轻涂脉冲焊接系统和方法 |
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| 申请号 | CN201380062731.2 | 申请日 | 2013-12-06 | 公开(公告)号 | CN104837589B | 公开(公告)日 | 2017-12-08 |
| 申请人 | 伊利诺斯工具制品有限公司; | 发明人 | 罗伯特·R.·戴维森; 理查德·J.·舒; 马修·亚历克斯·帕尔默; | ||||
| 摘要 | 一种脉冲 焊接 机制包括峰值阶段(72)，在该峰值阶段， 能量 被施加到 电极 和熔池，并且熔球开始从电极分离，峰值阶段(72)之后是轻涂阶段(74)，在该轻涂阶段， 电流 显著降低以通过增加极少量能量或不加能量而将该球放置在熔池中。所产生的 短路 清除并且系统进入背景阶段(70)。轻涂阶段的电流低于背景阶段期间的电流。该工艺可特别适用于特定的 焊丝 ，并且可尤其非常适于与包芯焊丝一起使用。轻涂阶段允许将低能量传递到此类焊丝的外皮，并且在每个脉冲周期之后重置弧长。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种焊接系统，包括： |
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| 说明书全文 | 轻涂脉冲焊接系统和方法[0001] 相关申请的参见引用 [0002] 本申请是2012年12月12日提交的标题为“Dabbing Pulsed Welding System and Method(轻涂脉冲焊接系统和方法)”的美国临时专利申请序列No.61/736,393的非临时专利申请，兹为了所有目的以参见方式引入其全部内容。 背景技术[0004] 为了各种目的，各种各样的焊接系统和焊接控制机制已被实施。在连续焊接操作中，金属惰性气体(MIG)保护焊技术允许通过供应受来自焊炬的惰性气体保护的焊丝形成连续焊缝。电功率被施加到焊丝并且电路通过工件而完成以保持将焊丝和工件融化的弧以形成所希望的焊缝。 [0005] MIG焊接的改进形式是基于在焊接功率源中产生脉冲功率。也就是说，可实施各种脉冲机制，在该各种焊接机制中，电流和/或电压脉冲受到功率源控制电路的指令以调节来自焊丝的金属液滴的形成和沉积，以保持熔池的所希望的加热和冷却轮廓，以控制焊丝和熔池之间的短路等。 [0006] 尽管此类脉冲机制在许多应用中非常有效，但是此类脉冲机制可受到缺陷的制约。例如，根据传递模式，工艺可或者限制行进速度、产生过多的飞溅(需要及时清理经焊接的工件)、提供不理想的穿透，或这些或其它效果的组合。此外，某些脉冲工艺(例如，以材料传递的喷洒模式操作的脉冲工艺)可对特定应用运行过热。其它焊接工艺(例如短路工艺)可运行过冷，但也可又产生飞溅和其它不需要的焊接效果。 [0007] 此外，在某些焊接条件下和使用某些焊接电极时，训练为在电极和工件之间实施循环短路的脉冲焊接工艺可将过多能量施加到焊缝。例如，使用包芯焊丝电极时，电极可被施加到焊丝的过多电流加热，尤其因为焊接电流趋于通过能够比实心焊丝更容易融化的焊丝外皮流动。因此，弧可闪耀(变长)。然而，为了跨越间隔、降低烧穿并且增加行进速度，期望的是，将弧长保持在最低值。但是，这导致焊丝距离渐增的熔池太近并且需要额外的电流以清除短路，再次导致对包芯焊丝的外皮的加热，并且引起弧闪耀。 [0008] 因此，存在对允许提高焊接质量和灵活性的同时允许以脉冲波形机制进行焊接的改进焊接策略的需要。 发明内容[0009] 本发明提供了设计为响应于此类需求的焊接系统。根据一个示例性实施方式，焊接系统包括处理电路，该处理电路配置为提供控制波形，该控制波形包括峰值阶段，该峰值阶段之后紧跟轻涂阶段，该轻涂阶段之后跟着背景阶段；和功率转换电路，该功率转换电路配置为基于控制波形提供焊接功率输出。 [0010] 本发明还提供了用于焊接的方法，例如，根据一个方面，产生用于焊接功率输出的波形，该波形包括峰值阶段，该峰值阶段之后紧跟轻涂阶段，该轻涂阶段之后跟着背景阶段；以及，根据控制波形将输入功率转换为焊接功率。附图说明 [0011] 图1是根据本技术的方面的用于实施脉冲焊接操作的示例性MIG焊接系统的图示，其示出了联接到送丝器的功率源； [0012] 图2是用于图1所示类型的焊接功率源的示例性控制电路构件的图示； [0013] 图3是根据本技术的用于将熔融金属从焊接电极轻涂进入熔池的示例性波形的图示； [0014] 图4是在具体实施期间的以此种波形的一系列脉冲为形式的电压和电流的图示； [0015] 图5是示出了实施此种焊接机制的某些控制逻辑的流程图； [0016] 图6是根据本技术的用于将熔融金属从焊接电极轻涂进入熔池的另一示例性波形的图示； [0017] 图7是示出了实施图6的焊接机制的某些控制逻辑的流程图；以及 具体实施方式[0019] 现转向附图，并且首先参见图1，示例性焊接系统被示出为包括经由导线或导电管14彼此联接的功率源10和送丝器12。在所示实施例中，功率源10与送丝器12分离，从而送丝器可被放置为距离功率源一定距离而靠近焊接地点。然而，应当理解的是，在一些实施方式中，送丝器可与功率源一体化。在此类情况下，导电管14将在系统内部。在送丝器与功率源分离的实施例中，通常在功率源上和在送丝器上提供端子以允许将导线或导电管联接到系统，以允许将电力和气体从功率源提供到送丝器，并且允许在该两个装置之间交换数据。 [0020] 系统设计为将焊丝、电力和保护气体提供到焊枪16。如本领域技术人员应当理解的是，焊炬可具有多种不同的类型，并且通常允许将焊丝和气体供应到临近工件18的地点，在该地点处，将形成焊缝以连接两片或多片金属。第二导线通常延伸到焊接工件以完成功率源和工件之间的电路。 [0021] 系统被设计为允许操作员尤其经由提供在功率源上的操作员界面20选择数据设置。操作员界面通常被合并到功率源的前面板中，并且可允许选择例如焊接工艺、将使用的焊丝类型、电压和电流设置等的设置。具体来说，系统被设计为允许MIG焊接使用穿过焊炬的各种铁质、铝质或其它的焊丝。这些焊接设置被传递到功率源中的控制电路22。系统可尤其适于实施为某些电极类型(例如，包芯电极)设计的焊接机制。 [0022] 将在下文更加详述控制电路，控制电路操作为控制焊接功率输出的产生，该焊接功率输出施加到焊丝用于实施所希望的焊接操作。例如，在某些目前设想的实施例中，控制电路可适于调节脉冲MIG焊接机制，该脉冲MIG焊接机制“轻涂”或促进熔融金属短路传递到渐增的熔池，而无须给焊缝或电极施加过多的能量。在“短路”模式中，在焊弧的加热的影响下，焊丝上形成熔融材料的液滴，并且通过焊丝和液滴和熔池之间的接触或短路它们被周期性地传递到熔池。“脉冲焊接”或“脉冲MIG保护焊接”是指其中产生脉冲功率波形的技术，例如以控制将金属液体沉积进入渐增的熔池的技术。在本发明的一个具体实施例中，可实施其中产生具有短路焊接和喷焊两者的特性的脉冲的专门的脉冲焊接机制，如Hutchison等人于2012年10月18日提交的标题为“Hybrid Pulsed-Short Circuit Welding Regime"(混合脉冲-短路电路焊接机制)”的美国专利申请序列No.13/655,174所述的“混合”传递模式的类型，兹以参见方式引入其全部内容。 [0023] 控制电路因此联接到功率转换电路24。该功率转换电路适于产生输出功率，例如可最终施加到在焊炬处的焊丝的脉冲波形。可采用各种功率转换电路，包括斩波器、升压电路、降压电路、逆变器、转换器等。此种电路的配置可以是现有技术通常已知的类型或是其自身的类型。功率转换电路24联接到如箭头26表示的电力源。施加到功率转换电路24的功率可来自电网，但是也可以使用其它功率源，例如由发动机驱动的发电机、电池、燃料电池或其它替代功率源产生的功率。最后，图1所示的功率源包括接口电路28，该接口电路28设计为允许控制电路22与送丝器12交换信号。 [0024] 送丝器12包括联接到接口电路28的配合接口电路30。在一些实施例中，构件两者之上可提供多引脚接口，并且多导线电缆在接口电路之间延伸以允许在功率源10上或送丝器12上或两者上设置例如送丝速度、工艺、所选的电流、电压或功率电平等的信息。 [0025] 送丝器12还包括联接到接口电路30的控制电路32。如下文所更加充分描述的，控制电路32允许根据操作员的选择控制送丝速度，并且允许经由接口电路将这些设置反馈到功率源。控制电路32联接到送丝器上的操作员界面34，该操作员界面34允许选择一个或多个焊接参数，尤其是送丝速度。操作员界面还可允许选择例如工艺、利用的焊丝的类型、电流、电压或功率设置等的焊接参数。控制电路32还联接到气体控制阀门36，该气体控制阀门36调节保护气体到焊炬的流动。总的来说，此气体在焊接时提供，并且可在焊接前立即打开并且在焊接后持续片刻。如参考标号38表示的施加到气体控制阀门36的气体通常以压力罐的形式提供。 [0026] 送丝器12包括在控制电路36的控制下用于将焊丝供应到焊炬并且从而供应到焊接应用的构件。例如，送丝器中容纳有一个或多个焊丝轴40。焊丝42从卷轴处展开并且逐渐供应到焊炬。卷轴可与离合器44相关联，在焊丝将被供应到焊炬时该离合器脱离卷轴。离合器还可被调节为保持最小的摩擦水平以避免卷轴的自由旋转。送丝电机46被提供为与送丝辊48接合以将焊丝从送丝器推向焊炬。在实际操作中，送丝辊48的其中一个机械地联接到电机并且被该电机旋转以驱动来自送丝器的焊丝，同时配合辊被偏压朝向焊丝以使两个辊和焊丝保持良好的接触。一些系统可包括多个此类型的辊。最后，可提供转速计50以用于检测电机46、辊48或任何其它相关构件的速度，以提供具体焊丝进给速度的指示。来自转速计的信号被反馈到控制电路36以用于例如下文所述的校正。 [0027] 应当注意的是，也可实施其它系统布置和输入方案。例如，焊丝可供应自大容量存储容器(例如，卷筒)或从在送丝器之外的一个或多个卷轴。类似的，焊丝可供应自“轴枪”，在该轴枪中，卷轴被安装为在焊炬上或靠近焊炬。如此处所述，可经由送丝器上的操作员界面34或功率源的操作员界面20或此两者输入送丝速度设置。在焊炬上具有送丝速度调节器的系统中，该送丝速度调节器可以是用于设置的输入端。 [0028] 通常以传统方式通过焊接电缆52将来自功率源的功率施加到焊丝。类似的，通过送丝器和焊接电缆52供应保护气体。在焊接操作期间，焊丝穿过焊接电缆套管被推向焊炬16。在焊炬中，附加牵引电机52可配备有尤其用于铝合金焊丝的相关驱动辊。电机54被调节以提供如下文所充分描述的所希望的送丝速度。焊炬上的触发开关56提供了被反馈回送丝器并且从送丝器反馈回到功率源的信号以使操作员能够启动和关闭焊接工艺。也就是说，一旦下压触发开关，气体开始流动，焊丝被推进，功率被施加到焊接电缆52并且通过焊炬到达推进的焊丝。下文也将更加详细地描述这些工艺。最后，工件电缆和夹具58允许将起于功率源通过焊炬、电极(焊丝)和工件的电路闭合以用于在焊接操作期间保持焊弧。 [0029] 在本描述的全文中应当注意的是，尽管可由操作员设置送丝速度，但是因为许多原因由控制电路指令的实际速度通常会在焊接期间改变。例如，用于“进丝”(用于启动弧的初始送丝速度)的自动算法可使用来自所设置速度的速度。类似地，在焊接期间，可指令送丝速度的各种斜坡增加和减少。其它焊接工艺可需要“成坑阶段”，在该成坑阶段，送丝速度被改变以填充焊缝之后的坳陷。更进一步地，在脉冲焊接机制中，送丝速度可周期地或循环地改变。 [0030] 图2示出了设计为在图1所示类型的系统中运行的控制电路22的示例性实施例。整个该电路由参考标号60表示，其包括上文所述的操作员界面20和用于将参数传递到下游构件(例如，送丝器、焊炬和各种传感器和/或致动器)或传递来自下游构件的参数的接口电路28。该电路包括处理电路62，该处理电路62自身可包括专用的或通用的一个或多个处理器，该一个或多个处理器设计为实施焊接机制，计算实施在焊接机制上的波形等。处理电路与驱动机电路64相联系，该驱动机电路将来自处理电路的控制信号转换为施加到功率转换电路24的电力开关的驱动信号。总的来说，驱动机电路响应于来自处理电路的此类控制信号以允许功率转换电路产生用于本公开所述的类型的脉冲焊接机制的受控波形。处理电路62还与存储电路66相联系，该存储电路66可由一个或多个类型的永久和临时数据存储器组成，该数据存储器用于例如提供已实施的焊接机制、存储焊接参数、存储焊接设置、存储错误日志等。 [0031] 对用于焊接的某些状态机的更完整描述提供在，例如，2001年9月19日授予Holverson等人的标题为“Welding-Type Power Supply With A State-Based Controller(具有基于状态的控制器的焊接式功率源)”的美国专利序列No.6,747,247；2004年5月7日授予Holverson等人的标题为“Welding-Type Power Supply With A State-Based Controller(具有基于状态的控制器的焊接式功率源)”的美国专利序列No.7,002,103；2006年2月3日授予Holverson等人的标题为“Welding-Type Power Supply With A State-Based Controller(具有基于状态的控制器的焊接式功率源)”的美国专利序列No.7,307, 240；和，2001年9月19日授予Davidson等人的标题为“Welding-Type System With Network And Multiple Level Messaging Between Components(在构件之间具有网络和多级别信息的焊接式系统)”的美国专利序列6,670,579，兹以参见方式将其引入本公开内容。 [0032] 图3总体示出了用于一种焊接技术的示例性波形，在该焊接技术中，通过将施加到电极的焊接电流受控降低，来自焊接电极的熔融金属被“轻涂”进入熔池。在本语境中，用语“轻涂”或“被轻涂”或“轻涂中”旨在传达避免了相对牢固的短路，以及传达一旦熔融金属已正从电极分离并且传递(transferring)到熔池，非常短暂的短路可建立。金属因此被传递而无需施加过多的能量，如果出现更牢固的或更长期的短路就可能需要过多能量。在产生的焊接工艺的大多周期中，不需要专门的短路清除序列，虽然此类序列可被编程并且随时被实施以防更长期的或更顽固的短路发生。一旦金属通过“轻涂”被传递，弧长被有效地重置，从而允许电极“凑近”或更靠近熔池以保持短的弧。如下文所述，因为熔融金属(例如，金属球)在电压和/或电流峰值之后已分离，施加很少的或不施加电流以清除短路。其结果是非常低压的弧(即，短的弧长)和稳定的弧，当使用包芯焊丝时对外皮的加热最小。 [0033] 图3所示的波形总体由参考标号68表示，该波形实施多个阶段，该多个阶段包括背景阶段70、峰值阶段72和轻涂(短暂短路)阶段74。该多个阶段可包括短路清除路径76以防发生牢固的短路和需要额外的电流以清除短路。然而，在波形的许多或大多周期中，不需要该路径，进一步降低了施加到焊缝和焊丝的能量。 [0034] 图3所示的波形68是电流波形，但是，如下文关于图4所述，电压波形呈现出类似的表现和阶段。在图3的示例性实施例中，例如在背景阶段和峰值阶段期间，实施闭环控制机制，在该闭环控制机制中，目标电压被保持而电流改变以将电压保持在所希望的电平。在中间斜坡期间，闭环控制机制可将电流和电流斜坡保持在所希望的电平。该系统可因此在电流和电压控制之间循环转换以实施所希望的波形。 [0035] 通过举例，在图3所示的波形中的背景阶段70期间，电流可被保持在约25-125安培的范围内(例如，如图3所示的约115安培)，虽然该电流也可改变以满足所希望的背景电压电平。随后在峰值阶段72期间，电流可被保持在约250-450安培的范围内(例如，如图3所示的约400安培)，如果电压被闭环控制该电流也改变。轻涂阶段74期间的电流可在约15-25安培的范围内(例如，如图3所示的约25安培)。波形的这些和其它阶段的持续时间也可被编程以允许传递能量、在电极上形成熔球、传递该球等。应当注意的是，所实施特定的电压、电流和持续时间可取决于例如使用的电极类型、电极尺寸、送丝速度、行进速度等的因素。 [0036] 应当注意的是，与其它脉冲焊接机制相反，基于短路“轻涂”阶段，本描述使用了用语“峰值”、“轻涂”和“背景”以传达波形的阶段。在其它编程语言中，这些阶段可对应于“熔球”、“撤回”和“预短路”，虽然传统系统的这些阶段没有被编写以实施由本技术设想的低能量轻涂。 [0037] 图4示出了基于图3所示类型的编程的轻涂脉冲波形的一些周期。在图4中，电压波形由参考标号78表示，而电流波形由参考标号80表示。如在电压波形中可看到的，每个周期包括电压背景阶段82，在该电压背景阶段82期间，弧产生并且能量被施加到电极和熔池(以及施加到周围的工件)。此背景阶段之后是峰值阶段84，在该峰值阶段84期间，在背景阶段期间产生的熔融金属被传递到熔池。如下文所述，在本实施方式中，背景阶段和峰值阶段两者都被闭环电压控制，导致电流在相应阶段期间变化。由参考标号86表示的电压的迅速下降指示了熔融金属被传递到熔池时的短暂短路。此阶段总体迅速并且通过在此期间使用经降低的电流目标牢固的短路可被避免。 [0038] 在相应的电流波形80上，背景阶段由参考标号88表示，而峰值阶段由参考标号90表示。可以注意到的是，电流的确在系统试图保持目标或程控电压的这些阶段期间发生改变。如上文所指出的，随后，由参考标号92表示的经降低的轻涂电流目标被用于通过经降低的能量输入而将熔球沉积在熔池中。在某些周期中，可实施“润湿”("wet")阶段94以辅助清除短路。此外，在短路不易清除的周期中，可使用由参考标号96表示的更高的电流以强制清除短路。 [0039] 应当注意到的是，在图3和4所示的波形中，产生的“轻涂”机制不同于传统的短路焊接波形。具体地讲，在传统的焊接机制中，峰值阶段后跟的是“弯折”阶段，在该弯折阶段中，电流保持在比随后的背景电平高的电平。必要时，弯折阶段可帮助避免短路。若不必要时，弯折阶段的持续时间可被降低并且波形可更快地回到背景电平。 [0040] 另一方面，在本技术中，在峰值阶段之后立即设置低于背景电流电平的电流。例如，当背景电流电平可在25-125安培的级别时，轻涂电流可低于约25安培，例如在15-25安培的级别。轻涂阶段的持续时间可以很短，例如在1-5ms的级别。此经降低的电流允许通过施加很少的能量而将熔球短路传递，从而避免了过度加热电极。弧长因此被重置并且避免了弧的过度伸出和闪耀。 [0041] 图5示出了用于实施轻涂机制的控制逻辑。总体由参考标号98表示的该逻辑是循环性的，但是可认为是从如参考标号100表示的保持背景阶段(在目前实施方式中电压恒定)开始。在此阶段期间，弧被建立并且能量被加到电极和熔池。随后是如由参考标号102表示的实施峰值阶段(在目前实施方式中电压也恒定)。该阶段完成将熔融金属分离的大部分工作(即，因由高电流产生的电弧力熔球正被推离焊丝的端部)，但是在此阶段期间该球一般不分离(而是仍然被拖尾附接)。该球在轻涂阶段中产生的短路期间分离，但是因为球已经延伸远离电极的端部，移除短路需要很少能量或不需要能量。在步骤104，电流被降低至目标最小值以通过施加很少的能量而将熔球轻涂入熔池。必要时可实施如参考标号106表示的短路路径，比如当电流和电压电平指示短路留存并且没有在轻涂电流之后被清除时。随后，在步骤108，该控制返回到背景电平，并且该循环可重复。 [0042] 应当注意的是，在某些实施方式中，该轻涂可以以与通过峰值阶段之后的低电流目标不同的方式实施。例如，可经由开关产生输出短路以迅速降低电极和工件和熔池之间的电流。类似地，可将输出功率在峰值阶段之后关闭一小段时间以熄灭弧或至少施加少量或不施加能量。 [0043] 如上文关于图3和图4所述，在此描述的某些实施例与传统脉冲焊接波形的区别在于，可避免紧跟在峰值阶段之后的(电流电平高于背景电流电平的)弯折阶段。然而，如上文还提到的，可在某些实施例中使用一个或多个弯折阶段。例如，图6总体示出了示例性波形110，该示例性波形110与图3所示的波形类似，但是包括紧跟在峰值阶段72之后但在轻涂阶段74之前的一个或多个弯折阶段112。因此，峰值阶段72之后跟着一个或多个弯折阶段112，并且随后可通过其后跟着一个或多个背景阶段70的轻涂阶段74将短路强制清除。尽管图6示出为仅具有一个弯折阶段112和仅具有一个背景阶段70，应当理解的是，在某些实施例中可利用不止一个弯折阶段112和/或不止一个背景阶段70。总的来说，该一个或多个弯折阶段112可具有比该一个或多个背景阶段70高但比该峰值阶段72的低的电流电平。例如，如图 6所示的弯折阶段112在约125安培的电流电平，而背景阶段70在约115安培的电流电平以及峰值阶段72在约400安培的电流电平。在其它实施例中，该一个或多个弯折阶段112可具有在约125-250安培范围内的电流电平，前提是该电流电平保持在比该一个或多个背景阶段 70的电流电平高的电流电平。 [0044] 图7示出了用于实施图6的轻涂机制的示例性控制逻辑。总体由参考标号114表示的该逻辑与图5所示的逻辑98大体相似，但是具有额外的步骤106，该步骤106使一个或多个弯折阶段112在峰值阶段72和轻涂阶段74中间。在某些实施例中，可用功率源关闭信号替换峰值阶段72、弯折阶段112或轻涂阶段72。具体地讲，可通过将电流指令降低到0(或非常低的指令电平，例如约1-2安培或甚至低于1安培)、通过禁用驱动功率源10的发动机，或通过关闭功率源10的功率源门信号而将功率源10关闭。与峰值阶段72(例如，步骤102)、该一个或多个弯折阶段112(例如，步骤116)，或轻涂阶段74(例如，步骤104)相关的图7示出的逻辑114的任一步骤可替换为通过禁用功率源10将弧熄灭的步骤。例如，图8示出了示例性控制逻辑118，其用于绕过任一这些步骤而替代地发送电力关闭信号到功率源10。在某些实施例中，一旦弧熄灭，可施加相对小的电流(例如，约1-2安培或甚至小于1安培)，从而重新启动功率源10并且重新引燃弧，而一个或多个背景阶段70跟随其后(例如，返回到逻辑118的步骤108)。在某些实施例中，一旦启动熄灭弧，电压可被短暂监测(因为弧可因电容和电感而持续数毫秒)，并且一旦弧熄灭了，可施加相对小的电流(例如约1-2安培或甚至小于1安培)，从而重新启动功率源10并且重新引燃弧。 |
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