用于减小焊缝根部凹穴的系统和方法

摘要

一种控制后焊缝根部表面的方法包含：沿着工件的后焊缝根部表面布置密封部分以邻近于接头的节段而形成吹扫区域；以第一流率在吹扫区域内供应保护气体；以及跨越接头的节段的前表面而施加焊接沉积物。保护气体置换吹扫区域内的周围环境，并且焊接沉积物的后焊缝根部表面至少部分基于吹扫区域内的保护气体而相对于后焊缝根部表面包含正根部焊透部。

权利要求

1.一种控制后焊缝根部表面的方法，包括：沿着工件的所述后焊缝根部表面布置反吹系统的密封部分以邻近于接头的节段而形成吹扫区域，其中所述密封部分是夹持系统的一部分，所述夹持系统包括一个或多个夹具，所述一个或多个夹具跨越所述接头在轴向方向上延伸以接合由所述接头分开的所述工件的第一节段和第二节段，所述夹持系统被配置成维持所述工件的所述第一节段和所述第二节段相对于彼此的期望位置或取向，以围绕所述接头轴向地或径向地对准所述第一节段和所述第二节段；

以第一流率在所述吹扫区域内供应保护气体，其中所述保护气体置换所述吹扫区域内的周围环境；以及

跨越所述接头的所述节段的前表面而施加焊接沉积物，其中所述焊接沉积物的所述后焊缝根部表面至少部分基于所述吹扫区域内的所述保护气体而包括相对于所述后焊缝根部表面具有正根部焊透部的凸出根部表面。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述保护气体由氩气或氮气组成。

3.根据权利要求1所述的方法，其中被接收到所述吹扫区域中的所述第一流率大于朝向所述工件的所述前表面发射的第二保护气体流率。

4.根据权利要求1所述的方法，其中跨越所述接头的所述节段而施加所述焊接沉积物包括从设置在仰焊位置、立焊位置或其任何位置组合中的焊炬施加所述焊接沉积物。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括管材。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述管材包括软钢管材。

7.根据权利要求5所述的方法，包括利用沿着所述管材的轴线延伸的所述夹持系统将所述管材定位在期望位置中，其中所述夹持系统通过移动所述夹持系统的所述一个或多个夹具来控制开口的轴向偏移以调整所述第一节段相对于所述第二节段的轴向位置，并且其中所述夹持系统的所述一个或多个夹具在径向方向上从轮毂延伸。

8.根据权利要求1所述的方法，包括经由机器人系统沿着所述接头而移动焊炬，其中移动所述焊炬包括跨越所述接头的所述节段而施加所述焊接沉积物。

9.根据权利要求1所述的方法，包括沿着所述工件的所述后焊缝根部表面布置所述密封部分，以邻近于所述接头的所述节段而形成所述吹扫区域，并且将所述吹扫区域与所述接头的其他节段隔绝，其中沿着所述接头的所述节段的长度小于所述接头的整个长度。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述密封部分被配置成沿着所述接头的所述节段的弧长延伸，并且所述弧长为所述后焊缝根部表面的周长的50％。

11.一种焊接系统，所述焊接系统包括：反吹系统，所述反吹系统包括：

密封部分，所述密封部分被配置成邻近于接头的节段在所述密封部分与工件的后焊缝根部表面之间形成吹扫区域，其中所述密封部分是夹持系统的一部分，所述夹持系统包括一个或多个夹具，所述一个或多个夹具跨越所述接头在轴向方向上延伸以接合由所述接头分开的所述工件的第一节段和第二节段，所述夹持系统被配置成维持所述工件的所述第一节段和所述第二节段相对于彼此的期望位置或取向；以及气体控制阀门，所述气体控制阀门联接到所述密封部分，其中所述气体控制阀门被配置成将保护气体供应到所述密封部分以置换所述吹扫区域内的周围环境，并且所述保护气体被配置成控制沿着所述接头的所述节段形成的焊接沉积物的所述后焊缝根部表面以使其包括相对于所述后焊缝根部表面具有正根部焊透部的凸出根部表面。

12.根据权利要求11所述的焊接系统，其中所述保护气体包括氩气、氮气、小于5％的二氧化碳或其任何组合。

13.根据权利要求11所述的焊接系统，其中工件包括管材。

14.根据权利要求11所述的焊接系统，其中所述密封部分沿着所述接头的下部延伸，所述下部对应于来自所述工件的前焊缝表面的仰焊位置或立焊位置，其中所述密封部分由柔性导管构造而成，所述柔性导管被配置成沿着所述接头的所述节段顺应所述工件的所述后焊缝根部表面的轮廓以形成所述吹扫区域，其中所述密封部分包括与所述工件一起限定所述吹扫区域的一个或多个密封表面和一个或多个壁，所述一个或多个密封表面与所述工件密封接触，或其中所述密封部分包括沿所述接头的后表面的周长的弧长延伸的一个或多个密封表面和一个或多个壁，其中所述弧长小于所述接头的所述后表面的所述周长。

15.根据权利要求11所述的焊接系统，其中所述接头的所述节段被配置成从设置在仰焊位置、立焊位置或其任何位置组合中的焊炬接收所述焊接沉积物。

16.根据权利要求11所述的焊接系统，其中所述夹持系统沿着所述工件的轴线设置，其中所述夹持系统包括所述反吹系统，并且其中所述夹持系统的所述一个或多个夹具被配置成在径向方向上从轮毂延伸并且与所述工件的所述后焊缝根部表面介接。

17.根据权利要求11所述的焊接系统，其中所述气体控制阀门被配置成调整通往所述吹扫区域的所述保护气体的流率。

18.根据权利要求11所述的焊接系统，包括联接到焊炬的机器人系统，其中所述机器人系统被配置成沿着所述接头移动所述焊炬以施加所述焊接沉积物，其中所述夹持系统通过移动所述夹持系统的所述一个或多个夹具来控制开口的轴向偏移以调整所述第一节段相对于所述第二节段的轴向位置。

19.根据权利要求18所述的焊接系统，其中所述机器人系统包括沿着所述接头设置的轨道。

20.根据权利要求11所述的焊接系统，包括：电力供应器，所述电力供应器被配置成将焊接电力供应到焊炬；

送丝机，所述送丝机联接到所述电力供应器并被配置成将焊丝供应到所述焊炬；并且所述焊炬联接到所述电力供应器、所述送丝机以及所述气体控制阀门，其中所述焊炬被配置成沿着所述接头的根部开口的所述节段而施加所述焊接沉积物。

21.根据权利要求11所述的焊接系统，其中，所述密封部分被配置成与所述工件的所述后焊缝根部表面介接，并且将所述吹扫区域与所述接头的其他节段隔绝，所述密封部分被配置成沿着所述接头的所述节段的弧长延伸。

22.根据权利要求11所述的焊接系统，其中，所述密封部分被配置成沿着所述接头的所述节段的弧长延伸，并且所述弧长为所述后焊缝根部表面的周长的50％。

23.一种焊接系统，所述焊接系统包括：反吹系统，所述反吹系统包括：

密封部分，所述密封部分被配置成邻近于接头的节段在所述密封部分与工件的后焊缝根部表面之间形成吹扫区域，其中所述接头的所述节段被配置成从设置在非常规焊接位置中的焊炬接收焊接沉积物，其中所述密封部分是夹持系统的一部分，所述夹持系统包括一个或多个夹具，所述一个或多个夹具跨越所述接头在轴向方向上延伸以接合由所述接头分开的所述工件的第一节段和第二节段，所述夹持系统被配置成维持所述工件的所述第一节段和所述第二节段相对于彼此的期望位置或取向；以及气体控制阀门，所述气体控制阀门联接到所述密封部分，其中所述气体控制阀门被配置成将保护气体供应到所述密封部分以置换所述吹扫区域内的周围环境，所述保护气体包括氩气、氮气、小于5％的二氧化碳或其任何组合，并且所述保护气体被配置成控制沿着所述接头的所述节段形成的所述焊接沉积物的所述后焊缝根部表面以使其相对于所述后焊缝根部表面包括正根部焊透部；以及

机器人系统，所述机器人系统联接到所述焊炬，其中所述机器人系统被配置成沿着所述接头移动所述焊炬以在所述工件的前表面上施加所述焊接沉积物。

24.根据权利要求23所述的焊接系统，其中所述密封部分沿着所述接头的所述节段的第一长度延伸，并且所述第一长度是沿着所述接头的所述后焊缝根部表面的周长的25％。

25.根据权利要求23所述的焊接系统，其中，所述密封部分被配置成与所述工件的所述后焊缝根部表面介接，并且将所述吹扫区域与所述接头的其他部分隔绝，所述工件包括管材，并且所述接头的与所述密封部分相对的所述节段包括所述管材的下部,并且其中所述接头是具有在所述接头的两个节段之间由非零距离分开的开口的开放根部型接头。

26.根据权利要求23所述的焊接系统，其中，所述机器人系统被配置为沿着所述接头移动所述焊炬以在所述工件的所述前表面上施加所述焊接沉积物，所述在所述工件的所述前表面上施加所述焊接沉积物从不与所述密封部分相对的第一点处开始，并且在与所述密封部分相对的第二点处结束。

说明书

用于减小焊缝根部凹穴的系统和方法

背景技术

[0001] 本发明总的来说涉及焊接系统，并且明确地说涉及用于焊接根部焊道的焊接系统。

[0002] 焊接是一种已经在各种工业的多种应用中变得日益普遍存在的工艺。例如，焊接常用于例如造船业、海上平台、建筑、钢管厂等应用中。电弧焊系统通常将电流施加到电极
以在电极与工件之间形成电弧，因此在工件上形成焊接沉积物。焊接沉积物的结构(例如，
形状)可影响焊缝的质量。例如，焊接接头的规格可规定根部深度、厚度或根部形状。此外，
焊接沉积物上的力(例如，重力)可基于焊炬和电极相对于工件的焊接位置而不同方式地影
响焊接沉积物的形状和结构。

发明内容

[0003] 在下文概述范围与初始主张的发明相称的某些实施例。这些实施例不旨在限制本发明的范围，相反，这些实施例仅旨在提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明
可涵盖可类似于或不同于下文所阐述的实施例的各种形式。

[0004] 在一个实施例中，一种控制后焊缝根部表面的方法包含：沿着工件的后焊缝根部表面布置密封部分以邻近于接头的节段而形成吹扫区域；以第一流率在吹扫区域内供应保
护气体；以及跨越接头的节段的前表面而施加焊接沉积物。保护气体置换吹扫区域内的周
围环境，并且焊接沉积物的后焊缝根部表面至少部分基于吹扫区域内的保护气体而包含相
对于后焊缝根部表面具有正根部焊透部的凸出根部表面。

[0005] 在另一实施例中，一种焊接系统包含反吹系统，其中所述反吹系统具有密封部分和气体控制阀门。密封部分被配置成邻近于接头的节段在密封部分与工件的后焊缝根部表
面之间形成吹扫区域。气体控制阀门联接到密封部分，并且气体控制阀门被配置成将保护
气体供应到密封部分。设置在吹扫区域内的保护气体置换吹扫区域内的周围环境。保护气
体被配置成控制沿着接头的节段形成的焊接沉积物的后焊缝根部表面以使其具有相对于
后焊缝根部表面具有正根部焊透部的凸出根部表面。

[0006] 在另一实施例中，一种焊接系统包含反吹系统和机器人系统。反吹系统包含密封部分以及联接到密封部分的气体控制阀门。密封部分被配置成邻近于接头的节段在密封部
分与工件的后焊缝根部表面之间形成吹扫区域。接头的节段被配置成从设置在非常规焊接
位置中的焊炬接收焊接沉积物。气体控制阀门被配置成将保护气体供应到密封部分以置换
吹扫区域内的周围环境。保护气体包括氩气、氮气、小于约5％的二氧化碳或其任何组合。保
护气体被配置成控制沿着接头的节段形成的焊接沉积物的后焊缝根部表面以使其具有相
对于后焊缝根部表面具有正根部焊透部的凸出根部表面。机器人系统被配置成沿着接头移
动焊炬以在工件的前表面上施加焊接沉积物。

[0007] 附图简单说明

[0008] 当参照附图阅读具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中在全部附图中，相同附图标记表示相同部分，其中：

[0009] 图1是用于通过反吹系统而执行焊接操作的焊接系统的实施例的图形表示；

[0010] 图2是用于对接头进行焊接的反吹系统的实施例的前视图；

[0011] 图3是用于管状工件的反吹系统和夹持系统的实施例的端视图；以及

[0012] 图4是图示利用反吹系统的方法的实施例的逻辑的流程图。

具体实施方式

[0013] 下文将描述本公开的一个或更多个具体实施例。这些所描述的实施例仅是本公开的实例。此外，为了提供对这些实施例的简明描述，在本说明书中可能没有描述实际实施方
案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，
必须做出众多专门针对实施方案的决策来实现开发者的特定目标，例如，符合系统相关和
商业相关的约束条件，所述约束条件可对于不同的实施方案有所不同。此外，应了解，此类
开发工作可能是复杂和费时的，但是仍然将是可受益于本公开的一般技术人员进行设计、
构造和制造的例行工作。

[0014] 当介绍本公开的各种实施例的要素时，用词“一”、“某一”、“该”和“所述”旨在表示可存在一个或更多个所述要素。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的并且表示可
存在除所列出的要素以外的额外要素。

[0015] 图1图示焊接系统8的实施例，其中焊接系统8具有经由导体或导管14而相互联接的电力供应器10和送丝机12。在所图示的实施例中，电力供应器10与送丝机12分开，以使得
送丝机12可靠近焊接位置而定位在与电力供应器10相距某一距离处。然而，应理解，在一些
实施方案中，送丝机12可与电力供应器10一体形成。在这些状况下，导管14将在系统内部。
在送丝机12与电力供应器10分开的实施例中，端子通常设置在电力供应器10上以及送丝机
12上以允许导体或导管14联接到系统，以便允许电力和气体从电力供应器10提供到送丝机
12，并且允许在两个装置之间交换数据。

[0016] 焊接系统8被设计成将电力和保护气体提供到焊炬16。在一些实施例中，送丝机12将焊丝(例如，电极)提供到焊炬16。应了解，虽然本论述可能特别侧重于熔化极气体保护电
弧焊(GMAW)系统8，但当前公开的方法可用于使用具有气体管线的任何电弧焊工艺(例如，
FCAW、FCAW‑G、GTAW(即，TIG)或类似电弧焊工艺)的系统中。如本领域的技术人员将了解，焊
炬16可以是许多不同类型，并且通常允许焊丝42和气体送给到邻近于工件18的位置，在所
述位置处形成焊缝以接合两个或更多个工件18。第二导体(例如，线夹58)通常延伸到焊接
工件18以便经由焊炬16而在电力供应器10与工件18之间补全电路。

[0017] 焊接系统8的操作员可选择数据设定(例如，焊接参数、气体流动参数、弧长)，该数据设定将由操作员经由电力供应器10上所设置的操作员接口20而选择。操作员接口20将数
据设定传达到电力供应器10内的控制电路22。控制电路22可至少部分基于焊接参数来控制
电力转换电路24，并且控制电路22可至少部分基于气体流动参数来控制电力供应器10或送
丝机12的气体控制阀门36。在一些实施例中，操作员接口20并入到电力供应器10的前面板
中。明确地说，焊接系统8被配置成允许用各种钢(例如，高合金钢、低合金钢)、铝或被引导
穿过焊炬16的其它焊丝进行MIG焊接。气体控制阀门36可经由焊炬16将保护气体38引导到
工件18的前表面25和/或引导到工件18的后表面27。

[0018] 控制电路22操作以控制从电力转换电路24产生焊接电力输出，其中所述焊接电力输出施加到焊丝42以执行期望焊接操作。此电力转换电路24适用于产生输出电力，例如，将
最终在焊炬16处施加到焊丝的脉冲式波形。各种电力转换部件可用于电力转换电路24内，
包含(但不限于)斩波器、升压电路、降压电路、逆变器、转换器、变压器等。此电力转换电路
24的配置可以是本领域自身中通常所知的类型。电力转换电路24联接到电源，如箭头26所
指示。施加到电力转换电路24的电力可源于电网，但也可使用其它电源，例如，发动机驱动
的发电机、电池、燃料电池或其它替代电源所产生的电力。最终，图1所图示的电力供应器10
包含接口电路28(例如，通信电路)，其中接口电路28被设计成允许控制电路22经由有线或
无线信号而与送丝机12交换信号。

[0019] 送丝机12包含经由有线或无线连接而联接到接口电路28的互补接口电路30(例如，通信电路)。在一些实施例中，多引脚接口可设置在两个接口电路部件28、30上，并且在
相应接口电路部件之间延伸的多导线电缆允许在电力供应器10、送丝机12或电力供应器10
和送丝机12两者上设定信息，例如送丝速度、工艺、所选择的电流、电压、弧长、功率电平或
气体流动水平等。

[0020] 送丝机12还包含联接到接口电路30的控制电路32。控制电路32允许根据操作员的选择来控制送丝速度，并允许这些设定经由接口电路30反馈到电力供应器10。控制电路32
联接到送丝机12上的操作员接口34，所述操作员接口34允许选择一个或更多个焊接参数，
明确地说，送丝速度。操作员接口34还可允许选择例如以下各者的焊接参数：工艺、所利用
的焊丝的类型、电流、电压、弧长、功率设定或气体流动水平等。控制电路32还联接到气体控
制阀门36，其中气体控制阀门36调节保护气体到焊炬16和/或到工件18的后表面27的流动。
通常，此气体是在焊接时提供，并且可在焊接前一刻开启和/或在焊接后较短时间后开启。
在一些实施例中，供应到前表面25和/或后表面27的保护气体可以是在焊接之前提供以置
换可原本对所得焊接沉积物具有不良影响的周围气体。如下文详细地描述，供应到后表面
27的保护气体是经由反吹系统31来供应的。供应到气体控制阀门36的气体通常以是压缩瓶
的形式提供，如附图标记38所表示。供应到气体控制阀门36的保护气体38可包含(但不限
于)氩气、氮气以及氩气与二氧化碳的混合物(例如，95％Ar、5％CO2)。

[0021] 送丝机12包含用于在控制电路36的控制下将焊丝送给到焊炬16并因此送给到焊接应用的部件。例如，焊丝的一个或更多个丝轴40容纳在送丝机12中。焊丝42从丝轴40退绕
并逐渐送给到焊炬16。丝轴40可与离合器44相关联，其中离合器44在焊丝42将送给到焊炬
16时将丝轴40松开。离合器44还可被调节成维持最小摩擦水平以避免丝轴40的自由转动。
设置送给电机46，其中送给电机46与送给辊48接合以将焊丝42从送丝机12推向焊炬16。在
实践中，辊48中的一个机械联接到送给电机46，并且送给电机46使辊48旋转以从送丝机12
驱动焊丝42，而配合辊48朝向焊丝42偏压以在两个辊48与焊丝42之间维持良好接触。一些
系统可包含此类型的多个辊48。最后，可以设置转速计50以检测电机46、辊48或任何其它相
关联的部件的速度，以便提供实际送丝速度的指示。来自转速计50的信号被反馈到控制电
路36，例如，以进行校准。

[0022] 应注意，也可实施其它系统布置和输入方案。例如，焊丝42可从大体积存储容器(例如，滚筒)或从送丝机12外的一个或更多个丝轴40送给。类似地，焊丝42可从“丝轴枪”送
给，其中丝轴40安装在焊炬16上或接近焊炬16而安装。在一些实施例中，联接到焊炬16的机
器人系统51控制焊炬16相对于工件18的移动。如本文中所论述，机器人系统51可联接到工
件18(例如，管材)并被配置成在焊接期间沿着工件18的接头而移动焊炬16。作为附加或替
代，机器人系统51可包含联接到焊炬16的机械臂，其中机械臂没有联接到工件18。

[0023] 来自电力供应器10的电力通常以常规方式借助焊接电缆52施加到焊丝42。类似地，保护气体穿过送丝机12和焊接电缆52而送给。在焊接操作期间，焊丝42穿过焊接电缆护
套朝向焊炬16推进。在焊炬16内，额外的牵引电机54可设有相关联的驱动辊(明确地说，用
于铝合金焊丝)。焊炬16上的扳机开关56提供信号，该信号被反馈到送丝机12并且从送丝机
12反馈到电力供应器10以使焊接工艺能够被操作员启动和停止。也就是说，在按压扳机开
关56之后，气体流动开始，焊丝42被推进，电力被施加到焊接电缆52并且穿过焊炬16到达正
在推进的焊丝。这些工艺还更详细地描述在下文中。最后，工件电缆和线夹58允许将始于电
力供应器、穿过焊炬16、电极(焊丝42)和工件18的电路闭合以在焊接操作期间维持焊接电
弧。

[0024] 反吹系统31被配置成将保护气体38供应到工件18的后表面27，以影响所沉积的焊接材料和工件18在接头68处的结构。图2图示工件18和反吹系统31的实施例的横截面侧视
图。反吹系统31的密封部分70从气体控制阀门36接收保护气体38，并且至少部分将接近后
表面27的保护气体38保持在吹扫区域72内。在密封部分70与后表面27之间接收在吹扫区域
72中的保护气体38置换环境气体(例如，氧气)，该环境气体原本可能在吹扫区域72中与工
件18和/或焊接沉积物88反应。也就是，保护气体38保护工件18和/或焊接沉积物88免受气
体(例如，氧气)的影响，因此减少或消除较不良的化合物和/或不良几何形状(例如，根部凹
穴)在工件18的后表面27上的形成。在一些实施例中，气体控制阀门36以较大初始流率将保
护气体38提供到吹扫区域72以在焊接操作之前迅速置换周围环境，接着气体控制阀门36在
焊接操作期间以较小的稳态流率将保护气体38提供到吹扫区域72以在吹扫区域内维持保
护气体38。

[0025] 密封部分70可具有一个或更多个开口74，其中开口74使所置换的气体以及吹扫区域72的至少一些所述保护气体38能够离开。在一些实施例中，开口74处于工件18的后表面
27与密封部分70之间，以使得密封部分70的至少有些节段不与后表面27介接。在一些实施
例中，密封部分70的大体整个密封表面73可与工件18的后表面27介接，因此大体上将吹扫
区域72与外部环境76隔离。密封部分70可在接头68上延伸，并且可在接头68的相对两侧上
与工件18介接。在一些实施例中，密封部分70在处于接头68的热影响区(HAZ)之外的点78处
与工件18的后表面27介接。在一些实施例中，密封部分70由柔性材料(例如，塑料或橡胶)形
成。例如，密封部分70可由柔性导管的大约半部形成，因此使柔性导管能够大体上顺应工件
18(例如，管材)的后表面27的轮廓并沿着接头68形成吹扫区域72。

[0026] 吹扫区域72在接头68中的焊缝形成之前接收保护气体38。保护气体38可穿过工件18的节段82、84之间的接头68的开口80而离开吹扫区域72，直到焊接沉积物88的一部分86
闭合开口80为止。如可了解的是，如本文所论述的术语“开口”可包含开放根部，在那里节段
82、84由非零距离100(例如，小于约1.0英寸、0.75英寸、0.5英寸或0.25英寸)隔开，并且术
语“开口”可包含闭合根部，在那里工件18的节段82、84例如在根部表面87处接触(即，距离
100大约为零)。在一些实施例中，焊接接头68的表面90是斜切和/或弯曲的，以有助于相对
厚的工件18的接头68的形成。图2所示的焊接沉积物88的实线轮廓89与工件18的表面90之
间的区域图示焊接沉积物88在工件18中的焊透部(即，熔合区)。焊接沉积物88包含焊丝42
的材料，并且焊接沉积物88可包含工件18的熔融部分。

[0027] 如上文所论述，保护气体38可在焊接沉积物88形成时供应到工件18的前表面25，因此减少熔融的焊接沉积物88和工件18与外部环境76的反应。在一些实施例中，保护气体
38以比保护气体38被引导向前表面25的流率更大(例如，大了约3到5倍)的流率被供应给接
近后表面27的吹扫区域72。例如，吹扫区域72中的保护气体38的流率可介于约10到40立方
英尺/小时(CFH)之间，并且保护气体38从焊炬16朝向前表面25的流率可介于约10到35CFH
之间。因此，保护气体38的一部分可在焊接操作期间在方向91上穿过开口80朝向焊炬16流
动，直到焊接沉积物88的部分86将接头68闭合为止。

[0028] 焊接沉积物86的根部表面96相对于工件18的后表面27的结构和几何形状(例如，凹陷、凸出)受多个因素影响。可影响根部表面96的结构和几何形状的因素可包含(但不限
于)接头位置(例如，悬空的、垂直的、水平的、平坦的)、重力、焊接方向、熔融的焊接沉积物
88的表面张力、接头68的形状(例如，正方形、斜切形、V形、J形、U形)、熔融的焊接沉积物88
周围的气体组成以及熔融的焊接沉积物88的冷却速率。例如，重力向下牵引熔融的焊接沉
积物88，对于平坦接头位置来说，向下是朝向根部开口80。然而，对于悬空的接头位置来说，
向下是朝向焊趾94并远离根部开口80。吹扫区域72中的保护气体38可影响熔融的焊接沉积
物88的表面张力，因此影响根部表面96的几何形状。据信，一些保护气体38(例如，氮气、氩
气、具有约5％或更少量的二氧化碳的氩气)可相对于熔融的焊接沉积物88到工件18的粘合
力而增大熔融的焊接沉积物88的组份的内聚力，因此形成相对于后表面27具有正根部焊透
部92的凸出根部表面96，如图2所示。如可了解的是，具有相对高的表面张力的流体可在固
体表面之间形成凸出形状，而具有相对低的表面张力的流体可在固体表面之间形成凹陷形
状。点划线99指示具有负根部焊透部的凹陷的根部表面。

[0029] 凸出根部表面96具有从工件18的后表面27向外延伸的根部焊透部92。根部表面96从工件18的根部98延伸。一些保护气体(例如，氩气、氮气和氩气/二氧化碳混合物(例如，
95％氩气、5％CO2))可帮助形成具有正根部焊透部92的凸出根部表面96。在一些实施例中，
吹扫区域72中的保护气体38流率也可影响焊接沉积物88的根部表面96的结构和/或几何形
状。例如，使得吹扫区域72中的保护气体38的压力大于50CFH的通往吹扫区域72的流率可使
根部表面96变得平坦和/或导致凹陷的根部表面96。

[0030] 密封部分70可相对于焊接沉积物88的根部98偏移一定距离102以减少对密封部分70的加热。密封部分70沿着接头68的整个长度的至少一部分长度(例如，弧长)而延伸。在一
些实施例中，密封部分70是被配置成维持工件18的节段82、84相对于彼此的期望位置和/或
取向的夹持系统的一部分。图3是管状工件18和反吹系统31的实施例的端视图，其中反吹系
统31包含密封部分70和夹持系统120。夹持系统120的夹具122与工件18的后表面27接合。夹
持系统120在轴向方向126上沿着工件18的轴线124延伸，并且夹具122可在径向方向128上
从轮毂130延伸。夹具122可被机械式和/或流体式(例如，气动式地、液压式地)驱动以与后
表面27接合。在一些实施例中，夹具122轴向偏移以使夹具122的第一轴向组与工件18的第
一节段82接合，并且使夹具122的第二轴向组与工件18的第二节段84接合。作为附加或替
代，一些夹具122可至少部分跨越接头68在轴向方向126上延伸。在一些实施例中，夹持系统
120被配置成接合工件18以围绕接头68在轴向上和/或在径向上对准工件18的节段82、84。
也就是说，夹持系统120可有助于节段82、84围绕轴线124的同心对准。此外，夹持系统120可
例如通过调整第一节段82相对于第二节段84的轴向位置来有助于对开口80的轴向偏移(例
如，根部开口)的控制。

[0031] 如上文所论述，反吹系统31的密封部分70邻近于接头68在后表面27上形成吹扫区域72。在一些实施例中，密封部分70相对于夹具122而轴向偏移(例如，在夹具122之间轴向
偏移)。密封部分70可沿着后表面27的至少一部分而在周向方向132上延伸。例如，密封部分
70可沿着第一弧长134或大体上沿着接头68在后表面27的整个周长上延伸。第一弧长134可
沿着后表面27的周长的约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％或更大比例
的周长而延伸。图3用实线轮廓的密封部分70图示出密封部分70的实施例，该密封部分70具
有大约为后表面周长的50％的第一弧长134。密封部分70可具有端部构件136，其中端部构
件136在密封部分70与后表面27之间形成吹扫区域72。在一些实施例中，焊接操作可始于工
件18不与密封部分70相对的点(例如，顶部158)，并且结束于与密封部分70相对的工件18的
点(例如，底部160)。图3用实线轮廓和虚线轮廓的密封部分71图示出大体上沿着后表面27
的整个周长延伸的密封部分70的实施例。因此，密封部分71在后表面27上形成环形吹扫区
域72。如上文所论述，吹扫区域72从气体控制阀门36接收保护气体38。

[0032] 如图3所图示，第一弧长134的实施例可沿着工件18的下部138延伸，所述下部138处于上部140之下，其中下部138相对于垂直方向142处于上部之下。第一弧长134可例如沿
着下部138延伸后表面27的约25％到50％，或延伸下部138的约一半。如可了解的是，从前表
面25沿着下部138针对接头68进行的焊接操作对应于立焊位置和/或仰焊位置，以使得方向
144上的重力在焊接沉积物上朝向前表面25施加力。如本文所述，密封部分70以及吹扫区域
72内的吹扫气体使接头68中的焊接沉积物88的根部表面96能够具有相对于后表面27具有
正根部焊透部92的凸出形状，而不管对于下部138处于立焊和/或仰焊位置。

[0033] 在一些实施例中，机器人系统51可利用机器人驱动器146(例如，自动电焊机(welding bug))，其中机器人驱动器146沿着轨道148移动以在接头68中形成焊接沉积物
88。机器人驱动器146可沿着轨道148移动，因而控制焊炬16沿着接头68的移动(例如，周向
移动)以形成焊接沉积物88。安装到工件18的构件150支撑轨道148。在一些实施例中，机器
人系统51可利用联接到轨道148的多个机器人驱动器146。例如，第一机器人驱动器146可从
起点154开始在顺时针方向152上移动，并且第二机器人驱动器148可在逆时针方向156上移
动。在一些实施例中，机器人驱动器146在顺时针方向152上从工件18的顶部158移动到底部
160，机器人驱动器146在顶部重置，接着在逆时针方向156上从顶部158移动到底部。因此，
密封部分70的第一弧长134可在下部138的第一侧处是后表面27的周长的约25％，并且当在
机器人驱动器146在顶部158重置时，密封部分70可重置以在下部的相对第二侧处形成吹扫
区域72。联接到机器人系统51和气体控制阀门36的控制器162可停止或暂停机器人驱动器
146，直到吹扫区域72具有期望浓度和/或压力的保护气体38以实现焊接沉积物88的期望根
部表面96为止。控制器162可利用一个或更多个传感器164(例如，组成传感器、压力传感器)
以确定保护气体38在吹扫区域72中的浓度和/或压力。

[0034] 图4是利用上述反吹系统以影响焊接沉积物的根部表面的方法180的实施例。在一些实施例中，夹持系统将工件(例如，管材)的节段定位在期望位置中，因此建立将要焊接的
接头(框182)。在一些实施例中，工件的材料是软钢，例如，X65、X70和X80钢。如可了解的是，
方法180可用于结合用于烃管线的软钢管材。在机器人系统将执行焊接之处，将机器人系统
(例如，轨道、机器人驱动器)围绕接头而定位(框184)。将密封部分接近工件的后表面(例
如，管材的内部)而布置(框186)。在一些实施例中，密封部分可在如下位置布置在后表面
上：所述位置对应于将通过非常规焊接位置(例如，立焊位置和/或仰焊位置)焊接的接头的
部分。在一些实施例中，密封部分沿着接头的长度(例如，周长)布置在后表面上。布置密封
部分以在工件的后表面与密封部分之间形成吹扫区域(框186)。

[0035] 一旦布置了密封部分(框186)，密封部分内的吹扫区域便接收保护气体(框188)。保护气体置换吹扫区域内的周围环境，因此控制吹扫区域内的环境。如上文所论述，保护气
体可包含(但不限于)氩气、氮气以及氩气与二氧化碳的混合物(例如，95％Ar、5％CO2)。在
吹扫持续时间内(例如，介于约5到120秒之间，15到60秒之间，或30到45秒之间)接收保护气
体之后，焊接操作(方框190)可开始。焊接操作可由机器人系统执行或由操作员手动执行。
在MIG焊接操作中，焊炬接收焊接电力、保护气体和焊丝(框192)。焊炬将电力施加到穿过焊
炬送给的焊丝，因此形成电弧并在由焊炬供应的保护气体内沉积焊接沉积物(框194)。机器
人系统或操作员沿着接头移动焊炬，因此在工件的节段之间沿着接头形成焊缝(框196)。在
整个焊接操作(方框190)中，吹扫区域继续接收保护气体(框188)。吹扫区域内的保护气体
有助于在工件的后表面上形成焊接沉积物的凸出根部形状。此外，如上所述，相比保护气体
没有施加到吹扫区域的情况，吹扫区域内的保护气体对根部形状的影响使机器人系统或操
作员能够针对根部焊道焊接以焊炬相对于工件的较大行进速度和/或较大热输出而形成期
望的凸出根部形状。此外，本文所述的保护气体组成(例如，氩气、氮气、95％氩气与5％二氧
化碳)被认为会影响焊接沉积物的根部表面相对于工件的表面张力，因此针对立焊和/或仰
焊位置而促成凸出根部形状。

[0036] 虽然仅在本文中说明和描述本发明的某些特征，但对于本领域的技术人员来说，将清楚许多修改和改变。因此，应理解，随附权利要求书希望涵盖落入本发明的真实精神内
的所有这些修改和改变。