[发明专利]用于焊接的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及焊接，特别涉及能够提供提高的烟气抽取效率的焊接方法和装置。

背景技术

整个说明书中对于现有技术的任何讨论绝非应认为是承认这样的现有技术为广为公知或者构成本领域公知常识的一部分。

焊接在工业的很多分支中是关键的实现技术。例如，气体保护金属极电弧焊(GMAW)，有时称为惰性气体金属电弧焊(MIG)或者活化气体金属电弧焊(MAG)占据澳大利亚所有金属沉积焊接中的约45％(Kuebler.R.，优化焊接质量和生产率的焊接可耗物和过程的选择，第35届WTIA年度会议文集，达尔文，2005年10月11-13日)。

在GMAW，熔化金属所需的强热由在可耗电极与工件之间点燃的电弧提供。焊接“枪”引导电极、传导电流并将保护性保护气体引导至焊点。由GMAW产生的强热熔化电极末端，熔化的金属移动至工件。一些熔化的金属会蒸发，且蒸汽会被氧化而形成包含蒸汽、金属氧化物、气体和其它更为复杂的化合物的混合物的烟气流。近来的国际机构强调了暴露于这种焊接烟气中的一些潜在危险(麦克米兰，G.，焊接健康与安全的国际机构——焊接国际协会，焊接及同类过程健康与安全国际会议，哥本哈根，2005年5月9-11日)，并且大致认可应该减小呼吸区的暴露。

GMAW-感应流动场的分析表明其结构是由涉及到下述内容的复杂的相互影响而导致：

-电弧柱中的高温、高速等离子体喷射流；

-熔化的金属的传递、蒸发和再凝结；

-在电弧的直接的临近区域中有害气体/烟气的形成；

-被强制对流驱动的保护气体流的流体动力学；以及

-由于热气体造成的自然(浮力驱动)对流过程。

已经认知的是，减小焊接操作者的烟气暴露的最佳方法之一是抽取接近烟气源头的烟气(Wright，等，生产技术中的焊接开发国际会议，焊接协会，产品工程师协会，伦敦，1975年4月22-24日)。这通常意味着在焊炬上结合抽取设备。例如，见美国专利US2,768,278，其中环形排气罩直接设置在焊炬上。然而，该设备难以使用，因为罩的尺寸限制了焊接操作者到焊接处的视线。又如美国专利US5,079,404，其中可定位的鹅颈抽取口设置在焊炬的手柄上。该设备也相对难以使用，因为焊接操作者必须持续地重定位电弧上方的抽取口以便随着焊炬在工件上方移动而有效地捕获烟气。

然而，抽取设备最普遍的形式描述在例如美国专利US3,798,409，美国专利US4,016,398和WO91/07249中，其中外同心套筒设置在焊炬上来抽取焊接烟气。这些设备被发现是不足的，因为为了移除任何烟气，是需要过量吸取的。强劲的吸取往往吸走了焊点周围必要的保护气体层，从而不利地影响了焊接质量、混入了空气和潜在地增大了烟气的产生。而且，抽取口的位置使外围空气可能先于烟气被抽取。这种围绕保护气体层的外烟气抽取套筒不足的根本原因在于，由于与焊炬的轴线垂直的工件的定位所产生的流场导致了沿工件的表面径向向外的气流的形成(这里由术语“壁面喷射(wall jet)”表示)，且该壁面喷射并没有被外部吸取明显影响。即使采用这种非常强劲的吸取，仍然发现壁面喷射中的气流保持了定向的径向向外。该气流携带大量烟气，导致操作者的呼吸区仍然可能包含不可接受的高浓度烟气。

更为近期的改变公开在美国专利US6,380,515中，其中具有围绕焊接电极的烟气抽取口以及围绕该抽取口的同心惰性气体供应口。该结构帮助将大量烟气限制在接近电弧的区域，从而使抽取烟气的任务比现有技术的设备相对简单，但同时，该结构也使电弧和焊池附近的外围空气将惰性气体浓度稀释到了不可接受的低水平。这是没有考虑保护气体的流速与烟气抽取速率的关系。

其它致力于烟气抽取的设备被设计用于大范围烟气排出，其中抽取点长距离地远离污染物源。例如，见美国专利US4,043,257，其中用于工件的排出管道被设置为具有围绕其入口的圆周的径向突出的孔，以产生沿径向向外的气流。然而，用于GMAW焊炬的小尺寸的该设备不能在提供烟气抽取的同时足够将电弧和焊池从大气污染物屏蔽。并且，这种孔严重地限制了焊接操作者到焊接处的视线。