本发明涉及用带第二气杯的通常的焊接设备进行窄坡口焊接的装置和方法，该第二气杯从焊缝坡口的外侧在焊缝熔池之上提供一个大的自由保护气体的紊流层。 窄坡口焊接是应用于在具有窄的坡口角的欲连接工件之间形成的V形坡口中进行的焊接。这种技术特别是在欧洲也被称为窄间隙焊接。由于对“窄”没有精确的定度，对夹角小于约50°的坡口进行的焊接被认为是窄坡口焊接，当然夹角小于约20°就更应被认为是窄坡口焊接了。窄坡口焊接的明显的优点是焊缝较小，因而焊接速度较快并使用材料较少。然而，这种焊接技术还不能完全满足工地焊接应用的要求。
目前的窄坡口焊接的一个重要的缺点，是需要专用设备。这种装置中的一种见于1908年6月18日授予Kawasaki重工业株式会社的日本专利55-81，086。这种装置包括伸入焊缝坡口中的特制的焊条喷送嘴，以及一个与要焊接的表面接触的金属裙板。这种装置限制了操作者对焊缝熔池的视线并必须根据各种部分的几何形状进行改制。
因而需要一种用于窄坡口焊接的改进的装置和方法，它能被应用于通常的焊炬及自耗电极。
为达到上述目的，本发明提供了一种对以具有预定宽度的开口的窄焊接坡口装配在一起的工件进行焊接的装置，包括一焊炬和一从焊炬上延出的焊接电极，其特征在于，第一气杯在焊炬处围绕电极并位于工件的上表面之上，第二气杯环绕第一气杯并具有比窄焊接坡口的预定开口宽度更大的宽度，气体分配装置向第一气杯提供第一保护气体流，第一气杯从工件的上表面之上沿电极引导第一保护气体流，气体分配装置还向第二气杯提供第二保护气体流，第二气杯绕第一保护气体流沿第一气杯和电极引导第二保护气流体，第二保护气体流至少与窄焊接坡口的开口的预定宽度同宽。本发明提供一大的保护气体层以对深的窄坡口焊缝进行有效保护。该大的保护气体层足够稳定以用于产生帽焊缝。不需要专用的焊炬座或电极，并不会因在焊接坡口中的装置而妨碍操作者对焊缝熔池的视线。
通过下面结合附图对本发明优选实施例的描述，就可完全理解本发明，附图中。
图1为体现本发明的一种机械化焊机的前端的前视图;
图2为沿图1中2-2线所截取的侧视图;
图3为图1中所示前端组件的平面图;
图4为形成图1-3所示前端组件的一部分的第二气杯的一半的平面图;
图5为图4中所示第二气杯的一半的内部侧视图;
图6为图4和5中所示第二气杯的一半的仰视图;
图7为准备进行窄缝焊接的工件的截面图，并示出处于焊接工位的本发明的焊接装置。
图8为用于第二气杯的支架的平面图;
图9为图8的所示支架的侧视图;
图10为用于第二气体透镜凹形屏幕支架的平面图;
图11为穿过图7的窄缝的纵截面图;
图12为第二气杯地第二实施例的一半的侧视图;
图13沿线13-13的图12所示第二气杯的垂直截面图;
图14为根据本发明的操纵杆的侧视图;
图15为图14中操纵杆的端视图;
图16为根据本发明的手线操纵器的分解视图。
正如本领域技术人员公知的那样，本发明同样可以用于手动焊接设备，但下面仍将以用于和用作机械化焊接设备的形式来描述本发明。本发明的一个重要特征是能广泛应用于各种现行的焊接装置。
根据图1-3，前端组件1具有将其连接和支承于机构化焊接装置的牵引机构（图中未示）上的托架13。前端组件1的中心为一焊炬座3，它支承电极5并为其供能。后盖7与焊炬座3中的夹头（图中未示）共同作用以夹住电极，从而使其可从焊炬座向下延伸一选定的长度。
焊炬座3为电极5提供电能。电能通过焊炬电缆9而供给焊炬座3。焊炬电缆9还包括使冷却水穿过焊炬座3循环的导管（图中未示），以除去焊炬座中产生的热量。焊炬座3通过一绝缘块11安装到一焊炬安装托架13上。安装托架13由一机械化垂直轴组件（MVAA）15支承，如图2和3所示，该组件15使前端组件1上下移动，从而调节焊接过程中由电极产生的电弧的长度。接下来组件15由一安装托架17支承，该托架将前端组件1固定到机械化焊接装置的一个牵引机构（图中未示）上。如现有技术中所知，前端组件1提供用于调节电极5相对于需焊接部件的位置和方向的若干自由度。
焊炬座3还为焊接过程供给保护气体。保护气体通过焊炬电缆9中的导管19供至焊炬座3。典型地，用氩气作为惰性保护气体。这种保护气体的第一流由第一气杯21沿电极5引导。该保护气体的第一流通过一通常的气体透镜23而输送至第一气杯21，该气体透镜围绕电极5从焊炬座3向下延伸。第一气杯21为管状并以内螺纹与第一气体透镜23上的外螺纹接合。
上面所描述的前端组件1的各部分是现有技术中所众所周知的。为了将这种常规的焊接设备用于窄坡口焊接，提供了一个第二气杯25，该第二气杯25围绕第一气杯21。如图4-6所示，在一个优选实施例中，第二气杯25由在中心的纵向延伸的分离线29处连接的两个半体27形成。每个半体27具有一端壁31，该端壁具有一开有一半圆形孔35的隆起的中心部33。这些端壁上具有横向通道37，这些通道与一个插入的纵向孔39相交。如图4-6所示的右半体27具有一对位于侧壁上与横向通道37相通的螺孔41。如图6的仰视图所示，端壁31的薄部43上具有许多将横向通道37和纵向孔39与一个主流腔47相互连接的小孔45。如图2和3所示，通过将接头51旋入螺孔41中连接一对软管49以供给附加的惰性气体，惰性气体通过横向通道37和纵向孔39而循环，并通过孔45而扩散到主流腔47中。
将第二气杯25的两个半体27用螺钉53沿分离线29连接在一起。组装起来的第二气杯在第一气杯21上滑动，而第一气杯21穿过相对的半圆形孔35而延伸。第二气杯由一装配件55而固定到位。如图8和9所示，该装配件具有一在其中心有一圆形开口59的矩形基板57，该基板通过螺钉61固定到半体27的凸起部33上。一夹紧装置63在65处固定到基板上。穿过夹紧装置63中的耳部69的螺栓67将第二气杯25绕护罩71或第一气杯21同轴地固定。
第二气杯25中提供有第二气体透镜73。第二气体透镜包括夹持于凹屏支架77（见图10）和一形状互补的凸屏支架79（见图3）之间的滤屏75。第二气体透镜73通过螺钉81固定于第二气杯25内的主流腔47中。穿过第二气体透镜73的附加惰性保护气体流产生围绕由第一气杯21及其气体透镜23产生的保护气体层流的层流。
图7示出处于进行窄坡口焊接的本发明的焊接装置的有关部件。需连接的工件83和85如图中所示设置成形成一个窄的坡口87。坡口87的每侧形成一个角度A/2，合起来形成一坡口角度A。在图中所示的作为举例的工件中，该坡口角度A约为6°。如上所述，窄坡口通常形成一个小于20°至50°的坡口角度。如图7所示，前端组件的位置使得电极5伸入窄坡口87中，而第一气杯21和第二气杯25刚好位于工件83、85的上表面89之上并与之相距一定距离的位置。如图11所示，该图为穿过如图7所示窄坡口87的纵视图，电极5产生的电弧使焊条91熔化以形成一个焊接熔池93。
用于焊接过程的保护气体由一气体分配系统95提供，该系统包括向第一气杯21供气的导管19和向第二气杯25供给附加保护气体的软管49。如图7和11中箭头P所示的来自第一气杯21的保护气体层流由箭头S所指示的来自第二气杯25的第二直径气流所围绕。气流P和S结合形成一个大的气流层流包层，从而为深的窄坡口焊接提供有效的保护气体。
大的第二气杯25的气流开口97的横截面积至少为第一气杯21的3倍，最好为4至10倍。而且，根据第一气杯的直径，从第二气杯25流出的第二气流的流速至少为从第一气杯21流出的气流的流速的两倍，最好为2.5至10倍。典型地，第一气杯的流速为约1.13-1.98立方米/小时，而第二气杯的流速为约4.25-8.50，但最好为5.66-7.08立方米/小时。当然，具体的流速与各气杯的流出口的尺寸大小有关。然而，这些数字例举出了合适的相对流速。一个重要的因素是保护气流为层流以确保良好的焊接。
为制造深的窄坡口焊缝，长方形的第二气杯最好如图1-7所示具有长度不等的相邻侧边。然而，对于较窄的坡口焊缝，长方形第二气杯可为矩形。
矩形第二气杯103的杯体101的一个例子如图12和13所示。每个半体101具有一带引至主流腔109的孔107的横向孔105。位于半体101中的槽113中的屏板111挡住第二气杯103中的钢丝绒，以形成一个用于形成层流的气体透镜。
返回至图1-3，前端组件1还支承一焊丝操纵器117，焊丝操纵器117包括一焊丝喷送嘴组件119，通过该喷送嘴而将焊丝朝电极5输送。该焊丝喷送嘴组件119由一喷送嘴支架121支承。如图14和15所示，该喷送嘴支架121再悬挂在一单独的操纵杆123上。该杆123为矩形杆，只在其角部上有螺纹124，如下所述，这些螺纹在杆的伸出和缩回的过程中防止杆的反转。操纵杆123延伸穿过一壳体125，并与装于壳体中的齿轮127接合，齿轮127具有一螺孔128，该螺孔与操纵杆123的角部上的螺纹相接合以使杆及焊丝喷送嘴组件119上升和下降。齿轮127在电机131的输出轴上的蜗轮装置129的作用下转动，操纵电机可使喷嘴组件119自动垂直定位。第二电机133有选择地使矩形操纵轴123绕其轴转动。
图16为焊丝操纵器的人工操作的实施例的分解视图。该手动操纵器135包括一安装在焊炬座上的支架137。该支架137将相同的手动操纵器135安装在焊炬座的每一侧上。由于这些手动操纵器是相同的，下面仅对一个进行描述。
支架137具有臂139，臂上设有一个贯穿臂形成一空腔的孔141。如图14和15所示，矩形操纵杆123的角部上具有螺纹124。该矩形杆滑过一位于圆柱形黄铜套筒145中的矩形开口，该套筒压装入枢轴圆筒147中。一开槽的下部轴承149和一上部轴承151将枢轴圆筒锁在孔141中，开槽的下部轴承抵靠在位于枢轴圆筒147下端的法兰151上，而上部轴承由一位于枢轴圆筒147中的槽155中的弹性挡环153固定。带与操纵杆123接合的螺孔159的头部157具有一槽161，该槽与由螺钉165固定到臂139上的锁紧板的两半163接合，从而握住头部157。被紧握的头部157的转动使得操纵杆123上升和下降。杆123具有足够的长度以便完全伸出形成深的焊缝。这对现有的操纵器是一个显著的改进。现有的操纵器的杆部较短，在进行堆焊时需改变操纵杆。
通过调节装置167而完成操纵器喷嘴组件119绕操纵器杆123的轴的角度调节。该调节装置包括一曲拐169，该曲拐由螺钉171枢轴转动地安装在臂139上，并由螺钉173固定在一从臂139中的横向孔177中伸出的曲轴臂175上。致动杆179的一端旋入曲拐169中，另一端穿过黄铜有眼螺栓181并被一销185固定在头部183中。有眼螺栓181由螺钉189可枢轴转动地安装在臂139的突缘187上。头部183的转动引起枢轴圆筒147的转动。而枢轴圆筒的转动引起矩形操纵直123的转动，从而调节喷送嘴组件119的角度位置。
尽管以上对本发明的特定实施例进行了详细描述，但对本领域技术人员来说根据所公开的技术内容可进行各种修改和变更。因此，所公开的特定的设置只是为了说明而不构成对本发明范围的限制，本发明的范围由所附权利要求及任何和所有等同物给出。