纵排带状件熔敷方法、设备及系统的制作方法
【专利摘要】提供一种熔敷系统和方法，所述熔敷系统和方法具有第一熔敷头（101）和第二熔敷头（103），所述第一熔敷头（101）能够使用第一熔敷信号将第一熔敷焊条（51）递送到工件（W），所述第二熔敷头（103）能够使用第二熔敷信号将第二熔敷焊条（52）递送到工件（W），并且其中所述第一和第二熔敷头（101、103）中的每个被相对于彼此定位和定向，以在熔敷操作期间将所述分别的第一和第二熔敷焊条（S1、S2）递送到在所述工件（W）上的相同的熔池。
【专利说明】纵排带状件熔敷方法、设备及系统
[0001]发明的背景
[0002]发明的领域
[0003]与本发明一致的装置、系统和方法涉及采用纵排(tandem)带状焊条(stripelectrode)的熔敷。
_4] 相关技术的描述
[0005]利用带状焊条的熔敷在业内是已知的。一般的带状焊条由于其大的宽度以及导致大的熔敷区域而与基底金属低混合的低的熔深而被用来进行熔敷。电渣熔敷尤为如此。然而，熔敷过程可能很慢，因此降低了熔敷操作的效率。已为试图提高在带状件(strip)熔敷期间的熔敷速度/效率而付出努力，但这些努力并未导致适当的熔敷操作。
[0006]发明的简要内容
[0007]本发明的示例性实施方案是一种熔敷系统和方法，其中第一和第二熔敷头被提供，其中每个熔敷头将其自己的分别的熔敷焊条递送到共同的熔池。因此，至少两个熔敷焊条被用在相同的熔敷操作中。在本发明的实施方案中，分别的熔敷头中的每个被连接到其自己的分别的电源；和/或使用相应的熔敷信号。在下面的说明书、附图和权利要求书中给出了进一步的示例性实施方案。
[0008]附图的简要i兑明
[0009]通过参考附图对本发明的示例性实施方案进行具体描述，本发明的上述和/或其他方面和特征将会变得更加清晰，其中:
[0010]图1图示说明利用本发明的示例性实施方案进行的熔敷的图解表征；
[0011]图2图示说明利用本发明的示例性实施方案进行的熔敷的另一图解表征；
[0012]图3图示说明利用本发明的示例性实施方案进行的熔敷的进一步的图解表征；
[0013]图4图示说明根据本发明的示例性实施方案的熔敷组件的图解表征；
[0014]图5图示说明根据本发明的示例性实施方案的熔敷系统的图解表征；
[0015]图6图示说明将单个焊条系统与本发明的实施方案相比的示例性电流和熔敷率数据的曲线图；以及
[0016]图7图示说明将单个焊条系统与本发明的实施方案相比的示例性热输入和熔敷率数据的曲线图。
[0017]示例性实施方案的具体说明
[0018]现将通过参考所附附图来在下文描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案旨在帮助理解本发明，而不是旨在以任何方式限制本发明的范围。同样的参考标号在整个附图中表示同样的部件。
[0019]图1至图3示出利用本发明的示例性实施方案进行的熔敷的图解表征。在本发明的示例性实施方案中，第一或前面的(leading)熔敷头101被定位于第二或后面的(trailing)熔敷头103的上游(在行进方向上)。头101和103中的每个将带状焊条(分别为S1和S2)递送到要被熔敷的工件W，从而在工件W上建立熔敷层C。焊条S1和S2中的每个接触由前熔敷头101和焊条S1最初建立的共同的熔池。头101和103被这样定位，即头101和103相对于彼此是纵排的。换言之，在本发明的示例性实施方案中，分别的焊条S1和S2的侧边缘在熔敷方向上彼此对齐。
[0020]可以与本发明的实施方案一起使用的熔敷工艺的一实施例是电渣熔敷。本发明在此方面不受限。
[0021]此外，熔敷头101和103可以被构造为已知的或通常使用的熔接头，该些熔接头一般地被用来利用带状焊条熔敷工件。
[0022]如图1至图3中所示，熔敷头101和103中的至少一个可以相对于要被熔敷的工件表面成角度。在所示的示例性实施方案中，后面的头103被示出相对于所述表面成角度。这种成角度是为了帮助后面的焊条S2相对于所述池的熔深，以使所述熔敷操作最优化。进一步地，使头101和103中的至少一个成角度允许所述头的接近度是这样的，即分别的带状件可以被容易地引导到相同的熔池。这些在下面被更充分地讨论。在图1至图3示出的示例性实施方案中，后面的头103是成角度的，而前面的头101相对于工件W被垂直地定位。然而，本发明的多个方面不限于这种配置。例如，设想前面的头101相对于工件W被成角度，而所述后面的头垂直于工件W被定位。在另一示例性实施方案中，头101/103两者被这样成角度，即它们垂直于工件W。换言之，所述熔敷带状件垂直于工件W的表面冲入熔池。可替换地，还可以设想，在本发明的示例性实施方案中，前面的和后面的头101/103两者相对于工件W的表面成角度。然而，应当注意的是，当所成角度增大时，可能变得更难以开始所述熔敷操作。
[0023]参照图3，焊条S1和S2的末端之间的距离Z可以取决于各种操作参数而变化。然而，距离Z应当大于0mm，从而防止焊条S1和S2彼此接触。此外，距离Z应当不能太大，从而后面的焊条S2不会与前面的焊条S1接触相同的熔池。在本发明的示例性实施方案中，距离Z为5至50mm。在进一步的实施方案中，距离Z在5至20mm的范围。
[0024]在另一示例性实施方案中，热源(例如激光装置)被定位在前面的头101和后面的头103之间。所述热源提供热输入到所述池中，以确保所述池被保持在熔化状态。在这样的实施方案中，焊条S1和S2之间的距离Z可以被增大。当然，由于跨所述熔敷带状件的整个宽度保持热是必要的，应当跨所述熔池的宽度提供热源。例如，如果所述热源是激光或等离子体，则所述热源跨所述熔池的宽度应当是被摆动的，以保持所述池跨其宽度是被熔融的。
[0025]如图3中进一步所示的，前面的焊条S1具有为X的伸出，并且后面的焊条S2具有为Y的伸出。在本发明的示例性实施方案中，伸出X和Y是相同的。然而，在其他示例性实施方案中，伸出X和Y彼此不同。例如，焊条S1的伸出X短于焊条S2的伸出Y。在本发明的示例性实施方案中，伸出X在40至70mm的范围，而伸出Y在50至80mm的范围。在进一步的示例性实施方案中，伸出Y比伸出X少约10mm。当然，可以理解的是，这些参数可以取决于合乎期望的结果和所采用的可操作参数而被最优化。注意的是，通过增加伸出的长度，在焊缝中的稀释水平降低，因此更长的伸出是有利的。然而，当增加伸出的长度时，在带状件S1和S2中形成的热的量可以被增加。当所述带状件中的热过高时，所述带状件的柱状强度可以被降低，从而所述带状件变弯曲。这是非常不合乎期望的。从而，为了最优化所述伸出，这些因素中的每个都应当被考虑在内。
[0026]当提供越来越大的熔敷率时，本发明的示例性实施方案能够提供10%或更小的稀释水平。[0027]注意的是，通过改变焊条S1和S2之间的距离Z，所述伸出可以被改变。很大程度上这是通过分别的头101和103的尺寸决定的。例如，随着距离Z增大，分别的伸出距离X和Y可以被减小，因为将头101和103移动为更靠近工件W将是可能的。
[0028]在示例性实施方案中，后面的焊条S2和表面之间的角度Θ在15至90度的范围。然而，在进一步的示例性实施方案中，角度Θ在30至60度的范围。这样所成的角度提供了上面所讨论的益处。进一步地，尽管角度Θ在图3中被示出为与后面的焊条S2相关，但在其他示例性实施方案中，相对于工件W的表面被成角度Θ的是前面的焊条S1。在进一步的示例性实施方案中，焊条S1和S2相对于彼此成角度β。在示例性实施方案中，所述焊条之间的角度β在0至75度的范围，其中0度表示当焊条S1和S2冲入所述池时，焊条S1和S2实质上平行于彼此。在进一步的示例性实施方案中，所述焊条之间的角度β在30和60度之间。因此，在本发明的一些示例性实施方案中，焊条S1和S2两者相对于工件W的表面是成角度的。注意的是，在前述讨论中，角度测量是相对于处于或接近焊条在所述熔池处的冲入处的焊条S1和S2的分别的角度而被讨论的。
[0029]在本发明的示例性实施方案中，焊条S1和S2在尺寸和化学性质两方面是相同的。然而，在其他示例性实施方案中，焊条S1和S2可以是不同的。例如，设想焊条S1和S2具有不同的厚度和/或宽度来使熔敷操作最优化。例如，提供具有阶梯式的或分层式的结构的熔敷可能是合乎期望的，从而前面的焊条S1比后面的焊条S2更宽。在其他示例性实施方案中，提供具有基于熔敷的厚度的不同物理属性的熔敷可能是合乎期望的，从而前面的焊条S1具有与后面的焊条S2相比不同的化学性质。例如，设想前面的焊条S1可以是309L型不锈钢，而后面的带状件S2可以是316L型不锈钢。
[0030]图2描绘了本发明的另一示例性实施方案，其中磁控探测器105被放置在前面的头101和后面的头103之间。磁场和磁控的使用在焊接行业中是公知的，以帮助控制及稳定渣池并且使得熔融沉积(molten cbposit)抵消由焊接操作产生的磁场，所述磁场影响焊接操作的定位和稳定性。探测器105相对于本发明的实施方案以类似的方式被使用。具体地，探测器105被使用来产生帮助稳定两个分别的熔敷操作的磁场。例如，所述磁探测器可以被用来减小前面的焊条S1对后面的焊条S2的影响，反之亦然。在本发明的示例性实施方案中，探测器105被定位于相比后面的焊条S2更靠近前面的焊条S1。这是因为，在特定实施方案中(如下面将被更充分地解释的)，前面的焊条S1将产生较大的磁场，因为前面的焊条S1将具有比后面的焊条S2更多的功率。总的来说，探测器105的定位和控制应当被最优化来提供稳定的熔敷操作。在另一示例性实施方案中，所述磁探测器在焊接期间被定位在所述带状件的侧边。探测器在外侧的定位可以通过采用将熔池引导(draw)到焊缝中央的磁场的干扰来帮助平整并稳定熔池。
[0031]现转到图4，根据本发明的示例性实施方案的熔敷组件200被示出。在示例性实施方案中，熔敷组件200可以是小车型设计，这种设计能够沿工件W被移动。可替换地，小车组件200可以是固定的，从而工件W相对于组件200被移动，以影响熔敷操作。熔敷组件200可以包括控制面板201，所述控制面板201被配置来给使用者提供对熔敷操作的控制和输入。这样的控制面板201是业内已知的，并且可以控制例如焊条送进速度、行进速度、焊缝控制(功率、电流、电压等)、焊剂控制等因素。组件200可以进一步包括焊条安装结构205，焊条卷207和209被安装在焊条安装结构205上，以提供焊条S1和S2给头101和103。送进机构208和210还可以被安装到组件200，从而将焊条S1和S2送进到所述头。卷207/209和送进机构208/210的配置和结构可以与任何已知的或所使用的装置一致，因为本发明的实施方案在此方面不受限。而且，本发明的各方面不限于卷207/209或驱动机构208/210的物理结构或定位。
[0032]在组件200的进一步的示例性实施方案中，焊剂递送系统包括焊剂罐209，并且递送管211被用来给熔敷过程递送保护焊剂。这样的焊剂递送系统是已知的，并且不需要在本文中详细讨论。在本发明的示例性实施方案中，可以使用高速电渣焊剂，所述高速电渣焊剂具有在最小化稀释水平的同时保持金属过渡(metal transfer)的能力。
[0033]尽管未在图4中被清楚地示出，磁探测器组件(例如图2中所示的)可以如所需的那样被包括在组件200中。进一步地，在附加的示例性实施方案中，可以使用焊剂和/或烟气去除或真空系统。例如，焊剂提取真空器(未示出)也可以被安装到组件200，从而在所述熔敷过程中去除焊剂。这样的系统在熔敷和焊接行业中是已知的。
[0034]现转到图5，描绘了熔敷系统300。系统300的示例性实施方案包括两个分离的电源301和303，从而第一电源301被耦合到前面的头101，并且所述第二电源被耦合到后面的头103。分别的电源中的每个提供熔敷信号(电压和电流)给所述分别的头，从而每个分别的焊条S1和S2被充分地递送到公共熔池并且沉积在该公共熔池中。这样的电源的结构和操作是已知的。如前面指出的，电源301/303可以提供电渣熔敷信号给头101/103。在本发明的示例性实施方案中，电源301/303中的每个可以经由控制面板201被控制。此外，在附加的示例性实施方案中，电源301/303中的每个在操作期间彼此通信。例如，设想分别的电源301/303中的每个一起工作，从而控制进入熔敷过程的整体热输入。此外，在后面的带状件S2之前开始前面的带状件S2可能是有利的。在这样的实施方案中，电源301开始熔敷操作，并且一旦熔池被建立并且被稳定，第二电源303则开始用于熔敷操作。在本发明的示例性实施方案中，所述第一和第二电源两者在恒定电压(“CV”)模式下操作。在本发明的进一步的示例性实施方案中，可以使用可变的焊接波形，例如美国俄亥俄州克利夫兰市的林肯电气公司制造的Power Wave电源产生的类型。可变的波形可以具有这样的波形轮廓，在所述波形轮廓中，负电流和正电流其中之一或两者可以在所述焊接操作期间被改变。在本发明的一个方面中，电源301/303中的每个提供相同的熔敷信号(电压和电流)给分别的焊条S1和S2。然而，在附加的实施方案中，由第一电源301提供的信号与由第二电源303提供的信号可以是不同的。例如，设想第一电源301提供相比第二电源303具有更高功率的信号(所述更高功率可以例如通过使用更高电流或电压或者这两者来实现)。
[0035]在本发明的示例性实施方案中，前面的焊条相比后面的焊条具有更高的电流水平。这样的配置允许所述前面的焊条执行到所述熔池中的大部分熔敷，而所述后面的焊条则被用来简单地沉积更多的用于熔敷操作的材料。在本发明的示例性实施方案中，后面的焊条具有相比前面的焊条的平均电流水平更小的在100至800安培范围的平均电流水平。在其他示例性实施方案中，后面的焊条具有相比所述前面的焊条的平均电流更小的在250至600安培范围的平均电流。
[0036]注意的是，尽管图5示出两个分立电源301/303，但本发明的实施方案不要求电源为具有两个不同壳体的两个完全分离的物理单元等。设想分离电源可以被并入单个一体的壳体中，从而物品301/303代表在单个一体单元中的分立的电源系统。分立的电源301/303应当能够如需要的那样递送具有不同参数的电源信号。
[0037]如先前简要讨论的那样，用带状焊条熔敷是已知的。然而，当试图建立特定厚度的熔敷层时，这样的过程可以被放慢。在递送相同或增加的熔敷厚度水平时，本发明的示例性实施方案的使用在熔敷速度方面提供有效的增加。此外，由其自己专用的电源熔敷的后面的焊条的使用会稳定所述熔敷的稀释水平。附加地，具有分离的熔敷头的分离的电源的使用将允许分别的头在正常或在其他情况下较低的电源水平下操作，因此消除了对依靠过高的电流通过特定熔敷率的单个头的需要。这样的高电流可以在熔敷期间造成带状件的过热和滑移，这会对堆积的熔敷层的质量和耐用性产生不利影响。
[0038]已经发现，使用本发明的实施方案具有各种优点。例如，已经发现，可以实现热输入和可操作效率方面的改进。例如，已经发现，针对熔敷厚度可以实现增加的熔敷速度，而在进入所述熔池的整体热输入方面没有显著的或不利的增加。进一步地，已经发现，纵排的熔敷焊条的使用导致标称焊道宽度，该标称焊道宽度大于利用单个焊条实现的焊道宽度，因此导致增加的覆盖率。
[0039]下表提供相比先前技术的熔敷操作的本发明的示例性实施方案的数据汇总。这些表说明了本发明的益处。注意的是，下表中示出的是传统的kj/mm关系和kj/mm2关系中的具有代表性的热输入计算，该具有代表性的热输入计算将所述标称焊道宽度的宽度考虑在内，并且对整体热输入更具代表性。作为参考，下面的公式被用于热输入计算:
[0040]kj/mm = (AXVX60)/(1000XS)，其中
[0041]A=总平均电流，V=电压，S=速度(mm/每分钟)；以及
[0042]kj/mm2 = (AXVX60)/(1000XSXB)，其中
[0043]A=总平均电流，V=电压，S=速度(mm/每分钟),并且B=标称焊道宽度(mm)。
[0044]在本发明的示例性实施方案中，带状件热输入在0.25至0.10kJ/mm2的范围，并且在其他示例性实施方案中，带状件热输入在0.15至0.20kJ/mm2的范围。进一步地，在本发明的示例性实施方案中，熔敷率在1.00至1.05m2/小时的范围。附加地，在本发明的示例性实施方案中，熔敷过程的行进速度在20至40cm/分钟的范围。在本发明的另一可替换的实施方案中，行进速度在25至35cm/分钟的范围。
[0045]进一步地，下面示出的电流数据是平均电流，正如使用平均电压一样。
[0046]下面的表1提供来自在纵排的带状焊条配置中的六个示例性焊接行程的数据汇
ο
[0047]
【权利要求】
1.一种熔敷设备，所述熔敷设备包括:第一熔敷头(101)，所述第一熔敷头(101)能够使用第一熔敷信号将第一熔敷焊条(51)递送到工件(W)；第二熔敷头(103)，所述第二熔敷头(103)能够使用第二熔敷信号将第二熔敷焊条(52)递送到所述工件(W)；其中所述第一和所述第二熔敷头(101、103)中的每个被相对于彼此定位和定向，以在熔敷操作期间将所述分别的第一和第二熔敷焊条(S1、S2)递送到在所述工件(W)上的相同的熔池。
2.如权利要求1所述的熔敷设备，其中所述系统提供范围在0.1至0.25kJ/mm2的进入所述工件(W)的热输入，以及范围在1至1.5m2/小时的总熔敷率。
3.如权利要求1或2所述的熔敷设备，其中所述第一和所述第二熔敷头(101、103)中的至少一个相对于所述工件是成角度的，从而所述分别的第一和第二熔敷焊条(S1、S2)以小于90度的角度冲入所述熔池。
4.如权利要求1至3中的一项所述的熔敷设备，其中所述第一和所述第二熔敷头(101、103)中的每个被定向，从而所述分别的第一和第二熔敷焊条(S1、S2)垂直于所述熔池接触所述熔池。
5.如权利要求1至4中的一项所述的熔敷设备，其中所述第一和所述第二熔敷头(101、103)相对于彼此是成角度的，从而所述第一和第二熔敷焊条(31、32)之间的角度在0至75度的范围；和/或其中所述第一和所述第二熔敷头(101、103)中的每个被定向，从而所述分别的第一和第二熔敷焊条(S1、S2)以彼此隔开范围在5到50mm的距离接触所述熔池。
6.如权利要求1至5中的一项所述的熔敷设备，其中所述第一和所述第二熔敷头(101、103)中的每个被定向，从而，当所述第一和第二熔敷焊条(S1、S2)正在接触所述熔池时，所述分别的第一和第二熔敷焊条(S1、S2)具有不同的伸出距离(X、Y)。
7.如权利要求1至6中的一项所述的熔敷设备，还包括至少一个磁控探测器(105)，所述磁控探测器(105)被这样定位，即邻近所述第一和所述第二熔敷头(101、103)中的至少一个。
8.一种熔敷系统，所述熔敷系统包括如权利要求1至7中的一项所述的熔敷设备，其中所述第一熔敷头(101)被耦合到第一电源(301);并且其中所述第二熔敷头(103 )被耦合到第二电源(302 )。
9.如权利要求8所述的熔敷系统，其中所述第一电源(301)提供所述第一熔敷信号给所述第一熔敷头(101)，并且所述第二电源(303)提供所述第二熔敷信号给所述第二熔敷头(103)，所述第二熔敷信号与所述第一熔敷信号不同。
10.如权利要求8或9所述的熔敷系统，其中所述第一和第二电源(301、303)中的每个提供电渣熔敷信号给所述分别的第一和所述第二熔敷头(101、103 )。
11.如权利要求8至10中的一项所述的熔敷系统，还包括耦合到所述第一和第二电源(301,303)中的每个的控制系统，以控制所述第一和第二电源(301、303)的操作。
12.如权利要求8至11中的一项所述的熔敷系统，其中所述第一和第二电源(301、303)中的每个以恒定电压模式操作。
13.如权利要求8至12中的一项所述的熔敷系统，其中所述第一电源(301)提供第一熔敷电流给所述工件(W)，并且所述第二电源(303)提供第二电流给所述工件(W)，其中所述第一电流高于所述第二电流。
14.一种熔敷方法，所述熔敷方法包括:提供第一熔敷焊条(101)给在工件(W)上的熔池；提供第二熔敷焊条(103)给在工件(W)上的所述熔池；将所述第一和第二熔敷焊条(101、103)中的每个熔敷到所述熔池中，以在所述工件(W)上建立熔敷层。
15.如权利要求14所述的熔敷方法，还包括提供第一熔敷信号给所述第一熔敷焊条(101)，以及提供第二熔敷信号给所述第二熔敷焊条(103)，所述第二熔敷信号与所述第一熔敷信号不同。
16.如权利要求14或15所述的熔敷方法，还包括提供第一熔敷信号给所述第一熔敷焊条(101)，以及提供第二熔敷信号给所述第二熔敷焊条(103)，其中所述熔敷信号中的至少一个是恒定电压熔敷信号。
17.如权利要求14至16中的一项所述的熔敷方法，还包括提供第一熔敷信号给所述第一熔敷焊条(101)，以及提供第二熔敷信号给所述第二熔敷焊条(103)，并且所述第一和第二熔敷信号中的至少一个是电渣熔敷信号。
18.如权利要求14至17中的一项所述的熔敷方法，还包括从第一电源(301)提供第一熔敷信号给所述第一熔敷焊条(101)，以及从第二电源(303)提供第二熔敷信号给所述第二熔敷焊条(103)。
19.如权利要求14至18中的一项所述的熔敷方法，还包括提供具有第一电流的第一熔敷信号给所述第一熔敷焊条(101)，以及提供具有第二电流的第二熔敷信号给所述第二熔敷焊条(103)，并且所述第一电流高于所述第二电流。
20.如权利要求14至19中的一项所述的熔敷方法，其中在所述熔敷期间进入所述工件(W)的热输入在0.1至0.25kJ/mm2的范围，并且总熔敷率在1至1.5m2/小时的范围；和/或其中所述熔敷的行进速度在20至40cm/分钟的范围；特别地，其中在所述熔敷期间进入所述工件(W)的热输入在0.15至0.20kJ/mm2的范围，总熔敷率在1至1.5m2/小时的范围，并且所述熔敷的行进速度在25至30cm/分钟的范围。
21.如权利要求14至19中的一项所述的熔敷方法，其中所述熔敷导致所述熔敷层(C)的稀释不超过10%。
22.如权利要求14至21中的一项所述的熔敷方法，其中所述第一和第二熔敷焊条(101、103)中的至少一个相对于所述工件(W)是成角度的，从而所述至少一个成角度的焊条(S1、S2)以小于90度的角度冲入所述熔池。
23.如权利要求14至22中的一项所述的熔敷方法，其中所述第一和第二熔敷焊条中的每个被定向，从而所述焊条垂直于所述熔池接触所述熔池。
24.如权利要求14至23中的一项所述的熔敷方法，其中所述第一和第二熔敷焊条(S1、S2)相对于彼此是成角度的，从而所述第一和第二焊条(S1、S2)之间的角度在0至75度的范围。
25.如权利要求14至24中的一项所述的熔敷方法，其中所述第一和第二熔敷焊条(S1、S2)中的每个被定向，从而所述焊条(S1、S2)以彼此隔开范围在5至50mm的距离接触所述熔池。
26.如权利要求14至25中的一项所述的熔敷方法，其中在所述熔敷期间，所述第一和第二熔敷焊条(S1、S2)中的每个具有不同的伸出距离。
27.如权利要求14至26中的一项所述的熔敷方法，其中所述第一熔敷焊条(S1)具有与所述第二熔敷焊条(S2)相比不同的化学性质。
28.如权利要求14至27中的一项所述的熔敷方法，其中所述第一熔敷信号具有高于所述第二熔敷信号 的平均电流的范围在100至800安培的平均电流。
【文档编号】B23K9/18GK103648701SQ201280033154
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2012年7月2日 优先权日:2011年7月1日
【发明者】M·S·戈尔丁 申请人:林肯环球股份有限公司