同步的旋转电弧焊接方法及系统
阅读：491发布：2022-01-22
专利汇可以提供同步的旋转电弧焊接方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 焊接 方法包括：从焊炬轴向地进给焊接 电极 ，通过焊炬中的运动控制组件相对于焊炬的中 心轴 来以期望的图案径向地移动 焊接电极 ，从控制 电路 传送与焊接电极相对于焊接接头或者焊接熔池的 位置 相对应的 信号 ，使焊炬或者 工件 前进以建立 焊缝 ，以及将材料从焊接电极过渡到焊接熔池区域中的第一位置。当从焊炬进给焊接电极时焊接电极径向地移动，在期望的图案的第一循环期间将来自焊接电极的材料过渡到第一位置，并且至少部分地基于所述信号控制所述第一位置。，下面是同步的旋转电弧焊接方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种焊接方法，所述方法包括：
从焊炬轴向地进给焊接电极；
当从所述焊炬进给所述焊接电极时，通过所述焊炬中的运动控制组件相对于所述焊炬的中心轴以期望的图案径向地移动所述焊接电极；
从控制电路传送与所述焊接电极相对于焊接接头或者焊接熔池的位置相对应的信号；
使所述焊炬或者工件前进以建立焊缝；以及
在所述期望的图案的第一循环期间将材料从所述焊接电极过渡到所述焊接熔池的区域中的第一位置，其中至少部分地基于所述信号来控制所述第一位置。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其中所述期望的图案包括圆形、椭圆形、之字形、8字形、横向往复线、新月形、三角形、正方形、长方形、不对称图案、间歇，或者它们的任意组合。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其中所述期望的图案包括非线性图案。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其中径向地移动所述焊接电极包括在5Hz和200Hz之间的径向运动速率下以所述期望的图案移动所述焊接电极。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，包括：控制供应到所述焊接电极的电流以与所述期望的图案内的所述焊接电极的径向位置相协调。
6.根据权利要求1所述的焊接方法，其中经由短路过渡将来自所述焊接电极的所述材料过渡到所述工件。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，包括：控制供应到所述焊接电极的电流以在开始短路之前和脱离所述短路之前减小电流。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，包括：控制供应到所述焊接电极的所述电流以在脱离所述短路之后增大所述电流。
9.根据权利要求1所述的焊接方法，其中经由脉冲滴状过渡将来自所述焊接电极的所述材料过渡到所述工件。
10.根据权利要求1所述的焊接方法，其中经由喷射过渡将来自所述焊接电极的所述材料过渡到所述工件。
11.根据权利要求1所述的焊接方法，其中经由熔滴过渡将来自所述焊接电极的所述材料过渡到所述工件。
12.根据权利要求1所述的焊接方法，其中通过所述焊接电极的所述径向运动的离心力的辅助，经由脉冲、喷射或者熔滴过渡将来自所述焊接电极的所述材料过渡到所述工件。
13.根据权利要求1所述的焊接方法，包括：在所述期望的图案的所述第一循环期间，将来自所述焊接电极的材料过渡到在所述焊接熔池的外周位置处的第二位置。
14.根据权利要求1所述的焊接方法，其中所述第一位置包括所述焊接熔池、所述工件的侧壁、所述焊缝、接头焊根、所述工件上的间隙，或者它们的任意组合。
15.根据权利要求1所述的焊接方法，包括：相比于过渡到所述焊接熔池的前部，将更多的来自所述焊接电极的材料过渡到所述焊接熔池的侧面、中部或者后部中。
16.根据权利要求1所述的焊接方法，其中所述焊炬安装至焊接机器人或者机械化的焊炬操纵器上。
17.根据权利要求1所述的焊接方法，其中在气体保护金属极电弧焊接(GMAW)工艺、脉冲熔化极气体保护焊接(GMAW-P)、熔化极活性气体保护(MAG)工艺、药芯焊丝电弧焊(FCAW)工艺、金属芯电弧焊(MCAW)工艺，或者埋弧焊接(SAW)工艺中从所述焊接电极过渡所述材料。
18.根据权利要求1所述的焊接方法，其中在金属极惰性气体保护(MIG)焊接工艺中从所述焊接电极过渡所述材料。
19.根据权利要求1所述的焊接方法，其中经由过渡工艺从所述焊接电极过渡所述材料，所述过渡工艺包括交流电(AC)、脉冲工艺、喷射工艺、熔滴工艺、短路工艺、埋弧工艺、潜弧工艺、热丝工艺、轴向短路清除工艺、径向短路清除工艺，或者它们的任意组合。
20.根据权利要求1所述的焊接方法，其中经由过渡工艺从所述焊接电极过渡所述材料，所述过渡工艺包括受控短路(CSC)工艺。
21.根据权利要求1所述的焊接方法，包括：以所述期望的图案轴向地移动所述焊接电极。
22.根据权利要求21所述的焊接方法，包括：远离所述工件轴向地收缩所述焊接电极。
23.根据权利要求21所述的焊接方法，其中所述焊接电极的轴向位置是所述焊接电极的端头相对于所述焊接熔池的位置的函数。
24.根据权利要求21所述的焊接方法，其中：轴向地移动所述焊接电极包括在1Hz至
200Hz之间的轴向运动速率下以所述期望的图案移动所述焊接电极。
25.根据权利要求24所述的焊接方法，包括：至少部分地基于所述焊接电极的轴向或者径向位置来控制供应至所述焊接电极的电流。
26.根据权利要求25所述的焊接方法，其中所述焊接电极的所述轴向位置与所述焊接电极的所述径向位置同步。
27.根据权利要求21所述的焊接方法，其中：在所述焊接电极的所述径向运动的离心力结合当所述焊接电极的所述轴向运动在前进运动方向上或者从前进运动到反向运动的反向方向上减慢时在所述焊接电极的末端处的液态金属的机械惯性的辅助下，经由脉冲、喷射或者熔滴过渡，将来自所述焊接电极的所述材料过渡到所述工件。
28.根据权利要求1所述的焊接方法，其中经由协调的轴向和径向运动所述期望的图案是三维的。
29.根据权利要求1所述的焊接方法，包括：在所述第一循环期间调节所述焊接电极的运动速率。
30.根据权利要求1所述的焊接方法，包括：
检测所述工件的装配状况；以及
至少部分地基于所检测到的装配状况，改变以下项中的至少一者：所述期望的图案的几何形状、所述焊接电极在所述期望的图案中的径向运动速率、过渡工艺、所述焊接电极的轴向位置、焊接电源输出、行进速度、焊炬角度、行进角度、极性，或者它们的任意组合。
31.根据权利要求30所述的焊接方法，包括：检测槽式接头的高低状况。
32.根据权利要求30所述的焊接方法，其中：所检测到的装配状况包括槽式接头或者对接接头的间隙。
33.根据权利要求30所述的焊接方法，其中：所述信号至少部分地基于以下项：来自径向运动控制器的电极径向位置数据，来自轴向运动控制器的电极轴向运动数据，或者来自机械人控制器的焊炬角度数据、行进角度数据或焊炬偏移数据。
34.根据权利要求30所述的焊接方法，包括：在过渡来自所述焊接电极的所述材料之前执行接触感测校准程序。
35.根据权利要求1所述的焊接方法，其中所述信号是基于所述焊接电极相对于所述焊接接头或者所述焊接熔池的径向位置测量的，并且其中所述焊接方法包括使用所述信号用于焊缝跟踪、热输入控制、导电嘴到工件距离(CTWD)控制，以及标称的电弧长度控制。
36.一种焊接方法，所述方法包括：
从焊炬轴向地进给焊接电极；
当从所述焊炬进给所述焊接电极时，通过所述焊炬中的运动控制组件相对于所述焊炬的中心轴以期望的运动图案径向地移动所述焊接电极；
从控制电路传送与所述焊接电极在所述期望的运动图案中的位置相对应的信号；
使所述焊炬或者工件前进以建立焊缝；以及
至少部分地基于所述信号来控制施加到所述工件和焊接熔池的区域中的至少一者的热量图案。
37.根据权利要求36所述的焊接方法，其中所述期望的运动图案包括圆形、椭圆形、之字形、8字形、横向往复线、新月形、三角形、正方形、长方形、不对称图案、间歇，或者它们的任意组合。
38.根据权利要求36所述的焊接方法，其中所述期望的运动图案包括非线性图案。
39.根据权利要求36所述的焊接方法，其中径向地移动所述焊接电极包括在5Hz至
200Hz之间的径向运动速率下以所述期望的运动图案移动所述焊接电极。
40.根据权利要求36所述的焊接方法，包括：控制供应至所述焊接电极的电流。
41.根据权利要求36所述的焊接方法，包括：在所述期望的运动图案的第一循环期间增大施加至所述焊接熔池的外周缘处的第一位置和第二位置的热量，其中所述第一位置包括所述工件的第一侧壁，并且所述第二位置包括所述工件的与所述第一侧壁相对的第二侧壁。
42.根据权利要求41所述的焊接方法，包括：增大施加至所述焊接熔池的外周缘处的第三位置的热量，其中所述第三位置包括所述焊接熔池的一部分。
43.根据权利要求36所述的焊接方法，包括：沿着焊接路径施加附加热量至所述焊接熔池前方的位置，以预热焊接接头的焊根，从而确保所述焊接接头的所述焊根处的焊缝熔深。
44.根据权利要求36所述的焊接方法，包括：施加附加热量至t形圆角接头的水平构件上的位置，以促进熔湿并且防止所述水平构件上翻转的焊道分布。
45.根据权利要求44所述的焊接方法，其中将较低量的附加热量施加至所述t形圆角接头的垂直构件上的位置，以避免源自电弧气刨效应的咬边，并且将来自所述焊接电极的增大量的材料过渡到所述垂直构件上的所述位置，以覆盖或者替代由所述电弧去除的工件金属。
46.一种焊接方法，所述方法包括：
在焊接电极和工件之间建立电弧；
从焊炬进给所述焊接电极，与此同时通过所述焊炬中的运动控制组件在5Hz至200Hz之间的径向运动速率下相对于所述焊炬的中心轴以期望的图案移动所述焊接电极；
使所述焊炬或者所述工件前进以建立焊缝；
经由监测焊接电流变化、焊接电压变化、电弧电压变化或导电嘴到工件距离变化来检测所述工件的装配状况；以及
当维持所述电弧时，至少部分地基于所述焊接电极在所述期望的图案中的位置和所检测到的装配状况来控制一个或多个焊接参数，其中所述一个或多个焊接参数包括以下各项中的至少一个：所述焊接电极以所述期望的图案进行的径向运动，施加到所述焊接电极的焊接电力的参数，焊炬行进速度、焊炬行进角度，以及焊炬角度。
47.根据权利要求46所述的焊接方法，其中控制所述一个或多个焊接参数包括将来自所述焊接电极的材料过渡到所述焊接熔池的特定的外周位置处的位置，以补充被所述电弧熔融掉的基体金属。
48.根据权利要求46所述的焊接方法，包括：至少部分地基于来自编码器、线性差动变压器(LVDT)或者所述运动控制组件中的命令脉冲步骤的信号，来确定所述焊接电极在所述期望的图案中的位置。
49.一种焊接系统，所述焊接系统包括：
焊炬，所述焊炬配置成接收焊接电力和焊丝；
焊丝运动控制组件，所述焊丝运动控制组件与所述焊炬相关联并且配置成随着所述焊丝朝向工件前进移动所述焊丝以建立焊缝，其中所述焊丝运动控制组件配置成相对于所述焊炬的中心轴以期望的图案径向地移动所述焊丝；以及
控制电路，所述控制电路配置成改变到所述焊丝的所述焊接电力并且至少部分地基于所述焊丝在所述期望的图案中的位置来控制来自所述焊丝的材料到焊接熔池的外周缘处的第一位置的过渡。
50.根据权利要求49所述的焊接系统，其中所述焊丝运动控制组件包括电动机、一个或多个螺线管、一个或多个磁体、一个或多个线性致动器、一个或多个行星齿轮、一个或多个压电致动器，或者它们的任意组合。
51.根据权利要求49所述的焊接系统，其中所述焊丝运动控制组件包括一个或多个线性电动机。
52.根据权利要求49所述的焊接系统，其中所述期望的图案包括圆形、椭圆形、之字形、
8字形、横向往复线、新月形、三角形、正方形、长方形、不对称图案、间歇，或者它们的任意组合。
53.根据权利要求49所述的焊接系统，其中所述期望的图案包括非线性图案。
54.根据权利要求49所述的焊接系统，其中所述控制电路包括电源供应器和送丝装置中的至少一个的电路。
55.根据权利要求49所述的焊接系统，其中所述焊丝运动控制组件配置成在5Hz至
200Hz之间的径向运动速率下以所述期望的图案径向地移动所述焊接电极。
56.根据权利要求49所述的焊接系统，其中所述焊丝运动控制组件包括编码器或者线性差动变压器(LVDT)。
57.根据权利要求49所述的焊接系统，其中所述焊丝运动控制组件配置成以所述期望的图案轴向地移动所述焊丝。
58.根据权利要求57所述的焊接系统，其中所述焊丝轴向运动速率在5Hz至200Hz之间。
59.根据权利要求49所述的焊接系统，包括：耦接到所述焊炬并且至少部分地由所述控制电路控制的焊接机器人或者机械化焊炬操纵器。
60.一种焊接方法，包括：
从焊炬轴向地进给焊接电极；
当从所述焊炬进给所述焊接电极时，通过所述焊炬中的运动控制组件相对于所述焊炬的中心轴以期望的图案径向地移动所述焊接电极；
从控制电路传送与所述焊接电极相对于焊接接头或者焊接熔池的位置相对应的信号；
使所述焊炬或者工件前进以建立焊缝；
在所述期望的图案的第一循环期间将材料从所述焊接电极过渡到所述焊接熔池的区域中的第一位置，其中至少部分地基于所述信号来控制所述第一位置；以及
将所述材料的过渡与所述电极的位置同步。
61.一种焊接方法，所述方法包括：
从焊炬轴向地进给焊接电极；
当从所述焊炬进给所述焊接电极时，通过所述焊炬中的运动控制组件相对于所述焊炬的中心轴以期望的运动图案径向地移动所述焊接电极；
从控制电路传送与所述焊接电极在所述期望的运动图案中的位置相对应的信号；
使所述焊炬或者工件前进以建立焊缝；以及
至少部分地基于所述信号来控制施加到所述工件和焊接熔池的区域中的至少一者的热量图案，
其特征在于
使施加至所述工件的热量与所述电极的位置同步。
62.一种焊接方法，所述方法包括：
在焊接电极和工件之间建立电弧；
从焊炬进给所述焊接电极，与此同时通过所述焊炬中的运动控制组件在5Hz至200Hz之间的径向运动速率下以期望的图案相对于所述焊炬的中心轴移动所述焊接电极；
使所述焊炬或者所述工件前进以建立焊缝；
经由监测焊接电流变化、焊接电压变化、电弧电压变化或导电嘴到工件距离变化来检测所述工件的装配状况；以及
当维持所述电弧时，至少部分地基于所述焊接电极在所述期望的图案中的位置和所检测到的装配状况来控制一个或多个焊接参数，其中所述一个或多个焊接参数包括以下各项中的至少一个：所述焊接电极以所述期望的图案进行的径向运动，施加到所述焊接电极的焊接电力的参数，焊炬行进速度、焊炬行进角度，以及焊炬角度，
其特征在于
控制所述一个或多个焊接参数包括将来自所述焊接电极的材料过渡到所述焊接熔池的特定的外周缘处的位置处。
63.一种焊接系统，所述焊接系统包括：
焊炬，所述焊炬配置成接收焊接电力和焊丝；
焊丝运动控制组件，所述焊丝运动控制组件与所述焊炬相关联并且配置成随着所述焊丝朝向工件前进移动所述焊丝以建立焊缝，其中所述焊丝运动控制组件配置成相对于所述焊炬的中心轴以期望的图案径向地移动所述焊丝；以及
控制电路，所述控制电路配置成改变到所述焊丝的所述焊接电力并且至少部分地基于所述焊丝在所述图案中的位置来控制来自所述焊丝的材料到焊接熔池的外周缘处的第一位置的过渡，
其特征在于
使所述材料的过渡与所述焊丝在所述图案中的位置同步。
同步的旋转电弧焊接方法及系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请请求2013年9月16日提出申请的，题为“SYNCHRONIZED ROTATING ARC WELDING METHOD AND SYSTEM(同步的旋转电弧焊接方法及系统)”的序列号为61/878,404的美国临时申请的优先权和权益，该临时申请的全部内容由此出于各种目的以引用方式并入本文。
背景技术
[0003] 本发明大体上涉及焊接技术，并且更具体地涉及改进的自动化焊接工艺。本公开与2013年2月14日提出申请的，题为“Adaptable Rotating Arc Welding Method and System(自适应旋转电弧焊接方法及系统)”的在先美国专利申请13/767,392有关，该美国专利申请由此以引用方式并入本公开。本公开还并入了2012年6月18日提出申请的标题为“Metal Cored Welding Method and System,(金属芯焊接方法及系统，)”的美国专利申请13/526,278，以及2012年11月20日提出申请的，题为“DC Electrode Negative Rotating Arc Welding Method and System,(直流电极正接旋转电弧焊接方法及系统)”的美国专利申请13/681,687。
[0004] 已经开发了一系列技术用于通过焊接操作接合工件。这些技术包括多种工艺和材料，其中大部分现代工艺涉及在消耗或者非消耗电极与工件之间形成电弧。使用非消耗电极的焊接工艺可包括钨极惰性气体保护(TIG)焊接工艺，所述工艺采用与填充材料无关的非消耗钨电极。所述工艺往往按以下类别分组：恒电流工艺、恒电压工艺、脉冲工艺，等等。然而，对这些工艺之间的进一步划分是常见的，尤其是在消耗电极以添加填充金属到焊缝的工艺中。在几乎所有此类情况下，所选工艺均与填充材料及其形态密切相关，其中某些工艺仅仅利用特定类型的电极。示例性工艺包括但不限于金属极惰性气体保护(MIG)焊接和脉冲熔化极气体保护焊接(GMAW-P)，这两种焊接形成了有时被称为气体保护金属极电弧焊接(GMAW)的更大分组的一部分。此外，在某些实施例中，可实施其它类型的焊接工艺，诸如熔化极活性气体保护(MAG)工艺、药芯焊丝电弧焊(FCAW)工艺、金属芯电弧焊(MCAW)工艺等等。
[0005] 在GMAW焊接中，丝状形式的电极被前进中的焊接熔池消耗，由电极焊丝和工件之间电弧的热量所熔化。焊丝从卷丝筒连续地被馈送穿过焊炬，在焊炬处将电荷赋予焊丝以形成电弧。在这些工艺中所使用的电极类型往往被称为实心焊丝、药芯焊丝或者金属芯焊丝。每种类型相较于其他类型都被认为具有独特的优点和缺点，并且优化它们的性能可能需要仔细调整焊接工艺和焊接设置。例如，实心焊丝虽然比其它类型更便宜，但是通常与惰性保护气体一起使用，而惰性保护气体可以是相对昂贵的。药芯焊丝可不需要单独的保护气体馈送，但是比实心焊丝更昂贵。金属芯焊丝需要保护气体，但是这些保护气体可经调整为有时比实心焊丝期望的的那些保护气体更便宜的混合物。
[0006] 所有这三种电极类型均可与不同的过渡模式一起使用，过渡模式是指将金属从电极端头移动到前进焊道的机械和机电现象。存在着多种此类过渡模式，例如短路过渡、熔滴过渡、喷射过渡，以及脉冲喷射(例如，液滴)过渡。在实践中，过渡物理学可能表现为上述模式的混合，虽然通常选择工艺和电极来维持特定的过渡方式，但在焊接期间实际的材料过渡可以在它们之间进行转换。通常，可通过电极44的径向运动的离心力，并且在某些实施例中与当电极44的轴向运动在前进运动(即，朝向工件14)方向上或者从前进运动(即，朝向工件14)到反向运动(即，远离工件14)的反转方向上减慢时在电极44端部的液态金属的机械惯性结合，来辅助材料过渡，如在下文更详细描述的。
[0007] 随着焊炬前进并且消耗焊丝，其在被称为焊道的两个工件之间留下填充材料的沉积物。通常，在过渡模式期间形成的焊道的宽度被视为若干操作参数的作用。根据工件之间的装配，焊道宽度可能足以或可能不足以确保最终焊接成品的完整性。为了避免这种情况，焊接操作者必须在焊接之前在视觉上检测任何工件间隙的装配并且手动补偿以确保焊接件的完整性。然而，自动化焊接系统缺乏这种智能考虑并且可能无法容忍超出狭窄的公差(tolerance)范围的装配间隙。此外，施加到工件相对薄的部分和/或施加到焊道的过量的热量可在焊道中形成孔穴。这可导致焊接缺陷、手动返工以及最终丢弃完工的焊接零件。
[0008] 制造商不断地寻找新途径来改善自动化焊接方法，增加焊接件的成电力，并且加速总体制造工艺。然而，目前的自动化焊接技术加上制造商已经开始依赖的工艺的提速可导致具有不良装配的许多成品工件。
发明内容
[0009] 在一个实施例中，一种焊接方法包括：从焊炬轴向地进给焊接电极，通过焊炬中的运动控制组件相对于焊炬的中心轴以期望的图案径向地移动焊接电极，从控制电路传送与焊接电极相对于焊接接头或者焊接熔池的位置相对应的信号，使焊炬或者工件前进以产生焊缝，以及将材料从焊接电极过渡到焊接熔池区域中的第一位置。当从焊炬进给焊接电极时焊接电极径向地移动，在期望的图案的第一循环期间将来自焊接电极的材料过渡到第一位置，并且至少部分地基于所述信号控制第一位置。
[0010] 在另一个实施例中，一种焊接方法包括：从焊炬轴向地进给焊接电极，通过焊炬中的运动控制组件相对于焊炬的中心轴以期望的运动图案径向地移动焊接电极，从控制电路传送与在期望的运动图案内的焊接电极的位置相对应的信号，使焊炬或者工件前进以建立焊缝，以及至少部分地基于所述信号来控制施加到工件和焊接熔池的区域中的至少一者的热量图案。当从焊炬进给焊接电极时所述焊接电极径向地移动。
[0011] 在另一个实施例中，一种焊接方法包括：在焊接电极和工件之间建立电弧，当通过焊炬中的运动控制组件在约5Hz到200Hz之间的径向运动速率下以期望的图案相对于焊炬的中心轴移动焊接电极时从焊炬进给焊接电极，使焊炬或者工件前进以建立焊缝，经由监测焊接电流变化、焊接电压变化、电弧电压变化，或者导电嘴到工件距离变化来检测工件的装配状况，以及至少部分地基于焊接电极在所期望的图案下的位置和当维持电弧时所检测到的装配状况来控制一个或多个焊接参数。所述一个或多个焊接参数包括以下各项中的至少一个：在所期望的图案下焊接电极的径向运动，施加到焊接电极的焊接电力的参数，焊炬行进速度，焊炬行进角度，以及焊炬角度。
[0012] 一种焊接系统包括：配置成接收焊接电力和焊丝的焊炬，以及与所述焊炬相关联的焊丝运动控制组件。所述焊丝运动控制组件配置成移动所述焊丝，以便焊丝朝向工件前进而建立焊缝。所述焊丝运动控制组件配置成以期望的图案相对于焊炬的中心轴径向地移动焊丝。焊接系统包括控制电路，所述控制电路配置成改变给焊丝的焊接电力并且控制材料从焊丝到焊接熔池的外部周边处的第一位置的过渡。附图说明
[0013] 当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在全部附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：
[0014] 图1是利用本技术的各方面的示例性焊接系统的示意图；
[0015] 图2是与图1的系统一起使用的金属芯电极的端部部分的详细视图；
[0016] 图3是表示根据本技术的各方面的金属芯电极的运动的示意图；
[0017] 图4是沿着线条4-4截取的图3的运动控制系统的实施例的横截面俯视图；
[0018] 图5是利用了金属芯焊丝运动的圆形图案的前进焊道的示意图；
[0019] 图6是利用了金属芯焊丝的椭圆路径的前进焊道的类似图示；
[0020] 图7是利用了金属芯焊丝的不同取向的椭圆路径的前进焊道的进一步图示；
[0021] 图8是利用了移动的金属芯焊丝电极的前进焊道的示例性电弧位置和过渡模式的图示；
[0022] 图9是图示金属芯焊接电极的运动和示例性被迫过渡轨迹的时序图；
[0023] 图10是表示电弧过渡工艺期间电极在运动图案中的位置的示意图；
[0024] 图11是在图10的运动图案期间施加到电极的电流波形的时序图；
[0025] 图12是接头和运动图案的实施例的剖视图；
[0026] 图13是短路过渡工艺中电极相对于工件移动的一系列位置；
[0027] 图14是施加到对应于图13的位置的电极的电流波形的时序图；
[0028] 图15是对应于图13的位置的电极的圆周运动图案；
[0029] 图16是对应于图13的位置的电极的直线运动图案；
[0030] 图17是说明焊接参数与电极位置的同步的方法流程图；
[0032] 图19是沿着焊接路径检测装配并将该信息输送给成像和参数计算部件以便调节焊接参数的摄像机/检测装置的图示；
[0033] 图20是说明用于确定是否以及如何调节一个或若干个焊接参数的示例性逻辑的方法流程图；
[0034] 图21A和图21B是可用于使电极振荡运动的焊丝矫直器组件的实施例的侧视图；
具体实施方式
[0037] 图1图示了利用金属芯焊丝电极的运动的示例性焊接系统10，但是如先前所论述的，这些技术可与多种类型的焊丝如实心焊丝或者药芯焊丝一起使用。所述系统10被设计成在工件14上产生焊缝12。焊缝可以任何期望的方式定向，包括对接焊缝、搭接焊缝、角焊缝、离位焊缝等。所述系统包括电源供应器16，所述电源供应器通常耦接至气源18和电源20(例如电网)。当然，其它电源包括发电机、引擎驱动的电源组等等。送丝装置22耦接至电源16并且向焊枪24供应金属芯焊丝。
[0038] 在所图示的实施例中，电源供应器16将包括耦接至控制电路28的电力转换电路26，所述控制电路调节电力转换电路的操作以产生适用于焊接操作的电力输出。所述电源供应器可设计和编程为根据多种工艺、焊接方法等等产生输出电力，所述工艺包括恒电流工艺、恒电压工艺、脉冲工艺、短路过渡工艺等等。当前预期的实施例可以与各种过渡工艺一起使用，所述过渡工艺包括但不限于短路过渡、熔滴过渡、喷射过渡以及脉冲喷射过渡。
在当前预期的实施例中，控制电路28控制电力转换电路26以产生有助于使材料从金属芯焊丝过渡到前进焊道的DCEN(有时候称为“正”极性)焊接方法。然而，当然也可使用其它焊接方法。操作员界面30允许焊接操作员改变焊接工艺和工艺设置两者。此外，在某些预期的实施例中，操作员界面可以允许选择修改与焊炬和金属芯焊丝的运动相关的某些参数。举例来说，操作员界面30可使得操作员能够从与电极的径向运动速率同步的焊接参数中调节比例和/或积分增益(gains)。最后，电源供应器可包括用于调节来自气源18的保护气体的流动的阀装置32。另外，或者作为利用保护气体的替代，可利用埋弧焊接(例如，SAW)工艺，在所述工艺中电极和电弧浸没在焊剂层下方。
在当前预期的实施例中，控制电路28控制电力转换电路26以产生有助于使材料从金属芯焊丝过渡到前进焊道的DCEN(有时候称为“正”极性)焊接方法。然而，当然也可使用其它焊接方法。操作员界面30允许焊接操作员改变焊接工艺和工艺设置两者。此外，在某些预期的实施例中，操作员界面可以允许选择修改与焊炬和金属芯焊丝的运动相关的某些参数。举例来说，操作员界面30可使得操作员能够从与电极的径向运动速率同步的焊接参数中调节比例和/或积分增益(gains)。最后，电源供应器可包括用于调节来自气源18的保护气体的流动的阀装置32。另外，或者作为利用保护气体的替代，可利用埋弧焊接(例如，SAW)工艺，在所述工艺中电极和电弧浸没在焊剂层下方。
[0039] 送丝装置22通常将包括控制电路，如一般地用附图标记34所示，所述控制电路调节来自卷丝筒36的焊丝的进给。通常通过使用受到控制电路34的控制的小型电动机，来由驱动组件38驱使焊丝前进。焊丝、气体以及控制和反馈数据可以经由焊接电缆40在送丝装置22与焊炬24之间交换。所述工件14还通过工作电缆42耦接至电源供应器，以当电极和工件之间建立电弧时通过电极44完成电学电路。如以下更全面描述，从焊炬前进的电极44被迫移动，例如，由附图标记46所指示的旋转运动。
[0040] 图1中图示的焊接系统可以被设计成用于手动操作，尽管本技术的许多应用将被自动化。也就是说，焊炬24将被紧固到机器人或者固定的自动化系统上，所述机器人或者固定的自动化系统被编程以将焊炬相对于工件定位在期望的位置。所述机器人随后可采取行动以发起电极与工件之间的电弧，并且正确地定向焊炬，使焊炬沿着预定路径前进，在所述预定路径中形成焊道以接合两个部件。如以下更全面描述，在这种自动化应用中，本技术允许极大地提高行进速度并且改善焊道特性。
[0041] 本技术被设计成与实心焊丝、药芯焊丝或金属芯焊丝一起使用，尽管在本发明的实施例中，示出了图2所示类型的金属芯焊丝。这种焊丝通常包括包裹在一个或多个金属芯50周围的护套48，所述护套由金属制成。用于生产这种金属芯焊丝的各种技术是公知的，并且这些技术超出了本发明的范围。金属芯焊丝的特性可被选择用于特定应用，特别是根据待接合的部件的冶金特性、待使用的保护气体的类型和预计的焊道填充体积等。如果选择实心焊丝和药芯焊丝两者之一来代替金属芯焊丝，那么这同样适用于两者，如此前所论述。
在所图示的实施例中，金属芯焊丝的某些几何形状可有助于增强电极运动的益处。举例来说，焊丝通常被选择具有期望的直径52。所述直径包括护套壁厚度54和焊芯直径56。可以改变并且优化这些参数以提高焊丝的性能并且提供例如以下特性：改进的电弧形成、电弧维持、材料过渡、所得焊道的冶金特性、焊道熔深等。
在所图示的实施例中，金属芯焊丝的某些几何形状可有助于增强电极运动的益处。举例来说，焊丝通常被选择具有期望的直径52。所述直径包括护套壁厚度54和焊芯直径56。可以改变并且优化这些参数以提高焊丝的性能并且提供例如以下特性：改进的电弧形成、电弧维持、材料过渡、所得焊道的冶金特性、焊道熔深等。
[0042] 在目前预期的实施例中，可以选择特定的焊丝来与DCEN焊接方法一起使用。如下文更全面论述，例如，已经发现DCEN工艺中的“旋转电弧”运动与例如包括稳定剂和其他成分(例如锰)的焊丝(例如，AWS E5.18 70C-6；并且更一般地说，E5.18XXC-6，其中“XX”表示拉伸强度)的组合提供了极好的结果。一种这样的焊丝可以以商品名 X-CelTM从美国俄亥俄州特洛伊(Troy,Ohio)的霍伯特兄弟公司(Hobart Brothers)商购。再者，焊丝的某些配方据信提供了超出使用其它焊丝能获得的那些益处的益处。此类配方被描述于以下专利中：2004年4月20日授权给Nikodym等人的名称为“Straight Polarity Metal Cored Wire(正极性金属芯焊丝)”的美国专利No.6,723,954；于2006年8月8日授权给Nikodym等人的名称为“Straight Polarity Metal Cored Wire(正极性金属芯焊丝)”的美国专利No.7,087,860；以及于2011年1月4日授权给Barhorst等人的名称为“Metal-Core Gas Metal Arc Welding of Ferrous Steels with Noble Gas Shielding(使用惰性气体保护的铁素体钢的金属芯气体保护金属极弧焊)”的美国专利No.7,863,538，这些专利由此全部以引用方式并入本公开中。此外，可以改变此类焊丝的某些成分以增强它们在电弧被迫运动的DCEN工艺中的性能，如下文所论述。
[0043] 图3示出了典型应用中焊丝的运动。如图3所示，在工件之间形成接头58，并且焊炬具有从其延伸出来的电极44，所述焊炬安置为紧邻预期的接头附近。随后在电极与待接合的下层金属之间建立电弧。电极出自接触元件60，所述接触元件可以移动以迫使电极和所建立的电弧运动。针对接触元件的运动，在焊炬中设置运动控制组件62。尽管可以利用众多技术来迫使此类运动，但是在以假想线示出的目前预期配置中，电动机66使凸轮64转动，所述电动机本身受到系统的控制电路的控制并由系统的控制电路供电。
[0044] 应理解的是，在图1中示出的电源供应器16的控制电路28(和/或送丝装置22的控制电路34)可控制运动控制组件62以引起电极44的期望的运动。在某些实施例中，仅使用运动控制组件62可能不能够产生与电极44相对于焊接接头58的位置相关的数据。控制电路28(和/或控制电路34)可将关于焊炬24的数据(包括关于运动控制组件62的数据)考虑在内，以产生代表电极44相对于焊接接头58或者焊接熔池74的位置的信号。所产生的关于电极44的位置的信号可由控制电路28(和/或控制电路34)使用以控制焊接工艺的各种参数(例如，电流、电压、送丝速度、以及本文所描述的其它参数中的任意参数)。此外，在某些实施例中，控制电路28(和/或控制电路34)可使用所述信号以用于焊缝跟踪目的、热输入控制目的、导电嘴到工件距离(CTWD)控制目的，和/或标称的电弧长度控制目的。在某些实施例中，信号可以是至少部分地基于以下数据：来自径向运动控制器的电极44的径向位置数据，来自轴向运动控制器的电极44的轴向运动数据，或者焊炬角度数据，行进角度数据，或者来自机器人控制器的焊炬偏移(例如，从接头中心偏移)数据。此外，在某些实施例中，所述信号可至少部分地基于电极44相对于焊接接头58或者焊接熔池74的径向位置。
[0045] 图23示出焊接系统10的控制部件的示意性方框图。如图所示，焊接系统10可包括主控制电路346(例如，在某些实施例中所述主控制电路346可包括控制电路28和/或控制电路34)。在某些实施例中，一般负责控制焊炬24(包括关于图3所描述的所有焊炬元件)的运动(例如，焊炬角度、行进角度、焊炬偏移等等)的机器人控制器348可将与焊炬24相对于焊接接头58或者焊接熔池74的位置、速度、行进方向等等相关的数据提供给主控制电路346。此外，设置在焊接系统10中的焊接工艺传感器350可将关于焊接工艺参数(例如，实际电弧电压和电流)的数据提供给主控制电路346和/或提供给焊接电源供应器电流控制器352(例如，图1的电源供应器16的电力转换电路26)。通常，主控制电路346可使用从机器人控制器
348和焊接工艺传感器350接收到的数据来确定关于电极44相对于焊接接头58或者焊接熔池74的位置的信号，并且将控制信号发送到径向电动机控制器354(例如，径向运动控制器)、轴向电动机控制器356(例如，轴向运动控制器)和/或焊接电源供应器电流控制器352，以用于分别控制电极44的径向运动、电极44的轴向运动，以及电弧的焊接参数等等。应理解的是，本文所描述的所有控制电路和控制器可包括硬件元件(包括某些类型的电路)、软件元件(包括存储在非临时性计算机可读介质上的计算机代码)，或者硬件元件和软件元件两者的组合。.
348和焊接工艺传感器350接收到的数据来确定关于电极44相对于焊接接头58或者焊接熔池74的位置的信号，并且将控制信号发送到径向电动机控制器354(例如，径向运动控制器)、轴向电动机控制器356(例如，轴向运动控制器)和/或焊接电源供应器电流控制器352，以用于分别控制电极44的径向运动、电极44的轴向运动，以及电弧的焊接参数等等。应理解的是，本文所描述的所有控制电路和控制器可包括硬件元件(包括某些类型的电路)、软件元件(包括存储在非临时性计算机可读介质上的计算机代码)，或者硬件元件和软件元件两者的组合。.
[0046] 在某些实施例中，接触感测程序可用于校准关于电极44相对于焊接接头58或者焊接熔池74的位置的数据。此类程序可包括移动焊炬24，直到电极44或者焊炬24的某一部分接触工件14或某一其它结构，并且控制电路28(和/或控制电路34)记录所述位置。在某些实施例中，控制电路28(和/或控制电路34)可作出如下假设：焊炬24被保持为某一方式，并且产品的变化可被忽略，从而消除对接触感测程序的需求。然而，此类接触感测程序可帮助校准控制电路28(和/或控制电路34)所期望的位置数据。
[0047] 在一些实施例中，运动控制组件62包括耦接至接触元件60的侧面(例如，正交侧面)的一个或多个螺线管，以将接触元件60和电极44按照期望的图案移动。在某些实施例中，所述螺线管可包括音圈以按照所期望的图案来移动接触元件60和电极44。如本文所用，术语“图案”意指在一轮运动循环期间电极44的位置的累进，其中所述循环在与开始位置相同的位置处结束。换句话说，例如电极44的端部的位置可在相对于焊炬24的轴向和径向位置处开始图案的一个循环，遍历在所述循环期间相对于焊炬24具有不同轴向和径向位置的路径，并且一般在与循环开始时相对于焊炬24的相同的轴向和径向位置处结束所述循环。因而，所述图案可称为闭合形式的图案。
[0048] 此外，应注意的是，本文所描述的的电极44的轴向和径向运动图案是站在焊炬24的静止本体的角度。更具体地说，在操作中，机器人控制器(例如，在图23中示出的机器人控制器348)将会移动焊炬24的本体，但是此运动与本文所描述的电极44的运动图案无关。换句话说，如本文所描述的电极44的运动图案是相对于焊炬24的本体，焊炬24的本体从电极44的角度出发被假设为静止的(尽管如此，再次，焊炬24的本体实际上可独立地移动)。应理解的是，运动控制组件62具有相对于焊炬24的本体移动的某些部件，并且所述部件使得焊炬24的其它部件(例如，接触元件60等等)实现电极44相对于焊炬24的本体的轴向和径向运动，焊炬24的本体可例如通过机器人控制器348来独立地移动。
[0049] 图4示出了沿着线条4-4截取的图3的运动控制组件62的一个实施例的横截面俯视图。耦接到接触元件60的第一螺线管300或者音圈可以沿着第一轴线302移动电极44，并且耦接到接触元件60的第二螺线管304或者音圈可以沿着第二轴线306移动电极44。控制电路28可以经由供应到一个或多个螺线管控制器308的控制信号来控制电极44沿着所期望的图案运动。另外或者替代地，运动控制组件62包括耦接到接触元件60的侧面(例如，正交侧面)的永磁体和/或电磁体以按照所期望的图案来吸引或者排斥接触元件60。此外，一个或多个压电致动器、一个或多个线性致动器、一个或多个线性电动机，或者一个或多个行星齿轮，或者它们的任意组合可耦接到接触元件60的侧面(例如，正交侧面)。在一些实施例中，第一螺线管300可以以第一频率沿着第一轴线302移动接触元件60，并且第二螺线管304可以以第二频率沿着第二轴线306移动接触元件60。所述第一频率与所述第二频率可以是相同的或者是不同的。如可理解的，可改变频率以控制接触元件60和电极44运动到运动区域310中的大体上任意一点。例如，控制电路可以控制第一螺线管300与第二螺线管304来沿着利萨如(Lissajous)曲线以所期望的图案移动接触元件60。运动控制组件62可包括耦接到接触元件60的一个或多个偏置元件312(例如，弹簧)，以便将接触元件60定位在基本上中立的位置314，除非以其它方式由运动控制组件62控制。由此迫使接触元件60和电极44按照预定图案以预定频率移动，如由运动控制组件62的几何形状和控制所决定的。在一些实施例中，操作员可调节控制电极的运动的电动机的加速度和/或减速度。
[0050] 返回到图3，可将接触元件60的尖端，并且由此可将电极44，从焊炬24的轴线57移动预定的距离或者半径68。如下文所描述，各种图案可用于此运动。所述图案可以是相对于接头58对称或者不对称的图案。所期望的图案包括在垂直于焊炬24的轴线57的平面内的径向部分，如下文所论述。在一些实施例中，所期望的图案包括轴向部分，所述轴向部分使得电极44能够沿着焊炬24的轴线57移动，例如以移动进入和/或离开接头58。例如，可以移动电极44使得所建立的电弧加热相对较厚的工件而非相对较薄的工件。在一些实施例中，所建立的电弧可经移动以控制施加到工件的热量图案，从而使得焊接系统10能够扩大可由焊道接合的装配间隙的公差范围。电极44在此工艺期间前进以形成所期望的焊道。此外，整个组件以期望的行进速度移动，如附图标记70所指示的。
[0051] 图5示出示例性前进焊道72，以及电极44的某些运动图案。如本领域中的技术人员应当理解的，焊道在焊接熔池或焊池74后部前进，所述焊接熔池或焊池由通过加热电极44和工件14的基体材料的外包金属而产生的熔融金属构成。图5的图式中的电极按照基本上圆形的图案移动，如附图标记76所指示的。目前所预期的是，此类运动可与焊炬和/或工件的行进速度一致，以使得电极将足够接近熔池74和工件的周边区域，以维持电弧并且在这些区域之间移动所述电弧，从而在加热电极和外包金属的同时维持熔池。如下文所描述，还预期可采用其它协调因素，例如送丝速度、电极的运动速率或者频率、焊接工艺的脉冲频率或者DC参数(例如，施加用以形成电弧的电流和电压)等等。
[0052] 图6示出电极运动的另一种可能图案，在这种情况下为大致椭圆的图案78。椭圆形在这种情况下具有沿着焊缝和焊炬的行进方向的长轴80，以及与所述行进方向横切的短轴82。此外，图7示出了另一种可能的图案，即横向的椭圆图案84，其中椭圆运动的长轴80与焊缝和焊炬的行进方向横切。然而应当指出，可以利用任何期望的图案，并且在其他图案中，运动控制组件可更适于实施这些图案。所期望的图案可包括但不限于具有一条或多条直线和/或一条或多条曲线的图案。在一些实施例中，所期望的图案可包括图案中的间歇(pause)或者间断，例如其中运动控制组件不移动电极44的时间间隔。所期望的图案可包括圆形、椭圆形、之字形、8字形、横向往复线、新月形、三角形、正方形、长方形、非线性图案、不对称图案、间歇，或者它们的任意组合。如可理解的，可使用并且优化图案或者图案组合以用于特定焊缝和/或焊接位置。
[0053] 图8示出据信当通过被迫运动来利用金属芯焊丝时起作用的示例性沉积和熔深方案。也就是说，使电极44在待接合的工件86和88之间移动。所形成的焊道90透入工件中并且随着焊道的前进而形成大致平坦的表面。在图8的图示中，附图标记94是指焊丝的护套48最接近工件86的位置，而附图标记94表示护套48最接近工件88的位置。
[0054] 在本实施例中，据信在金属芯焊丝与工件之间建立电弧，并且/或者仅在护套48与这些元件之间存在前进的焊接熔池。因此，形成了如附图标记98所指示的独特过渡位置。已经注意到所得的焊缝比使用实心焊丝电极的电极运动形成的类似焊缝更平坦。此外，据信获得了透入基体材料的增强的熔深，如附图标记100所示。然而，这不能视为是对能够使用的任何特定类型的焊丝的限制。如先前所论述，除金属芯焊丝之外，本技术还可使用实心焊丝和药芯焊丝。
[0055] 来自电极44的材料随着电极44按照所期望的运动图案(例如，圆形图案76)移动而沉积。送丝速度和导电嘴到工件距离(CTWD)参数可在本文中被定义为相对于焊炬24的轴线57的轴向运动，而电极44在垂直于焊炬24的轴线的平面中的运动可被称为径向运动。电极
44的径向运动可包括按照图案(例如，圆形图案76)在垂直于焊炬24的轴线的平面中的运动，以及电极44在垂直于焊炬24的轴线的平面中的旋转(例如，自旋)运动。在一些实施例中，可与电极44的轴向运动无关地控制径向运动。因此，电极44的沉积速率可基本上与电极
44的径向运动无关。例如，焊接系统10可经由在轴向方向不收缩电极的情况下控制电极的径向运动，来控制施加至接头的热量和/或填充材料。如可理解的，电极在轴向方向的收缩可影响填充材料的沉积速率。
44的径向运动可包括按照图案(例如，圆形图案76)在垂直于焊炬24的轴线的平面中的运动，以及电极44在垂直于焊炬24的轴线的平面中的旋转(例如，自旋)运动。在一些实施例中，可与电极44的轴向运动无关地控制径向运动。因此，电极44的沉积速率可基本上与电极
44的径向运动无关。例如，焊接系统10可经由在轴向方向不收缩电极的情况下控制电极的径向运动，来控制施加至接头的热量和/或填充材料。如可理解的，电极在轴向方向的收缩可影响填充材料的沉积速率。
[0056] 在本技术中可以变化的参数可包括多个因素，例如，电极的径向运动速率，以及电极围绕正常位置或中心位置的运动程度。具体地，尽管本发明当然不限于圆形图案，但是在已经使用圆形图案的情况下，据信可需要径向运动速率为大约50Hz并且扩展到100Hz至120Hz以及更高的径向运动速率，从而产生更平坦的焊道和更高的沉积速率。在一些实施例中，电极44可圆周地移动(例如，自旋)，与此同时径向地(例如，按照圆形图案)移动。从移动中的电极44过渡的熔融球可具有切线速度，这是因为径向电极运动使熔融球在除了位于熔融球从电极44脱离的位置正下方的位置以外的位置处与工件界面接触。如本文所描述，可控制电极44的径向运动速率，以使得所述球沉积在工件、接头和/或焊接熔池上的期望的位置处。对于小于大约150Hz的径向运动速率，源自径向运动的球上的离心力可使得能够基本上一致的控制球的沉积位置。
[0057] 通常，电极44的径向运动速率可大于约2.5Hz，大于约3.0Hz，大于约3.5Hz，大于约4.0Hz，大于约4.5Hz，或者大于约5.0Hz。在一些实施例中，电极44的径向运动速率可以在约
5Hz至200Hz之间，在约10Hz至150Hz之间，在约30Hz至100Hz之间，或在约50Hz至90Hz之间。
应指出的是，电极44的相对较高的径向运动速率是通过仅振荡焊炬24的某些部分，而非整个焊炬24而实现的。例如，如图3中所示出的，在某些实施例中，运动控制组件62可引起仅接触元件60和电极44的振荡。用这样的方式，降低的惯性的需要有助于电极44的相对较高的径向运动速率。
5Hz至200Hz之间，在约10Hz至150Hz之间，在约30Hz至100Hz之间，或在约50Hz至90Hz之间。
应指出的是，电极44的相对较高的径向运动速率是通过仅振荡焊炬24的某些部分，而非整个焊炬24而实现的。例如，如图3中所示出的，在某些实施例中，运动控制组件62可引起仅接触元件60和电极44的振荡。用这样的方式，降低的惯性的需要有助于电极44的相对较高的径向运动速率。
[0058] 径向运动速率可至少部分地基于保护气体、焊丝直径、焊丝材料、工件材料、焊接工艺、运动图案，或者熔融电极球的表面张力，或者它们的任意组合。径向运动速率的范围可对应于某些类型的过渡工艺和/或运动图案。例如，SAW焊接工艺的径向运动速率可小于(例如，5Hz至30Hz)MIG焊接工艺的径向运动速率，MIG焊接工艺可利用在约50Hz至100Hz之间的径向运动速率。在一些实施例中，8字形或者圆形的运动图案相较于之字形运动图案可具有降低的径向运动速率。此外，当前所设想的径向运动直径的量级为约1.0mm至1.5mm，但是更高的直径例如量级为约4.0mm也可以是期望的。还可能需要提供与气体流动同步或者协调的电极运动。这些各种参数可帮助透入基体材料、电极材料的沉积、维持电弧，以及其它焊接参数。
[0059] 还据信焊池在金属芯电极运动时可以更好地移动，这可能是由于电极端头处形成的熔融球或喷射液上受到的机械力(例如，离心力)。所述工艺因此相比先前工艺可以以更低的温度运行。在某些类型的工件和工件冶金性能上，特别是电镀工件上，也可以获得增强的有益效果。此外，所述工艺可以允许较便宜的保护气体，例如，CO2(而不是氩气混合气体)目前与此类焊接电极一起使用。如先前所论述，实心焊丝和药芯焊丝也可以与本技术一起使用，并且各自可给所述工艺带来其自身优势。
[0060] 图9示出了将金属芯焊接电极的运动与来自电极端头的材料的被迫过渡相关的示例性时序图。在图9的图形中，电极端头运动随时间的变化由轨迹102指示，而被迫过渡由轨迹104指示。在圆形运动图案中，从前进的焊道或焊池的任何特定点或接头的任何特定位置来看，将可以预计到大致正弦运动。在此运动的点106处，电极的护套可以最靠近工件的基体材料的侧面。焊接工艺可经调适，例如通过控制脉冲焊接方法或者控制恒压焊接方法期间的电流，以在一般如附图标记108所示的这些位置处迫使或加强来自电极的材料的过渡。这些时期通常周期性地发生，如时期110所示。如上所述可以设想这些和许多其他控制方法来协调过渡模式和金属芯焊接电极的运动，特别是利用仅使用电极护套的电弧建立。如先前所论述，其应当被视为是说明性实例，因为除金属芯焊丝之外，本技术还可以与实心焊丝以及药芯焊丝一起使用。
[0061] 电极44的径向运动可以与材料从电极端头的被迫过渡同步，以使得能够沿着相对于接头期望的图案在一个或多个特定点处过渡材料。材料的被迫过渡可能应归于来自脉冲过渡模式和/或恒压过渡模式的脉冲电流和/或电压，在所述模式中电流是受控的。图10示出了电极44的期望的图案在两个工件14a和工件14b之间的接头58上方的切线方向204上的径向部分202。虽然期望的图案的径向部分202在图10中示出为大致圆形图案76，但是可理解的是，如上所述的其它期望的图案也可与来自电极端头的材料的被迫过渡同步。控制电路28控制电极44的运动和电弧的建立，从而控制当电极44沿着行进方向206移动时施加到工件14a、14b以及焊接熔池74的热量(例如，热量图案)。减少对接头58上方的焊接熔池74的热量输入可减少前进焊道72中的焊接缺陷(例如，孔隙、打薄、烧穿)。具体地，减少对焊接熔池74的前部208的热量输入可减少焊道72中的焊接缺陷。
[0062] 例如，控制电路28控制电弧以在位置I处加热电极44，这形成了在位置II处从电极44脱离的第一球。由于第一球相对于电极44的切向运动，所述第一球可沉积在焊接熔池74的区域211中的大约位置210处(例如，在工件14a的焊缝根部表面或者侧壁上，在焊接熔池
74的侧面上)。控制电路28控制电弧以在位置III处加热电极44，这形成了在位置IV处从电极44脱离的第二球。类似于第一球，由于第二球相对于电极44的切向运动，所述第二球可沉积在焊接熔池74的区域211中的大约位置212处(例如，在焊接熔池74的后部214处，在固化中的焊道72上)。控制电路28控制电弧以在位置V处加热电极44，这形成了在位置VI处从电极44脱离的第三球。由于第三球相对于电极44的切向运动，所述第三球可沉积在焊接熔池
74的区域211中的大约位置216处(例如，在工件14b的焊缝根部表面或者侧壁上，在焊接熔池74的侧面上)。控制电路28可控制电弧，以使得电极44无法形成可在焊接熔池74的前部
208处沉积的球。如本文所论述，焊接熔池74的区域211离焊接熔池74的中心215可以是大约距离213，其中距离213至少部分地基于焊接熔池74的宽度217和/或接头58的宽度219。举例来说，距离213可比焊接熔池74的宽度217小大约2、3、4或者5倍，或者距离213可比接头58的宽度219小大约2、3、4、5、6、7、8、9或者10倍。区域211可包括工件之间的接头58、焊接熔池、工件的侧壁，或者固化中的焊道72的一部分，或者它们的任意组合。
74的侧面上)。控制电路28控制电弧以在位置III处加热电极44，这形成了在位置IV处从电极44脱离的第二球。类似于第一球，由于第二球相对于电极44的切向运动，所述第二球可沉积在焊接熔池74的区域211中的大约位置212处(例如，在焊接熔池74的后部214处，在固化中的焊道72上)。控制电路28控制电弧以在位置V处加热电极44，这形成了在位置VI处从电极44脱离的第三球。由于第三球相对于电极44的切向运动，所述第三球可沉积在焊接熔池
74的区域211中的大约位置216处(例如，在工件14b的焊缝根部表面或者侧壁上，在焊接熔池74的侧面上)。控制电路28可控制电弧，以使得电极44无法形成可在焊接熔池74的前部
208处沉积的球。如本文所论述，焊接熔池74的区域211离焊接熔池74的中心215可以是大约距离213，其中距离213至少部分地基于焊接熔池74的宽度217和/或接头58的宽度219。举例来说，距离213可比焊接熔池74的宽度217小大约2、3、4或者5倍，或者距离213可比接头58的宽度219小大约2、3、4、5、6、7、8、9或者10倍。区域211可包括工件之间的接头58、焊接熔池、工件的侧壁，或者固化中的焊道72的一部分，或者它们的任意组合。
[0063] 位置210和216可比焊接熔池74更厚。因此，控制电路28可同步电弧与电极44的运动，从而相较于施加到焊接熔池74的热量，施加更多的热量到位置210和216处的工件。在一些实施例中，运动控制组件62供应信号到控制电路28，所述信号对应于电极44相对于接头的位置。控制电路28可利用所述位置信号来同步施加至工件的热量和/或同步到焊接熔池74的材料的过渡。同步材料的过渡与电极位置使得焊接系统能够增大装配间隙公差窗口(fit-up gap tolerance window)以通过电极材料的受控的施加形成接头。在一些实施例中，控制电路28控制电弧以在位置210和216处比在焊接熔池74的后部214处的212处或者焊接熔池74的前部208处沉积更多来自电极44的球。如可理解的，焊接熔池74的前部208可比焊接熔池74的后部214更薄。控制电路28可控制电弧以在焊接熔池74的后部214、侧面(例如，位置210和216)或者中部处比在焊接熔池74的前部208处沉积更多来自电极44的球。
[0064] 图11是当电极44沿着在图10中示出的期望的图案的径向部分202移动时施加到电极44的电流波形222的曲线图220。可根据脉冲工艺或者恒压工艺来控制电流波形222。当电极44在位置I、III和V处时电流波形222相对较高，在这些位置处，控制电路28控制电弧以在电极44上形成球。当电极44在所述球从电极44脱离时所位于的位置II、IV和VI处时，电流波形222相对较低。如可理解的，位置II、IV和VI处的此电流波形的下降可减少在那些位置处的对电极44和/或工件14a、14b的加热，并且可减少来自焊接熔池74的溅出物。在一些实施例中，电流波形222和/或电流波形222的极性具有至少部分地基于电极44的运动的图案。举例来说，电极44在位置I、II和III处可具有正极性以用于工件氧化物的阴极清理，并且电极44在位置IV、V和VI处可具有负极性以增大对电极44的加热，并且从而增大电极44的熔融速率。在一些实施例中，电流波形222的周期224可与电极44的径向运动(例如，振荡)的速率相关。举例来说，电流波形222的周期224(秒)可与电极44的径向运动速率(Hz)大致成反比。应理解的是，在某些实施例中，电流波形222也可以是电极44的轴向运动的函数，如本文所描述的。
[0065] 在一些实施例中，期望的图案包括轴向部分，在所述轴向部分中电极44相对于焊炬的轴线轴向地移动。举例来说，如图3所示，在某些实施例中，运动控制组件62可配置成使接触元件60沿着轴线57轴向地平移，以使得电极44更接近或更远离焊接接头58，从而使得除了在大致垂直于轴线57的平面中发生的运动的径向部分之外，还能够进行运动的轴向部分(例如，平行于轴线57)。如此，电极44相对于焊接接头58的运动本质上可以是三维的。换句话说，除了在大致垂直于轴线57的平面中形成编织图案的能力以外，运动控制组件62还可具有相对于焊接接头58轴向地移动电极44以形成三维运动图案的能力，并且如本文所描述的，这些三维运动图案可伴随有在沿着三维运动图案的不同点处的某些焊接参数(例如，电流、电压、热量输入、极性、送丝速度等等)的修改。应理解的是，所述三维图案包括经由协调电极44的轴向和径向运动而产生的弯曲和/或扭曲。此外，除了(或者作为其替代)使得能够经由接触元件60的平移来使电极44平移之外，在某些实施例中，受控短路(CSC)过渡工艺可被用于向前和向后移动焊丝以用于使轴向运动与径向运动同步，从而促进运动的三维图案的形成。
[0066] 图12示出了工件14a、14b之间的接头58和期望的图案160的实施例的横截面图。焊炬在行进方向162上移动电极44，所述行进方向可被理解为离开图12的横截平面。期望的图案160包括径向部分并且可包括轴向部分。在一些实施例中，控制电路28经由运动控制组件62来控制轴向部分。另外，或者作为替代，控制电路28可以经由控制焊炬24的运动，例如经由焊接机器人或者机械化的焊炬操纵器来控制轴向部分。期望的图案160的径向部分包括在垂直于焊炬的轴线57的平面中，电极44在第一径向位置162和第二径向位置164之间的径向运动。期望的图案的轴向部分包括电极44轴向于(例如，平行于)在第一轴向位置166和第二轴向位置168之间的轴线57的运动。在一些实施例中，轴向部分与径向部分同步，以使得电极44能够大体上追踪接头58的几何形状。举例来说，期望的图案的轴向部分可使电极从工件14a偏移第一距离170并且从工件14b偏移第二距离172，其中第一距离170不一定等于第二距离172。在一些实施例中，第一距离170和/或第二距离172可相对于接头58的中心变化。
[0067] 控制电路28可以控制电极的期望的图案的轴向部分。电极44以轴向运动速率移动通过轴向部分。在一些实施例中，控制电路使轴向运动速率与径向运动速率同步，以使得电极每通过径向部分的1、2、3、4、5或者更多次循环时通过轴向部分大约一次循环。举例来说，期望的图案可包括螺旋图案，在所述螺旋图案中对于每一次轴向部分循环而言电极完成超过一次的径向部分循环。在一些实施例中，控制电路28可调节电极44在移动焊接电极的循环期间的运动速率(例如，径向运动速率和/或轴向运动速率)。举例来说，控制电路28可以以第一运动速率移动电极和/或使电极在工件14a上方停歇，而控制电路28可以以不同的第二运动速率在工件14b上方移动电极。
[0068] 在一些实施例中，轴向部分是基于工件材料和/或工件的厚度。举例来说，一些材料可具有相较于其它材料的更高的熔融温度，这影响了添加到工件的以使球与工件熔湿的热量的量。控制期望的图案160的轴向部分使得控制电路28能够控制在何处将热量施加到接头58中的工件14上。在一些实施例中，控制期望的图案160的轴向部分使得控制电路28能够调节将球过渡到其中的焊接熔池74的区域211。举例来说，调节电极44与焊接熔池74或者工件14的侧壁的距离来调节一旦脱离后，脱离后的球在切线方向204上可行进的距离。
[0069] 在一些实施例中，控制电路28至少部分地基于电极在期望的图案中的位置来调节极性和/或过渡工艺。控制焊接工艺期间的极性和/或过渡工艺可改变施加到工件和电极的热量分布。此外，控制焊接工艺期间的极性和/或过渡工艺可控制溅出物的量，所形成球的大小，或者所形成球的数量，或者它们的任意组合。举例来说，控制电路28可将在位置174处对工件14a的过渡工艺控制为脉冲或者脉冲喷射过渡工艺，并且将在位置176处对工件14aTM的过渡工艺控制为短路过渡工艺(例如，RMD )。跨过接头58，控制电路28可以将在位置178处对工件14b的过渡工艺控制为受控短路(CSC)过渡工艺，工件14b可比工件14a更薄和/或具有更低的熔点。可被利用的过渡工艺可包括但不限于：脉冲过渡工艺、喷射过渡工艺、熔滴过渡工艺、短路过渡工艺(例如，RMDTM)、具有电极收缩的受控短路(CSC)过渡工艺、埋弧过渡工艺、潜弧过渡工艺、热丝过渡工艺、轴向短路清除过渡工艺、径向短路清除过渡工艺、或者交流电过渡工艺，或者它们的任意组合。在径向短路清除过渡工艺中，电极从径向方向与焊接熔池形成和/或脱离短路。也就是说，电极可在径向方向上移动进出焊接熔池，例如经由按照期望的图案的径向运动。在轴向短路清除过渡工艺中，电极从轴向方向与焊接熔池形成和/或脱离短路。也就是说，电极可在轴向方向上移动进出焊接熔池。如可理解的，电极在轴向方向上的运动可包括但不限于：焊炬的轴向运动，将电极通过焊炬进给到焊接熔池，或者从焊接熔池收缩电极，或者它们的任意组合。
[0070] 控制电路28可以在以短路焊接工艺(例如，经调节的金属沉积(RMDTM))操作期间沿着径向方向移动电极44。图13提供了其中当电极44沿着运动图案(例如，圆形图案74)移动并且焊炬24在方向228行进时，电极44经由径向短路过渡工艺将材料过渡到焊接熔池74的一系列图示。图13是焊接熔池74沿着焊缝的纵向轴线的横截面。在位置A中，当控制电路28通过电极44建立电弧以在电极44的端头处形成球232时，电极44沿着焊炬24的轴线230铺放。在位置B中，控制电路28控制运动控制组件62以在方向234中朝向工件14和焊接熔池74移动电极44和所附着的球232。如下文所论述，在预期到电极44和焊接熔池74之间的短路，在一些实施例中控制电路28控制电力转换电路26以减少供应到电极44的电流。在位置C中，控制电路28继续控制运动控制组件62以朝向工件14径向地移动电极44，以使得所附着的球232与焊接熔池74交界(例如，熔合、熔融、熔湿、接触)，从而在电极44和工件14之间形成短路。在位置C中，球232可开始从电极44脱离到焊接熔池74中。当控制电路28已经控制运动控制组件62将电极44移动到与轴线230相距距离236的位置D处时，球232可以继续从电极44脱离并且与焊接熔池74融合。距离236可以是运动图案的半径。
[0071] 从位置D处，控制电路28控制运动控制组件62以在与焊接熔池74相反的方向238中径向地移动电极44，从而清除短路。在一些实施例中，在位置E处控制电路28以低电流水平根据电弧电压感测电弧电压传感电极44与焊接熔池74的分离。在位置F中，控制电路28控制运动控制组件62和电力转换电路26以当电极再次沿着接头58的轴线230铺放时在电极44上形成另一个球232。在位置G中，电极44从运动轴线232被移动距离236。控制电路28可控制运动控制组件62以当电极44以径向运动速率循环通过运动图案与此同时形成焊道72时重复位置A到G。
[0072] 图14是供应到电极44以用于图13中示出的各个位置的电流波形242的曲线图240。因而，在图14中示出的电流波形242可与常规电流-时间波形区分开，因为电流波形242示出了供应到电极44的电流作为时间的函数，并且所述电流也作为径向运动图案中电极44的位置的函数。还应当理解的是，在某些实施例中，电流波形242还可以是电极44的轴向运动的函数，如本文所描述的。在位置A处，电流波形242在接近焊接熔池74之前处于高位值244。随着电极44在位置B处靠近焊接熔池74，电流波形242下降以使得在位置C处，在电极44进入焊接熔池74之前，电流波形242处于低位值246。当电极44在位置C(例如，当电极44开始与焊接熔池74接触时)和位置D中时电流波形242处于低位值246，这两个位置对应于当在电极44和工件14之间存在短路的时间。当电极44离开(例如，清除)焊接熔池74时，电流波形242在位置E处处于低位值246。当电极44在位置F处时，控制电路控制电流波形242到高位值244，从而形成另一个球232。当电极44进入和离开(例如，清除)焊接熔池74时控制电流波形242到低位值246，则焊接熔池74可减少溅出物和/或可减少焊接缺陷。图15示出了圆形运动图案
248并且图16示出了横向接合运动图案250。在图13和图14中所描述的短路过渡工艺期间电极44的相应位置示出于运动图案248和运动图案250中。在一些实施例中，可至少部分地基于电极在期望的图案中的位置来改变电极44的极性。例如，电极44当在位置A、B和C时可具有第一极性(例如，正极性或者负极性)，电极在位置D处可反转极性，并且当在位置E、F和G时具有相反的第二极性(例如，负极性或者正极性)。这使得极性(例如，零电压交越)在短路期间能够反转。在一些实施例中，相较于改变其它位置处的极性，在位置D处改变极性可增强对到电极或工件的热量输入的控制和/或可提供增强的交流电工艺稳定性。
248并且图16示出了横向接合运动图案250。在图13和图14中所描述的短路过渡工艺期间电极44的相应位置示出于运动图案248和运动图案250中。在一些实施例中，可至少部分地基于电极在期望的图案中的位置来改变电极44的极性。例如，电极44当在位置A、B和C时可具有第一极性(例如，正极性或者负极性)，电极在位置D处可反转极性，并且当在位置E、F和G时具有相反的第二极性(例如，负极性或者正极性)。这使得极性(例如，零电压交越)在短路期间能够反转。在一些实施例中，相较于改变其它位置处的极性，在位置D处改变极性可增强对到电极或工件的热量输入的控制和/或可提供增强的交流电工艺稳定性。
[0073] 现在返回图14，应当指出的是，虽然示出了电流波形242，但是可以根据如图13所示的相对于焊接熔池的不同(例如，外周)位置(例如，A、B、C、D、E、F和G)来修改焊接工艺的其它参数。举例来说，可基于电极44的位置(例如，A、B、C、D、E、F以及G)来修改电压波形、送丝速度、z位置(例如，电极沿着在图13中示出的轴线230的位置，举例来说，靠近或者远离焊接熔池74)，以及关于焊接工艺的其它参数。换句话说，任何影响焊接工艺性能的参数可以被自动调节，并且实际上与电极44的振荡同步，以便在焊接熔池74内的不同位置(在前沿或后沿处，靠近壁，靠近中心线等等)处实现焊缝的不同的期望的特性(例如，通过电弧进行的或多或少的熔深、或多或少的填充、或多或少的“挖掘”或者“气刨”或者碱熔，等等)。
[0074] 实际上，即使是根据图13至图16所示出和描述的位置(例如，A、B、C、D、E、F以及G)也仅仅为示例性的并且并非旨在为限制性的。举例来说，虽然一般在图13中示出为适用于对焊接头，但是其它类型的焊接接头(例如，T型接头、搭接接头、角接接头、边缘接头等等)也可利用本文所描述的技术，并且随着电极44振荡，每种类型的焊接接头的焊接参数的变化可以是不同的。因而，在图13中示出的位置(例如，A、B、C、D、E、F以及G)对于例如T形焊接接头可以完全是不同的。作为实例，在其中T形圆角具有在约6mm至15mm之间的相对较大焊脚长度的特定应用中，必须从电极44沉积相对大量的填充金属。因而，需要相对较高的电流和高温，所述相对较高的电流和高温可形成在其它情况下倾向于气刨待焊接的板材的电弧力。在这种情况下，可能较难以相对较高的速度和高焊接强度来形成美观的焊缝。通常，在此情况下，需要更强的熔深组合更多的填充。更具体地说，所挖掘的孔隙需要回填。
[0075] 使用本文所描述的技术，挖掘阶段和填充阶段可分开并且相应地被控制以避免被电弧咬边或者融掉未填充的基体金属。图22是正在丁字接头316上形成的焊缝314的示意图。例如，当电极44紧挨着壁318(例如，类似于位置320)时，系统处于挖掘阶段，但是流体必须回填孔隙。因而，当电极44靠近壁318时可减少热量。相反地，当电极44靠近焊根(例如，焊道的背侧或前侧，类似于位置322)时可增大热量以使得焊根被融化。当在焊接熔池74的背侧(例如，后侧)中时，可施加更多的热量，而不会在侧壁318中热挖掘出沟槽。此种类型的控制将填充(例如，熔化焊丝)和熔深(例如，加热、捕获焊根等等)分开。可在位置322处施加强电流以熔化焊丝，并且此过程可在任一点处检测。随后，在垂直壁318a处可发生脱离以填充孔隙(例如，通过减少电弧电流，但是喷射液体，因为在熔融阶段期间已经形成了适量的液体)。应指出的是，在垂直壁318a处往往发生咬边。在某些情况中，可在垂直壁318a处脱离出两滴熔滴，而在底壁318b处仅脱离出一滴熔滴。当以更高的速度焊接时，焊道趋向于在底壁318b上卷起。当电极44移动到底壁318b上的位置320b时可施加更多的热量，以使得可发生更多的熔湿来防止焊道卷起。通常，当在焊道的前(前沿)侧处时需要具有足够的热量来捕获焊根，并且需要具有相对较高疲劳强度的凹形熔化物(再次，通过影响熔滴分配)，从而产生相对较大的焊趾半径和优良的疲劳强度。
[0076] 通常，在某些实施例中，可将附加热量沿着焊接路径施加到焊接熔池前方的位置，以便预热焊根并且确保焊根处的焊缝熔深。此外，在某些实施例中，可将附加的热量施加到t形圆角接头的底壁318b(即，水平构件)上的位置320b处，以促进熔湿并且防止在底壁318b上的翻转的焊道分布(roll-over bead profile)。此外，可施加较少量的附加热量到t形圆角接头的垂直壁318a(即，垂直构件)上的位置320a，以避免由于电弧气刨效果造成的咬边，并且将增多量的来自电极44的材料过渡到垂直壁318a上的位置320a以覆盖或者替代被电弧去除的工件金属，并且由此避免垂直壁318a上的咬边。
[0077] 此外，虽然在图14中示出为在振荡循环(例如，A到G)之间为周期性的(例如，相同性质的重复)，但是在其它实施例中，基于这些位置自动控制的焊接参数(例如，作为非限制性实例的图14的电流波形242)可能不是以周期性方式重复的。更确切地说，在振荡循环的任何给定位置之间可存在特定焊接参数的变化。例如，使用图14中示出的电流波形242，而非在两个位置A处处于相同的电流，相较于A的第一个例子(即，在所示出的第一振荡循环期间)处的电流，在A的第二个例子(即，在所示出的第二振荡循环期间)处的电流可略微减小。振荡循环之间的此类变化可使得能够随着焊缝沿着焊接接头前进而自适应控制所产生的焊接熔池74。
[0078] 在一些实施例中，焊接熔池74上的力可在焊接熔池74中形成波纹，所述波纹至少部分地为流体。焊接熔池74上的力包括但不限于：熔融球232的加入、电极44的运动、电弧、保护气体、重力以及工件的运动。当电极44至少部分地基于径向运动速率而进出焊接熔池74时，有节奏的波纹或者波浪可形成于焊接熔池74的表面239上。在一些实施例中，电极44的运动可与焊接熔池74的有节奏的波纹同步，以使得电极44以有规律的时间间隔进出焊接熔池74，从而以有规律的时间间隔形成短路。相应地，控制电路28可基于有规律的短路时间间隔而非其它因素来控制短路过渡工艺中的电极44和电流波形242，从而预报或者预测何时将发生短路。在一些实施例中，电极44相对于焊接熔池74的有节奏的运动可降低将材料从电极44过渡到焊接熔池74中的重力、表面张力或者电收缩力中的一种或多种的效果。
[0079] 控制电路28可将电极44的运动图案和/或径向运动速率与焊接参数同步，以使得在运动图案的期望的位置处将期望的的焊接参数集合供应到电极44。焊接参数可包括但不限于：供应到电极44的焊接电流，供应到电极44的焊接电压，送丝速度，行进速度，以及电极44的径向运动速率。图17示出了控制电极44以使电极44的运动图案与期望的焊接参数同步的方法251的一个实施例。控制电路28接收(方框252)运动图案，所述运动图案可包括圆形、椭圆形、之字形，或者如上所述的其它运动图案。在一些实施例中，运动图案至少部分地基于工件，接头装配，或者经由操作员界面的操作员输入。运动图案可以是电极相对于工件的一系列位置P0-N。
[0080] 控制电路28接收(方框254)对应于运动图案的每一位置的同步设置。同步设置可包括但不限于：各个位置之间的径向运动速率(f0-N)，各个位置处的焊接电力(I0-N，V0-N)，以及各个位置处的送丝速度。因此，控制电路28可使焊接参数与运动图案同步，以使得一组焊接参数对应于一系列位置P0-N中的每一个位置。在一些实施例中，可以经由耦接到运动控制组件62的电动机66的编码器、耦接到接触元件60的位置传感器或者耦接到接触元件60的线性差动变压器(LVDT)来确定电极44的位置。另外或者作为替代，可利用控制接触元件60和电极44的运动的命令脉冲步骤来确定电极44的位置。可基于计数器选择各个位置的焊接参数，在开始焊接工艺之前，所述计数器被控制电路28重置(方框256)。
[0081] 控制电路28供应(方框258)焊接电力到电极44并且在位置Px处触发(方框260)在电极44和工件之间的电弧。控制电路28可以将送丝速度和行进速度控制成与位置Px相对应的相应值。在一些位置Px处，相应的焊接参数使得材料从电极44脱离(方框262)。如上文所论述，虽然材料可在位置Px处脱离，但是材料可由于电极44的径向运动速率而在不同的位置处沉积于工件上。控制电路28控制运动控制组件62以在径向运动速率fx下将电极从Px移动(方框264)到Px+1。如果计数器值指示运动图案结束(节点266)，那么控制电路28通过重置(方框256)计数器来重新开始(方框268)运动图案。如可理解的，虽然运动图案可重复，但是控制电路28控制运动控制组件62在行进速度下沿着接头移动电极44，以使得重复的运动图案沿着接头在不同位置处沉积材料。如果计数器值小于运动图案结束时的值，则控制电路28使计数器跳到(方框270)下一个值。控制电路28随后针对运动图案的各个增量位置来重复方框258-264，直到运动图案结束或者操作员/机器人停止焊接。
[0082] 控制电路28可使电极44的运动图案与焊接参数同步，以将材料沉积在接头中的期望的位置。如上文所论述，图10和图11示出其中焊接电流与径向运动速率和运动图案同步以使得材料沉积在位置210、212或者216处，而不是焊接熔池74前部的实施例。在一些实施例中，控制电路28控制焊接参数以使得在沿着运动图案的径向运动的每一次循环中材料在一个或多个位置(例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，或者更多位置)处过渡到焊接熔池。在一些实施例中，控制电路28可使电极44的径向运动速率与送丝速度和/或焊接电流同步，从而减少溅出物。例如，当送丝速度和/或焊接电流增大时，控制电路28可降低径向运动速率。
[0083] 除了先前实例以外，已经发现使用具有上文论述的金属芯焊丝的DCEN焊接程序以及电弧的机械运动可提供特别好的结果，并且在某些类型的工件(或者基板材料)上可甚至更富有吸引力。例如，上文所提及的 X-CelTM焊丝尤其非常适合于减少溅出物，与此同时增强焊接金属熔湿(避免过度“冠状的”焊道)。此外，使用DCEN工艺以及电弧运动和这种焊丝结合可以减少过热。这种结合对于电镀板材焊接(例如，自动化应用)、镀膜或喷涂材料焊接和薄钢板焊接(例如，在家具制造时)等是特别有益的。
[0084] 目前据信适用于这些应用的焊丝(一般对应于提及的X-CelTM焊丝)的特征是能够使电弧稳定化(产生具有减少的溅出物的稳定电弧)的成分。例如，此类稳定剂可包括钾和在焊接工艺期间贡献钾的化合物(例如钾长石、钛酸钾、钛酸锰钾、硫酸钾、碳酸钾、磷酸钾、钼酸钾、硝酸钾、氟硅酸钾以及含有钾的复合氧化化合物)。此外，石墨碳源和非石墨碳源可以通过升华为电弧柱并且通过提供更细小液滴的金属过渡来提供稳定性。对现有焊丝(例如，所提及的那些焊丝)可能的修改可包括来自上述任何其它或更多来源的钾，以及合适的碳源，例如含有铁和/或合金粉末的石墨或碳。
[0085] 在一些实施例中，可利用按照运动图案移动电极44的焊接工艺来用填充材料(例如，自耗电极)镀覆工件。可利用MIG焊接和TIG焊接来镀覆工件。填充材料可包括但不限于：不锈钢、铬镍铁合金(inconel alloy)、镍基钛合金，以及其它抗蚀材料。据信电极44的径向运动(例如，围绕中心轴的振荡)可减少由电弧施加到工件14的热量，从而减少工件14的熔融部分对填充材料的稀释。在一些实施例中，电极44的径向运动以及电弧可搅动焊接熔池
74，从而增加对工件14上的复合镀覆材料的混合。
74，从而增加对工件14上的复合镀覆材料的混合。
[0086] 电极44的运动图案(例如，圆形、椭圆形、往复线)可使电极44在先前过渡的焊道90的部分(例如，焊接熔池74)上方移动。在一些实施例中，来自电极44的电弧96再加热焊道90并且使其退火。根据电极44的运动图案的再加热可使过渡材料的颗粒细化并且改变所述颗粒的定向，从而影响焊道90冷却和凝固后的微观结构和机械性能。举例来说，再加热焊道90可增大焊道90的抗冲击力。
[0087] 关于涉及的特定DCEN工艺，这些工艺通常将以至少部分地基于以下项来选择的电流和电压来执行：电极直径、电极延伸部(例如，导电嘴到板材)、焊接位置、工件或底板的类型和直径、行进速度和沉积速率、送丝速度等。举例来说，在21伏特至30伏特的范围内的电压可以是合适的，其中电流在150安培至450安培的范围内。此外，关于保护气体，据信适当的气体混合物包括氩气和二氧化碳，具有最少75％的氩气并且最多95％的氩气(尽管其它的量和组合也可以满足条件，例如，98％的氩气和2％的氧气)。再者，设想所选择的DCEN极性可以包括非脉冲电流和脉冲电流。
[0088] 在目前设想的实施例中，在焊接期间可以改变上述类型的焊接系统的各种参数以适应检测到的各种装配问题。举例来说，如图18所示，随着焊接进行，焊炬喷嘴112和电极在沿着预定的焊缝线116行进的同时留下前进的焊道114。如图所示，焊缝的线会遇到间隙或装配问题，一般如附图标记118所示。焊缝线由于初始自旋几何形状120、行进速度122和送丝速度124而产生。取决于如工件材料、焊丝电极的类型和大小等的此类因素可以利用任何合适的参数。一般而言，还应当指出的是“自旋几何形状”可以包括各种因素，包括电极端头的运动直径或半径、运动图案等。所采用的这些初始参数一起形成了具有足以避免成品焊接件中的缺陷的宽度和熔深的焊道。随后可以以多种方式改变这些初始参数，以补偿装配方面的问题，例如在工件之间遇到的间隙。因为装配可沿着焊接路径变化，所以焊接参数可需要被调节成足以避免焊缝中的缺陷的新组合。如图18中的部分剖视图所示，这些新参数可以包括随着焊炬靠近装配处而被调节的第二自旋几何形状126(例如，电极端头的不同的运动直径或半径)、第二行进速度128和第二送丝速度130，这些新参数直接与由间隙(装配参数)118所施加的测量约束有关。
[0089] 如图19所示，在示例性应用中，焊接机器人132沿着焊缝线移动焊炬24。如可理解的，一些实施例相对于由固定的自动化系统操作的焊炬24来移动工件。摄像机/检测装置134负责沿着焊接路径监测装配的任何变化，该摄像机/检测装置经由机械底座136附接至焊炬，从而允许检测装置随着焊炬一起移动。所述装置以这样的方式被定位：允许其检查在焊炬正前方的工件86和88之间的装配。此信息(可以是像素化图像的形式)允许成像系统/间隙检测部件138记录焊缝线与间隙118之间的参数变化。这可以例如通过检测表示形成的间隙(或者反之，表示更近的接合件)的空白或像素来完成。此信息随后被发送到参数计算部件140，所述参数计算部件确定哪个初始焊接参数(如果存在的话)需要进行调节，以便使用足量的材料正确地填充间隙。另外，或者作为替代，可以通过监测(例如，经由控制电路)焊接参数的变化来检测装配变化，所述焊接参数包括但不限于焊接电流、焊接电压，或者导电嘴到工件距离中的一个或多个。通过合适的计算、查找表或任何其它期望的算法可以执行合适的参数调节的确定。此类表格可以例如调用各种装配或间隙参数(例如，大小或距离)，并且使这些参数与适合于特定装配的送丝速度、焊炬和/或工件的行进速度、电力、电极自旋等联系起来。举例来说，此组件可以确定对于间隙所需的新的自旋几何形状应当是更大或更小，或者是具有不同的形状，这需要改变电极移动的方式。此外，可以确定行进速度可保持为与此前相同和/或送丝速度应当增大/减小。与此同时，可以确定还应当调节给电极的电荷。在此时，根据所述确定来调节这些参数，并且焊炬继续朝着间隙前进。应该指出的是，当将要调节参数以适应装配变化时，这些参数一般由所涉及的合适的系统部件进行控制。举例来说，通过电源或电源供应器调节焊接电力的变化。通过送丝装置进行送丝速度的改变。在自动化应用中，通过移动焊炬的机器人来调节行进速度的变化。由焊炬内移动焊接电极的机构来实施自旋几何形状的改变。本领域中的技术人员将容易理解这些装置可以被设计成在焊接操作期间实施改变的参数。
[0090] 根据需要检测间隙并且改变焊接参数的能力总结于图20中，图20为示出由系统部件采用的示例性控制逻辑142来处理装配变化(例如工件之间的间隙)的方法流程图。随着焊炬和电极靠近间隙，焊炬和电极以它们的初始旋转几何形状、行进速度、送丝速度和施加到电极的焊接电力开始执行所述方法，如步骤144所指示。检测装置随后通过成像来检测并测量装配，如步骤146所指示，而相关信息用于确定是否应当改变参数，如步骤148所指示。如果焊缝线的路径没有证明要改变初始参数，那么焊炬以相同的几何形状、行进速度、送丝速度和施加到电极的焊接电力继续操作并沿着焊缝线前进。在这种情况下，检测装置仅仅继续检测装配，返回到步骤146。在所述控制确定应当改变初始参数的情况中，控制逻辑前进以计算这些变化或经由查找表获得图表，如步骤150所指示。在这里，可以调节例如自旋几何形状、焊炬和/或工件的行进速度、焊丝的送丝速度和焊接电力这些参数中的一个或其任意组合，以便跨间隙将工件充分地焊接在一起。在作出所述确定之后，根据计算/查找表调节合适的参数，如步骤152所指示，并且焊炬继续焊接，如步骤154所指示。在间隙上方焊接之后，或者更一般地在实施新的参数之后，控制逻辑返回到步骤144，在此步骤中控制逻辑继续监测装配(步骤146)并确定是否应当改变焊接参数(步骤148)的过程。应该指出的是，如果装配在焊接期间改善，例如随后间隙闭合，那么同一个逻辑可允许焊接系统参数的类似变化以反映改善的装配。
[0091] 控制电路28可控制焊炬24的运动和/或电极44的运动，以在接头58中形成焊道72。如上文所论述，控制电路28可以检测装配状况并且控制焊接系统10，以使得能够形成期望的焊道72而不论所检测的状况如何。举例来说，控制电路28可以使得焊接系统10能够形成基本上均匀的焊道而无论装配间隙的变化和/或工件的高低状况(例如，槽式接头、对接接头等等)如何。在一些实施例中，控制电路28可以通过调节电极的期望的图案来补偿接头58的装配变化(例如，高低状况、装配间隙的变化)。举例来说，控制电路28可以调节：期望的图案的几何形状(例如，径向形状、轴向形状)，焊接电极在期望的图案中的径向运动速率，或者焊接电极在期望的图案中的轴向运动速率或者位置，以及它们的任意组合。另外，或者作为替代，控制电路可以调节焊接系统的参数，例如过渡工艺、焊接输出极性、焊接输出电力、焊炬的行进速度、焊炬角度，或者焊炬的行进角度，或者它们的任意组合。
[0092] 如上文关于图3和图4所描述的，运动控制组件62的各种机械特征结构可用于在大致垂直于(将轻微的振荡运动考虑在内)电极44的轴线的平面的两个维度302、306上产生电极44的径向振荡。如上所述的机械特征结构仅为示例性的并且并非旨在限制可用于产生这些振荡的任何机械手段的范围。举例来说，在某些实施例中，可使用类似于焊丝矫直器的机械特征结构来产生振荡。图21A示出焊丝矫直器组件324的侧视图。如图所示，通常，焊丝矫直器组件324包括进给焊丝导向件326、输出焊丝导向件328、两个上部辊330、一个下部辊332，以及压力调整把手334。通常，穿过进给焊丝导向件326和输出焊丝导向件328来进给焊丝334，并且所述焊丝334在这两个导向件326、328之间为矫直的，以使得所述焊丝334横穿大致直线的路径离开输出焊丝导向件328。具体地，辊330、332作用于焊丝334以确保焊丝
334横穿大致直线的路径离开输出焊丝导向件328。压力调整把手336可用于调节焊丝334上的压力。
334横穿大致直线的路径离开输出焊丝导向件328。压力调整把手336可用于调节焊丝334上的压力。
[0093] 在本发明的上下文中，如图21B所示，代替确保焊丝334以大致直线的方式(例如，平行于进给焊丝导向件326和输出焊丝导向件328的轴线338)离开输出焊丝导向件328，可以替代地用自动化压力调整系统340(即，代替手动的压力调整把手336)来操纵辊330、332，以使得焊丝334具有给定的曲率(即，不再大致平行于进给焊丝导向件326和输出焊丝导向件328的轴线338而横穿)离开输出焊丝导向件328。应理解的是，虽然在图21B中示出了包括用于引起焊丝334以垂直于进给焊丝导向件326和输出焊丝导向件328的轴线338的第一维度342离开输出焊丝导向件328的弯曲的机构，但是类似的附加机构可用于引起焊丝334以垂直于进给焊丝导向件326和输出焊丝导向件328的轴线338的第二维度344离开输出焊丝导向件328的弯曲。应理解的是，离开输出焊丝导向件328的焊丝334的弯曲产生了如上文相对于图3和图4所描述的径向振荡。换句话说，图21B的焊丝矫直器组件324(经修改已造成焊丝334在两个维度342、344中弯曲)可构成如上所述的运动控制组件62的至少一部分。
[0094] 虽然如上所述的实施例论述了利用自耗电极(例如，金属芯焊丝、药芯焊丝、实心焊丝或者管状焊丝)的焊接工艺，但是利用非自耗电极(例如，钨电极)的焊炬也可移动和/或旋转。如同自耗电极一样，根据运动图案的非消耗电极的运动可移动电弧。移动的电弧影响过渡到工件的热量的量。在一些实施例中，非自耗电极的径向运动可改善焊道到接头的侧壁中的融合。如可理解的，可利用自动化系统在移动和/或旋转非自耗电极时将填充材料进给到接头中。
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