用于在焊接期間調(diào)制熱量輸入的設(shè)備和方法
【專利摘要】系統(tǒng)和方法被提供，其中焊接系統(tǒng)(100)通過在高熱量輸入焊接波形部分(210)和低熱量輸入焊接波形部分(220)之間改變來在焊接期間調(diào)制到焊接接頭中的熱量輸入。系統(tǒng)(100)可以利用所檢測到的焊接接頭幾何結(jié)構(gòu)和厚度來變化高熱量和低熱量波形部分(210,220)的利用，以在焊接期間改變焊道輪廓。附加地，焊絲送進速度隨著焊接波形(200)的高熱量輸入和低熱量輸入部分之間的改變而改變。
【專利說明】用于在焊接期間調(diào)制熱量輸入的設(shè)備和方法
[0001] 發(fā)明背景 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 與本發(fā)明一致的裝置、系統(tǒng)和方法涉及焊接，并且更具體地涉及用于在焊接時調(diào) 制到焊縫中的熱量輸入的裝置、系統(tǒng)和方法。
[0003] 通討引用并入
[0004] 本發(fā)明一般地涉及在焊接期間對控制的改進以及對熱量輸入的調(diào)制。美國專利 No. 4, 972, 064和No. 6, 215, 100,其全部公開的內(nèi)容通過引用被全部并入本文。
[0005] 相關(guān)摶術(shù)描沭
[0006] -般已知的是，到焊縫中的熱量輸入是重要的考慮因素。通常確定最大熱量輸入 水平，并且隨后針對焊縫來選擇合適的焊接波形和參數(shù)。然而，在焊接期間改變這些參數(shù)或 熱量輸入是困難的。附加地，在焊接期間使焊接工藝適應(yīng)不同的間隙寬度是困難的。從而， 需要解決這些關(guān)注問題的改進的焊接方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的示例性實施方案是焊接的系統(tǒng)和方法，其中焊接電源供應(yīng)器將電流焊接 波形提供到焊條，并且焊絲送進器通過所述電源供應(yīng)器將焊條提供到要被焊接的至少一個 工件。電流焊接波形具有第一波形部分和第二波形部分，所述第一波形部分具有第一電流 輪廓，所述第二波形部分具有第二電流輪廓，使得第一電流輪廓不同于第二電流輪廓。進一 步地，第一波形部分在焊接期間提供高于第二波形部分的熱量輸入，并且焊絲送進器在第 一波形部分期間以第一焊絲送進速度并且在第二波形部分期間以第二焊絲送進速度提供 焊條。第一焊絲送進速度不同于第二焊絲送進速度。本發(fā)明的進一步實施方案和特征從隨 后的說明書、附圖和權(quán)利要求書是可推斷的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 通過參照附圖詳細描述本發(fā)明的示例性實施方案，本發(fā)明的上述和/或其他方面 將會更加明顯，在所述附圖中：
[0009] 圖1圖示說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的基本焊接系統(tǒng)的圖示表征；
[0010] 圖2圖示說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案的焊接波形的圖示表征；
[0011] 圖3圖示說明本發(fā)明的另一示例性焊接系統(tǒng)的圖示表征；
[0012] 圖4圖示說明以本發(fā)明的實施方案來執(zhí)行的示例性焊縫的圖示表征，并且圖4A是 示例性焊接接頭的代表性截面；以及
[0013] 圖5圖示說明與焊絲送進速度圖相結(jié)合的根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方案生成的 進一步的焊接波形的圖示表征。

【具體實施方式】
[0014] 現(xiàn)在將在下面通過參照附圖描述本發(fā)明的示例性實施方案。所描述的示例性實施 方案意圖幫助理解本發(fā)明，而不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。相似的參考編號在通 篇中涉及相似的要素。
[0015] 現(xiàn)在參照附圖，其中示出的內(nèi)容僅是出于圖示說明本發(fā)明的實施方案的目的而不 是出于限制本發(fā)明的實施方案的目的。圖1圖示說明具有焊接電源供應(yīng)器101的焊接系統(tǒng) 100,所述焊接電源供應(yīng)器101提供要被用來焊接工件W的焊接電流。焊接電源供應(yīng)器101 可以是能夠產(chǎn)生不同的焊接波形輪廓并且能夠以DC+和DC-兩個狀態(tài)進行焊接的任何已知 的類型。進一步地，焊接電源供應(yīng)器的示例性實施方案是這樣類型的電源供應(yīng)器，所述電源 供應(yīng)器能夠產(chǎn)生脈沖類型焊接、短電弧和/或表面張力過渡類型焊接波形。這樣的焊接電 源供應(yīng)器的實施例是由美國俄亥俄州克利夫蘭市的林肯電氣公司制造的PowerWave?。當 然，本發(fā)明的實施方案不限于該實施例。如在示例性實施方案中所示出的，電源供應(yīng)器101 的第一端子經(jīng)由引線111耦合到工件W，并且第二端子被耦合到焊絲送進器103,所述焊絲 送進器103將焊接波形和焊條105提供到導電嘴107,以用于焊接。這樣的配置一般地是已 知的并且不需要來詳細描述。進一步地，電源供應(yīng)器101經(jīng)由數(shù)據(jù)通信鏈路113 (其可以是 有線的或無線的）耦合到焊絲送進器103,以使電源供應(yīng)器101可以在焊接期間控制焊絲 送進器103。如此一來，在本發(fā)明的示例性實施方案中，電源供應(yīng)器101包含計算機似的裝 置，以使電源供應(yīng)器101不僅控制它自己的操作，而且控制焊絲送進器的操作。同樣，這樣 類型的控制一般地是已知的。
[0016] 在本發(fā)明的示例性實施方案中，焊絲送進器103具有這樣的類型，所述類型可以 響應(yīng)于來自電源供應(yīng)器101的命令信號迅速地改變焊條105的焊絲送進速度。
[0017] 在焊接期間，圖1所示的示例性系統(tǒng)能夠在焊接工藝期間基于所期望的焊接參 數(shù)來在兩個不同的焊接波形類型之間改變。例如，在許多焊接應(yīng)用中，能夠從高熱量輸入 焊接操作（例如，脈沖或噴射（spray)脈沖焊接或噴射過渡、正極性、高焊絲送進速度過 程）改變到低熱量焊接操作（例如，短電弧、表面張力過渡、冷金屬過渡、負極性、低焊絲送 進速度過程）是合乎期望的。這可以由于改變工件或焊縫間隙幾何結(jié)構(gòu)或者要提供針步 (stitched)類型焊接接頭的緣故而為合乎期望的。本發(fā)明的實施方案能夠在焊接工藝期間 提供這種靈活性。
[0018] 在本發(fā)明的示例性實施方案中，系統(tǒng)100將第一焊接波形提供到焊條105,以用于 焊接。該第一焊接波形是高熱量輸入焊接波形，例如脈沖波形，所述脈沖波形在焊接期間利 用電流脈沖來將熔滴從焊條105轉(zhuǎn)移到工件W。在該焊接工藝期間，焊條105由焊絲送進 器103以適合于焊接操作進行的第一焊絲送進速度來送進。附加地，該第一焊接波形具有 第一極性，并且因為它是高熱量輸入波形，該極性通常是正的。在焊接期間，出于各種理由， 即時（onthefly)切換到低熱量輸入焊接工藝可以是合乎期望的。本發(fā)明的實施方案允 許這種情況發(fā)生。
[0019] 在焊接期間，電源供應(yīng)器101 (或任何其他類型的系統(tǒng)控制器）確定需要從高熱量 輸入焊接工藝切換到低熱量輸入焊接工藝。因此，在焊接期間，電源供應(yīng)器從第一焊接波形 切換到第二焊接波形，所述第二焊接波形是低熱量焊接波形。這樣的低熱量焊接波形的實 施例包括冷金屬過渡、短電弧、短路以及表面張力過渡焊接。在合適的時間，電源供應(yīng)器101 從第一焊接波形切換到具有不同的電流輪廓的第二焊接波形，并且這將在下面來進一步描 述。另外，電源供應(yīng)器101導致焊絲送進器103在第二焊接工藝期間將焊絲送進速度改變到 不同的焊絲送進速度。因為它是較低的熱量輸入工藝，在第二焊接工藝中焊絲送進速度是 較慢的。另外，在本發(fā)明的示例性實施方案中，（針對低熱量工藝的）第二焊接波形具有與 第一焊接波形相反的極性。例如，如果第一焊接波形具有正極性，第二焊接波形可以具有負 極性。應(yīng)該注意的是，在其他示例性實施方案中，焊接波形可以具有相同的極性，即使它們 到焊縫中的相對熱量輸入是不同的。另外，在進一步的示例性實施方案中，焊接波形中的一 個或兩個可以是具有變化極性的AC波形。例如，在焊接期間第二焊接波形（低熱量輸入） 是AC波形可以是合乎期望的?？商鎿Q地，高熱量輸入焊接波形是具有相反極性部分的AC 波形可以是合乎期望的。各種組合可以被利用而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。
[0020] 在本發(fā)明的示例性實施方案中，熱量輸入可以以Kj/in來確定，所述Kj/in是（安 培X伏特X1000V(行進速度X60)。在本發(fā)明的示例性實施方案中，焊接工藝的高熱量 輸入部分將具有高于焊接工藝的低熱量輸入部分的Kj/in值。因此，高熱量輸入部分相對 于工藝的低熱量輸入部分具有較高的熱量輸入，并且低熱量輸入部分將具有低于較高熱量 輸入部分的熱量輸入。如本文所一般地描述的，焊接波形的較低熱量輸入部分傾向于降低 熔深、彌合（bridge)間隙以及在工件的頂部上混凝（puddleup)，而較高熱量輸入傾向于 增加烙深、增加焊穿（burnthrough)以及展開焊接烙池或使焊接烙池變平。
[0021] 圖2描繪可以與本發(fā)明的各種實施方案一起使用的示例性焊接波形200。在該實 施方案中，波形200具有至少兩個波形部分210和220。部分210是使用脈沖類型波形輪廓 的高熱量輸入焊接部分。該部分201包含多個電流脈沖201，所述電流脈沖201具有由本底 電流205間隔開的峰值電流水平203。進一步地，高熱量部分210具有正極性。一般已知的 是，圖2所示的類型的脈沖焊接波形（210)提供良好的工件熔深并且通常被用于焊接較厚 的工件。同樣一般已知的是，高熱量輸入波形可以在嘗試彌合焊接接頭中的大的間隙時是 難以利用的。另外，由于這些類型的焊接工藝的高熱量水平，焊條105可以以相對高的焊絲 送進速度例如500ipm來送進。
[0022] 在焊接期間，確定的是，焊接波形200應(yīng)該從高熱量輸入波形改變到低熱量輸入 波形。因此，在本底電流205期間，在點211處，電源供應(yīng)器101將波形從第一部分210改 變到低熱量波形部分220。在所示出的實施方案中，低熱量部分210是DC-STT(表面張 力過渡）類型波形。這些類型的焊接波形的詳細討論可以在美國專利No. 4, 972, 064和 No. 6, 215, 100中找到，所述美國專利No. 4, 972, 064和No. 6, 215, 100的全部公開的內(nèi)容通 過引用被全部并入本文而不需要在本文來重復。當然，如上面所敘述的，STT類型波形僅是 可以在本發(fā)明的實施方案中被利用的低熱量輸入焊接波形的一個實施例。
[0023] 如圖2所示，在該實施方案中，電源供應(yīng)器101不僅改變?yōu)樾骂愋偷暮附硬ㄐ?，?且針對波形部分220將極性改變?yōu)镈C-。在極性的改變之后，電流范圍可以達到部分220 的本底水平222,或者可以在焊條105與焊接熔池接觸時直接轉(zhuǎn)到短路事件（event) 229。 在短路事件被檢測到之后，STT脈沖事件221被觸發(fā)。脈沖事件包括箍電流（pinch current) 223,所述箍電流223被提供并且導致焊條105在烙融球以上頸縮（neckdown)， 這在225處發(fā)生。然后，電流在以等離子升壓脈沖227再次增加之前下降到低水平226來 防止飛濺。在升壓脈沖227之后，電流拖尾（tailout) 228到本底水平222直到下一個短 路事件發(fā)生，并且這是重復的，直到波形200被改變回到高熱量部分210。低熱量波形部分 220 -般地被用于較淺的焊縫（其中太深的熔深可能成為問題），和/或被用來填充較寬的 間隙。因為工藝是較冷的，焊接熔池可以在焊接接頭之上冷疊（coldlap)，這并不提供顯著 的熔深而是可以覆蓋較寬的間隙。
[0024] 同時，電源供應(yīng)器101在波形部分210/220之間改變，電源供應(yīng)器101導致焊絲送 進器103將焊絲送進速度從第一速度改變到第二焊絲送進速度。因為波形部分220是低熱 量輸入部分，低熱量焊絲送進速度將慢于高熱量波形部分210。例如，焊絲送進速度可以大 約為lOOipm。
[0025] 當然，應(yīng)該注意的是，盡管圖2描繪高熱量輸入部分210在低熱量輸入部分220之 前，本發(fā)明的實施方案不限于這種順序，并且事實上，在本發(fā)明的實施方案中，波形200可 以在高（210)和低（220)波形部分之間來回變化。
[0026] 當焊接某些類型的焊接接頭時，創(chuàng)建針步類型焊接接頭可以是有益的，所述針步 類型焊接接頭不僅具有到焊接接頭中的熔深而且填充相當大尺寸的間隙。以盡可能少的焊 道來實現(xiàn)焊接是有益的，而不是在焊接接頭之上以多條焊道來完成該焊接。本發(fā)明的實施 方案通過將兩個不同的焊接工藝組合為單個的焊接操作來允許這種情況發(fā)生，其中高熱量 和低熱量輸入焊接工藝二者可以被用來創(chuàng)建混合焊接接頭，所述混合焊接接頭具有高熱量 和低熱量輸入焊接工藝的優(yōu)點。
[0027] 因此，在本發(fā)明的示例性實施方案中，電源供應(yīng)器101可以頻繁地在高和低熱量 焊接波形之間間歇地來回改變，以獲得所期望的焊道輪廓。這可以以許多不同的方式來獲 得。在一些示例性實施方案中，電源供應(yīng)器101 (經(jīng)由其CPU控制器等等）監(jiān)控焊接操作 的低和高熱量部分中的每個的持續(xù)時間，并且基于所確定的持續(xù)時間來在它們之間來回切 換。例如，電源供應(yīng)器101將針對第一持續(xù)時間以波形的高熱量部分焊接，并且隨后針對第 二持續(xù)時間切換到波形的低熱量部分。第二持續(xù)時間可以與第一持續(xù)時間相同或不同。進 一步地，根據(jù)所期望的焊道輪廓，第二持續(xù)時間可以按照需要長于或短于第一持續(xù)時間。例 如，在本發(fā)明的實施方案中，電源供應(yīng)器可以針對50ms至2000ms范圍內(nèi)的持續(xù)時間以波形 的高熱量部分焊接，并且隨后針對50ms至2000ms的持續(xù)時間改變到低熱量部分。這些范 圍意圖是示例性的，并且可以通常依據(jù)焊絲送進器的焊絲送進速度改變能力，所述焊絲送 進器可以傾向于不具有像焊接電源供應(yīng)器那樣的反應(yīng)性（reactive)。
[0028] 在進一步的示例性實施方案中，電源供應(yīng)器101可以基于所檢測到的事件的數(shù)量 來在高和低熱量焊接操作之間來回改變。例如，電源供應(yīng)器101在確定數(shù)量的脈沖201之 后可以從高熱量部分改變到低熱量部分。就是說，在焊接期間，電源供應(yīng)器101對脈沖的數(shù) 量進行計數(shù)并且在某一數(shù)量N的脈沖之后電源供應(yīng)器切換到波形200的低熱量部分，并且 隨后在某一數(shù)量X的短路事件229已被檢測到之后電源供應(yīng)器101將切換回到波形200的 高熱量部分210。所檢測到的被用來確定在波形部分210/220之間的切換點211的事件的 持續(xù)時間和/或數(shù)量可以通過電源供應(yīng)器101以許多不同的方式來確定。例如，基于到電 源供應(yīng)器101的使用者輸入，可以使用狀態(tài)表、查找表、算法等等來確定針對波形部分中的 每個的事件的持續(xù)時間/數(shù)量。在示例性實施方案中，與所期望的熱量輸入、接頭幾何結(jié)構(gòu) 或細節(jié)、焊絲送進速度等等相關(guān)的使用者輸入數(shù)據(jù)可以被電源供應(yīng)器用來確定針對給定焊 縫的高熱量和低熱量輸入焊接的合適的比例。
[0029] 本發(fā)明的示例性實施方案所利用的高與低熱量輸入的比例可以基于各種焊縫輪 廓和參數(shù)來變化。比例一般地要針對被執(zhí)行的焊接被最優(yōu)化。
[0030] 因此，本發(fā)明的實施方案可以在這樣類型的焊接中提供顯著的多功能性，所述焊 接以單個焊道來執(zhí)行。例如，在這樣的焊接期間，低熱量焊接彌合焊接接頭間隙并且創(chuàng)建相 對冷的焊接熔池，但未顯著地熔透到基底金屬中。然而，焊接工藝的高熱量輸入部分的脈沖 可以離開（由低熱量輸入部分創(chuàng)建的）冷熔池形成電弧，所述冷熔池可以限制這些脈沖的 熔深中的一些，但這將導致電弧寬于低熱量焊接電弧，并且可以提供到接頭的側(cè)壁中的良 好的熔深。就是說，高熱量脈沖的熔透功率中的一些可以被引導到接頭的側(cè)壁，以提供具有 良好的間隙填充特性和改進熔深的焊道。
[0031] 圖3描繪本發(fā)明的焊接系統(tǒng)300的另一個示例性實施方案。該系統(tǒng)300類似于圖 1所示的系統(tǒng)100并且一般地以相同的方式來操作。然而，該實施方案還利用間隙監(jiān)控系統(tǒng) 303和工件厚度檢測器307中的至少一個，所述間隙監(jiān)控系統(tǒng)303和工件厚度檢測器307將 反饋提供到耦合到電源供應(yīng)器101的系統(tǒng)控制器301。系統(tǒng)控制器301可以是任何類型的 計算機似的裝置，所述計算機似的裝置能夠接收反饋信號、處理它們并且在或不在控制命 令下將信息傳遞到電源供應(yīng)器101，所述電源供應(yīng)器101再相應(yīng)地更改焊接波形200。注意 的是，盡管系統(tǒng)控制器301被示出為與電源供應(yīng)器101是有區(qū)分的，在其他示例性實施方案 中，控制器301可以與電源供應(yīng)器301是一體的并且它不需要是單獨結(jié)構(gòu)的裝置。
[0032] 間隙監(jiān)控系統(tǒng)303采用間隙幾何結(jié)構(gòu)或?qū)挾葯z測器305,所述間隙幾何結(jié)構(gòu)或?qū)?度檢測器305可以在焊接期間檢測焊接接頭的間隙寬度或幾何結(jié)構(gòu)上的變化，并且將那些 檢測到的內(nèi)容傳遞到系統(tǒng)控制器301。傳感器305和系統(tǒng)303可以是任何類型的系統(tǒng)，所述 系統(tǒng)能夠跟蹤在焊接之前確定焊接接頭間隙的幾何結(jié)構(gòu)的焊接操作上游的焊接接頭物理 性能。這樣系統(tǒng)的實施例包括基于視覺上監(jiān)控間隙的系統(tǒng)的攝像機和/或基于接頭跟蹤系 統(tǒng)的激光器，所述接頭跟蹤系統(tǒng)利用激光束來監(jiān)控間隙形狀或幾何結(jié)構(gòu)上的改變。這樣的 系統(tǒng)一般地是已知的并且不需要在本文來詳細討論。
[0033] 在焊接期間，系統(tǒng)303監(jiān)控間隙寬度或任何其他所期望的焊接接頭的幾何特征， 并且將所檢測到的信息傳遞到控制器301。當在接頭的幾何結(jié)構(gòu)上的改變（例如在間隙寬 度上的改變）被檢測到時，控制器301將該信息提供到電源供應(yīng)器101，所述電源供應(yīng)器然 后按照需要更改波形200。使用該信息，電源供應(yīng)器可以基于所檢測到的幾何結(jié)構(gòu)改變而從 波形200的高熱量輸入部分210改變到低熱量輸入部分220,反之亦然。例如，如果檢測到 接頭間隙已經(jīng)增加，電源供應(yīng)器101可以將波形從波形的高熱量部分210改變到低熱量輸 入部分220,以確保對增加的間隙的正確焊接。在其他示例性實施方案中，電源供應(yīng)器101 可以調(diào)整波形200的高熱量輸入部分210與低熱量輸入部分220的比例，以獲得所期望的 焊道輪廓。作為實施例，在焊接期間，波形200可以具有這樣的比例，以使高和低熱量輸入 部分中的每個的各自的持續(xù)時間是相同的，即50/50比例。那么，當間隙寬度增加被檢測到 時，持續(xù)時間的比例被調(diào)整，以正確地應(yīng)對間隙寬度上的改變。再有，波形200可以被這樣 改變，以使低熱量部分220的持續(xù)時間高于高熱量部分的持續(xù)時間。類似地，如果所檢測到 的間隙寬度減少，電源供應(yīng)器101可以通過減少波形200的低熱量部分220的持續(xù)時間來 調(diào)整波形200,以使焊道變得較窄。由于這樣的多功能性，本發(fā)明的實施方案可以在焊接期 間針對焊接接頭幾何結(jié)構(gòu)上的變化和改變來即時調(diào)整。這種多功能性可以在很大程度上增 加工件生產(chǎn)量。
[0034] 類似地，在本發(fā)明的示例性實施方案中，所檢測到的焊接接頭處的工件（一個或 多個）的厚度可以被系統(tǒng)300利用，以如所期望的更改波形200。在焊接期間，厚度傳感器 307檢測焊接接頭處的厚度并且將該信息提供到控制器301，并且該厚度信息被電源供應(yīng) 器101用來適當?shù)馗淖儾ㄐ?00。例如，在焊接期間，如果厚度增加被檢測到，電源供應(yīng)器 101可以這樣調(diào)整波形200,以使高熱量部分210的持續(xù)時間被增加。通過增加高熱量部分 210,增加的焊縫熔深可以被獲得。類似地，如果在焊接期間厚度減少，高熱量部分的持續(xù)時 間可以被減少，以降低熔深。
[0035] 厚度傳感器307可以是任何類型的傳感器，所述傳感器能夠在焊接期間檢測工件 (一個或多個）W的厚度并且將所述數(shù)據(jù)提供到控制器301以由電源供應(yīng)器101來使用。它 可以是接觸式或非接觸式傳感器。例如，傳感器307可以是這樣的類型，所述類型在工件的 兩側(cè)上形成物理接觸并且能夠在焊接工藝期間確定在厚度上存在改變。同樣，這樣類型的 傳感器一般地是已知的并且不需要在本文來詳細討論。
[0036] 因此，本發(fā)明的實施方案能夠基于所檢測到的焊接接頭幾何結(jié)構(gòu)和兩個不同焊接 波形類型之間的改變來在焊接期間調(diào)整所提供的焊接波形，以獲得所期望的焊道輪廓。
[0037] 在本發(fā)明的進一步示例性實施方案中，除了改變波形的高和低熱量輸入部分的各 自的持續(xù)時間之外，電源供應(yīng)器101和/或控制器301可以按照需要改變峰值電流、頻率、 電流峰值持續(xù)時間或波形部分210/220的任何其他方面，以獲得所期望的焊接接頭輪廓。 例如，如果，基于所檢測到的接頭的幾何結(jié)構(gòu)/厚度，確定需要附加的熔深，電源供應(yīng)器101 可以增加針對高熱量部分210的脈沖201的峰值電流，以提供較深的熔深，或者如果接頭體 積增加（并且被任何傳感器機構(gòu)檢測到，或者被預編程），檢測器可以指示控制器來進一步 增加焊絲送進速度以填充接頭?？商鎿Q地，高熱量與低熱量的比例可以被增加，其中高熱量 部分具有高于低熱量部分的焊絲送進速度，以將更多的填充物添加到焊接接頭。
[0038] 在圖3所示的實施方案中，系統(tǒng)控制器301/電源供應(yīng)器101在焊接期間使用關(guān)于 焊接接頭的幾何結(jié)構(gòu)/厚度的實時反饋信息。就是說，隨著焊接進行，所檢測到的參數(shù)被提 供到控制器310來相應(yīng)地調(diào)整波形200。然而，在其他示例性實施方案中，對于實時反饋而 言不是必需的。確切地說，焊接接頭的幾何結(jié)構(gòu)可以在焊接之前被繪制。就是說，在焊接操 作開始之前，焊接接頭的幾何結(jié)構(gòu)可以被繪制（使用類似的幾何結(jié)構(gòu)和厚度檢測裝置）并 且繪制的參數(shù)可以在焊接操作開始之前在系統(tǒng)控制器301中被儲存和處理。于是，系統(tǒng)控 制器301可以使用繪制的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建所期望的焊接波形200,這將任何幾何結(jié)構(gòu)/厚度/接 頭體積的改變考慮在內(nèi)并且確保合適的波形部分210/220在焊接接頭上的合適的點處被 利用。進一步地，系統(tǒng)控制器301可以評估關(guān)于焊接接頭的繪制的信息，并且確定對于焊接 接頭是否存在任何問題或異常，所述問題或異常會妨礙正確的焊接被執(zhí)行。例如，如果所檢 測到的間隙太大而不能焊接，系統(tǒng)控制器301可以關(guān)于該異常給使用者發(fā)信號。
[0039] 在又進一步的實施方案中，焊接接頭幾何結(jié)構(gòu)（例如，間隙寬度）和/或厚度可以 由使用者來預編程，以使控制器301和電源供應(yīng)器101可以使用該信息來創(chuàng)建針對焊接操 作的合適的焊接波形200。
[0040] 因此，利用本發(fā)明的實施方案，具有變化幾何結(jié)構(gòu)和變化厚度的焊接接頭可以以 單個焊接操作來相對容易地焊接。
[0041] 各種控制方法被電源供應(yīng)器101利用，以在焊接期間控制波形200的創(chuàng)建。例如， 電源供應(yīng)器101可以使用狀態(tài)表、算法、查找表或其他合適的控制方法來確定和實現(xiàn)焊接 操作所需要的合適的波形200。這樣的控制/編程方法一般地是已知的并且不需要在本文 來詳細描述。
[0042] 在上面的實施方案中，注意的是，控制器301和/或電源供應(yīng)器101適當?shù)乜刂坪?絲送進器103,以使在波形200的各自的高和低熱量輸入部分220/210中的每個期間，合適 的焊接速度被提供。這種情況的實施例在圖5中被示出。如所示出的，當波形200從高熱 量部分210轉(zhuǎn)變到低熱量部分220時，焊絲送進速度從較高的速度下降到較低的速度。類 似地，當從低熱量部分220改變到高熱量部分210時，焊絲送進速度按照需要被增加。
[0043] 如本文所描述的，本發(fā)明的實施方案涉及與焊絲送進速度一起改變各種波形屬性 (包括極性和電流輪廓），以獲得所期望的或最優(yōu)化的（高與低熱量輸入的）熱量輸入比 例。在一些示例性實施方案中，對于焊接波形的改變（例如，極性）在焊絲送進速度上的改 變被觸發(fā)或發(fā)起的同時被改變。然而，認識到的是，在一些應(yīng)用中，焊絲送進速度上的改變 不會像焊接波形上的改變那樣快速地發(fā)生。例如，一般認識到的是，在焊絲送進速度上的改 變的觸發(fā)和工件處焊絲的實際速度的改變之間存在一些延遲。因此，在本發(fā)明的一些示例 性實施方案中，工件處（或接近工件）的實際焊絲送進速度被監(jiān)控并且焊接波形上的改變 僅在實際所檢測到的焊絲送進速度達到閾值之后被觸發(fā)。因此，在一些示例性實施方案中， 電源供應(yīng)器將不切換焊接波形的極性直到所檢測到的焊絲送進速度是在所命令的或所規(guī) 定的（targeted)焊絲送進速度的預先確定的百分比之內(nèi)。例如，如果低熱量輸入焊接操作 在進行并且期望切換到高熱量輸入部分（具有極性上的改變），改變將在系統(tǒng)中被發(fā)起但 電源供應(yīng)器將不切換極性直到所檢測到的焊絲送進速度是在所期望的增加的焊絲送進速 度（其與焊接的高熱量輸入部分一起被利用）的70%之內(nèi)。在其他實施方案中，當速度是 在所規(guī)定的焊絲送進速度的80%之內(nèi)時，改變可以被發(fā)起。當然，當從波形的高熱量（和高 速度）向下轉(zhuǎn)移到低熱量（低速度）部分時，改變可以被實現(xiàn)。這樣的實施方案確保，當所 檢測到的焊絲送進速度處于或接近其針對焊接波形的下一部分所期望的速度時，焊接波形 在焊接波形的高和低熱量部分之間被改變。焊絲送進速度檢測機構(gòu)一般地是已知的并且不 需要在本文來詳細討論。
[0044] 在其他示例性實施方案中，除了改變波形200和焊絲送進速度之外，焊接操作的 行進速度可以按照需要來增加/減小，以得到所期望的焊道輪廓。例如，如之前所指出的， 行進速度和熱量輸入可以基于接頭體積上的改變而被改變。
[0045] 圖4描繪示例性焊接操作，其中焊接接頭間隙G具有變化的厚度。如所示出的，焊 接接頭具有第一間隙厚度G1，所述第一間隙厚度G1寬于第二間隙厚度G2。在焊接期間，傳 感器305檢測間隙寬度上的改變并且將該改變傳遞到控制器301和/或電源供應(yīng)器101，以 使電源供應(yīng)器101針對所檢測到的間隙改變來適當?shù)卣{(diào)整波形200。因此，電源供應(yīng)器101 將改變波形200來處理所檢測到的間隙寬度改變。例如，電源供應(yīng)器可以發(fā)起高熱量與低 熱量焊接的比例之間的改變，以補償接頭上的改變，或者可以改變波形的高和低熱量部分 中的每個的相對持續(xù)時間，以獲得所期望的焊道輪廓。已知的是，通常隨著接頭被焊接，接 頭將靠近（closeup)。這可以是由于拉動接頭閉合的焊縫金屬的固化的緣故。圖4所示的 示例性實施方案可以被用來檢測接頭的所述靠近并且因此導致高熱量/低熱量輸入比例 上的改變，以補償間隙的靠攏。這樣的補償可以或不可以包括金屬轉(zhuǎn)移功能或波形的極性 上的改變，但可以僅導致高熱量輸入（經(jīng)由高焊絲送進速度）到低熱量輸入（經(jīng)由低焊絲 送進速度）上的改變，以及在焊接波形參數(shù)（例如電流、電壓等等）上的任何適當?shù)母淖儭?br> [0046] 同樣在圖4中所示出的是跨焊接間隙G橫向移動的焊接操作的能力。這樣的移動 可以被用來創(chuàng)建"擺動"焊接模式。利用橫向移動的焊接操作是已知的并且將不在本文來 詳細討論。本發(fā)明的示例性實施方案可以利用導電嘴107和/或焊絲105相對于間隙G的 中心線的橫向定位來控制到焊縫中的熱量輸入。例如，一些示例性實施方案可以使用傳感 器305來確定導電嘴107 (或焊條105)相對于間隙的橫向定位并且基于所述橫向定位來在 高熱量輸入和低熱量輸入焊接操作之間改變。另外，在那些全自動或半自動的焊接操作中， 橫向定位可以經(jīng)由移動機構(gòu)和/或運送裝置的編程來獲知，并且因此該位置信息可以被系 統(tǒng)利用，以在焊接期間確定導電嘴107/焊絲105的橫向位置?；跈M向定位，系統(tǒng)可以在 高和低熱量輸入操作之間來回改變焊接操作，以獲得所期望的焊道輪廓。例如，當焊絲105 處于或接近間隙G的中心時（其可以是焊接接頭的最深部位并且需要最大程度的填充），利 用高熱量輸入焊接操作可以是合乎期望的，而然后在焊絲105靠近間隙的邊緣時，焊接操 作可以從高熱量輸入操作改變到低熱量輸入操作。例如，如圖4A所示，當焊條105被設(shè)置 在離間隙G的中心線（CL)的距離X處或之內(nèi)時，焊接操作使用高熱量輸入操作，而當焊條 105在距離X之外時，焊接操作使用低熱量輸入輪廓。在一些示例性實施方案中，自中心線 的距離X是整個間隙寬度GW的25%。在其他示例性實施方案中，距離X是整個間隙寬度 GW的 40%。
[0047] 可替換地，相反的焊接方法可以被用來在接頭的側(cè)壁中得到增加的熔深。具體地， 再看圖4A，在離中心線的距離X之內(nèi)，低熱量輸入輪廓可以被用來幫助彌合工件之間的任 何存在的間隙。然而，當焊條105平移到距離X之外時，高熱量輪廓被用來增加到接頭的側(cè) 壁中的熔深。因此，本發(fā)明的實施方案允許在控制熔深和到焊接接頭中的熱量輸入上的增 加的靈活性。
[0048] 類似地，控制的方法可以在焊接期間基于焊條105以下的焊接接頭的深度來使 用。例如，當系統(tǒng)在焊接接頭的最深的點處焊接時，焊接操作將具有高熱量輸入焊縫輪廓。 當橫向移動進行并且焊接接頭的深度變淺時，接頭的深度可以在焊接期間被檢測到，以使 當焊接接頭變淺并且達到深度閾值時，系統(tǒng)切換到焊接操作的低熱量輸入部分。該深度閾 值可以被預編程或者可以由使用者輸入。當然，在其他實施方案中，低熱量輸入焊接可以在 焊接接頭的最深的部分處被使用，并且當焊接接頭的深度超過指定的深度閾值時高熱量輸 入焊接可以被發(fā)起。
[0049] 盡管本發(fā)明已經(jīng)參照其示例性實施方案被具體地示出和描述，但本發(fā)明不限于這 些實施方案。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解的是，其中可以進行形式和細節(jié)上的各種改變 而不脫離如由隨后的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
[0050] 參考標號：
[0051] 100 焊接系統(tǒng) 226 低水平
[0052] 101 焊接電源供應(yīng)器 227 等離子升壓脈沖
[0053] 103 焊絲送進器 228 電流拖尾
[0054] 105 焊條 229 短路事件
[0055] 107 導電嘴 300 焊接系統(tǒng)
[0056] 111 引線 301 控制器
[0057] 113 數(shù)據(jù)通信鏈路 303 監(jiān)控系統(tǒng)
[0058] 200 焊接波形 305 傳感器
[0059] 201 部分 307 工件厚度檢測器
[0060] 203 峰值電流水平
[0061] 205 本底電流 G 接頭間隙
[0062] 210 波形部分 GW 間隙寬度
[0063] 211 點 G1 第一間隙厚度
[0064] 220 波形部分 G2 第二間隙厚度
[0065] 221 脈沖事件 N 數(shù)量
[0066] 222 本底水平 W 工件
[0067] 223 箍電流 X 距離
[0068] 225 點
【權(quán)利要求】
1. 一種焊接系統(tǒng)（100)，所述焊接系統(tǒng)（100)包括： 焊接電源供應(yīng)器（101)，所述焊接電源供應(yīng)器（101)將電流焊接波形（200)提供到焊條 (low 及 焊絲送進器（103)，所述焊絲送進器（103)通過所述電源供應(yīng)器（101)將所述焊條 (105)提供到要被焊接的至少一個工件（W); 其中所述電流焊接波形（200)具有第一波形部分（210)和第二波形部分（220)，所述第 一波形部分（210)具有第一電流輪廓，所述第二波形部分（220)具有第二電流輪廓，其中所 述第一電流輪廓不同于所述第二電流輪廓， 其中所述第一波形部分（210)在焊接期間提供高于所述第二波形部分（220)的熱量輸 入，并且 其中所述焊絲送進器（103)在所述第一波形部分（210)期間W第一焊絲送進速度并且 在所述第二波形部分（220)期間W第二焊絲送進速度提供所述焊條（105)，其中所述第一 焊絲送進速度不同于所述第二焊絲送進速度。
2. 如權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)，其中所述第一電流輪廓具有不同于所述第二電流輪 廓的極性，其中優(yōu)選地，所述第一電流輪廓是正電流輪廓并且所述第二電流輪廓是負電流 輪廓。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的焊接系統(tǒng)，其中所述第一和第二電流輪廓中的至少一個是 AC電流輪廓。
4. 如權(quán)利要求1至3中的一項所述的焊接系統(tǒng)，其中所述第一焊絲送進速度快于所述 第二焊絲送進速度。
5. 如權(quán)利要求1至4中的一項所述的焊接系統(tǒng)，其中所述第一電流輪廓是脈沖電流輪 廓；和/或其中所述第二電流輪廓是表面張力過渡電流輪廓。
6. 如權(quán)利要求1至5中的一項所述的焊接系統(tǒng)，其中所述電源供應(yīng)器僅在所述第一電 流輪廓的本底電流水平期間從所述第一電流輪廓改變到所述第二電流輪廓。
7. 如權(quán)利要求1至6中的一項所述的焊接系統(tǒng)，其中所述電源供應(yīng)器將所述第一和第 二電流輪廓中的至少一個在切換到所述第一和第二電流輪廓中的另一個之前保持50ms至 2000ms的持續(xù)時間。
8. 如權(quán)利要求1至7中的一項所述的焊接系統(tǒng)，還包括被禪合到所述電源供應(yīng)器 (101)的幾何結(jié)構(gòu)監(jiān)控裝置，所述幾何結(jié)構(gòu)監(jiān)控裝置監(jiān)控焊接接頭的幾何結(jié)構(gòu)和所述至少 一個工件（W)的厚度中的至少一個，并且其中所述電源供應(yīng)器基于在所述焊接接頭的所述 幾何結(jié)構(gòu)和所述厚度中的至少一個上所檢測到的改變來在所述第一和第二電流輪廓之間 切換。
9. 如權(quán)利要求1至8中的一項所述的焊接系統(tǒng)，其中所述電源供應(yīng)器基于所述焊條 (105)相對于焊接接頭的中也線的橫向位置來在所述第一和第二電流輪廓之間切換，其中 優(yōu)選地，當所述橫向位置被該樣確定，即自所述中也線為焊接接頭間隙寬度（GW)的至少 25%時，所述電源供應(yīng)器在所述第一和第二電流輪廓之間切換。
10. 如權(quán)利要求1至9中的一項所述的焊接系統(tǒng)，其中僅當檢測到所述焊絲送進器 (103)在所期望的焊絲送進速度的70%之內(nèi)提供所述焊條（105)時，所述電源供應(yīng)器（101) 在所述第一和第二電流輪廓之間切換。
11. 如權(quán)利要求1至10中的一項所述的焊接系統(tǒng)，其中所述電源供應(yīng)器通過控制所述 第一和第二波形部分的比例來調(diào)節(jié)到所述至少一個工件中的熱量輸入，其中優(yōu)選地，所述 電源供應(yīng)器基于至少焊接接頭幾何結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)所述熱量輸入。
12. -種焊接方法，所述焊接方法包括： 將電流焊接波形（200)提供到焊條（105) 及 將所述焊條（105)提供到要W所述電流焊接波形（200)被焊接的至少一個工件（W); 其中所述電流焊接波形（200)具有第一波形部分（210)和第二波形部分（220)，所述第 一波形部分（210)具有第一電流輪廓，所述第二波形部分（220)具有第二電流輪廓，其中所 述第一電流輪廓不同于所述第二電流輪廓， 其中所述第一波形部分（210)在焊接期間提供高于所述第二波形部分（220)的熱量輸 入，并且 其中所述焊條（105)在所述第一波形部分（210)期間W第一焊絲送進速度并且在所 述第二波形部分（220)期間W第二焊絲送進速度被提供，其中所述第一焊絲送進速度不同 于，特別地快于，所述第二焊絲送進速度。
13. 如權(quán)利要求12所述的焊接方法，其中所述第一電流輪廓具有不同于所述第二電流 輪廓的極性，其中所述第一電流輪廓是正電流輪廓并且所述第二電流輪廓是負電流輪廓； 和/或其中所述第一和第二電流輪廓中的至少一個是AC電流輪廓。
14. 如權(quán)利要求12或13所述的焊接方法，其中所述第一電流輪廓是脈沖電流輪廓；和 /或其中所述第二電流輪廓是表面張力過渡電流輪廓；和/或從所述第一電流輪廓改變到 所述第二電流輪廓僅發(fā)生在所述第一電流輪廓的本底電流水平期間；和/或進一步包括將 所述第一和第二電流輪廓中的至少一個在切換到所述第一和第二電流輪廓中的另一個之 前保持50ms至2000ms的持續(xù)時間。
15. 如權(quán)利要求12至14中的一項所述的焊接方法，還包括監(jiān)控焊接接頭的幾何結(jié)構(gòu)和 所述至少一個工件（W)的厚度中的至少一個，并且基于在所述焊接接頭的所述幾何結(jié)構(gòu)和 所述厚度中的至少一個上所檢測到的改變來在所述第一和第二電流輪廓之間切換；和/或 進一步包括基于所述焊條相對于焊接接頭的中也線的橫向位置來在所述第一和第二電流 輪廓之間切換；和/或其中當所述橫向位置被該樣確定，即自所述中也線為焊接接頭間隙 寬度的至少25%時，在所述第一和第二電流輪廓之間的所述切換發(fā)生；和/或還包括僅當 檢測到所述焊條的實際焊絲送進速度是在所期望的焊絲送進速度的70%之內(nèi)時，在所述第 一和第二電流輪廓之間切換；和/或還包括通過控制所述第一和第二波形部分的比例來調(diào) 節(jié)到所述至少一個工件中的熱量輸入；和/或其中所述調(diào)節(jié)所述熱量輸入是基于至少焊接 接頭幾何結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】B23K9/025GK104470668SQ201380038395
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月19日
【發(fā)明者】S·R·彼得斯, B·西蒙斯, G·利普奈維休斯 申請人:林肯環(huán)球股份有限公司