该多个接触末 端(115) ( 120)布置的多个气体供应管(130 ) ( 135 ),该气体供应 管(130 ) ( 135 )以大致类似于该多个接触末端(115) (120)的方向 延伸，该方法包括将该多个接触末端(115) (120)的至少一个定义为前接触末端 (115) ( 120),且将该多个接触末端(115) (120)的至少另一个定 义为后接触末端(115) (120);以第二方向移动焊接设备；以及将前接触末端(115) ( 120)和后接触末端(115) (120)的至少一个独立于另 一 个控制以增加焊接速度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该控制包括 控制前接触末端(115) ( 120)的可消耗的丝馈给率大于后接触末端(115) ( 120)的可消耗的丝馈给率。
全文摘要
本发明涉及用于深槽焊接的设备及方法。披露一种焊接设备。该焊接设备包括具有至少一个芯部(140)的焊枪本体(110)、从该至少一个芯部(140)以一方向延伸的多个接触末端(115)(120)、和靠近多个接触末端(115)(120)布置的多个气体供应管(130)(135)，该多个气体供应管(130)(135)以大致类似于多个接触末端(115)(120)的方向延伸。
文档编号B23K9/173GK101219500SQ200810002909
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月11日 优先权日2007年1月11日
发明者E·K·艾利斯, L·B·斯皮格尔, P·R·伯克, W·H·蔡尔兹 申请人:通用电气公司