电弧焊

本发明涉及一种电弧焊，特别是有关用于熔化焊接填料和将熔化的填料喷送并焊合到金属工件上的方法与设备。这种方法与设备可提高生产工艺的效率，并改善冶金学效果。

在美国和其它地方，多种不同的气体金属弧焊(GMAW)工艺被广泛应用于焊接冷轧钢材、不锈钢、铝、镍、铜、钛、钴以及它们的合金。这些工艺通常利用一种成分均匀的惰性或不完全活性的气体对熔融的焊接填料和工件上与填料相邻的焊接处进行防护，使之基本上不受环境中氧和氮的影响。这些工艺在许多已知的焊接应用中是令人满意的。然而，人们发现已知的气体金属弧焊(GMAW)工艺在焊接特殊金属时经常得不到满意的效果。这主要包括某些航空工业用镍基超耐热合金。这类合金通常是难焊接的，并且有时在焊缝附近易于使金属结构破坏或产生微裂纹。人们还发现，气体金属弧焊工艺在焊接比较薄的金属板材，小型高精度金属部件和在焊接金属工件上不易接近的部位时效果都不令人满意。

我们发现应用本发明的方法和设备可以克服现有技术的GMAW工艺带来的加工缺陷和冶金学缺陷。根据对下述附图，详细说明和权利要求书的研究，本发明的其它优点将变得更加明显。

本发明主要涉及一种如下的方法。在这种方法中，一种独特的高频焊接电流通入连续进给的焊丝电极和将被焊接在一起的金属焊件。这种焊接电流由连续脉冲组组成。该脉冲组是极接近的方形波。这种单脉冲焊接电流使得进给中的焊丝上的填料熔化、喷送和焊接到将被焊接的金属部件，这一过程只消耗极少的能量，因此熔深很小，不会在将要焊接在一起的金属部件中产生多余的热量。

这种独特的电弧焊电流进一步的特点是：它的方形波是由一系统交变的极为稳定的高频、高幅电脉冲组和高频、低幅电脉冲组组成的。高频、高幅电脉冲组的脉冲持续时间较短；而高频、低幅电脉冲组的脉冲持续时间大大长于高频、高幅电脉冲组的脉冲持续时间。高幅及低幅焊接脉冲组即焊接电流的波形脉冲的持续时间的峰值电流作为检测出来的焊弧电压/电流状态变化的函数，在某些应用中可以随时方便地调整。焊接电流方形波高幅和低幅脉冲组的重复频率及这种脉冲组的电流幅值也同样可以作为被检测的电弧条件变化的函数随时方便地调整。在本发明的特殊应用中，为获得效率和效果最佳的方法，本发明对于特殊的脉冲焊接电流的特性进行了优选。这些特性与方形波电流脉冲组的上升/下降速率，方形波脉冲组重复频率的范围以及电流脉冲组脉冲振幅范围有关。

从设备角度来说，本发明主要涉及一个新型的焊接系统电源设备。该设备有一个高频电源调节部件，它可在稳定电压工作状态下产生所需的单脉冲焊接电流。该稳定电压的工作状态与连续进给或送向加工的金属工件的焊丝填料电极相一致。考虑到需要对方形波焊接电流参数进行可控的改变或变换，该设备的高频电压调节部件包括具有控制回路的线路。这个线路用于检测系统中电弧电压/电流状态的变化。回路产生的反馈信号被用来改变实际上通过焊丝填料和工件的焊接电流的波形脉冲组的振幅和脉冲组的持续时间(电流波形脉冲组的宽度)。这使得脉冲焊接电流随着检测到的焊弧电压/电流的变化而作相应的变化。

本发明的方法和设备在需要用较小的焊丝或直径尺寸较细的焊丝时特别有效，例如当进给的焊丝直径为大约0.005英寸到0.018英寸时。

本发明的其它细节将在附图及其说明和权利要求中阐明。附图中：图1是本发明电弧焊接系统的一个优选实施例的原理图；图2是由图1所示设备产生和使用的单脉冲焊接电流的焊接电流波形脉冲组的典型图例；图3所示为图1设备中电源装置的基本功能部分的原理图；图4是图3中电源装置的电源输入装置的一种形式的原理图；图5是图3中电源装置的高频电源调节器的电路原理图；图6是在图5中的电路工作时产生的电压和电流幅值的波形；图7是利用图1所示设备的焊枪组件的局部剖视俯视图；图8是图7中焊枪组件的局部剖视侧视图；图9是沿图7的9-9线截取的焊枪组件的剖视图，用以说明焊枪组件中焊丝驱动辊和驱动辊马达件的端部垂直位置关系。

如图1所示，焊接系统10是体现和利用本发明的优选的具体实施例。焊接系统10包括一个焊接过程控制装置12和一个协同操作的电源装置14。这样两个装置同一个焊枪组件16和一个金属工件18在电学上互相配合，焊丝20上熔化的焊接填料被转移到金属工件18上。焊丝20最初被绕在卷筒22上；并且通过与一对焊丝驱动辊24共同配合被输送过焊枪组件16。虽然图1中没有显示，但在焊接系统10中最好可以供给惰性气体，并使惰性气体流过焊枪组件16，从而在焊丝20末端熔化的地方和接近工件18焊接点的地方形成一种保护气氛，挡住大气中的氧和氮。

尽管在图1中没有显示，为了使系统10达到满意的人工控制效果，焊接过程控制装置12一般包括：各式操作人员控制或检测用的开关、状态指示灯、过程参数输入指令器件、过程参数特性状态仪和其它一些类似的常用器件，以及必要的内部线路。图中所示的输入电源是通常的商用交流电(例如，230伏特，60赫兹，单相公用电源)；也可用直流电源，例如一个普通蓄电池，作为系统10的输入电源。

通常，设备10的作用为：输出电流脉冲重复频率在大约20赫兹到5,000赫兹的范围内，目前绝大部分设备使用500赫兹到2,000赫兹更为适合。传输到工件18的输出的方形波焊接电流的最大幅值或峰值(高电平)可为0.1安培到2,000安培；然而，脉冲的高电平电流在大约200至500安培范围内更好。并且，设备10中脉冲电流在脉冲高电流和脉冲低电流之间切换时的上升/下降速率在10,000安培/秒到200,000安培/秒范围内较好，大约150,000安培/秒时更好。现在认为，这样的脉冲焊接电流只能通过图5所示的一个具有脉冲宽度调节能力的电源调节器28才能获得，而仅用通常的传统逆变型焊接电源是不行的。

此外，用于本发明实施例中的重复出现的电流脉冲组，其典型的脉冲组最大电压在大约8伏特(直流)到30伏特(直流)范围内。并且，注意到重要的一点，电源14是一个高频电源，其工作频率在大约从100,000赫兹到500,000赫兹范围内，以便获得良好的焊接电流方形波特性和满意的输出响应水平。由可获得的电源元器件来看，最好把电源14的工作频率定为250,000赫兹左右。

图2所示为脉冲电流的时间-振幅波形示意图，该脉冲电流由电源装置14发出，并导入和通过金属工件18和焊丝电极20。在图中所示的情况下，电流脉冲组的重复频率为1,000赫兹，因此，脉冲组的重复周期为1.0毫秒。所有脉冲组在高幅峰值电流和低幅电流之间的上升/下降时间最好不大于0.1毫秒，小至0.02毫秒更好。对于图2中前几个波形，焊接电流脉冲组的高峰幅度为大约300安培，低峰幅度为大约3安培。峰值幅度在全部脉冲组时间内是相对稳定的。脉冲电流的上升和下降速率达到大约150,000安培/秒，相应的脉冲上升和下降时间大大小于0.1毫秒，一般此过程的时间为0.02毫秒。图中显示的前几个波形电流脉冲组，每组的高幅电流峰值的全部持续时间大约是0.05毫秒，这样每个高幅电流脉冲除去0.02毫秒的上升时间和0.02毫秒的下降时间，其在高峰处停留的时间占脉冲组重复周期的5％。

继续参考图2，A所指的持续时间是焊接电流脉冲上升时间或上升持续时间，B所指持续时间是焊接电流在高幅时的持续时间，C所指的持续时间是焊接电流脉冲的下降时间或下降持续时间，D所指的持续时间是脉冲在焊接电流低幅时的持续时间。

应当注意到，图2中所示前面几个脉冲组中，高幅焊接电流脉冲组的幅值和低幅焊接电流脉冲组的幅值的比例大约为100∶1。对于本发明的实施例，我们认为这一比例通常在大约10∶1到500∶1的范围内较好，而在具体应用中其选择在很大程度上以所用的脉冲组重复频率为依据。并且，每个高幅电流脉冲组的持续时间或脉冲组宽度应小于每个低幅电流脉冲组的持续时间或脉冲组宽度的五分之一(20％)。在图2中所示前几个焊接电流脉冲组的情况下，每个高幅电流脉冲组的持续时间大约为每个低幅电流脉冲组的5％(1/20)。

图2还显示，由于电源14的作用对传导到工件的脉冲电流波形的脉冲的宽度和幅度进行调节，使脉冲组重复频率为1,000,000赫兹时的情况。图中另外四个波形被调节到在单个脉冲持续时间，相对稳定的峰值或最大电流幅度约为500安培，其持续时间为大约0.1毫秒，或1.0毫秒的脉冲重复周期的10％。这四个波形的低幅电流脉冲组的电流幅度大约为5安培，并且因此高幅和低幅之间的比例也是100∶1，同前面的波形一样。

并且，设备10还具有如下特点：它的脉冲切换响应(上升/下降)时间，焊接电流脉冲重复频率和波形的方形形状都与脉冲焊接电流的幅度无关。此外，根据可以获得的设备元器件，我们希望并能够在焊接电流脉冲的峰值持续时间内将其幅度值稳定在+/-0.25％的偏差范围内。

实施本发明所需要的用来产生和控制脉冲电流的设备，由图3到5示意地表示。图3所示为图1中的电源装置14，它主要由一个电源输入单元部分26和高频电源调节部分28组成。这两部分和焊接系统组件18至24协同工作。电源输入单元26既可以是交流电源也可以是直流电源。然而，图4所示为交流输入电源的情况。

如图4所示，输入电源单元部分26基本上是一个全波整流器电路，它由传统的变压器，整流二极管和电容器组成。变压器的电源输入电压可以是单相电压，例如，从通用230伏特，60赫兹，三相电源获得电压。

图5所示为高频电源调节部分28的一种优选形式的电路。如图中所示，设备部分28主要包括晶体管的高电流开关30和32，各自相应的开关驱动器34和36，以及协同工作的脉冲宽度调节器38和它的附件控制器40。脉冲宽度调节器38和控制器40的组合一般包括锯齿形波振荡器，误差信号放大器，脉冲宽度调节器，低阻抗驱动器和适用的逻辑支路。其部分作用相当于一个闭合控制回路，这个回路通过过程控制装置12接收由操作者输入的模拟输入参比电压或指令电压；并且还接收输入反馈信号，该反馈信号能反映出通入工件18和焊丝电极20的脉冲电流输出电压幅度和输出电流幅度的特征。电流幅度反馈信号是通过分流元件或霍尔器件52获得的。电压幅度反馈信号是工件18和焊丝电极20之间的焊弧电压的量度。

除了上述概述的电路外，高频电源调节器28还包括由线圈(电感)42和44、快速软恢复型续流二极管(fast，soft-recovery-type，free-wheeling diodes)46和48和电容器50组成的高频滤波支路。线圈42和44分别和相应的驱动器、开关、二极管以及电容线路的元件一起协同工作，作为对脉冲宽度调节器38和其协同控制装置40的控制的响应，它们各自形成某一个系统焊接电流脉冲的高电流幅度和低电流幅度。值得注意的是在脉冲宽度调节器/控制器38，40中的逻辑分路基本上是用来执行焊接过程控制的算法，并由此使得工艺中的高幅脉冲组电流幅度，低幅脉冲组电流幅度，高幅电流脉冲组持续时间，低幅电流脉冲组持续时间，电流脉冲组上升斜率以及电流脉冲组下降斜率作为对检测到的焊弧电压/电流变化得到显著的调节。并且，尽管图中未予表示，但给过程控制装置12输入的工艺焊丝进给速度参数也被用来作为一个参数输入给由控制器40的逻辑电路产生的算法控制。

在图6中，我们提供了典型的电压幅度和电流幅度波形E至I，这些波形由图5中的电路原理图的运行而产生。波形E和F是电压波形，而波形G到I是电流波形，每个波形在图5的电路中有其各自的参照点。

为了使焊接系统10获得最佳性能，特别是在涉及到使用小直径焊丝填料(例如，0.008英寸到0.015英寸直径的焊丝)的应用中，当连续进给的焊丝电极在焊弧中送进时，精密灵敏的控制其送进的速度是十分重要的。因此，我们提供了一个焊枪组件16或一个带有焊丝进给机构的设备。这个焊丝进给机构具有最小的运转动量和惯量，从而能使其对高频电源调节器28产生和控制的脉冲电流的响应达到最佳。焊枪装置16的零部件，包括改进的焊丝进给机构的零部件在内，由图7至图9表示。

在焊枪组件16中的新型焊丝进给机构是由一个单独驱动的夹紧的驱动辊60和62组成。驱动辊60和62分别连接在各自独立且非常小的驱动马达64和66的传动轴上。驱动马达64和66的转动由系统10的过程控制装置12控制。(见图1)。这对驱动马达64和66通常可从步进电机，交流(A.C.)电机和直流(D.C.)电机中选择。如果选用步进电机，其典型的总直径在0.5英寸到1.5英寸，通常标定转速为每进一步转1.8到7.5度，从而使其在操作时具有很低的转动惯量和动量。如果这对驱动马达64和66是直流马达，则其具有相同的总直径范围，并装有转速计与/或编码器反馈机构，用以精确控制所需的焊丝进给速度。另一方面，如果这对驱动马达64和66是交流马达，则它们具有相同的总直径范围，并装有霍尔效应器件，转速计与/或编码器反馈机构，用以精确控制所需的焊丝进给速度。

如图8，9所示，焊丝线20装在供给卡盘装置80上，通过辊60和62之间形成的辊缝，由辊子的摩擦力驱动，穿过导管件70和72提供的准直焊丝通道68。摩擦驱动辊60和62一般直径较小(例如，直径0.2英寸到0.5英寸)，并且，依据所用焊丝的类型，可用有机聚合物，硬质合金或钢/不锈钢材料制成。图8中驱动辊件60和62分别顺时针旋转和逆时针旋转，即焊丝20向前送进，并穿过可更换的焊嘴100。通常，设备10在应用小直径焊丝的情况下能够以大约10英寸/分钟到大约1,500英寸/分钟的进给速度将焊丝20向前送进。在焊枪装置16中采用了弹簧机构，可屈服地偏置驱动辊60和62(以及它们各自的驱动马达64和66)，以便使它们相互啮合，这一点图中没有画出。

这里所描述的电弧焊方法和焊接设备在下列应用中是特别有益的，即，用于对薄金属板材料(例如，厚度小到0.008英寸)的焊接，以避免出现熔洞；用于对厚度超过1/16英寸的金属板材料的焊接，使焊接熔深减至最小程度；用于在焊接时使焊接造成的热影响区域减至最小，从而将金属结构破坏的程度减至最低；和用于在焊接过程中，例如在焊接用来制造燃气轮机的高温镍基和钴基超耐热合金时，将朝着热影响区出现微裂纹的倾向降到最小程度。此外，本发明的方法和设备在焊接小并且相对较薄的金属部件时具有很多优点，不会伴随有弯曲或物理变型；并且在将一些不同的金属材料焊接在一起时非常方便，这些金属材料包括下列金属及其合金：铜、钢、不锈钢、银、镍和钴。

举例来说：利用本申请所揭示的方法和设备，通过适当的金相显微镜检测确定的结果表明，采用标准焊丝直径在0.005至0.018英寸范围内的焊丝电极，我们可以把焊接时从熔融的金属到未受影响的基底金属之间的热影响区深度限制在0.015英寸以下。

对上述工艺步骤、设备、零部件及材料可做各种改动，但仍属于我们所提出的本发明的权利要求的范围。