具有使用感應加熱頭加熱和/或冷卻的金屬加熱和加工系統及方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001 ]本發明總體上涉及金屬加工系統，例如焊接系統，并涉及在這種系統中加熱，以例如去除涂層，施加包覆層和其它涂層，以允許孔隙度的改善等。
[0002]許多焊接和其它金屬加工系統是已知的并且目前正在使用中。在一些應用中，在已經被上了油漆，涂層，包覆層，或在如不做一些預處理則表面不適合的工件上進行焊接。這可能需要在金屬處理(例如，焊接)前去除表層材料。在其它應用中，在焊接或金屬加工后施加包覆層或其它表面層可能是有益的。而在其它應用中，在加工前或加工后對金屬工作表面加熱可能是有益的，尤其是與焊接操作結合的加工。
[0003]本領域內需要可與這些應用中的一個或多個應用相適應的改進技術。
[0004]簡要說明
[0005]本發明既提供了系統又提供了系統，它們被設計成應對這種需求。它們可以包括各種類型的焊接系統以及通過流過感應頭的交流電流加熱工件的感應加熱系統。在一個實施方式中，金屬加工和加熱系統包括:在操作中在工件上進行焊接操作的焊槍，和被設置成與焊槍相鄰并操作中感應工件的加熱以控制工件的加熱和/或冷卻的感應加熱頭。調節對焊接操作的功率輸入的焊接功率控制系統，和調節對感應頭的功率輸入的感應功率控制系統。
[0006]在一個具體的實施例中，金屬加工和加熱系統包括在操作中在工件上進行焊接操作的焊槍，和被設置成與焊槍相鄰并在操作中感應工件加熱以控制工件的加熱和/或冷卻的感應加熱頭。焊接功率控制系統調節對焊接操作的功率輸入，感應功率控制系統調節對感應頭的功率輸入，并且協調控制系統協調焊接功率控制系統和感應功率控制系統的操作，協調控制系統和/或焊接功率控制系統通過控制對焊接操作的功率輸入來實施所期望的焊接工藝。
[0007]根據本公開的另一個方面，金屬加工和加熱方法包括通過對焊槍施加功率在工件上進行焊接操作，通過對設置成與焊槍相鄰的感應加熱頭施加功率進行來加熱和/或冷卻工件，并通過調節對焊槍和感應加熱頭的功率輸入來協調焊接功率控制系統和感應功率控制系統的操作。
【附圖說明】
[0008]當閱讀參考以下詳細描述的說明書和附隨的附圖時，本發明的這些和其他特征，方面和優點將變得更好理解，在貫穿整個附圖中，相同的附圖標記代表相似的部分，其中:
[0009]圖1是其中焊接系統與感應加熱系統被結合使用以在焊接之前去除表面材料的示例性系統的示意圖；
[0010]圖2是其中感應頭的移動至少部分地獨立于焊槍移動的類似示例性系統的示意圖；
[0011]圖3是金屬加工操作之前去除表面材料的示例性感應系統的示意圖；
[0012]圖4是利用在焊槍之后的感應加熱頭的不例性系統的不意圖；
[0013]圖5是利用焊槍內的感應頭或線圈的不例性系統的不意圖；
[0014]圖6是利用感應加熱與脈沖焊接工藝的協調控制的示例性系統的示意圖；
[0015]圖7是其中感應頭在內管夾具附近是可移動的示例性管道焊接系統的示意圖；
[0016]圖8是其中多個感應頭被設置成與內管夾具相鄰的示例性管道焊接系統的示意圖；
[0017]圖9a和9b是焊接后可施加包覆層或其它材料和/或在焊接后可允許加熱以提高焊接質量的示例性系統的示意圖；
[0018]圖1Oa和1b是用于施加感應加熱到金屬加工應用側以控制工件的變形和其它方面的示例性系統的示意圖；
[0019]圖11是通過感應加熱輔助以緊固件固定或插入工件的形式的金屬加工應用的示意圖；和
[0020]圖12是其中采用一個或多個感測技術以確定感應加熱裝置的地點、位置或感應加熱裝置與一個對象(例如工件)的距離，以允許在操作過程中調節到設備的功率的實施例的示意圖。
[0021]說明書詳細說明
[0022]圖1顯示了用于進行金屬加工操作(比如在工件12上的焊接操作)的示例性加熱和金屬加工系統10。工件通常包含一種或多種金屬，并且在許多情況下，特別是對于焊接應用，將包括要被結合以形成焊接接頭的兩個或更多個部件。所述操作通過在焊接操作中將典型性地包括焊槍14的組件進行。通過感應加熱頭16在焊接操作附近執行加熱，所述感應加熱頭16在圖示的實施例中通過固定或柔性自動化被設置在焊槍的前端，例如通過使感應加熱頭和焊槍處于相同的支架和/或運動裝置上。在焊接操作中通過焊絲沉積和/或焊絲和/或工件的熔化而形成焊珠18。在大多數的焊接操作中，焊珠包括來自重新凝固過程中熔合的焊絲和工件兩者的金屬。在圖1的實施例中，焊槍和感應加熱頭沿著由箭頭20所示的行進方向一起移動。可替代地，工件可被移動，或者焊槍、加熱頭和工件全都可被移動。
[0023]系統10還包括調節對焊槍的焊接功率施加的焊接系統和控制22，以及調節對感應加熱頭的功率施加的感應加熱系統和控制24 ο如將被本領域技術人員可理解的是，焊接系統通常將包括接收某些輸入形式的電功率并把輸入的功率轉換為焊接功率(例如交流電源，直流電源，脈沖電源等)的電源。焊接系統還可包括送絲機，各種機器人和自動化部件等。焊接控制可以實現一種或多種所期望的焊接工藝，比如恒電流工藝，恒電壓工藝，脈沖化工藝等。類似的，可包括任何合適的伺服和組件，例如天然氣供應，工作夾具，焊接電纜等。感應加熱系統可與焊接系統一起設置或獨立于焊接系統設置。它通常包括功率電路，功率電路用于將進入功率轉換為適合感應電場的受控功率并得到在所期望的頻率，功率水平等下的工件加熱。
[0024]在某些實施例中，可通過與焊接和感應加熱系統分離的、或與這些焊接和感應加熱系統中的一個或多個整合的適當電路來提供共同/協調控制26 ο協調控制可允許調節對焊接操作和對感應加熱頭的功率輸入，使得可以提供具體所需加熱分布，加熱時間，加熱位置等以優化焊接操作，焊接操作之前或之后的工件加熱等。焊接系統和/或協調控制除了協調其實際焊接操作外還可以協調操作的這些方面。它也可以在操作期間控制所述焊槍，感應加熱頭，工件，或任何這些組合的共同或單獨的移動。
[0025]應當注意的是，本公開總體上針對金屬加工應用和操作予以描述，但也針對特定的應用和操作，例如焊接。在本公開的背景下，金屬加工應用和操作可以有很大變化，并且可以包括任何所需的焊接操作(例如，金屬惰性氣體或MIG焊接，鎢極惰性氣體或TIG焊接，埋弧焊接，激光焊接等)。這樣的工藝有時被其它名稱表示，諸如氣體金屬弧焊(GMAW)，氣體保護鎢極弧焊(GTAW)等。此外，金屬加工應用可包括包覆，釬焊，表面處理，緊固件插入等。
[0026]類似地，圖2顯示了一種系統，其中的獨立的運動裝置被用于至少部分地獨立于焊槍移動所述感應頭。在本實施例中，焊槍機器人控制30可被設置用于移動焊槍(或具有焊槍的焊接系統)，同時感應頭機器人控制32控制感應加熱頭的移動。這些組件可以以相同的速度并以同樣的方式(例如，方向，路徑)移動，或獨立地移動，如箭頭34和36分別所示。這種獨立的運動控制可以允許選擇性的，位置和/或時間依賴的焊槍和/或加熱頭的行進速率控制。
[0027]在這兩種系統中，在焊槍前端的感應頭可被驅動以充分地加熱工件來燒灼油漆，油，鋅涂層，污垢氧化物，引物，以及應該被去除或處理掉的其它表面材料。用以去除這樣的材料的溫度可以隨著材料而變化，并且可調節的溫度和/或速度可以通過基于要被處理(例如，去除)的涂層控制加熱和焊接系統來獲得。這樣的材料常常產生焊接問題，所以被闡示的加熱/焊接系統提出了一種有效的去除機制。在一些應用中，感應頭的速度可以比焊接頭更慢，并具有獨立的運動能力呈現優勢。即，當第一部分正被焊接時，感應頭可以被定位和/或沿著將要被焊接的下一部分移動。在其他情況下，在焊接和加熱之間的行進更兼容并且一個運動裝置是有效的。在被設想作為表面材料目標的地方，用于感應加熱的頻率可以被調節或設定來控制加熱的位置。例如，較低頻率(例如，20千赫)可以用于一般的工件加熱，而較高的頻率(例如，100千赫)可以利用電流的集膚效應用于更有針對性的表面加熱(例如，用于“燒穿”)。
[0028]這樣的系統也可被用來加熱材料(例如，工件)和在焊槍前的焊絲以協助去除或減少環境濕度并降低在焊接中的氫含量。更進一步地，這樣的系統可被用于感應襯底正好達到金屬汽化點，這有助于穩定電弧焊接，起弧等。
[0029]應該注意的是，雖然在此被闡示和描述的實施例中加熱是在焊接操作前面進行的，然而根據需要，加熱可以在焊接操作的后面(即，隨后)或既在焊接操作的前面又在焊接操作的后面執行。在加熱是在焊接操作之后進行的應用中，所描述類型的感應頭或設備可以協助，例如，平坦化剛剛形成的焊珠，釋放或改善孔隙，通過受控的加熱/冷卻改善冶金等。
[0030]如圖3所示，對該技術的