模块化焊头组件
阅读说明：本技术 模块化焊头组件 (Modular weld head assembly ) 是由 E·E·汉森 于 2018-06-18 设计创作，主要内容包括：本公开涉及一种模块化功能块的系统,其可以用于促进以多种不同配置中的任何一种容易地组装焊头组件以允许在模块化功能块的整个互连组件上分配焊丝、气体、冷却流体和其他介质。因而,根据正在进行的焊接工艺,可以根据需要将模块化功能块混合并匹配成任何期望的配置。模块化功能块可以是一种或多种不同的焊丝输送块、气体输送块、冷却水输送块、垫板、端板、防护杯、盖板、绝缘板等的形式。(The present disclosure relates to a system of modular functional blocks that may be used to facilitate easy assembly of a welding head assembly in any of a number of different configurations to allow for distribution of welding wire, gas, cooling fluid, and other media across the entire interconnected assembly of modular functional blocks. Thus, the modular functional blocks may be mixed and matched as needed to any desired configuration, depending on the welding process being performed. The modular functional blocks may be in the form of one or more different wire feed blocks, gas feed blocks, cooling water feed blocks, backing plates, end plates, shield cups, cover plates, insulation plates, and the like.)
相关申请的交叉引用
本国际申请要求于2017年6月22日提交的申请号为15/630,729的美国非临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及一种用在焊接装置或系统中的焊头组件，并且更具体地，涉及一种模块化焊头组件，其允许根据特定应用的需要容易地个性化和定制焊头组件。
背景技术
包括混合激光焊接装置的焊接装置和工艺是众所周知的。这样的混合系统可以包括激光部件和焊接部件，例如气体金属电弧焊接(GMAW)部件或埋弧焊接(SAW)部件。当前的混合激光焊接装置的一个缺点是要处理进入的焊丝和其他辅助服务线的数量、安置和管理(例如，保护气体输送、焊剂输送、焰炬末端冷却等)。结果，焊头组件的尺寸可能变得大且笨重。
当前的解决方案也受到其他缺点的影响。例如，当前的同心或同轴焰炬装置具有全部为同轴布置的焰炬末端、气体供给、气体扩散和气体保护机构，使得难以将多个焰炬紧密地安置在一起。当前的整体式双焰炬或串联焰炬设计对调节各种工艺部件的安置(包括间距、工作角度和推动/拖动角度)的支持非常有限。在混合激光电弧焊接工艺中，当前的整体焰炬设计使得难以在紧邻激光聚焦位置的小空间中装配多个焊丝以及气体保护和冷却。
提供克服了上述问题的焊头装置将是有益的。
发明内容
提供本发明内容，其以简化的形式介绍了一些概念，这些概念将在下面的
具体实施方式
中进一步描述。本发明内容既不旨在明确所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在帮助确定所要求保护的主题的范围。
本文公开了一种模块化功能块的系统，其可以用于促进以各种不同配置中的任何一种来组装焊头以允许在整个模块化功能块的互连组件上分配焊丝、气体、冷却流体和其他介质。因而，取决于正在进行的焊接工艺，可以根据需要将模块化功能块混合并匹配成任何期望的配置。模块化功能块可以采用一个或多个不同的焊丝输送块、气体输送块、冷却水输送块、垫板、端板、防护杯、盖板、绝缘板等形式。另外，模块化功能块可以采用一个或多个机电装置的形式，例如但不限于接缝***、摄像头、焊剂输送块等。
在一个示例性实施例中，本公开涉及一种包括多个模块化功能块的焊头组件。所述多个模块化功能块中的每个模块化功能块可以与所述多个模块化功能块中的另一个可互连，使得所述焊头组件能够配置成多种不同的配置。所述模块化功能块可以包括激光束输送块、焊丝输送块、气体输送块和流体输送块中的一种。
所述模块化功能块中的每一个可以包括用于与所述多个模块化功能块中的所述另一个互连的凸部和凹部。
所述模块化功能块中的每一个可以包括用于接收流体和气体中的至少一种的一条或多条通道。所述通道可以包括螺纹开口，其用于产生通过每个块内的所述一条或多条通道的受控的流体流或气流。因而，当连接时，所述多个模块化功能块的第一模块化功能块中的一条通道可以与所述多个模块化功能块的第二模块化功能块中的另一条通道对准以提供通过所述焊头组件的流体或气体的分配。因此，当连接时，在所述多个模块化功能块的第一模块化功能块中形成的多条通道可以与在所述多个模块化功能块的第二模块化功能块中形成的多条通道对准以在所述焊头组件中生成通道网络，以用于供应气体和流体中的一种或多种。
所述焊头组件还可以包括绝缘垫片、端板、盖板、垫板和盖中的一种或多种。所述焊头组件还可以包括一个或多个可选的传感器块。所述传感器块可以包括触摸传感器块、触觉接缝***块、光学接缝***块和摄像头中的一种。
在另一示例性实施例中，本公开涉及一种模块化功能块的套件，其用于将焊头配置和组装成多种不同配置中的任何一种。所述套件可以包括多个模块化功能块，其中每个模块化功能块可以与另一模块化功能块可互连，使得所述焊头能够配置成多种不同的配置。所述多个模块化功能块可以包括激光输送块、焊丝输送块、气体输送块和流体输送块中的一种或多种。
在又一示例性实施例中，本公开涉及一种组装焊头的方法。所述方法可以包括以下步骤：根据待执行的焊接过程来选择多个模块化功能块中的一个，并且将所选择的模块化功能块联接到所述多个模块化功能块中的第二模块化功能块。所述多个模块化功能块可以包括激光束输送块、焊丝输送块、保护气体块和冷却水块中的至少一种。所述多个模块化功能块中的每一个可以与所述多个模块化功能块中的另一模块化功能块可互连，使得所述焊头组件能够配置成多种不同的配置。
附图说明
通过示例的方式，现在将参考附图描述所公开的装置的具体实施例，其中：
图1是透视图，示出了可以作为根据本公开的示例性系统或套件的一部分提供的各种示例性功能块和其他部件；
图2示出了图1中所示的系统或套件的示例性功能块的透视图；
图3A示出了图1中所示的系统或套件的示例性功能块的前视图；
图3B示出了图3A中所示的示例性功能块的侧视图；
图3C示出了图3A中所示的示例性功能块的俯视图；
图4A示出了用于气体金属电弧焊接(“GMAW”)系统的示例性焊接组件的前视图；
图4B示出了图4A中所示的示例性GMAW焊接组件的侧视图；
图4C示出了图4A中所示的示例性GMAW焊接组件的俯视图；
图5A示出了用于亚电弧焊接(“SAW”)系统的示例性焊接组件的前视图；
图5B示出了图5A中所示的示例性SAW焊接组件的俯视图；
图6A示出了用于混合激光电弧焊接(“HLAW”)系统的示例性焊接组件的前视图；
图6B示出了图6A中所示的示例性HLAW焊接组件的俯视图；
图7A示出了具有单电弧拖尾工艺的用于HLAW系统的焊接组件的实施例的透视图；
图7B示出了图7A中所示的HLAW焊接组件的透视图；
图7C示出了图7A中所示的HLAW焊接组件的侧视图；
图7D示出了图7A中所示的HLAW焊接组件的俯视图；
图8示出了焊接组件的多个替代实施例的透视图；
图9示出了根据本公开的布置成执行对焊过程的示例性焊头组件的透视图；以及
图10示出了根据本公开的布置成执行角焊过程的示例性焊头组件的透视图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更完整地描述根据本公开的装置、系统和方法，在附图中示出了装置、系统和方法的优选实施例。然而，所公开的装置、系统和方法能够以许多不同的形式实施，并且不应被解释为受限于本文阐述的实施例。相反地，提供这些实施例以使得本公开彻底且完整，并且向本领域技术人员完整地传达装置、系统和方法的范围。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的要素。
参考图1和图2，本公开涉及模块化功能块20的系统，其可以例如作为套件提供。模块化功能块20可以用于促进以各种不同配置中的任何一种来容易地组装焊头组件，以允许在整个模块化功能块的互连组件上分配焊丝、气体、冷却流体和其他介质。因而，取决于正在进行的焊接工艺，模块化功能块20可以根据需要混合并匹配成任何期望的配置。例如，参考图1，模块化功能块20的形式可以是一种或多种不同的焊丝输送块22、气体输送块24、冷却水输送块26、孔块28(例如，用于接收焰炬，或者在激光焊接过程的情况下，激光光学延伸管30和激光聚焦锥32从中穿过)、激光束输送块29(如图6A和6B中所示)等，以及一个或多个垫板40、端板42、防护杯44、盖板46、圆角适配器48、绝缘板49(如图4A-5B中所示)等。取决于正在执行的焊接过程的要求，焊丝输送块22的形式可以是电弧焊丝输送块、焊剂输送块、用于输送添加材料的粉末状金属输送块等。垫板40中的一个或多个可以用于提供各种功能块20之间的期望分离距离。也就是说，一个或多个垫板40可以用于调节不同功能块20之间的间隔。以该方式，垫板40消除了对可以与现有装置一起使用的调节间隔件进行微调的需要。绝缘板49可以用作电绝缘体，并且因此可以用于将例如载流焊丝输送块与其他的块分离。模块化功能块20还可以包括一个或多个接触末端50以用于联接到例如焊丝输送块22，以便接收通过焊丝输送块22分配的焊丝并以期望的方式引导焊丝。模块化功能块20还可以包括一个或多个传感器块60(如图5A-6B中所示)，例如触摸传感器块、触觉接缝***、光学接缝***、摄像头等。尽管并未示出，但是所述组件可以包括用以覆盖整个组件或其一个或多个部件的壳体。
模块化功能块20可以配置成通过现在已知或以后开发的任何手段互连以提供定制组件。例如，参考图3A-3C，在一个实施例中，模块化功能块20可以包括用于联接在一起的互连凸部100和凹部101。在一些实施例中，凸部100和可滑动配合的凹部101布置在模块化功能块20的横向侧上。所示的实施例示出了相邻的模块化功能块20可以通过燕尾榫连结装置联接，以使得当连接时，相邻块20彼此横向地联接。替代地或附加地，模块化功能块20可以通过紧固件等互连。例如，模块化功能块20、垫板40、绝缘板49等可以具有平坦的对接表面，以使得块对块、板对块、垫片对块、板对垫片等的对接部可以是平坦的，并且可以通过使用螺栓或紧固件来固定垫片、板、块等。在该布置中，参考图2，每个歧管(例如，气体歧管122、供水歧管126、回水歧管128等)可以包括周向围绕歧管的环形凹部127，例如用于接收诸如O形圈这样的密封件，以密封块对块、板对块、垫片对块、板对垫片等的连接。
参考图3A-3C，每个单独的模块化功能块20可以包括一条或多条内部通道130以允许流体(例如，液体和/或气体)在互连的模块化功能块20之间流动。也就是说，功能块20可以包括在其中形成的一条或多条通道130，以使得可以通过互连的功能块将气体和/或冷却水分配到系统的各个部件。另外，参考图2，功能块中的一个或多个可以包括歧管119，以用于提供从一个模块化功能块20到下一模块化功能块的气体或流体分配。与冷却通道130相比，歧管119可以具有更大的直径。另外，冷却通道130可以与歧管119相交以例如使流体或气体三维地循环通过每个功能块20。每个歧管119可以包括围绕歧管119的圆周的内凹的凸台127(例如，扩大的开口)，例如用于接收诸如O形圈这样的密封件以密封块对块、板对块、垫片对块、板对垫片等的连接。例如，功能块20可以包括进气口120、气体歧管122、气体扩散口124、供水歧管126和回水歧管128。另外，功能块20可以包括冷却通道130。功能块20还可以包括用于接收螺纹孔的介入孔132，以用于控制从主供气歧管到该块内的气体通道的气流。在使用中，通道、端口和歧管可以产生用于在各种互连的模块化功能块之间供应气体和/或冷却水流的开口和通道的网络，以使得可以将气体和/或水的供应和返回管道连接到系统以通过功能块20提供和/或再循环气体和/或液体。
水输送块26可以提供冷却水的分配。气体输送块24可以提供气体的分配。也就是说，块24、26可以包括一个或多个歧管、通道、入口和出口，以用于将块内的水和气体分配到相邻的连接块。块20还可以包括螺纹开口和螺纹塞，以用于在需要时密封歧管的端部、通道、入口、出口。也就是说，歧管、通道、入口、出口可以包括用于接收螺纹塞的螺纹开口，以在每个块内产生用于分配和计量气体和流体的受控流动通道。螺纹塞和孔口(未示出)可以拧入螺纹开口中以控制/计量通过其中的气体或流体的流速。如前所述，可以在功能块20之间设置O形圈(未示出)以确保块20之间的适当密封，从而确保流体和气体的完整性。例如，可以在相邻的模块化功能块20的对应开口之间安置O形圈。
模块化功能块20可以由现在已知或以后开发的任何合适的材料制成，例如，功能块可以由诸如黄铜的合适金属制成。另外，功能块20可以在尺寸和形状上变化以适合期望的应用。
在使用中，焊头组件可以分解成单独的模块化功能块20，其中每个块20可以负责气体、焊丝和冷却分配中的一种或多种。应当理解，所公开的布置可以允许用户混合并匹配各个块以实现用于正在执行的焊接过程的期望焊头配置。因而，模块化功能块20可以为焊头组件提供各种不同的配置。
参考图4A-4C，示出了用于气体金属电弧焊接(“GMAW”)工艺的焊接组件200的示例性实施例。GMAW焊接组件200的变型可以包括由绝缘垫片49分离的第一和第二焊丝输送块(例如，电弧焊丝)22。第一和第二焊丝输送块22中的每一个可以联接到或可以包含用于将焊丝引入到组件下方的期望位置的接触末端50。尽管在图4A-4C中未示出，但是应当理解，GMAW焊接组件200的变型还可以根据需要包括一个或多个气体输送块24、冷却水输送块26、孔块28、垫板40、端板42、防护杯44、盖板46、绝缘板49和其他块。
参考图5A和5B，示出了用于埋弧焊接(“SAW”)工艺的焊接组件300的示例性实施例。SAW焊接组件300的变型可以包括第一和第二子组件310、320。第一子组件310可以在第三焊丝输送块(例如，中性焊丝输送块)22a的任一侧上包括第一和第二焊丝输送块(例如，电弧焊丝)22。每个焊丝输送块可以联接到或可以包含用于将焊丝引入到组件下方的期望位置的接触末端50。第二子组件320可以包括焊丝输送块(例如，电弧焊丝)、焊剂输送块22b和传感器块(例如，触觉接缝跟踪传感器块)60。焊丝输送块22可以联接到或可以包含接触末端50。第一和第二子组件310、320可以由一个或多个绝缘板49分离。焊剂输送块22b可以通过一个或多个绝缘板49与电弧焊丝输送块22分离。应当理解且在图5A和图5B中并未示出，SAW焊接组件300的变型还可以根据需要包括一个或多个气体输送块24、冷却水输送块26、孔块28、垫板40、端板42、防护杯44、盖板46、绝缘板49和其他块。
参考图6A和6B，示出了用于混合激光电弧焊接(“HLAW”)工艺的焊接组件400的示例性实施例。HLAW焊接组件400的变型可以包括激光束输送块29、第一和第二焊丝输送块22、以及传感器块(例如，触觉接缝跟踪传感器块)60。焊丝输送块22可以联接到或包含接触末端50。应当理解，尽管在图6A和图6B中未示出，但是HLAW焊接组件400的变型也可以根据需要包括一个或多个气体输送块24、冷却水输送块26、孔块28、垫板40、端板42、防护杯44、盖板46、绝缘板49和其他块。
正如本领域的普通技术人员应理解的那样，模块化功能块20可以允许终端用户通过根据正在执行的焊接过程的要求而按需增加、去除和/或改变所述的块来简单且有效地重新配置组件。例如，参考图7A-7D，示出了用于单电弧拖尾工艺的焊接组件500的示例性实施例。焊头组件500可以包括联接到或包含接触末端50的焊丝输送块22、气体输送块24、冷却水输送块26、用于接收激光光学延伸管30的孔块28(用于形成激光聚焦锥)、一个或多个垫板40、端板42、以及防护杯44和盖板46(为清楚起见在图7A-7D中未示出)。
图8示出了如何才能仅通过增加或改变模块化功能块20的组装配置来使用前述部件构造单电弧拖尾焊接组件550、串联电弧拖尾焊接组件560和串联电弧超前-滞后焊接组件570，从而构造多种不同的焊头组件。在一些实施例中，这些不同的焊头配置可以由用户“构建”，而在其他实施例中，可以制造期望的配置并以整合的形式提供给用户。
另外，焊头组件100可以布置成使得整个组件能够绕轴线旋转以实现附加的旋转度。参考图9和图10，模块化焊头组件100可以可旋转地联接到焊接臂102，使得可以根据所采用的焊接过程的类型和被焊接的工件来调节焊头组件的旋转位置。例如，图9示出了用于对焊工艺的焊头组件的位置，并且焊头组件可以是绕轴线“A-A”可旋转以调节激光头和电弧焊头的相对旋转位置。图10示出了用于角焊工艺的焊头组件的位置，其中焊头组件可绕轴线“A-A”旋转以调节激光头和电弧焊头的相对旋转位置。
通过将传统的焊头组件分解成各个指定的功能块，所公开的系统使用户能够使用成组的通用部件来定制焊头组件。所公开的系统还使用户能够具备将进入的焊丝和其他支持服务线彼此定位得更近并且将功能块定位成与传统焰炬相比更靠近激光束的能力。此外，模块化功能块可以提高用户的能力，从而能够以多种不同组合和顺序容易地组合关键部件，通过使用通用通道消除多个冗余的介质传送和分配系统(因此减少部件、重量、尺寸、成本等)，减少焊接组件的尺寸和重量以改善零件的可及性和可操作性，简化关键工艺变量的设置和校准，减少焊头组件的包封和质量，在配置工艺时提供更大的灵活性以适合每个单独的应用，以及将工艺传感器集成为功能块，从而减小尺寸和复杂性。
附图仅示出了焊头组件的示例性配置，本领域的普通技术人员将理解，模块化功能块的实际布局和配置可以变化以适合用户的需要和期望。另外，尽管已示出了用于GMAW、SAW和HLAW工艺的示例性组件，但是本系统可以用于任何焊接工艺中。
正如本文中所使用的那样，以单数形式陈述并且以单词“一个”或“一”开始的元件或步骤应被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确地陈述了这样的排除。此外，对本公开的“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除了也包含所述特征的附加实施例的存在。此外，为了方便和清楚起见，在本文中可以使用诸如“前”、“后”、“外”、“内”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“向上”、“向下”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”、“高度”和“宽度”这样的术语来描述装置及其各种部件的相对安置和取向、每个部件在其出现在图中时相对于装置的几何形状和取向。尽管在本文中已描述了本公开的某些实施例，但是不应理解为本公开受限于此，而应当理解为本公开的范围与本领域所允许的范围一样宽，并且说明书也应当以同样的方式阅读。因此，以上的说明内容不应被解释为限制性的，而仅仅是特定实施例的举例说明。本领域技术人员能够在所附权利要求的范围和精神内设想其他的变型。