使用旋轉電弧法焊接的設備和方法
【專利說明】使用旋轉電弧法焊接的設備和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]不適用。
[0003]關于聯邦政府贊助的研究或開發的聲明
[0004]不適用。
[0005]達成聯合研究協議的各方名稱
[0006]不適用。
[0007]引用在光盤上提交的序列表、表格、或計算機程序清單附錄
[0008]不適用。
【背景技術】
[0009]本發明涉及使用可消耗金屬絲電極的連續給送的電弧焊接、并且更具體地涉及以受控且連續可調的方式對電極的起弧端施加橫向移動的此類連續電弧焊接。
[0010]連續電弧焊接受多個變量的影響，這些變量是例如所選氣體及氣體共混物的使用;所選助熔劑;金屬或金屬合金;接縫或縫隙準備;金屬絲大小和給送速率;焊槍沿著縫隙的移動速率、以及施加的電流的量。而且，必須確定對于此工作而言最佳的是單一道次還是若干道次。這些以及其他的考慮因素使得連續電弧焊接部僅僅是像我們之前的專利-1979年12月4日標題為“振蕩電弧焊接(Oscillat1n Arc Welding)”的美國專利號4，177，373以及1983年8月30日標題為“可消耗電弧焊接焊槍(Consumable Arc Welding Torch)”的美國專利號4，401，878-中所解釋的科學，這兩個專利特此全文通過援引并入。
[0011]在焊接過程中通常遇到設置問題。待連結的金屬之間的縫隙寬度、待連結的材料的厚度、以及材料不合格、涂層、灰塵、或油脂造成的電阻的甚至微小變化都會影響焊接操作的進程并且必須進行調整以實現更準確的焊縫。在焊接設備中已開發了多種改進來克服遇到的這些問題，尤其是在自動設備中。盡管如此，仍存在進一步改進的空間，并且下文將討論若干改進。
【附圖說明】
[0012]鑒于以上及在下文更全面地出現的其他目的，本發明包括在下文描述的、在所附權利要求書中限定的以及在附圖中的優選實施例中展示的所有部分和要素、以及操作、順序和步驟的某些組合、構造和安排，在附圖中:
[0013]圖1是被安排成用于結合根據本發明的示例性實施例的這些焊槍改進來手動使用的連續電弧焊接設備的圖解立面圖。
[0014]圖2是被安排成用于結合根據本發明的示例性實施例的這些焊槍改進來手動使用的連續電弧焊接設備的替代實施例的圖解立面圖。
[0015]圖3是焊槍本體的放大比例的截面立面圖。
[0016]圖4是結合了一個根據本發明的示例性實施例的改進的焊槍的機械化連續電弧焊接設備的圖解立面圖。
[0017]圖5是結合了多個根據本發明的示例性實施例的改進的焊槍的機械化連續電弧焊接設備的圖解立面圖。
[0018]圖5A是結合了根據本發明的示例性實施例的多個改進的焊槍、以及一種旋轉偏置能力的機械化連續電弧焊接設備的另一圖解立面圖。
[0019]圖6A、6B和6C是用于圖5中展示的多焊槍系統的示例性焊接路徑和特征的圖。
[0020]圖7和8是根據本發明的示例性實施例的焊槍內的某些操作性部件的立面視圖，并且以略微夸大的方式示出了攜帶有電極金屬絲的棒的移動以及調整和替代方案對其的影響。
[0021]圖9A、9B和10示出了根據本發明的示例性實施例的焊槍內的某些操作性部件的截面立面圖。
[0022]圖11和13示出了根據本發明的示例性實施例的焊槍內的某些操作性部件的立面視圖。
[0023]圖12、12’和14示出了根據本發明通過焊縫連結在一起的多個金屬板的截面。
[0024]圖15展示了根據本發明的示例性實施例的焊槍的替代性實施例的立面視圖。
[0025]圖15A示出了從圖15中的指示線A-A截取的橫向截面視圖。
[0026]圖16示出了圖15中展示的焊槍的替代性實施例的截面立面圖。
[0027 ]圖16A示出了圖16中展示的焊槍本體的底座末端的放大視圖。
[0028]圖16B示出了從圖16中的指示線B-B截取的橫向截面視圖。
[0029]圖17圖解了結合有圖4中展示的改進的焊槍的機械化連續電弧焊接設備的使用方法。
[0030]圖17A圖解了結合有多個圖5中展示的改進的焊槍的機械化連續電弧焊接設備的使用方法。
[0031]圖18是根據本發明的示例性實施例的連續電弧焊接焊槍的圖解立面圖。
[0032]圖18A示出了從圖18中的指示線18A_18A截取的橫向截面視圖。
【具體實施方式】
[0033]本發明將現有技術擴展到超過了本發明人這些之前專利中所披露的內容。改進涉及對焊接過程中變量的控制，尤其是對響應于焊縫連續監測而做出的連續調整以及此類調整所造成的影響的控制。
[0034]在之前的設計中，變速電動馬達與變速控制相連，該變速控制通過改變電壓來改變馬達速度直到獲得近似的旋轉頻率。在此討論的改進包括利用具有伴隨的電子控制(MC)的步進馬達(128)來精確定位馬達的軸、旋轉速度、和方向。額外的改進包括調整焊槍的長形棒和尖端的長度以便進一步調整電極路徑的物理特征。
[0035]改進進一步包括將氣體、電極和功率分成多個分開的供送以便在機械化設備中的多個焊槍之間進彳丁更精確的路徑選擇、控制和共孚。進一步，對電極路徑的改進控制允許多個焊槍如此靠近地操作而使得在多個焊槍之間可以維持一個共用的熔池。
[0036]如之前的專利中描述的，熔融金屬滴從這一個或多個電極被推進到縫隙的側壁以在該縫隙中建立熔融金屬池。在本發明之前的發明中，電極的移動是圓形路徑，而熔融金屬滴被離心力拋開。電極的電弧端的移動被稱為“旋轉”，但應理解的是，電極金屬絲沒有旋轉、而是圍繞軸線自轉。在該改進的發明中，對馬達的更精確的控制允許實現可以不涉及完整圓形路徑和/或可以涉及對方向或速度的若干其他調整的復雜路徑。為了簡化，除非明確指明，否則馬達移動、以及所得到的電極路徑將繼續總體上稱為旋轉。
[0037]對棒的長度加以控制影響了尖端與焊接縫隙之間的距離。在機械設備中，與棒長度相連系的額外焊槍定位能力可以精確地控制將焊接尖端維持在焊接表面上方的距離。當電極位于焊接縫隙內的旋轉半徑以及焊槍的角度可以影響當改變位置、或穿過金屬絲的電流流動時馬達可能遇到的阻力。有經驗的焊工可以通過電弧的亮度、機械聲音、和/或該過程的其他物理特征感覺到這些變化。
[0038]在本文描述的改進的設計中，控制器可以包括電流傳感器、光傳感器、麥克風、振動傳感器等，這些傳感器對反應性地調整焊槍的位置和物理特性的控制器提供了反饋以便實現更好的焊縫。進一步，控制器可以以其來實現這些調整的速度導致了更一致的焊縫。
[0039]步進馬達對該過程施加的精細控制允許了精確地調整旋轉。在該優選實施例中，利用了伺服馬達來使金屬絲旋轉。本領域技術人員將認識到，也可以利用步進馬達。步進馬達允許與之前的移動無關地進行精確定位和在任一方向上移動。這是對之前的變速馬達的顯著改進，之前的變速馬達不能以精確的定時增量被定位或保持在獨特位置中。
[0040]作為步進馬達優于變速馬達可實現的靈活性的實例，以變化的速度旋轉可以確定由于離心力造成的圓形路徑的半徑。然而，在整個旋轉過程中通過改變步進模式來一致地改變旋轉速度可以改變金屬絲路徑的形狀。如果速度每轉改變四次:在第I次和第3次增大而在第2次和第4次減小，其中第1-4次是沿著回轉路徑均勻間隔開的且是同時的，則所得的離心力變化將導致橢圓路徑而不是圓形路徑。擴展到極端情況，則橢圓路徑可以在單一平面圖中是長形的、并且在垂直平面上被壓縮而基本上變成直線運動。
[0041]替代地，連續調轉旋轉方向而不進行完整旋轉可以將這個路徑減小成單一往返移動。通過調整步進速度、以及每個方向上的步進次數，可以控制路徑的寬度，并且可以賦予電弧形狀。
[0042]由于步進馬達允許在回轉路徑中對馬達進行精確定位，因此精確的控制允許多個馬達緊密靠近地操作，其中它們的路徑可以相互重疊。這在過去對于變速馬達是不可能的，在變速馬達中幾乎相同的馬達的內阻或其他物理特征的甚至微小變化也會導致速度變化并且導致干擾。
[0043]沿著旋轉路徑的精確位置的精確速度控制允許在一個側壁處沉積更多金屬。這是對于在豎直板之間的水平縫隙中的焊縫的罕見改進。通過在上板處提供過量金屬，更均勻的焊縫是可能的。另一個改進在于焊接不同厚度的板而在較厚的板處沉積更多金屬。
[0044]用這種焊接方法可獲得的希望的結果在于以下發現:焊接操作可以與可比較的常規設備所可能的情況相比明顯更快地進