非接触层流拉弧式螺柱焊接喷嘴和焊接方法与流程

本申请要求于2015年6月29日提交的第14/753,652号美国申请的权益，该美国申请要求于2014年6月30日提交的第62/019,276号美国临时申请的优先权。以上申请公开的全部内容通过引用包含于此。

技术领域

本公开涉及焊接喷嘴，更具体地，涉及一种用于将螺柱拉弧焊接到部件的非接触式焊接喷嘴。

背景技术：

本部分提供与本公开有关但不一定是现有技术的背景技术信息。

通常，使用焊接喷嘴将螺柱焊接到部件，焊接喷嘴接触和/或密封部件以围住位于包含焊接保护气体(诸如氩气)的密封腔室内的螺柱或焊接区域。图10与图1的视图类似，但是示出了在焊接过程中飞溅防护罩接触或密封部件的现有设计。需要明确的是，这种接触或密封至少发生在导引电弧和主电弧产生操作(不只是最终的螺柱插入操作)期间。这种接触或密封的结果是，在拉弧式螺柱焊期间必需充分地留住保护气体。

技术实现要素：

本部分提供本公开的总体概述，而不是本公开的全部范围或所有特征的全面公开。

根据本公开的一个方面，一种拉弧式螺柱焊机喷嘴组件可包括壳体，所述壳体支撑夹头并限定歧管，所述歧管包括穿过壳体的多个气体通道。防飞溅喷嘴可被可拆卸地结合到壳体并包围夹头。防飞溅喷嘴可包括具有局部抛物面形状部分的内表面。多个滤网可被支撑在喷嘴组件内并被定位使得来自歧管的气体流动通过所述多个滤网并进入防飞溅喷嘴。夹头构件可被构造为在拉弧式焊接期间保持焊接螺柱。夹头构件的末端可延伸超过防飞溅喷嘴和喷嘴组件的任何其它部件的末端，以在螺柱正被焊接到的工件和喷嘴组件之间保持间隙。

根据本公开的另一个方面，一种拉弧式螺柱焊机方法可包括将被夹持在拉弧式螺柱焊机喷嘴组件的夹头内的螺柱焊接到限定障碍的工件。在焊接期间，所述障碍距螺柱的中心轴线的横向距离可小于大约20毫米。所述障碍可以是外边缘或凸表面、内角或凹表面以及先前焊接到工件的另一螺柱中的一种。在焊接螺柱期间，焊接保护气体可被传送通过多个滤网，并随后进入并通过防飞溅喷嘴，所述防飞溅喷嘴包围被夹持在拉弧式螺柱焊机喷嘴组件的夹头内的螺柱。该方法还可包括在工件和喷嘴组件之间保持间隙。

根据在本文中提供的描述，进一步的应用领域将变得明显。在本发明内容中的描述和具体示例仅用于说明的目的，并不意在限制本公开的范围。

附图说明

在此所描述的附图仅用于所选实施例的说明性目的，而非所有可能的实施方式，且并不意在限制本公开的范围。

图1是根据本公开的拉弧式螺柱焊机焊头的一个示例性焊接喷嘴组件的剖视图。

图2是图1的局部放大剖视图。

图3是示出了通过图1的喷嘴组件的焊接保护气体流动路径的剖视图。

图4是图4具有包括图1的焊接喷嘴的焊头的拉弧式螺柱焊机的简化透视图。

图5是根据本公开的拉弧式螺柱焊机焊头的另一示例性焊接喷嘴组件的剖视图，其中，飞溅防护罩具有局部抛物面形状。

图6是与图1类似的剖视图，并包括探头、工件和间隙，其中，螺柱被插入到工件的熔融材料中。

图7是与图6类似的剖视图，并包括探头、工件和间隙，其中，螺柱相对于工件移动。

图8是根据本公开的拉弧式螺柱焊机焊头的又一示例性焊接喷嘴组件的剖视图。

图9是示出了通过图8的喷嘴组件的焊接保护气体流动路径的剖视图。

图10是现有技术的焊接喷嘴的剖视图，其中，在焊接过程中飞溅防护罩接触或密封部件。

在整个附图的各个视图中，一致的参考标号表示一致的部件。

具体实施方式

现在将参照附图更加充分地描述示例性实施例。

图1示出了根据本公开的一个示例性焊接喷嘴组件20。如图4所示，焊接喷嘴组件结合到焊接机械50(比如拉弧式螺柱焊机)或是焊接机械50的部件。焊接喷嘴组件20包括结合到焊接保护气体源(未示出)的气体配件22。还包括飞溅防护罩套管或壳体24、夹头26、定位螺钉28、卡环30和飞溅防护罩32。此外，一系列的环形滤网34可由分隔件36隔开。如下所述，滤网34作用为将焊接保护气体的初始湍流转换为层流状态。

图2示出了由分隔件36隔开的一组或一系列的滤网34的一个示例。在示出的示例中，与焊接保护气体相遇的前三个滤网34可以是120目滤网。与焊接保护气体相遇的第四个或最后一个滤网34可以是180目滤网或165目滤网。因此，前三个滤网34的滤网开口尺寸可比最后一个滤网34的滤网开口尺寸大。滤网34可以彼此分隔开大约0.5密耳。这种分隔可通过在滤网34之间插入0.5密耳的分隔件36提供。在示出的示例中，五个分隔件36与四个滤网34形成夹层。可以从(例如)俄亥俄州奥罗拉的麦克马斯特-卡尔(McMaster-Carr)使用零件号85385T103购买120目的滤网以及使用零件号85385T107购买180目的滤网。当然，在不脱离本公开的范围的情况下，上面或本文其它地方描述的具体细节的替代物在替代的实施例中可以不同。

如示出的，多个滤网34的第一侧可被保持抵靠喷嘴组件20的内部环形台阶72。在这种情况下，壳体部件24可设置内部环形台阶72。卡环30可抵靠着滤网34的第二侧或相对侧定位以使滤网和滤网之间的分隔件36保持抵靠台阶72。卡环30可被保持在由同一壳体部件24设置的环形凹处或环形槽内。防飞溅喷嘴32可被可拆卸地结合到壳体部件24。因此，防飞溅喷嘴32可从壳体部件24分开以允许接近滤网34从而对其进行拆卸和更换。

图3示出了流过喷嘴组件20的焊接保护气体流动路径。如箭头40所示，焊接保护气体(可以是惰性的)通过气体配件22进入喷嘴组件。因此，气体配件22限定包括穿过壳体24的多个通道40的歧管。如箭头42所示，惰性气体进入滤网34上游的环形腔室。虽然惰性气体流由箭头40和箭头42示出，但是该过滤前的惰性气体流40和42处于湍流状态。当惰性气体经过一组或一系列滤网34时，惰性气体流转换为层流状态，如箭头44所示。

滤网34可产生阻力或背压，这可降低通过喷嘴组件20的惰性气体的流量。因此，喷嘴组件20的飞溅防护罩32或类似部件可具有如图所示的截顶的圆锥形状。如此，飞溅防护罩32可以在不明显扰动层流的情况下使离开喷嘴组件20的流量降低的惰性气体的速度或密度增加。惰性气体的排出速度和流量密度(或出口孔46的面积)足以提供防止环境空气进入焊接区的惰性气体柱、惰性气体区或惰性气体幕。因此，排出的惰性气体柱、惰性气体区或惰性气体幕包围或环绕螺柱或焊接区域以防止环境空气进入焊接区，而不需要喷嘴组件20接触或密封螺柱或螺柱被正在被焊接到的部件。

图5示出了可替代的喷嘴组件120，其中，飞溅防护罩内表面具有局部抛物面形状。如图5所示，局部抛物面形状表面可从点“A”延伸到点“B”。例如，局部抛物面形状可近似于半抛物面形状或等同于半抛物面形状。局部抛物面形状的出口喷嘴或飞溅防护罩132特别有利于形成具有良好的层流且具有充足的流量、气体密度或面积的惰性气体流出柱，以将包括螺柱60的焊接区封在无环境空气的惰性气体区域内。

尽管未在所有的附图中示出，但是夹头不仅可包括外夹头26，还可包括在焊接操作期间夹持螺柱60的内夹头27，如图6和图7所示。外夹头26可仅仅包括夹头螺母(顶部)，或者还可包括如附图中所示的向下延伸的指状部。

参照图7，焊机可包括保持材料或部件62的表面的接触探头52。如图7所示，接触探头52可以在其末端朝向夹头倾斜，使得它在防飞溅喷嘴32的整体或外径内接触工件或部件62。如图所示，螺柱60也可接触部件62的表面64。当接触探头52与部件62保持接触时，可移动喷嘴和螺柱60远离所述表面以拉出导引电弧。此后，可接通主焊接电流以在螺柱60的底部和基体材料或部件62的表面产生主焊接电弧，所述主焊接电弧产生熔融材料。接着，如图6所示，螺柱60可被插入到熔融的材料或部件62中。

不需要在整个焊接过程中使喷嘴或飞溅防护罩32的端部接触材料或部件62。例如，在产生导引电弧和主电弧期间，喷嘴32的端部和部件62的表面64之间可存在间隙70。如图7所示，间隙70可存在于螺柱60和探头52与部件62的初始接触期间。间隙70可存在于将螺柱60插到部件62的熔融材料中的最终步骤期间。换言之，间隙70还可存在于所描述的操作过程的任何组合期间，甚至贯穿整个拉弧式焊接过程。

图8和图9示出了另一个可替代的喷嘴组件220的实施例。如同前一个实施例120，防飞溅喷嘴232的内表面可包括局部抛物面形状。壳体224可支撑内夹头227和外夹头226。壳体部件224的外周表面可包括螺纹266。防飞溅喷嘴232的内周表面可包括相配合的螺纹268，螺纹268与壳体224的螺纹268接合以将防飞溅喷嘴232可拆卸地结合到壳体224。

如同其它实施例，滤网234的一侧被保持抵靠喷嘴组件220的内部环形台阶272。在这种情况下，防飞溅喷嘴232可设置内部环形台阶272。卡环230可抵靠着滤网34的第二侧或相对侧定位，以将滤网和位于滤网之间的分隔件保持抵靠台阶272。卡环230可被保持在也由防飞溅喷嘴232设置的环形凹处或环形槽内。滤网234可具有包围夹头26的环形形状。

防飞溅喷嘴232可绕它的中心轴线旋转以使配合的螺纹266和螺纹268彼此分离，并使喷嘴232从壳体224旋出。因此，滤网232可与防飞溅喷嘴232一起从喷嘴组件220的壳体224拆下。这允许被旋出的子组件容易地移动到适当的位置，从而便于滤网234的拆卸和更换。

图9示出了流过喷嘴组件220的惰性气体流动路径。如箭头240所示，惰性气体通过气体配件222进入喷嘴组件。因此，气体配件222和穿过壳体224的通道229限定歧管。如箭头240所示，惰性气体紧邻滤网234流出通道229。该过滤前的惰性气体流240处于湍流状态。当惰性气体经过一组或一系列滤网234时，类似于之前关于图3的描述，惰性气体流被转换为层流状态，如箭头244所示。

在此描述的包括任意局部抛物面形状的内壁部分的防飞溅喷嘴32、132和232中的每个可由非导电材料、耐高温材料、刚性材料、可模制的塑性材料、包括纤维增强材料的材料(比如碳纤维增强材料)中的任何一种或多种组合而制成。对于耐高温材料，在一些情况下，材料应能够在焊接期间承受至少160华氏度的温度，或在焊接期间承受至少450华氏度的温度，或在焊接期间承受至少600华氏度的温度。可结合这些方面中的多个方面的一种示例性材料是市场上(例如从宾夕法尼亚州华盛顿的Ensinger公司的商标名称为Tecapeek^TM)可买到的聚醚醚酮。结合这些方面的多个方面的其它示例性材料包括各种陶瓷材料。

多种拉弧式螺柱焊接方法从本文的讨论中将会很明显。例如，这些方法可包括提供在本文中讨论的任何部件或特征的任意组合用于拉弧螺柱焊机50的喷嘴组件20。这些方法可另外包括在整个焊接操作期间在工件62与喷嘴组件20之间保持间隙70或非接触布置。这些方法还可包括将防飞溅喷嘴32从限定有歧管的壳体24旋开或分开，使得能够充分接近滤网34以允许它们的拆卸和更换。这样的方法可包括通过防飞溅喷嘴232支撑滤网234并且将滤网234与防飞溅喷嘴232一起从歧管224拆下。接着，当防飞溅喷嘴232从壳体224分开时，滤网234可在防飞溅喷嘴232内被拆卸和更换。

拉弧式螺柱焊接方法还可包括在焊接期间将夹持在拉弧式螺柱焊接机喷嘴组件20的夹头26和夹头27内的螺柱60焊接到限定障碍74的工件62，在一些情况下，在焊接期间所述障碍距螺柱60的中心轴线的横向距离小于大约20毫米。在其他情况下，在焊接期间所述障碍距螺柱的中心轴线的横向距离可小于大约18毫米，或小于大约15毫米，或小于大约12毫米。障碍74可以是外边缘或凸表面、内拐角或凹表面以及之前焊接到工件的另一个螺柱中的一种。在附图中示出了多种示例性障碍74。图9示出了障碍274是之前焊接到工件262的另一个螺柱261的情况。

图6示出了障碍是工件362的外边缘或拐角374的情况，图7示出了障碍是工件462的内拐角474的情况。这样的外边缘或拐角障碍374和内拐角障碍474可以是尖锐的(即，在拐角处呈90度)或者可以是倒圆的，并且这样的边缘或拐角可包括总角度小于180度的任何角。这样的边缘或拐角374和474本质上可由弧形表面限定。例如，图5示出了对应于工件162的这样的凸状外边缘障碍的凸表面174。类似地，图8示出了对应于工件562的这样的凸状内拐角障碍的凹表面574。在这两种情况下，凸表面的中心轴线与正被焊接的螺柱的中心轴线对准，但并非必须如此。当然，如之前所示，这样的内部圆角或外部拐角可被定位成距正被焊接的螺柱的中心轴线有一定横向距离。这样的凹表面障碍174几乎可包括任何角度(只要是为飞溅防护罩喷嘴132提供充足的开口)，并且这样的凸表面障碍574可包括任何角度(包括360度(比如管状部件))。在一些情况下，这样的凹表面174或凸表面574的半径可分别小于大约60毫米，或小于大约40毫米，或小于大约20毫米。

该方法可包括在开始一系列的焊接操作之前气体经过滤网34和飞溅防护罩喷嘴32的初期吹扫周期。例如，如果焊接操作之间的时间间隔超过大约10分钟或更长，则可期望这样的初期吹扫周期。在一些情况下，初期吹扫周期的时长可以是少于大约2秒，或少于大约1.5秒，或少于大约1秒。

该方法可包括在开始导引电弧之前立即发生气体流动的前吹周期；气体流动发生在整个主焊接电弧过程中的焊接送气周期；以及在设定的时间段之后根据主焊接电弧的终止而启动的气体流动的后吹周期。在一些情况下，包括前吹周期、焊接送气周期和后吹周期的总时间段可小于大约2秒，或小于大约1.8秒，或小于大约1.4秒，或小于大约1.2秒。因此，可提供非常快的焊接循环时间。

在一些情况下，该方法还可包括以一定流量提供焊接保护气体通过滤网34和防飞溅喷嘴32，所述流量至少从大约每分钟8公升或大约每分钟20公升或大约每分钟30公升到大约每分钟50公升或大约每分钟80公升。在一些情况下，该方法还可包括在整个组合的前吹周期、焊接送气周期和后吹周期传送通过滤网34并进入防飞溅喷嘴32的气体的总量小于大约1.5公升，或小于大约1.2公升，或小于大约1.0公升，或小于大约0.8公升。

出于说明和描述的目的提供了实施例的以上描述。但并不意味着全面描述或限制本公开。例如，普通技术人员将理解，本文所描述的滤网可包括金属丝滤网、多孔板、蜂窝材料以及用于将气体流动转换为大体层流状态的其它功能等同物。类似地，间隙可以是中断的间隙，其中，指状部接触工件的表面而不影响气体的流量。此外，即使没有具体示出或描述，特定实施例的个别元件或特征通常并不限于特定实施例，而是在适当的情况下可以互换，并且可用于所选择的实施例中。另外，除非上下文另有规定，否则上述特定的实施例使用的附图标记的任何描述，也可适用于其他实施例中的相应的部件。同样也可在许多方面变化。这些变化不应被视为脱离本公开，并且所有这些变型意在被包括在本公开的范围之内。