非接觸層流拉弧式螺柱焊接噴嘴和焊接方法與流程

2023-06-25 04:14:41 1

本申請要求於2015年6月29日提交的第14/753,652號美國申請的權益，該美國申請要求於2014年6月30日提交的第62/019,276號美國臨時申請的優先權。以上申請公開的全部內容通過引用包含於此。

技術領域

本公開涉及焊接噴嘴，更具體地，涉及一種用於將螺柱拉弧焊接到部件的非接觸式焊接噴嘴。

背景技術：

本部分提供與本公開有關但不一定是現有技術的背景技術信息。

通常，使用焊接噴嘴將螺柱焊接到部件，焊接噴嘴接觸和/或密封部件以圍住位於包含焊接保護氣體(諸如氬氣)的密封腔室內的螺柱或焊接區域。圖10與圖1的視圖類似，但是示出了在焊接過程中飛濺防護罩接觸或密封部件的現有設計。需要明確的是，這種接觸或密封至少發生在導引電弧和主電弧產生操作(不只是最終的螺柱插入操作)期間。這種接觸或密封的結果是，在拉弧式螺柱焊期間必需充分地留住保護氣體。

技術實現要素：

本部分提供本公開的總體概述，而不是本公開的全部範圍或所有特徵的全面公開。

根據本公開的一個方面，一種拉弧式螺柱焊機噴嘴組件可包括殼體，所述殼體支撐夾頭並限定歧管，所述歧管包括穿過殼體的多個氣體通道。防飛濺噴嘴可被可拆卸地結合到殼體並包圍夾頭。防飛濺噴嘴可包括具有局部拋物面形狀部分的內表面。多個濾網可被支撐在噴嘴組件內並被定位使得來自歧管的氣體流動通過所述多個濾網並進入防飛濺噴嘴。夾頭構件可被構造為在拉弧式焊接期間保持焊接螺柱。夾頭構件的末端可延伸超過防飛濺噴嘴和噴嘴組件的任何其它部件的末端，以在螺柱正被焊接到的工件和噴嘴組件之間保持間隙。

根據本公開的另一個方面，一種拉弧式螺柱焊機方法可包括將被夾持在拉弧式螺柱焊機噴嘴組件的夾頭內的螺柱焊接到限定障礙的工件。在焊接期間，所述障礙距螺柱的中心軸線的橫向距離可小於大約20毫米。所述障礙可以是外邊緣或凸表面、內角或凹表面以及先前焊接到工件的另一螺柱中的一種。在焊接螺柱期間，焊接保護氣體可被傳送通過多個濾網，並隨後進入並通過防飛濺噴嘴，所述防飛濺噴嘴包圍被夾持在拉弧式螺柱焊機噴嘴組件的夾頭內的螺柱。該方法還可包括在工件和噴嘴組件之間保持間隙。

根據在本文中提供的描述，進一步的應用領域將變得明顯。在本發明內容中的描述和具體示例僅用於說明的目的，並不意在限制本公開的範圍。

附圖說明

在此所描述的附圖僅用於所選實施例的說明性目的，而非所有可能的實施方式，且並不意在限制本公開的範圍。

圖1是根據本公開的拉弧式螺柱焊機焊頭的一個示例性焊接噴嘴組件的剖視圖。

圖2是圖1的局部放大剖視圖。

圖3是示出了通過圖1的噴嘴組件的焊接保護氣體流動路徑的剖視圖。

圖4是圖4具有包括圖1的焊接噴嘴的焊頭的拉弧式螺柱焊機的簡化透視圖。

圖5是根據本公開的拉弧式螺柱焊機焊頭的另一示例性焊接噴嘴組件的剖視圖，其中，飛濺防護罩具有局部拋物面形狀。

圖6是與圖1類似的剖視圖，並包括探頭、工件和間隙，其中，螺柱被插入到工件的熔融材料中。

圖7是與圖6類似的剖視圖，並包括探頭、工件和間隙，其中，螺柱相對於工件移動。

圖8是根據本公開的拉弧式螺柱焊機焊頭的又一示例性焊接噴嘴組件的剖視圖。

圖9是示出了通過圖8的噴嘴組件的焊接保護氣體流動路徑的剖視圖。

圖10是現有技術的焊接噴嘴的剖視圖，其中，在焊接過程中飛濺防護罩接觸或密封部件。

在整個附圖的各個視圖中，一致的參考標號表示一致的部件。

具體實施方式

現在將參照附圖更加充分地描述示例性實施例。

圖1示出了根據本公開的一個示例性焊接噴嘴組件20。如圖4所示，焊接噴嘴組件結合到焊接機械50(比如拉弧式螺柱焊機)或是焊接機械50的部件。焊接噴嘴組件20包括結合到焊接保護氣體源(未示出)的氣體配件22。還包括飛濺防護罩套管或殼體24、夾頭26、定位螺釘28、卡環30和飛濺防護罩32。此外，一系列的環形濾網34可由分隔件36隔開。如下所述，濾網34作用為將焊接保護氣體的初始湍流轉換為層流狀態。

圖2示出了由分隔件36隔開的一組或一系列的濾網34的一個示例。在示出的示例中，與焊接保護氣體相遇的前三個濾網34可以是120目濾網。與焊接保護氣體相遇的第四個或最後一個濾網34可以是180目濾網或165目濾網。因此，前三個濾網34的濾網開口尺寸可比最後一個濾網34的濾網開口尺寸大。濾網34可以彼此分隔開大約0.5密耳。這種分隔可通過在濾網34之間插入0.5密耳的分隔件36提供。在示出的示例中，五個分隔件36與四個濾網34形成夾層。可以從(例如)俄亥俄州奧羅拉的麥克馬斯特-卡爾(McMaster-Carr)使用零件號85385T103購買120目的濾網以及使用零件號85385T107購買180目的濾網。當然，在不脫離本公開的範圍的情況下，上面或本文其它地方描述的具體細節的替代物在替代的實施例中可以不同。

如示出的，多個濾網34的第一側可被保持抵靠噴嘴組件20的內部環形臺階72。在這種情況下，殼體部件24可設置內部環形臺階72。卡環30可抵靠著濾網34的第二側或相對側定位以使濾網和濾網之間的分隔件36保持抵靠臺階72。卡環30可被保持在由同一殼體部件24設置的環形凹處或環形槽內。防飛濺噴嘴32可被可拆卸地結合到殼體部件24。因此，防飛濺噴嘴32可從殼體部件24分開以允許接近濾網34從而對其進行拆卸和更換。

圖3示出了流過噴嘴組件20的焊接保護氣體流動路徑。如箭頭40所示，焊接保護氣體(可以是惰性的)通過氣體配件22進入噴嘴組件。因此，氣體配件22限定包括穿過殼體24的多個通道40的歧管。如箭頭42所示，惰性氣體進入濾網34上遊的環形腔室。雖然惰性氣體流由箭頭40和箭頭42示出，但是該過濾前的惰性氣體流40和42處於湍流狀態。當惰性氣體經過一組或一系列濾網34時，惰性氣體流轉換為層流狀態，如箭頭44所示。

濾網34可產生阻力或背壓，這可降低通過噴嘴組件20的惰性氣體的流量。因此，噴嘴組件20的飛濺防護罩32或類似部件可具有如圖所示的截頂的圓錐形狀。如此，飛濺防護罩32可以在不明顯擾動層流的情況下使離開噴嘴組件20的流量降低的惰性氣體的速度或密度增加。惰性氣體的排出速度和流量密度(或出口孔46的面積)足以提供防止環境空氣進入焊接區的惰性氣體柱、惰性氣體區或惰性氣體幕。因此，排出的惰性氣體柱、惰性氣體區或惰性氣體幕包圍或環繞螺柱或焊接區域以防止環境空氣進入焊接區，而不需要噴嘴組件20接觸或密封螺柱或螺柱被正在被焊接到的部件。

圖5示出了可替代的噴嘴組件120，其中，飛濺防護罩內表面具有局部拋物面形狀。如圖5所示，局部拋物面形狀表面可從點「A」延伸到點「B」。例如，局部拋物面形狀可近似於半拋物面形狀或等同於半拋物面形狀。局部拋物面形狀的出口噴嘴或飛濺防護罩132特別有利於形成具有良好的層流且具有充足的流量、氣體密度或面積的惰性氣體流出柱，以將包括螺柱60的焊接區封在無環境空氣的惰性氣體區域內。

儘管未在所有的附圖中示出，但是夾頭不僅可包括外夾頭26，還可包括在焊接操作期間夾持螺柱60的內夾頭27，如圖6和圖7所示。外夾頭26可僅僅包括夾頭螺母(頂部)，或者還可包括如附圖中所示的向下延伸的指狀部。

參照圖7，焊機可包括保持材料或部件62的表面的接觸探頭52。如圖7所示，接觸探頭52可以在其末端朝向夾頭傾斜，使得它在防飛濺噴嘴32的整體或外徑內接觸工件或部件62。如圖所示，螺柱60也可接觸部件62的表面64。當接觸探頭52與部件62保持接觸時，可移動噴嘴和螺柱60遠離所述表面以拉出導引電弧。此後，可接通主焊接電流以在螺柱60的底部和基體材料或部件62的表面產生主焊接電弧，所述主焊接電弧產生熔融材料。接著，如圖6所示，螺柱60可被插入到熔融的材料或部件62中。

不需要在整個焊接過程中使噴嘴或飛濺防護罩32的端部接觸材料或部件62。例如，在產生導引電弧和主電弧期間，噴嘴32的端部和部件62的表面64之間可存在間隙70。如圖7所示，間隙70可存在於螺柱60和探頭52與部件62的初始接觸期間。間隙70可存在於將螺柱60插到部件62的熔融材料中的最終步驟期間。換言之，間隙70還可存在於所描述的操作過程的任何組合期間，甚至貫穿整個拉弧式焊接過程。

圖8和圖9示出了另一個可替代的噴嘴組件220的實施例。如同前一個實施例120，防飛濺噴嘴232的內表面可包括局部拋物面形狀。殼體224可支撐內夾頭227和外夾頭226。殼體部件224的外周表面可包括螺紋266。防飛濺噴嘴232的內周表面可包括相配合的螺紋268，螺紋268與殼體224的螺紋268接合以將防飛濺噴嘴232可拆卸地結合到殼體224。

如同其它實施例，濾網234的一側被保持抵靠噴嘴組件220的內部環形臺階272。在這種情況下，防飛濺噴嘴232可設置內部環形臺階272。卡環230可抵靠著濾網34的第二側或相對側定位，以將濾網和位於濾網之間的分隔件保持抵靠臺階272。卡環230可被保持在也由防飛濺噴嘴232設置的環形凹處或環形槽內。濾網234可具有包圍夾頭26的環形形狀。

防飛濺噴嘴232可繞它的中心軸線旋轉以使配合的螺紋266和螺紋268彼此分離，並使噴嘴232從殼體224旋出。因此，濾網232可與防飛濺噴嘴232一起從噴嘴組件220的殼體224拆下。這允許被旋出的子組件容易地移動到適當的位置，從而便於濾網234的拆卸和更換。

圖9示出了流過噴嘴組件220的惰性氣體流動路徑。如箭頭240所示，惰性氣體通過氣體配件222進入噴嘴組件。因此，氣體配件222和穿過殼體224的通道229限定歧管。如箭頭240所示，惰性氣體緊鄰濾網234流出通道229。該過濾前的惰性氣體流240處於湍流狀態。當惰性氣體經過一組或一系列濾網234時，類似於之前關於圖3的描述，惰性氣體流被轉換為層流狀態，如箭頭244所示。

在此描述的包括任意局部拋物面形狀的內壁部分的防飛濺噴嘴32、132和232中的每個可由非導電材料、耐高溫材料、剛性材料、可模製的塑性材料、包括纖維增強材料的材料(比如碳纖維增強材料)中的任何一種或多種組合而製成。對於耐高溫材料，在一些情況下，材料應能夠在焊接期間承受至少160華氏度的溫度，或在焊接期間承受至少450華氏度的溫度，或在焊接期間承受至少600華氏度的溫度。可結合這些方面中的多個方面的一種示例性材料是市場上(例如從賓夕法尼亞州華盛頓的Ensinger公司的商標名稱為TecapeekTM)可買到的聚醚醚酮。結合這些方面的多個方面的其它示例性材料包括各種陶瓷材料。

多種拉弧式螺柱焊接方法從本文的討論中將會很明顯。例如，這些方法可包括提供在本文中討論的任何部件或特徵的任意組合用於拉弧螺柱焊機50的噴嘴組件20。這些方法可另外包括在整個焊接操作期間在工件62與噴嘴組件20之間保持間隙70或非接觸布置。這些方法還可包括將防飛濺噴嘴32從限定有歧管的殼體24旋開或分開，使得能夠充分接近濾網34以允許它們的拆卸和更換。這樣的方法可包括通過防飛濺噴嘴232支撐濾網234並且將濾網234與防飛濺噴嘴232一起從歧管224拆下。接著，當防飛濺噴嘴232從殼體224分開時，濾網234可在防飛濺噴嘴232內被拆卸和更換。

拉弧式螺柱焊接方法還可包括在焊接期間將夾持在拉弧式螺柱焊接機噴嘴組件20的夾頭26和夾頭27內的螺柱60焊接到限定障礙74的工件62，在一些情況下，在焊接期間所述障礙距螺柱60的中心軸線的橫向距離小於大約20毫米。在其他情況下，在焊接期間所述障礙距螺柱的中心軸線的橫向距離可小於大約18毫米，或小於大約15毫米，或小於大約12毫米。障礙74可以是外邊緣或凸表面、內拐角或凹表面以及之前焊接到工件的另一個螺柱中的一種。在附圖中示出了多種示例性障礙74。圖9示出了障礙274是之前焊接到工件262的另一個螺柱261的情況。

圖6示出了障礙是工件362的外邊緣或拐角374的情況，圖7示出了障礙是工件462的內拐角474的情況。這樣的外邊緣或拐角障礙374和內拐角障礙474可以是尖銳的(即，在拐角處呈90度)或者可以是倒圓的，並且這樣的邊緣或拐角可包括總角度小於180度的任何角。這樣的邊緣或拐角374和474本質上可由弧形表面限定。例如，圖5示出了對應於工件162的這樣的凸狀外邊緣障礙的凸表面174。類似地，圖8示出了對應於工件562的這樣的凸狀內拐角障礙的凹表面574。在這兩種情況下，凸表面的中心軸線與正被焊接的螺柱的中心軸線對準，但並非必須如此。當然，如之前所示，這樣的內部圓角或外部拐角可被定位成距正被焊接的螺柱的中心軸線有一定橫向距離。這樣的凹表面障礙174幾乎可包括任何角度(只要是為飛濺防護罩噴嘴132提供充足的開口)，並且這樣的凸表面障礙574可包括任何角度(包括360度(比如管狀部件))。在一些情況下，這樣的凹表面174或凸表面574的半徑可分別小於大約60毫米，或小於大約40毫米，或小於大約20毫米。

該方法可包括在開始一系列的焊接操作之前氣體經過濾網34和飛濺防護罩噴嘴32的初期吹掃周期。例如，如果焊接操作之間的時間間隔超過大約10分鐘或更長，則可期望這樣的初期吹掃周期。在一些情況下，初期吹掃周期的時長可以是少於大約2秒，或少於大約1.5秒，或少於大約1秒。

該方法可包括在開始導引電弧之前立即發生氣體流動的前吹周期；氣體流動發生在整個主焊接電弧過程中的焊接送氣周期；以及在設定的時間段之後根據主焊接電弧的終止而啟動的氣體流動的後吹周期。在一些情況下，包括前吹周期、焊接送氣周期和後吹周期的總時間段可小於大約2秒，或小於大約1.8秒，或小於大約1.4秒，或小於大約1.2秒。因此，可提供非常快的焊接循環時間。

在一些情況下，該方法還可包括以一定流量提供焊接保護氣體通過濾網34和防飛濺噴嘴32，所述流量至少從大約每分鐘8公升或大約每分鐘20公升或大約每分鐘30公升到大約每分鐘50公升或大約每分鐘80公升。在一些情況下，該方法還可包括在整個組合的前吹周期、焊接送氣周期和後吹周期傳送通過濾網34並進入防飛濺噴嘴32的氣體的總量小於大約1.5公升，或小於大約1.2公升，或小於大約1.0公升，或小於大約0.8公升。

出於說明和描述的目的提供了實施例的以上描述。但並不意味著全面描述或限制本公開。例如，普通技術人員將理解，本文所描述的濾網可包括金屬絲濾網、多孔板、蜂窩材料以及用於將氣體流動轉換為大體層流狀態的其它功能等同物。類似地，間隙可以是中斷的間隙，其中，指狀部接觸工件的表面而不影響氣體的流量。此外，即使沒有具體示出或描述，特定實施例的個別元件或特徵通常並不限於特定實施例，而是在適當的情況下可以互換，並且可用於所選擇的實施例中。另外，除非上下文另有規定，否則上述特定的實施例使用的附圖標記的任何描述，也可適用於其他實施例中的相應的部件。同樣也可在許多方面變化。這些變化不應被視為脫離本公開，並且所有這些變型意在被包括在本公開的範圍之內。