CN102985212A - 焊接系统热输入控制 - Google Patents

Abstract

一种焊接系统热输入控制方法包括数据接收步骤，该步骤所接收的数据是对热输入值处在上限与下限之间的预期热输入范围进行编码所得到的数据。所述方法还包括数据接收步骤，该步骤所接收的数据是对一组焊接变量中的第一焊接变量水平的预期变化进行编码所得到的数据。此外，所述方法还包括确定一组焊接变量中的第二焊接变量水平的变化。第二焊接变量水平所确定的变化适用于维持焊接操作中热输入在预期的热输入范围内。

Description

焊接系统热输入控制

相关申请的交叉引用

本申请案要求于2011年7月13日提交的、申请号为13/182,353、发明名称为“焊接系统热输入控制”的美国专利申请和2010年7月14日提交的、申请号为61/364,257、发明名称为“子弧焊接系统控制”的美国临时专利申请的优先权，这两个申请均以引用的方式并入本文。

背景技术

本发明主要涉及焊接系统，尤其涉及焊接系统的热输入控制系统及方法。

焊接工艺在各行各业中已普及，并适用于各种应用。例如，焊接工艺经常用作以下应用：如船舶制造、工业建筑和维修等。在此焊接工艺中，操作人员通常使用各种控制设备来控制焊接操作的一个或多个参数。例如，配备可用作用户界面的脚踏和手动控制装置以使操作员更改焊接工艺电流、电压、或任何其他必要参数。传统上，操作人员试图优化焊接性能时，可通过合适的界面更改一个或多个焊接变量并观察变量变化对焊接的影响。然而，通常这些焊接变量的变化可能会导致每单位距离传递到焊缝的热量发生变化，从而影响焊缝的机械性能，焊工可能难以识别这些受影响的机械性能。因此，需改善焊接系统以克服此缺陷。

发明内容

如下所述，焊接系统包括具有电源转换电路的焊接电源，电源转换电路产生适用于焊接操作的焊接电源输出。焊接电源可用于接收焊接操作所需的热输入水平及焊接变量水平的预期变化。所述焊接系统还包括通信耦合到焊接电源上的控制电路，该控制电路适于接收对所需热输入水平和焊接变量水平的预期变化进行编码所得到的数据，以确定适合于基本上维持所需热输入水平的第二焊接变量水平，并产生控制信号以控制焊接电源执行已确定的第二焊接变量水平。

如下所述，一种方法包括数据接收步骤，该步骤所接收的数据是对热输入值处在上限与下限之间的预期热输入范围进行编码所得到的数据，还可包括数据接收步骤，该步骤所接收的数据是对一组焊接变量中的第一焊接变量水平的预期变化进行编码所得到的数据。所述方法还包括确定一组焊接变量中的第二焊接变量水平的变化。第二焊接变量水平所确定的变化适用于维持焊接操作中热输入在预期的热输入范围内。

如进一步地描述，焊接系统包括具有电源转换电路和操作员界面的焊接电源，电源转换电路产生适用于焊接操作的焊接电源输出，操作员界面用于接收所需热输入水平和操作员对一组焊接变量中的焊接变量进行的调整。所述焊接系统还包括连接到焊接电源上的送丝器，其在所进给的焊丝上施加焊接电源输出。所述焊接系统还包括定位系统，用于使焊枪和工件相对于彼此定位。所述实施例还包括控制电路，用于接收对所需热输入水平及焊接变量的调整进行编码所得到的数据，以确定一组焊接变量中的第二焊接变量水平的变化，该变化使焊接操作热输入基本等于所需热输入水平，并产生控制信号以编码第二焊接变量所确定的变化。所产生的控制信号被传递到焊接电源、送丝器、定位系统或它们的组合上，以用于焊接操作。

附图说明

参考附图阅读以下具体实施例有利于更好地理解本发明的这些及其他特征、方面和优点，其中附图中相同字符表示相同部件：

图1为根据本发明实施例的具有热输入控制性能的示例性埋弧焊系统的功能组件图；

图2为根据本发明实施例的用于调整焊接操作中热输入的示例性方法的流程图；

图3的流程图示出了图2中方法的实施例，其用于调整恒定电流焊接操作中的热输入；以及

图4的流程图示出了可用于调整焊接操作中工件温度的实施例方法。

具体实施方式

如下详述，此处描述的为工件焊接操作时可控制焊缝热输入的焊接系统的实施例。此特征可能有利于自动或半自动焊接系统(如埋弧焊系统，其中通过颗粒状焊剂保护/隔离焊接区)，其中可更改整个焊接操作中的各种焊接变量水平。在这些系统中，通过手动或自动产生的指令更改第一焊接变量水平时，所提供的实施例可更改另一个焊接变量以维持每单位距离的热输入在所需水平或预设数值范围之内。为此，所披露的焊接系统的某些实施例可产生控制信号，并编码焊接变量变化，如电压、电流、送丝速度，和/或行进速度及其他变量。这些控制信号可传递到焊接系统设备中，如焊接电源、送丝器、和/或定位系统，进而调整焊缝热输入。

现转到附图，图1为焊接操作所需电源供电、控制和供给的示例性埋弧焊系统10。然而，值得注意的是，尽管此处所述实施例为埋弧焊系统的实施例，这些实施例仍与其他类型的焊接系统很好地兼容。例如，本发明披露的热输入调整控制适用于任何送丝工艺，如气体操作(气体金属弧焊(GMAW))或无气操作(保护金属弧焊(SMAW))，或任何不包括送丝工艺的焊接操作。进一步地，本发明披露的实施例可用于金属惰性气体(MIG)焊接、钨极惰性气体(TIG)焊接，或焊条焊接。

所述焊接系统10包括具有操作员界面14的焊接电源12。在手动或半自动操作中，所述操作员界面14可包括控制面板，用于焊工控制供给焊枪的焊接材料，如气体流、送丝等。为此，在一些实施例中，所述操作员界面14可包括输入或接口设备，如旋钮或开关，其中所述操作人员可使用此旋钮或开关调整焊接参数(如电压、电流等)。控制所述焊接电源12操作的焊接变量可包括电压、电流、送丝速度和行进速度。例如，可自动或手动更改电压以控制焊道截面的形状和外观。同样，可调整电流强度和送丝速度以控制焊道渗透深度、母材稀释情况等。同样，可自动或手动调整行进速度以控制焊道渗透性和尺寸。进一步地，如下详细所述，可在整个焊接操作中调整这些或其他焊接参数以维持每单位距离的热输入在所需水平上或在所需范围之内。此外，值得注意的是，本领域的技术人员可使用适当的方法以及本发明中所披露的方法计算每单位距离的热输入。例如，通过集成电压和电流产物并除以行进速度来计算每单位距离的热输入。

如图所示，所述焊接系统10还包括送丝器16，其为焊枪提供焊丝以用于焊接操作。在一些实施例中，所述送丝器16还包括操作员界面18，帮助用户设置一个或多个送丝参数，如送丝速度。然而，在其他实施例中，可省略所述操作员界面18，且用户可通过所述焊接电源12中的操作员界面14输入此类参数。在示出的实施例中，通过一束电缆20连接所述焊接电源12至所述送丝器16，并供给焊接材料以用于焊接操作。此线束20包括电源线22和控制电缆24。值得注意的是，在一些实施例中，未捆扎所述线束20。

所述焊接电源12和送丝器16的其他内部组件如图1所示。一旦示出的操作员界面14接收到设置的选择，如所需的热输入水平或范围，这些焊接设置会被传递到所述焊接电源12中的控制电路26上。所述控制电路26运行并控制施加在用于执行所需焊接操作的焊丝上的焊接功率输出。为此，将所述控制电路26连接到电源转换电路28上。所述电源转换电路28用以产生最终施加在导电管32的焊丝30上的输出功率。可使用各种电源转换电路，包括斩波器、升压电路、降压电路、逆变器、转换器等。这种电路的构造可能是本领域所公知的类型。例如，连接所述电源转换电路28至电网中的电源34，尽管可使用其他电源，如机动发电机、电池、燃料电池或其他替代源。

在一些实施例中，设有所述控制电路26以接收对所需热输入水平或范围进行编码所得到的数据，其中操作人员可通过所述操作员界面14指定所需热输入水平或范围。进一步地，所述控制电路26还可接收对焊接变量水平(如焊接电压或电流)所需变更进行编码所得到的数据。一旦接收到所需的变更，所述控制电路可根据所需的变更计算热输入的预期变化。进一步地，所述控制电路可确定另一个焊接变量的适当变更，且执行预期变化时，该变量可保持热输入在所需水平上或所需范围内。例如，在本发明一实施例中，每单位距离的预期热输入约为25kJ/cm，而焊缝返工过程中，操作人员所指示/需要的预期变化可为电流增加，其中此电流增加可实现所需的填充率。在此情况下，所述控制电路26可确定所指示/需要的电流变化对热输入的影响，并可调整行进速度以抵消此影响，从而保持热输入在所需水平上。以上特征详述，见对图2和3的描述。

最后，如图1所示，所述焊接电源12还包括接口电路36，用以所述控制电路26与所述送丝器16交换信号。所述送丝器16还包括接口电路38，该接口电路通过数据电缆24连接所述电源12中的接口电路36。在一些实施例中，所述接口电路之间运行的组件和多芯电缆上可设有多插脚接口，以允许，如送丝速度、工艺、所选电流、电压或功率水平等的信息，在所述电源12、送丝器16或在这两者上进行设置。

所述送丝器16还包括连接到接口电路38上的控制电路40。所述控制电路40可按操作人员的选择控制送丝速度，并通过所述接口电路38将这些设置反馈至电源12。所述控制电路40进一步连接到送丝器16的操作员界面18上以选择一个或多个焊接参数，尤其是送丝速度。另外，在某些实施例中，使用所述操作员界面18还可选择此类焊接参数，如工艺、所用焊丝类型、电流、电压或功率设置等。另外，值得注意的是，在某些实施例中可设有所述控制电路40以调整焊接操作中的热输入，此焊接操作可以是与焊接电源12中的控制电路26配合/协力运行的焊接操作或是独立于焊接电源12中的控制电路26运行的焊接操作。进一步地，还应当注意的是，可在焊接操作中调整热输入的控制电路可能位于焊接电源12、送丝器16，或任何其他所需位置中。例如，在某些实施例中，所述控制电路可能位于独立单元中，或集成在其他系统组件中，如定位系统48。确实，所述焊接电源12中的控制电路26的位置并不意味着将所述控制电路的位置限制在此位置上。

在控制电路40的控制下，所述送丝器16还包括向所述导电管32以及焊接应用进给焊丝的组件。例如，所述送丝器16中装有一个或多个焊丝30的线轴42。从所述线轴42上放出焊丝30，并逐步进给到所述导电管32上。设有进给电机44，以与进给滚轴46啮合并推动焊丝从送丝器趋向所述导电管32。在实践中，所述滚轴46的一个滚轴机械连接到所述电机44上，并通过所述电机使滚轴转动以驱动来自送丝器的焊丝，同时相匹配的滚轴朝向焊丝偏置以保持两个滚轴和焊丝之间的良好接触。一些系统可能包括多个此种类型的滚轴。

通常，以一种常规的方式通过所述焊接电缆22将所述电源12的电力引到所述焊丝30上。同样，在气焊实施例中，可通过所述送丝器和焊接电缆进给保护气体。焊接操作中，所述焊丝被推进通过所述焊接电缆护套并趋向所述导电管32。在所述导电管中，设有额外的牵引电机并可配有相关驱动滚轴，对其调整以提供所需的送丝速度。所述焊丝被推进趋向所述导电管32时，定位系统48移动所述导电管32或所述工件50并在整个焊接操作中相对于所述工件50来定位所述导电管32。例如，在示出的实施例中，随着所述焊接操作的进行，所述定位系统沿箭头52的方向移动所述导电管32。

焊剂漏斗54在所述工件50上提供颗粒状焊剂层56。随着所述导电管32沿方向52移动，固化焊接材料58和固化焊剂60形成。焊剂回收系统62回收未熔化的焊剂以供之后的焊接操作重新使用。另外，在示出的实施例中，温度传感器64监测所述工件50的温度并通过电缆66将测得值传递给所述控制电路26。进一步地，工作连接件68连接所述工件50到所述焊接电源12上以闭合所述电源12、导电管32和工件50之间的电路。

图2为分别位于电源12或送丝器16中的控制电路26或40所执行的方法70的实施例，以调整焊接操作中每单位距离内的热输入。所述方法70包括启动焊接操作(方框72)，例如：激活焊接系统时。所述方法70还包括接收所需的热输入水平或范围(方框74)。例如，操作人员可指定所需的热输入值或具有公差的所需热输入值。

进一步地，所述方法70包括接收指令，该指令用于更改一组焊接变量中的焊接变量的水平(方框76)。例如，所述一组焊接变量可能包括焊接电压、焊接电流、送丝速度、行进速度或它们的组合，且该指令可涉及任一变量所需的变化。一旦接收到所需的变化，控制信号会产生并要求更改所述一组焊接变量中的另一个焊接变量以抵消与第一焊接变量中所需的变化相关的热输入的预期变化(方框78)。只要自动或手动调整所述焊接变量，在整个焊接操作中可多次重复此步骤。

图3示出了方法80，其为图2中方法70的实施例。例如，在此实施例中，控制器使用的操作模式为恒定电流模式。因此，一旦启动焊接操作(方框72)并指定所需的热输入水平或范围(方框74)，可通过操作界面接收来自操作员的指令以对焊接电压水平进行所需的变更(方框82)。所述控制器处在恒定电流操作模式下，因此产生指令使焊接电流保持在预设水平下(方框84)。然而，为了根据所需的电压水平变化来抵消热输入的预期变化，产生指令以更改行进速度(方框86)。这样，在整个焊接操作中，所述热输入可维持在所需的水平上或在所需的范围内，且所述电流可基本维持在恒定水平下。

值得注意的是，在其他实施例中，类似的控制方法可用于恒定电压操作模式或恒定功率操作模式。例如，在恒定电压实施例中，操作人员指定电流水平变化后，指令会产生以保持电压在预设水平下。然而，为了根据电流水平变化来抵消热输入的预期变化，可能需调整所述行进速度。此外，如果操作人员指定行进速度的预期变化，可通过调整电压或电流或这两者来调整功率水平以抵消预期热输入变化。更进一步地，在包括多个焊机的多弧系统中，可调整一个或多个焊机的电压和/或电流以抵消预期热输入变化。

图4为可用于焊接控制器的方法88的实施例，以调整工件温度在所需的水平上或在所需的范围之内。一旦启动焊接操作(方框72)，并接收到工件被检测到的温度(方框90)，比较所述被检测到的温度和预设所需范围以确定被检测到的温度是否在规定公差内(方框92)。当所述温度在预定的公差内时，连续或定期监测所述温度是否发生任何变化。然而，当所述温度不在预定公差内时，可通过控制信号的产生来改变每单位距离的热输入，该控制信号是要求影响热输入的焊接变量进行更改的控制信号(方框94)。即，在本实施例中，可按照要求更改一个或多个焊接变量以调整热输入变化，从而影响工件温度直至被检测到的温度落入预设范围内。

虽然此处仅示出和描述本发明的某些特征，不过本领域的技术人员可进行各种变形和改变。因此，可以理解的是，所附权利要求书旨在包含落入本发明实质精神内的变形和改变。

Claims (20)

1.一种焊接系统，包括：

设有电源转换电路的焊接电源，电源转换电路用于生成焊接电源输出用于焊接操作，其中所述焊接电源用于接收焊接操作所需的热输入水平和被更改的焊接变量水平；及

通信耦合到焊接电源上的控制电路，该控制电路用于接收对所需热输入水平和被更改的焊接变量水平进行编码所得到的数据，以确定适合于基本上维持所需热输入水平的第二焊接变量水平，并产生控制信号以控制焊接电源执行已确定的第二焊接变量水平。

2.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊接变量水平包括电压水平，第二焊接变量水平包括行进速度级。

3.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊接变量水平包括电流水平，第二焊接变量水平包括电压水平。

4.根据权利要求1所述的焊接系统，包括以所需速度向焊枪进给焊丝的送丝器，其中第二焊接变量水平为通过焊接电源传递至送丝器上的送丝速度。

5.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所需的热输入水平包括一系列在预设公差范围内适当的热输入值。

6.根据权利要求1所述的焊接系统，其中焊接电源包括恒定电流电源或恒定电压电源以用于埋弧焊操作。

7.根据权利要求6所述的焊接系统，包括焊剂漏斗，向焊接操作供给焊剂，以及焊剂回收系统，从工件回收未熔化的焊剂。

8.一种方法，包括：

接收数据，其所接收的数据为对热输入值处在上限与下限之间的预期热输入范围进行编码所得到的数据；

接收数据，其所接收的数据为对一组焊接变量中的第一焊接变量水平的预期变化进行编码的数据；以及

确定一组焊接变量中的第二焊接变量水平的变化，其中第二焊接变量水平所确定的变化适用于维持焊接操作中热输入在预期的热输入范围内。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述一组焊接变量包括焊接电压、焊接电流、送丝速度、行进速度或它们的组合。

10.根据权利要求8所述的方法，其中第一焊接变量包括焊接电压，第二焊接变量包括送丝速度。

11.根据权利要求8所述的方法，包括将第二焊接变量水平所确定的变化传递到焊接电源、焊接送丝器、定位系统或它们的组合上。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述焊接操作为通过恒定电流或恒定电压焊接电源执行的埋弧焊操作。

13.根据权利要求8所述的方法，其中第一焊接变量包括焊接电压，第二焊接变量包括行进速度。

14.焊接系统，包括：

具有电源转换电路和操作员界面的焊接电源，电源转换电路产生适用于焊接操作的焊接电源输出，操作员界面用于接收所需热输入水平和操作员对一组焊接变量中的焊接变量进行的调整；

送丝器，连接到焊接电源上并在所进给的焊丝上施加焊接电源输出；

定位系统，用于使焊枪和工件相对于彼此定位；以及

控制电路，用于接收对所需热输入水平及焊接变量调整进行编码所得到的数据，以确定一组焊接变量中的第二焊接变量水平的变化，该变化适合于保持焊接操作热输入基本等于所需热输入水平，并产生控制信号以编码第二焊接变量所确定的变化，其中所产生的控制信号被传递到焊接电源、送丝器、定位系统或它们的组合上，用于焊接操作。

15.根据权利要求14所述的焊接系统，其中所述一组焊接变量包括焊接电压、焊接电流、送丝速度、行进速度或它们的组合。

16.根据权利要求14所述的焊接系统，其中所述焊接操作为埋弧焊操作，焊接电源的操作模式为恒定电流或恒定电压模式。

17.根据权利要求16所述的焊接系统，包括焊剂漏斗，其向焊接操作供给焊剂，还包括焊剂回收系统，其从工件回收未熔化的焊剂。

18.根据权利要求14所述的焊接系统，其中所需的热输入水平包括一系列在预设公差范围内适当的热输入值。

19.根据权利要求14所述的焊接系统，其中送丝器包括连接到一组驱动滚轴上的电机，用于从供给线轴中放出所供给的焊丝。

20.根据权利要求14所述的焊接系统，其中所述焊接变量包括焊接电压，第二焊接变量包括送丝速度。

Images