正接脈沖焊接系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明總體上涉及焊接工藝，并且更具體地講，涉及在平衡噴射氣體保護(hù)金屬電弧焊接(poised spray gas metal arc welding，GMAW-P)工藝中控制電極過(guò)渡的方法和系統(tǒng)。
[0002]焊接已經(jīng)成為各行業(yè)中無(wú)所不在的工藝，并且可以用于方便許多金屬構(gòu)造和組裝應(yīng)用。例如，一通常稱(chēng)為氣體保護(hù)金屬電弧焊接(gas metal arc welding, GMAff)的工藝是最普遍的具體焊接工藝，這種焊接工藝使用連續(xù)填充金屬電極與工件之間的焊接電弧。某些GMAW衍生工藝或過(guò)渡模式，例如，噴射過(guò)渡和脈沖噴射過(guò)渡(例如，GMAW-P)可以包括較高的電壓水平、較高的電流水平和較高的送絲速度(wire feed speed, WFS)以使金屬電極材料的液滴越過(guò)焊接電弧過(guò)渡到較薄的金屬工件上。遺憾的是，當(dāng)使用正接極性焊接電弧時(shí)，金屬電極很難越過(guò)焊接電弧過(guò)渡材料。
[0003]因此，盡管可能有利的是在許多應(yīng)用中利用脈沖正接焊接制度，但是常規(guī)的技術(shù)會(huì)給焊縫增加太多能量，造成橋接短路、不一致的金屬過(guò)渡和不穩(wěn)定的電弧長(zhǎng)度，并且可能導(dǎo)致不期望的飛濺。本領(lǐng)域的改進(jìn)將允許利用這種波形，同時(shí)提高焊接性能，將會(huì)是本領(lǐng)域的進(jìn)步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一個(gè)實(shí)施例中，一種焊接系統(tǒng)包括[在初審之后完成]。
【附圖說(shuō)明】
[0005]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明時(shí)，會(huì)更明白本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，附圖中相似的附圖標(biāo)記代表在整個(gè)附圖中相似的零件，其中:
[0006]圖1是根據(jù)本公開(kāi)的示例性GMAW系統(tǒng)的框圖；
[0007]圖2是在改進(jìn)的脈沖焊接工藝中使用直流正接(direct current electrodenegative, DCEN)極性的圖1的GMAW系統(tǒng)的焊接電極的示例性正視圖；
[0008]圖3是圖2所示的電極的示例性正視圖，示出了在脈沖焊接工藝的峰值階段期間的材料過(guò)渡；
[0009]圖4是脈沖焊接工藝電壓和電流波形的示例性計(jì)時(shí)圖；并且
[0010]圖5是脈沖焊接工藝的某些階段的詳細(xì)圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0011]焊接工藝已經(jīng)變得在各行業(yè)中無(wú)所不在，并且可以用于方便金屬構(gòu)造和組裝應(yīng)用。GMAW是最普遍的具體焊接工藝，這種焊接工藝使用連續(xù)填充金屬電極與工件之間的焊接電弧。某些GMAW衍生工藝或過(guò)渡模式，例如，噴射過(guò)渡和脈沖噴射過(guò)渡(GMAW-P)可以包括較高的電壓水平、較高的電流水平和較高的送絲速度(wire feed speed, WFS)以使金屬電極材料的液滴越過(guò)焊接電弧以在較薄的金屬工件上執(zhí)行焊接任務(wù)。遺憾的是，當(dāng)使用正接極性焊接電弧時(shí)，金屬電極很難越過(guò)焊接電弧過(guò)渡材料。
[0012]因此，本實(shí)施例涉及可用于調(diào)節(jié)電壓和電流輸出水平的一個(gè)或多個(gè)特性以改善金屬電極越過(guò)DCEN脈沖焊接電弧過(guò)渡以及電弧穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法。具體地講，減小脈沖焊接制度的各峰值脈沖的下降沿過(guò)渡在峰值階段與背底階段之間建立“穩(wěn)定階段”，從而允許在電流閉合回路輸出時(shí)有充足的時(shí)間和緩慢的響應(yīng)性用于沉積物沉淀，同時(shí)避免或減少需要清除的“硬短路”。在現(xiàn)有技術(shù)中，在峰值階段之后有力的電流控制往往造成電壓迅速變化、電弧不穩(wěn)定、飛濺和頻繁短路。電壓和電流輸出水平的其他特性，例如，脈沖頻率、背底周期和脈沖寬度，也可以經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)以改善電弧控制。如本文所用“穩(wěn)定階段”可以指的是在過(guò)渡到電壓(和電流)返回到背底水平的階段之前在脈沖焊接制度的峰值階段之后的電流(和電壓)控制。穩(wěn)定階段通?？梢允褂貌⑶医Y(jié)合直流正接脈沖焊接技術(shù)一起使用，并且其特征在于焊接功率輸出中的拋物線(xiàn)型電流閉合回路下降。穩(wěn)定階段可以在比常規(guī)的脈沖焊接制度更高的編程電流終止。然后，在穩(wěn)定階段之后的“返回背底”階段中，僅成比例的增益用于電壓閉合回路控制。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所述的技術(shù)可以不限于噴射過(guò)渡和脈沖噴射過(guò)渡GMAW工藝，但是也可以擴(kuò)展到其他的GMAW工藝。實(shí)際上，如以下所述，不是噴射型過(guò)渡，穩(wěn)定階段往往促進(jìn)更多填充金屬熔滴過(guò)渡到熔池，特別是當(dāng)使用正接極性時(shí)。
[0013]由于考慮到上述內(nèi)容，所以可用于描述例如圖1所示的示例性GMAW系統(tǒng)10的焊接系統(tǒng)的實(shí)施例。圖示的系統(tǒng)通?？梢宰鳛樽詣?dòng)或半自動(dòng)(例如，機(jī)器人)焊接系統(tǒng)，盡管圖示的構(gòu)造可以以多種方式變化，并且這些技術(shù)也可以用于手持式焊接工藝。如圖所示，焊接系統(tǒng)10可以包括焊接電源12、焊接送絲機(jī)14、氣源系統(tǒng)16和焊炬18。焊接電源12通?？梢詾楹附酉到y(tǒng)10供應(yīng)焊接功率。例如，電源12可以通過(guò)電源電纜20耦接到焊接送絲機(jī)14上，并且通過(guò)引線(xiàn)電纜22耦接到工件24上，例如穿過(guò)夾鉗26。在圖示的實(shí)施例中，焊接送絲機(jī)14通過(guò)焊接電纜28耦接到焊炬18上，以便在焊接系統(tǒng)10工作期間供應(yīng)例如金屬芯焊接電極和功率到焊炬18。在一些構(gòu)造中，送絲機(jī)可以整合在電源中。來(lái)自氣源系統(tǒng)16的氣體通常也通過(guò)焊接電纜28路由。關(guān)于工件，據(jù)信本技術(shù)可以特別好地適用于包括較薄的鍍鋅(鍍層)鋼的工件，盡管可以按照公開(kāi)的方式焊接其他材料和其他大小的材料。此夕卜，各種行進(jìn)速度可以適應(yīng)手工移動(dòng)(或者更典型，機(jī)器人移動(dòng))焊炬或工件或焊炬和工件二者，例如行進(jìn)速度至少30英寸/分鐘，盡管也可以利用其他速度。
[0014]焊接電源12通常可以進(jìn)一步包括功率轉(zhuǎn)換電路(未單獨(dú)示出)，該功率轉(zhuǎn)換電路接收來(lái)自電源30 (例如，交流電網(wǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組或它們的組合)的輸入功率，調(diào)節(jié)輸入功率，并且提供直流或交流輸出功率用于焊接。焊接電源12還包括用于提供焊接功率輸出的輸出端子，并且這些輸出端子可以允許根據(jù)反接或正接極性焊接制度進(jìn)行連接。具體地講，焊接電源12可以根據(jù)焊接系統(tǒng)10的需求給焊接送絲機(jī)14供電，并且通過(guò)延伸，可以給焊炬18供電。在本公開(kāi)設(shè)想到的某些實(shí)施例中，焊炬18可以與電源和送絲機(jī)耦接上以實(shí)施正接焊接制度，并且特別是脈沖焊接工藝。也就是說(shuō)，電源12可以用于提供直流正接輸出，其中電流從負(fù)方向流到正方向而流過(guò)整個(gè)電路，并且因此影響焊接電弧和/或焊接工藝。除直流正接之外，電源12也可以包括能將交流輸入功率轉(zhuǎn)換成直流反接(directcurrent electrode positive，DCEP)輸出、直流可變極性、脈沖直流或可變平衡(例如，平衡或不平衡)交流輸出以執(zhí)行一種或多種焊接工藝的電路元件(例如，變壓器、整流器、開(kāi)關(guān)等)。
[0015]對(duì)于GMAW實(shí)施例，焊接系統(tǒng)10還包括氣源系統(tǒng)16以從一個(gè)或多個(gè)保護(hù)氣源供應(yīng)保護(hù)氣體或保護(hù)氣體混合物到焊炬18。保護(hù)氣體可以是能夠提供給焊接電弧和/或熔池以便提供特定的局部氣氛(例如，保護(hù)焊接電弧，提高電弧的穩(wěn)定性，限制金屬氧化物的形成，改善金屬表面的潤(rùn)濕，改變焊縫恪敷的化學(xué)成分等)的任何氣體或氣體的混合物。例如，保護(hù)氣體可以包括氬氣(Ar)、氦氣(He)、二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)和氮?dú)?N2)之一或它們的混合物。
[0016]因此，如上所述，焊炬18通常接收來(lái)自焊接送絲機(jī)14的金屬焊接電極，以及來(lái)自氣源系統(tǒng)16的保護(hù)氣流，以便在工件24上執(zhí)行焊接操作。在操作期間，焊炬18可以帶到工件22附近，使得焊接電極32接近工件并且建立焊接電弧34。進(jìn)一步據(jù)信，本技術(shù)可以特別結(jié)合特定類(lèi)型的電極焊絲使用。例如，電極34可以是適用于與直流正接焊接極性一起使用的金屬芯焊絲。在這種情況下，電極將包括外皮，外皮由圍繞一個(gè)或多個(gè)金屬芯的金屬構(gòu)成。焊接電極也可以包括焊劑或合金成分，這些焊劑或合金成分可以充當(dāng)電弧穩(wěn)定劑并且可以進(jìn)一步變成至少部分地整合到焊縫中?？捎糜诟鶕?jù)本技術(shù)的直流正接脈沖焊接的一種金屬芯焊絲公開(kāi)于Barhorst等人在2013年I月16日提交的題為“用于焊接電極的系統(tǒng)和方法”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第13/743，178號(hào)，該專(zhuān)利申請(qǐng)通過(guò)引用的方式由此并入本公開(kāi)中。
[0017]在某些實(shí)施例中，焊接電源12、焊接送絲機(jī)14以及氣源系統(tǒng)16均可由控制電路36控制并命令?？刂齐娐?6將包括一個(gè)或多個(gè)處理器38并且配合數(shù)據(jù)處理及感測(cè)電路，該數(shù)據(jù)處理及感測(cè)電路可以通信地耦接到存儲(chǔ)器40上以執(zhí)行存儲(chǔ)在用于實(shí)施當(dāng)前公開(kāi)的技術(shù)的存儲(chǔ)器中的指令。這些指令可以編碼成存儲(chǔ)在有形的非瞬變計(jì)算機(jī)可讀的介質(zhì)(例如，存儲(chǔ)器40和/或其他存儲(chǔ)設(shè)備)中的程序或代碼。脈沖焊接技術(shù)通?？梢葬槍?duì)具體的焊絲類(lèi)型和尺寸進(jìn)行預(yù)編程，并且所需的特定工藝可以由焊接操作員通過(guò)界面(未單獨(dú)示出)進(jìn)行選擇。處理器38可以是通用處理器、片上系統(tǒng)(system-on-chip，SoC)設(shè)備、專(zhuān)用集成電路(applicat1n-specific integrated circuit，ASIC)或其他處理配置。處理器38也可以支持操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)能支持應(yīng)用，例如，可得自Illinois Tool Works, Inc的 Pro-Pulse?、Accu-Pulse?、Accu-Curve?和 Profile Pulse ?。類(lèi)似地，存儲(chǔ)器 40 可以包括例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(random-access memory，RAM)、只讀存儲(chǔ)器(read-only memory,ROM)、閃存(例如，NAND)等。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解的是，在一個(gè)實(shí)施例中，控制電路36的存儲(chǔ)器40可以閃速更新(例如，通過(guò)有線(xiàn)和/或無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、編程等)以包括指令來(lái)改變焊接輸出功率的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)特性，并且通過(guò)延伸，改變焊接電弧34的特性。應(yīng)當(dāng)指出的是，在許多配置中，可以給電源和送絲機(jī)設(shè)置單獨(dú)的處理及控制電路。電源通常執(zhí)行用于控制產(chǎn)生所需輸出的功率電子器件(例如，SCR、IGBT等)的控制信號(hào)的處理。在當(dāng)前設(shè)想到實(shí)施例中，利用穩(wěn)定階段限定直流正接脈沖焊接工藝的代碼存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器40中并且由電源中的處理電路來(lái)執(zhí)行。
[0018]如上所述，控制電路36的元件通信地耦接至(或者嵌入)焊接電源12、焊接送絲機(jī)14和氣源系統(tǒng)16，并且如上所述，提供與上述各元件相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)(例如，電壓和電流輸出、送絲速度、自動(dòng)化應(yīng)用的行進(jìn)速度等)的控制。
[0019]圖2示出了使用直流正接極性焊接電弧34的焊接工藝的實(shí)施例。如上所述，焊接電極32，一旦通電并且位于工件附近，就建立焊接電弧34以執(zhí)行工件22的焊接。具體地講，當(dāng)使用直流正接極性焊接電弧34時(shí)，特別在焊絲電極處產(chǎn)生加熱，從而得到比直流反接工藝更小的熔深。在這種工藝中，電極被稱(chēng)為“正接”，而工件為“反接”。電子流，由箭頭42表示，從電極32到達(dá)工件，并且主要到達(dá)熔池44。這種技術(shù)有時(shí)候稱(chēng)為“正極性”。一般而言，電弧長(zhǎng)度46維持在電極尖端與熔池44之間。電弧長(zhǎng)度可以在一定程度上確定，并