CN104245210A - 前后排列的掩弧焊 - Google Patents

Abstract

提供一种系统和方法，其中至少两个焊接电源供应器(101,103)被耦合到各自的焊炬(106,110)，其中电源供应器每个将脉冲焊接波形提供到它们各自的焊炬，以使焊接脉冲彼此异相，以致各自的焊接脉冲在焊接期间不重叠。所述系统还包括接地电流切换装置(113)，所述接地电流切换装置(113)在焊接期间切换接地电流路径，以最小化电弧干扰和电弧偏吹。

Description

前后排列的掩弧焊

发明背景

发明领域

本发明的系统和方法涉及焊接和接合，并且更具体地涉及前后排列的掩弧焊(buriedarc welding)。

相关技术描述

随着在焊接方面已经取得进步，对焊接生产量的需求已经增加。由于这个原因，各种系统已经被开发来增加焊接操作的速度，包括使用多个焊接电源供应器的系统，所述多个焊接电源供应器将它们各自的焊接电流引导到同一焊接操作。尽管这些系统可以增加焊接操作的速度或熔敷率，由多个电源供应器创建的不同的焊接电弧可以在焊接期间彼此干扰而引起电弧偏吹以及其他问题。因此，期望改进的系统。

发明内容

本发明的示例性实施方案包括焊接和方法，所述系统和方法具有至少一个前(leading)电源供应器，所述至少一个前电源供应器被电气耦合到前焊条，其中前电源供应器将第一焊接波形提供到前焊条，以经由第一焊接电弧将前焊条熔敷到焊接接头中，并且第一焊接波形包括具有峰值电流水平的多个脉冲。同样被包括的是至少一个后(trailing)电源供应器，所述至少一个后电源供应器被电气耦合到后焊条，其中后电源供应器将第二焊接波形提供到后焊条，以经由第二焊接电弧将后焊条熔敷到焊接接头中，并且第二焊接波形包括具有峰值电流水平的多个脉冲。第一和第二焊接波形中的至少一个被这样控制，以使第一焊接波形的脉冲的峰值电流水平与第二焊接波形的脉冲的峰值电流水平异相。从说明书、权利要求书和附图，本发明的进一步方面、实施方案和优点将变得清晰。

附图简要描述

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中：

图1是根据本发明的焊接系统的示例性实施方案的图示表征；

图2是利用本发明的实施方案的焊接操作的图示表征；

图3是用于本发明的实施方案的示例性焊接波形的图示表征；

图4是用于本发明的实施方案的另一示例性焊接波形的图示表征；以及

图5是在本发明的示例性实施方案中接地点的定位的图示表征。

示例性实施方案的详细描述

现在将在下面通过参照附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编号在通篇中涉及相似的要素。

图1描述依据本发明的示例性实施方案的焊接系统100。系统100包含至少两个焊接电源供应器101和103。在所示出的实施方案中，总共存在四个焊接电源供应器，其中电源供应器以并行的配置被配置，以致提供增加的可获得的电流。例如，电源供应器101和101'被并行地配置，并且电源供应器103和103'被并行地配置。如所陈述的，这样来配置增加总的可获得的电流，所述电流可以被分别提供到焊炬106和110。然而，这样的配置不是必需的，因为每个焊炬106/110可以分别接收来自单个焊接电源供应器的电流。

电源供应器101、101'、103和103'是能够以DC和/或AC焊接模式来进行脉冲焊接的电源供应器。这样的电源供应器可以是用于针对大型工件(例如大直径和有厚壁的管道)的埋弧焊(sub-merged arc welding)或预焊(tack welding)的类型。这样的电源供应器的实施例是由美国俄亥俄州克里夫兰市的林肯电气公司制造的PowerAC/DCSD。其他类似的电源供应器可以被使用。

如所示出的，电源供应器被分别耦合到焊炬106和110。焊炬106和110被定位为邻近彼此，以使它们在焊接期间将它们各自的填充焊丝107和111引导到共同的焊接接头和熔池。填充焊丝107和111分别经由焊丝送进机构105和109被提供到焊炬，所述焊丝送进机构105和109可以是任何已知类型的焊丝送进机构。

系统100还具有接地切换装置113，所述接地切换装置113将至少两个不同的接地点A和B耦合到电源供应器101、101'、103和103'的接地端。接地点A和B在工件W的末端上被定位为远离彼此并且一般地被定位为与在焊接过程期间形成的焊接接头的行进方向一致。就是说，在焊接期间，焊炬106/110一般地朝向并且远离各自的接地点A和B行进。切换装置113被用来在焊接期间在点A和B之间改变由电源供应器利用的接地电流路径。这将在下面进一步被描述。切换装置113可以由系统控制器115控制，所述系统控制器115被耦合到切换装置113和至少一个焊接电源供应器。在图1中，系统控制器115被示出为相对于电源供应器是外部的，但是在一些实施方案中，控制器115可以相对于焊接电源供应器101和103中的至少一个是内部的。就是说，电源供应器中的至少一个可以是主电源供应器，所述主电源供应器控制其他电源供应器和切换装置113的操作。在操作期间，系统控制器115(其可以是任何类型的CPU、焊接控制器等等)控制焊接电源供应器和切换装置113的输出。这可以许多方式来完成。例如，系统控制器115(其存在于电源供应器中的一个)可以利用来自电源供应器的实时反馈数据来确保来自各自的电源供应器的焊接波形被正确地同步(如下面所描述的)。进一步地，控制器115以与下面的讨论一致的方式控制切换装置113。在示例性实施方案中，控制器115可以利用来自电源供应器中的波形产生器(未具体地示出)的波形定时信号来控制切换装置113的切换的定时。控制切换装置113的定时的其他手段也可以被利用。在示例性实施方案中，切换装置113以与来自电源供应器的焊接波形的焊接频率一致的频率被切换。这将在下面进一步来讨论。

图2描述本发明的焊接操作的示例性实施方案，并且图3描述被用于本发明的实施方案的示例性焊接波形。

如图2所示，焊炬106和110中的每个被定位为邻近彼此，以使它们到共同的熔池中焊接。在所示出的实施方案中，焊炬106/110中的每个相对于工件焊接表面的法线是倾斜的。焊炬110以角度α倾斜并且焊炬106以角度β倾斜。在示例性实施方案中，焊炬106(其为前焊炬)具有-20度至0度范围内的角度β，并且在进一步的示例性实施方案中具有-3度至-15度范围内的角度β。进一步地，在示例性实施方案中，焊炬110具有0度至30度范围内的角度α，并且在进一步的示例性实施方案中具有8度至20度范围内的角度α。附加地，在示例性实施方案中，在焊接期间各自的焊丝107和111的末端之间的距离D是在6mm至50mm范围内(以焊丝107和111的中心到中心来测量)，并且在另一个示例性实施方案中是在15mm至40mm范围内。在又进一步的示例性实施方案中，距离D是在11mm至16mm范围内。

在焊接期间，焊接电弧201和203分别从焊丝107和111中的每个产生，同时电弧201/203中的峰值电流水平被定时以使它们不重叠。在其他示例性实施方案中，电弧201/203的峰值电流的至少一些重叠部分被提供。在示例性实施方案中，电弧201/203的各自的峰值电流之间的相位角Φ是在180度至-20度范围内。另外，接地切换装置113被这样控制，以使各自的电流路径l1和l2在焊接期间远离彼此。具体地，切换装置113被这样控制，以使在焊接的一部分期间电流被引导到接地点A，而在焊接的另一部分期间电流被引导到接地点B。因此，通过在接地点A和B之间切换，各自的电流l1和l2将被偏置远离彼此。这样的偏置将有助于在焊接期间最小化电弧201和203之间的电弧干扰。因此，在观察图3中的波形301和310时，当(针对焊炬106的)第一波形301是在它的峰值303时切换装置113相对于接地点A是闭合的，并且当波形301是在它的本底水平305时断开接地点A。类似地，当(针对焊炬110的)波形310是在它的峰值313时切换装置113相对于接地点B是闭合的，并且当波形310是在它的本底水平315时相对于接地点B是断开的。

在本发明的示例性实施方案中，当电流301和310二者分别是在它们的本底水平305和315或接近它们的本底水平305和315时，切换装置113在它的位置之间被切换。这可以最小化切换对焊接操作和切换装置113的影响。在本发明的示例性实施方案中，波形301和310可以被这样控制，以使在一个峰值电流水平(例如303)的结束和下一个峰值水平(例如313)的开始之间存在一微小延迟，以允许切换装置113的切换。在这样的延迟期间，两个波形可以是在它们的本底水平或接近它们的本底水平，以允许切换装置113的切换。

在本发明的其他示例性实施方案中，按照需要，当波形301或310的焊接电流正在增加或降低时，切换装置113的切换可以发生。例如，在一些焊接应用中，当脉冲的电流水平L超出本底水平(例如305)但处于或低于峰值脉冲电流(例如303)的15％时切换装置113在它的位置之间切换可以是有益的。因此，例如，在一些示例性实施方案中，当第一波形301的电流正在从本底水平305增加到峰值水平303同时电流是在电流水平L(参见图3中的点Z)时，切换装置113可以从接地位置A被切换到接地位置B。类似地，在其他示例性实施方案中，当波形301的电流是在水平L但同时电流正在从峰值水平303下降到本底水平305(参见图3中的点Y)时，切换可以发生。在另一个示例性实施方案中，切换电流水平L处于或低于波形的峰值电流水平的5％。

进一步地，如图3所示，在示例性实施方案中，各自的焊接波形被这样控制，以使它们具有180度相移Φ。如所示出的，波形301和310中的每个分别具有峰值水平303和313以及本底水平305和315。然而，因为波形301和310是180度异相的，当第一波形301是在峰值电流状态时第二波形310是在本底水平。这也有助于最小化电弧干扰和电弧偏吹。在这样的实施方案中，可以获得的焊接和熔敷速度远高于已知系统中的焊接和熔敷速度。例如，本发明的示例性实施方案可以用于预焊管道的接缝并且可以获得至少10m/min的焊接速度，其中几乎没有或没有磁性的或电性的电弧干扰或电弧偏吹问题。本发明的实施方案不限于仅用于预焊应用并且也可以用于附加的焊接应用。

在图3所示出的实施方案中，波形301和310中的每个具有相同的脉冲宽度的峰值幅值，并且峰值脉冲宽度和本底持续时间具有相同的时间。然而，在其他示例性实施方案中，波形的这些方面可以是不同的。

图4描述进一步的示例性波形401和410，其中波形具有不同的参数。当各自的焊丝107和111是不同的时，本发明的这样的实施方案可以被使用。在一些示例性实施方案中，焊丝107和111可以具有不同的直径和/或组成(composition)。例如前焊丝107可以具有第一直径并且第二焊丝111可以具有第二直径，所述第二直径小于第一直径。在这样的实施方案中，直径被选择来获得所期望的熔敷率和/或焊接熔深。在大多数实施方案中，其中焊丝的直径是不同的，前焊丝107将具有较大的直径。然而，这不需要总是这样的情况。类似地，在本发明的一些实施方案中，焊丝107和111的化学成分可以是不同的，以获得最佳的焊缝化学成分。因此，在一些实施方案中，前焊丝107可以具有第一化学成分，而后焊丝111可以具有第二化学成分，以使当被组合时，合成的焊缝将具有所期望的化学成分。在一些示例性实施方案中，焊丝107和111也可以不同的焊丝送进速度被送进到焊接接头。

因为焊丝107和111可以在尺寸、化学成分和焊丝送进速度上是不同的，用于焊丝中的每个的各自的波形可以是不同的。这在图4中被示出，其中后波形410具有脉冲413，所述脉冲413具有小于前波形的脉冲403的峰值的峰值电流水平。附图还示出针对波形405和415的本底的电流水平分别是不同的。进一步地，前波形脉冲403的脉冲宽度PW1在持续时间上长于后波形410的脉冲413的脉冲宽度PW2。在其他示例性实施方案中，脉冲宽度PW2可以在持续时间上长于脉冲宽度PW1。图4还示出后波形410的脉冲413在前波形401到达它的本底水平405之后的时间T开始。在图4所示出的实施方案中，后波形410的脉冲413在前波形401的本底水平405期间开始并且结束。在其他示例性实施方案中，这可以不是这样的情况。例如，后脉冲413可以结束同时前脉冲403开始(类似于图2中所示出的)。各自的波形401和410的属性应该被选择来焊接各自的焊丝107和111。

如上面所陈述的，各自的接地点A和B在焊接期间被定位在工件W的末端或接近工件W的末端。这一般地在图1中被示出并且也在图5中被描述。图5描述具代表性的工件W，所述工件W具有接地点A和B，所述接地点A和B被定位为与焊接接头行进方向WJ一致。就是说，接地点与焊接接头行进方向WJ共线。然而，在其他示例性实施方案中，接地点中的至少一个未被定位为与焊接接头行进方向WJ共线，而是被偏置。理解的是，一些焊接工件W不允许共线接地点定位，并且如此一来接地点可以被定位在其他位置。因此，在一些实施方案中，接地点A和B与焊接接头行进方向WJ共线不是必需的，并且至少一个接地点是偏置的，以使接地点A和B被定位来提供充分地偏离彼此的电流路径l1和l2，以在焊接期间最小化电弧干扰。在图5所示出的实施方案中，接地点B'被定位为不与焊接接头WJ共线，以使相对于焊接接头行进方向WJ在第一接地点A和第二接地点B之间存在角度θ。就是说，如果接地点A和B二者定位为在焊接接头行进方向WJ上是共线的，角度θ是180度。在示例性实施方案中，角度是在135度至225度范围内，并且在其他示例性实施方案中，角度是在155至205度范围内。利用这样的角度，接地电流路径l1和l2是充分地偏离的。应该注意的是，在那些焊接接头不是直线的实施方案中，焊接接头行进方向WJ是在焊接接头的长度上的平均行进方向。

应该注意的是，尽管图3和图4将示例性波形描述为DC焊接波形，本发明在这方面不受限制，因为脉冲波形也可以是AC。

同样注意的是，在图1和图2中均为示出的是保护物质的使用，所述保护物质可以采取保护气体的形式。在一些示例性实施方案中，所使用的保护气体可以是100％CO₂。保护物质可以使用递送保护物质到这样的焊接操作的已知的方法来递送。例如，在图2中至少一个保护气体喷嘴(未示出)可以被放置为邻近焊炬106和110，以使焊接电弧201和203以及熔池被充分地保护免遭大气。

本文所描述的示例性实施方案可以用于掩弧焊(buried arc welding)工艺，所述掩弧焊工艺是已知的使用保护气体的明弧焊工艺，这与例如在埋弧焊(submerged arc welding)中使用焊剂保护不同。进一步地，本发明的示例性实施方案可以用于预焊，并且更具体地用于预焊管道中的接缝以及其他大型工业接缝的预焊应用。

尽管本发明已经参照其示例性实施方案被具体地示出和描述，但本发明不限于这些实施方案。本领域的普通技术人员将理解的是，其中可以进行形式和细节上的各种改变而不脱离如由随后的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

参考标号：

100  焊接系统        401  波形

101  焊接电源供应器  403  脉冲

101' 电源供应器      405  波形

103  焊接电源供应器  410  波形

103' 电源供应器      413  脉冲

105  焊丝送进机构    415  波形

106  焊炬

107  填充焊丝        A    接地点

109  焊丝送进机构    B    接地点

110  焊炬            B'   接地点

111  填充焊丝        D    距离

113  接地切换装置    l1   电流路径

115  系统控制器      l2   电流路径

201  焊接电弧        L    电流水平

203  焊接电弧        PW1  脉冲宽度

301  波形            PW2  脉冲宽度

303  峰值            T    时间

305  本底水平        W    工件

310  波形            WJ   焊接接头行进方向

313  峰值            Z    点

315  本底水平        α   角度

β   角度

Φ   角度

θ   角度

Claims (15)

1.一种焊接系统(100)，所述焊接系统(100)包括：

至少一个前电源供应器(101)，所述至少一个前电源供应器(101)被电气耦合到前焊条(107)，其中所述前电源供应器将第一焊接波形提供到所述前焊条，以利用明弧焊工艺将所述前焊条熔敷到焊接接头中，其中所述第一焊接波形包括具有峰值电流水平的多个脉冲；以及

至少一个后电源供应器(103)，所述至少一个后电源供应器(103)被电气耦合到后焊条(111)，其中所述后电源供应器将第二焊接波形提供到所述后焊条，以利用明弧焊工艺将所述后焊条熔敷到所述焊接接头中，其中所述第二焊接波形包括具有峰值电流水平的多个脉冲；

其中所述第一和第二焊接波形中的至少一个被这样控制，以使所述第一焊接波形的所述脉冲的所述峰值电流水平与所述第二焊接波形的所述脉冲的所述峰值电流水平异相。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述前焊条和后焊条中的每个被熔敷到共同的熔池中来形成所述焊接接头。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中所述前焊条在焊接期间相对于所述焊接接头的法线以0度至-20度范围内的角度被定向；和/或

其中所述后焊条在焊接期间相对于所述焊接接头的法线以0度至30度范围内的角度被定向；和/或

其中所述前焊条在焊接期间相对于所述焊接接头的法线以-3度至-15度范围内的角度被定向，并且所述后焊条相对于所述法线以8度至20度范围内的角度被定向。

4.如权利要求1至3中的一项所述的系统，其中在焊接期间所述前焊条和后焊条之间的距离是在6mm至50mm范围内。

5.如权利要求1至4中的一项所述的系统，其中所述第一和第二焊接波形是以180度异相的；和/或

其中所述第一和第二焊接波形是以180度至-20度异相的。

6.如权利要求1至5中的一项所述的系统，其中所述第一焊接波形的所述峰值电流水平的幅度和持续时间中的至少一个不同于所述第二焊接波形的所述峰值电流水平的幅度和持续时间。

7.如权利要求1至6中的一项所述的系统，其中所述第一焊接波形还包括在所述第一焊接波形的所述多个脉冲之间的本底部分，并且所述第二焊接波形还包括在所述第二焊接波形的所述多个脉冲之间的本底部分，并且

其中针对所述第一焊接波形和所述第二焊接波形中的至少一个的所述多个脉冲中的每个的所述峰值电流水平全部出现在所述第一焊接波形和第二焊接波形中的另一个的所述本底部分期间。

8.如权利要求1至7中的一项所述的系统，其中所述明弧焊工艺是预焊工艺。

9.一种焊接方法，所述焊接方法包括：

将第一焊接波形提供到前焊条，以利用明弧焊工艺，例如预焊工艺，将所述前焊条熔敷到焊接接头中，其中所述第一焊接波形包括具有峰值电流水平的多个脉冲；

将第二焊接波形提供到所述后焊条，以利用明弧焊工艺，例如预焊工艺，将所述后焊条熔敷到所述焊接接头中，其中所述第二焊接波形包括具有峰值电流水平的多个脉冲；以及

控制所述第一和第二焊接波形中的至少一个，以使所述第一焊接波形的所述脉冲的所述峰值电流水平与所述第二焊接波形的所述脉冲的所述峰值电流水平异相。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述前焊条和后焊条中的每个被熔敷到共同的熔池中来形成所述焊接接头；和/或

其中所述前焊条在焊接期间相对于所述焊接接头的法线以0度至-20度范围内的角度被提供；和/或

其中所述后焊条在焊接期间相对于所述焊接接头的法线以0度至30度范围内的角度被提供。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述前焊条在焊接期间相对于所述焊接接头的法线以-3度至-15度范围内的角度被提供，并且所述后焊条相对于所述法线以8度至20度范围内的角度被提供。

12.如权利要求9至11中的一项所述的方法，其中所述前焊条和后焊条中的每个被提供到所述焊接接头，以使在焊接期间所述前焊条和后焊条之间的距离是在6mm至50mm范围内。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一和第二焊接波形被控制为是以180度异相的；和/或

其中所述第一和第二焊接波形被控制为是以180度至-20度异相的。

14.如权利要求9至13中的一项所述的方法，其中所述第一和第二焊接波形被这样控制，以使所述第一焊接波形的所述峰值电流水平的幅度和持续时间中的至少一个不同于所述第二焊接波形的所述峰值电流水平的幅度和持续时间。

15.如权利要求9至14中的一项所述的方法，其中所述第一焊接波形还包括在所述第一焊接波形的所述多个脉冲之间的本底部分，并且所述第二焊接波形还包括在所述第二焊接波形的所述多个脉冲之间的本底部分，并且

其中针对所述第一焊接波形和所述第二焊接波形中的至少一个的所述多个脉冲中的每个的所述峰值电流水平全部出现在所述第一焊接波形和第二焊接波形中的另一个的所述本底部分期间。