CN104271302A - 在起弧之前利用脉冲化焊丝开始电弧焊工艺的设备和方法 - Google Patents

在起弧之前利用脉冲化焊丝开始电弧焊工艺的设备和方法 Download PDF

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Abstract

提供一种开始焊接操作的系统(100)和方法，其中焊条(107)以脉冲的形式朝向工件(W)被推进并且具有一电压水平，所述电压水平在焊条(107)和工件(W)之间的接触形成时将提供第一电流。在接触之后，焊条(107)被缩回以使焊接电弧被建立并且在焊接电弧被建立之后电流和焊丝送进速度被增加到焊接水平。

Description

在起弧之前利用脉冲化焊丝开始电弧焊工艺的设备和方法
发明的领域
本发明涉及装置、系统和方法，所述装置、系统和方法涉及焊接并且更具体地涉及开始电弧焊工艺。
技术背景
当开始焊接应用时，焊接焊条(或填充焊丝)在焊条与工件接触时可能易于飞溅。这种情况典型地发生，因为焊接电流开始于在焊条和工件之间形成接触的时刻。飞溅会导致焊接接头(weld joint)中的缺陷。
发明内容
针对这种背景，一个目标是改进电弧开始的方法。通过根据权利要求1的焊接方法以及通过根据权利要求15的焊接系统来解决这个问题。进一步的实施方案是从属权利要求的主题。本发明的示例性实施方案是用于焊接的焊接系统和方法，其中所述方法包括朝向要被焊接的至少一个工件推进焊条，其中所述推进在第一推进速率和第二推进速率之间被脉冲化(pulsed)，并且所述第一推进速率高于所述第二推进速率。感测电压被提供到所述焊条并且在所述焊条和所述至少一个工件之间接触被检测。然后所述焊条与所述至少一个工件的分离被检测。在分离之后所述焊条的脉冲化被停止并且所述焊条以第一固定速度朝向所述至少一个工件被推进，并且在分离之后焊接电流被提供到所述焊条来焊接所述至少一个工件。
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图示说明依据本发明的示例性实施方案的焊接系统的图示表征；以及
图2至图5图示说明依据本发明的各种实施方案的焊接开始操作的图示表征。
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描绘依据本发明的实施方案的示例性焊接系统100。系统100包括焊接电源供应器101、焊丝送进机构103以及可以检测电压、电流或二者的检测电路115。焊接电源供应器101经由接地连接(ground connection)111被耦合到工件W并且经由引线113被耦合到焊丝送进器103。注意的是，引线111和113被分别示出为负和正，然而，这并不意图将本发明的实施方案限制为DC焊接，因为电源供应器101也可以执行AC或反极性的焊接。焊丝送进器机构103使用引线(未示出)将来自引线113的焊接信号提供到焊炬105。焊接信号从焊炬105被传递到焊接焊条107。焊接焊条107经由焊丝送进机构中的辊104从源109被拉出。
在示例性实施方案中，检测电路115使用被耦合到焊炬105的引线117和被耦合到工件W的引线119来感测焊接焊条105和工件W之间的电压，并且系统使用引线111和113来感测电流。这样的电流和电压感测电路一般地是已知的。在其他实施方案中，电流也可以由电路115感测。所感测的电流和/或电压经由引线123发送到焊接电源供应器101，并且控制引线121将焊丝送进机构103耦合到电源供应器101。当然，如果引线111/113被用来感测电流，则电源供应器101直接感测电流。电路115可以是能够检测焊条107和工件W之间的实时电压和/或电流的任何类型的电路，并且可以与电源供应器101或焊丝送进机构103是一体化的。为清楚起见，电路115在图1中被描述为单独的部件，而并不需要是系统100的单独的部件。事实上，电路115可以是被电源供应器101用来检测用于控制焊接信号的实时焊接电流和/或电压的相同的电路。引线123将反馈信息从电路115传送到电源供应器101并且引线121允许焊丝送进机构103和电源供应器101彼此通信来按照需要控制焊丝送进和焊接操作。
同样在图1中所示出的，在一些实施方案中，机器人或半自动移动装置125在焊接期间移动并且安置(position)焊炬105。在其他示例性实施方案中，焊炬105的安置可以通过使用者经由半自动焊接操作而不需要是机器人焊接装置。在所示出的实施方案中，装置125依据储存在系统控制器127中的程序安置焊炬105并且控制焊炬105和/或工件W的移动。机器人或半自动焊接系统的这样的部件一般地是已知的并且不需要在本文被详细描述。如所示出的，系统控制器127可以被耦合到焊接电源供应器101和焊丝送进机构103来在焊接之前或者在焊接期间控制它们的操作。进一步地，来自电路115的反馈可以被直接提供到系统控制器127，如下面所描述的，来控制整个焊接操作。
如之前所指出的，开始焊接操作可能是困难的，因为当初始焊接电弧被创建时飞溅可能被创建。下面的方法，采用上面的示例性系统100，允许发起焊接操作而不创建任何显著的飞溅。图2至图5描述依据本发明的示例性实施方案的开始电弧焊操作的各种方法。
如图2所示，在操作的开始，电源供应器101为焊丝107提供并调节(regulate)感测电压V1。在本发明的示例性实施方案中，电压V1为至少10伏特。在进一步的示例性实施方案中，电压为至少15伏特，并且在又附加的实施方案中，电压V1在15伏特和60伏特之间。当然，其他值可以被采用而不脱离本发明的精神或范围。因为在焊条107和工件W之间不存在接触并且不存在电弧，而不存在电流。附加地(在步骤1)，焊条107以脉冲的形式朝向工件W被推进。就是说，焊条107以第一速度S1被推进一段时间T并且然后以第二速度被推进一段时间T'。在一些实施方案中，时间T和时间T’可以是相同的，然而在其他示例性实施方案中，时间T在持续时间上更长，并且在进一步的示例性实施方案中，时间T'在持续时间上更长。这种脉冲化可以许多不同的方式来获得。例如，焊丝送进器103可以速度S1送进焊丝一时间T并且然后停止送进一时间T'，但是由于在初始脉冲之后将有一些压缩力存在于焊丝中，当焊丝松弛时焊丝107将仍以速度S2推进。可替换地，在时间T'期间，焊丝送进器103可以简单地以第二速度S2送进焊丝107。因此，在一些示例性实施方案中，焊丝送进机构103通过开始和停止焊丝送进机构103而将焊丝送进脉冲化，然而在其他示例性实施方案中，脉冲化可以是通过焊丝送进器103从一种送进速度到另一种送进速度。因此，例如，在送进脉冲期间，焊条107的送进速度处于第一水平S1一时段(period)T并且然后处于第二速度S2一时间T'，所述速度S2小于速度S1。焊条107通过焊丝送进机构103被送进/脉冲化以使焊条与工件W接触(步骤2)。焊条107的脉冲化可以许多不同的方式被控制，包括以设定的速度S1送进焊条一段时间T，或者焊丝送进机构可以通过针对每个脉冲以设定的速率S1推进焊条107一设定距离被控制。因为接触被形成，焊条107和工件W之间的电压下降到几乎为零并且电流将开始流动。
当焊丝107与工件W接触(步骤2)时，检测电路115检测到电流的流动和/或电压下降到接触水平Vc并且将该反馈提供到电源供应器101和/或系统控制器127。在一些示例性实施方案中，电压接触水平Vc被设定为2伏特，以使当电压达到2伏特或者低于2伏特时，控制器127和/或电源供应器101确定接触已经形成。在本发明的其他示例性实施方案中，电压接触水平Vc可以被设定为1伏特。当然，其他值可以被采用而不脱离本发明的精神或范围。
由于接触已经形成，第一电流C1通过焊丝107被提供并且被提供到工件W中，所述第一电流C1小于电弧焊电流水平。就是说，电流水平C1处于这样的水平，以使尽管小的电弧可以被创建在焊丝107和工件W之间，电流没有如此的高以致电弧焊开始。在本发明的示例性实施方案中，电流水平C1不多于20安培。在本发明的另一示例性实施方案中，水平C1不多于10安培。在进一步的示例性实施方案中，电流水平C1是在10安培至20安培的范围内。当然，其他值可以被采用而不脱离本发明的精神或范围。
在一些实施方案中，一旦接触已经形成，电源供应器101从电压调整模式(其被用来在焊丝107接触之前调整焊丝电压V1)切换到电流调整模式，来调整电流水平C1。这样的调整电路是已知的并且不需要在本文被详细描述。在其他示例性实施方案中，电源供应器101可以继续使用具有电流限制能力的电压调整技术来确保电流C1被保持在所期望的水平C1。
在接触之后(如在步骤3所示出的)焊丝107回弹(rebound)。以不同的方式表述，由于焊丝送进操作的脉冲化本质，在焊丝107与工件W接触之后，焊丝107本质上从工件W弹开。这种弹起或回弹由于由焊丝107的脉冲化导致的焊丝107中的固有弯曲而发生。就是说，当焊丝107被脉冲化时，它在其焊丝递送系统内被反复地压缩和松弛。因为焊丝107的弹起或回弹破坏了焊丝107和工件W之间的接触，电压又开始上升到回弹电压水平V2。这种回弹电压水平V2小于初始电压水平V1(因为电流现在正在流动)并且高于接触电压水平Vc。在示例性实施方案中，回弹电压水平V2为至少5伏特，然而在其他示例性实施方案中，回弹电压水平V2为至少8伏特。在进一步的实施方案中，回弹电压水平V2是在5伏特至8伏特的范围内。当然，其他值可以被采用而不脱离本发明的精神或范围。进一步地，回弹电压水平V2可以是或可以不是用于焊接的调整的电压水平。
该回弹电压水平V2由检测电路115检测，所述检测电路115将所检测到的电压传送到控制器127和电源供应器101中的至少一个，并且电源供应器101使用该信息来开始焊接操作。因此，当达到回弹电压水平V2时，电源供应器101提供焊接电流CW，所述焊接电流CW可以是用于所期望的焊接操作的电流。焊接电流CW将高于电流C1。在本发明的一些实施方案中，电流CW可以与如在用于焊接操作的GMAW-脉冲型焊接波形中所使用的本底电流(background current)水平相同。例如，如果具有60安培本底水平的GMAW-脉冲焊接波形要被用于焊接，则电流水平CW将被设定为60安培。
附加地，在检测到回弹电压V2之后，发送信号给焊丝送进机构103来停止将焊丝的送进脉冲化并且以第二速度S1'连续地送进焊丝。在一些示例性实施方案中，第二速度S1'可以与初始速度S1相同，但是它未被脉冲化。附加地，在这些实施方案中，第二速度S1'被使用一时段T"来允许创建并且稳定初始电弧201，在这之后焊丝以焊接速度SW被送进，所述焊接速度SW是用于所期望的焊接操作的速度。初始电弧201本质上是最后的焊接电弧的发起并且具有足够的能量来开始熔化工件和焊丝107中的至少一个以进行焊接。如在步骤5所示出的，完整的焊接电弧203被呈现并且焊接操作正在进行。在可替换的实施方案中，第二速度S1'高于速度S1，并且可以是要以其进行焊接操作的速度(SW)。
在步骤5，焊接电弧203被完全建立并且焊接操作如所期望的以所期望的电流、电压和焊丝送进速度水平进行。当然，焊接操作可以是任何类型的焊接操作，包括但不限于，脉冲化的、非脉冲化的、MIG、GMAW、SAW、FCAW等等。本发明的实施方案不受焊接操作期间采用的焊接波形的类型的限制。
图3描绘类似于图2中所示出的方法的另一示例性开始方法。然而，在这个实施方案中，在回弹(步骤3)之后并且在焊接电流CW发起之前，中间电流水平C2被发起。该中间电流C2被用来建立初始电弧201并且处于初始电流C1之上和焊接电流CW之下的水平。该中间电流C2在时间段T"期间被使用，在所述时间，焊丝以小于焊接速度SW并且等于或高于初始脉冲速度S1的速度S1'被送进。附加地，在这个实施方案中，焊丝107未在脉冲之间的时间T'期间被送进，以使焊丝107在脉冲之间本质上停止。
图4描绘类似于图2的另一示例性实施方案。然而，在这个实施方案中，在电源供应器101达到回弹电压V2和/或焊接电流CW之后，焊丝送进速度被增加到焊接焊丝送进速度水平SW。因此，在这个实施方案中，不存在中间焊丝送进速度S1'并且一旦回弹被检测到，焊丝送进速度以焊接速度SW来送进。
图5描绘本发明的另一示例性实施方案。再次，开始方法的许多方面类似于其他附图。然而，在这个实施方案中，在接触被检测到之后，焊丝107通过焊丝送进器103被缩回。因此，在焊丝接触被检测到之后，焊丝送进器103被指示来缩回焊丝107或使焊丝107反向。这可以许多方式来完成。例如，在一些实施方案中，焊丝送进器103可以被指示来以反向速度SR缩回焊丝107一段时间TR。可替换地，焊丝送进器103可以被指示来缩回焊丝107一预定的距离。然后，在焊丝被缩回并且合适的电压和/或电流水平被检测到之后，焊接操作可以开始。尽管图5描绘在缩回之后达到焊接电流CW和焊丝送进速度SW，与图3中所示出的实施方案相似，中间电流和焊丝送进速度水平可以被使用而不脱离本发明的精神和范围。
在本发明的示例性实施方案中，控制由系统控制器127和/或电源供应器101实现，并且所使用的任何其他控制电子器件是高速控制电子器件。高速控制电子器件的使用允许系统的快速控制以确保在焊条107和工件W之间的接触形成之后快速建立电弧201。在本发明的示例性实施方案中，系统控制器127这样控制电源供应器101和焊丝送进机构103，以使在焊条107与工件W的接触(步骤2)和电弧201的开始(步骤4)之间的定时是在20μs至50μs的范围内。在另一实施方案中，定时是在30μs至40μs的范围内。与之前的电弧开始方法不同，利用这种定时，电弧可以被迅速地建立而具有最少的或没有飞溅。在本发明的另一实施方案中，上面的定时是在焊条107与工件W的接触(步骤2)和焊丝送进机构以焊丝送进速度SW开始送进焊条的时间之间的定时。
在上面所描述的实施方案中，控制器127和/或电源供应器101使用所检测到的电压和/或电流水平来控制开始方法。然而，其他示例性实施方案可以使用其他检测方法而不脱离本发明的范围或精神。例如，本发明的实施方案可以监测电压变化率dv/dt和电流变化率di/dt，分别代替上面所描述的电压和电流检测。就是说，通过监测电压和/或电流的变化率，控制器127和电源供应器101可以实现上面所描述的开始方法。这样的实施方案可以使用电压和/或电流预测电路以使上面所描述的相同的控制方法被采用。这样的电路类型的结构和使用一般地是已知的而不需要在本文被详细描述。
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     CW   电流
101   电源供应器   i    电流
103   送进机构     S1   速度
105   焊炬         S1'  速度
107   焊条/焊丝    S2   速度
111   接地连接     SR   速度
113   引线         SW   速度
115   检测电路     t    时间
117   引线         T    时间
119   引线         T'   时间
121   控制引线     T″  时间
123   引线         TR   时间
125   装置         v    电压
127   控制器       V1   电压
201   初始电弧     V2   电压
203   焊接电弧     Vc   接触电压
C1    电流         W    工件
C2    电流

Claims (15)

1.一种焊接方法，所述焊接方法包括：
朝向要被焊接的至少一个工件(W)推进焊条(107)，其中所述推进在第一推进速率和第二推进速率之间被脉冲化，其中所述第一推进速率高于所述第二推进速率；
将感测电压(V1,V2)提供到所述焊条(107)；
检测所述焊条(107)和所述至少一个工件(W)之间的接触；
检测所述焊条(107)与所述至少一个工件(W)的分离；
在检测所述分离之后停止所述焊条(107)的所述脉冲化；
在所述脉冲化的所述停止之后，以第一固定速度朝向所述至少一个工件(W)推进所述焊条(107)；以及
在所述分离的所述检测之后，将焊接电流(C1,C2,CW)提供到所述焊条(107)来焊接所述至少一个工件(W)。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述推进以所述第一推进速率被脉冲化一第一持续时间并且以所述第二推进速率被脉冲化一第二持续时间，其中所述第一和第二持续时间是不相同的。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述焊条(107)和所述至少一个工件(W)之间的所述接触的所述检测步骤包括检测所述焊条(107)和至少一个工件(W)之间的电压(V1,V2)以及检测所述焊条(107)和至少一个工件(W)之间的电流(C1,C2,CW)中的至少一个。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中所述焊条(107)和所述至少一个工件(W)之间的所述接触的所述检测步骤包括确定所述焊条(107)和所述至少一个工件(W)之间的接触电压何时处于或低于接触电压水平。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，还包括在所述接触的所述检测之后将接触后的电流提供到所述焊条(107)，其中所述接触后的电流小于所述焊接电流(W)。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中所述检测分离的步骤包括监测所述焊条(107)和所述至少一个工件(W)之间的电压并且当所述电压达到或超过回弹电压水平时所述分离被确定。
7.如权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中所述感测电压为至少10伏特，和/或其中所述接触电压水平不多于2伏特，和/或其中所述接触后的电流不多于20安培，和/或其中所述回弹电压水平小于所述感测电压，和/或其中所述回弹电压为至少5伏特。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中所述焊条(107)以所述第一固定速度(S1,S',S2,SR,SW)被推进一第一持续时间并且在所述第一持续时间之后所述焊条以快于所述第一固定速度(S1,S',S2,SR,SW)的第二固定速度(S1,S',S2,SR,SW)被推进。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中在所述分离的所述检测之后，在所述焊接电流被提供到所述焊条(107)之前中间电流被提供到所述焊条(107)，其中所述中间电流小于所述焊接电流。
10.如权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中所述焊条的所述第一固定速度(S1,S',S2,SR,SW)与所述焊条(107)的所述第一推进速率相同。
11.如权利要求1至10中的任一项所述的方法，还包括在所述接触的所述检测之后将接触后的电流提供到所述焊条(107)直到所述分离被检测到，以及在所述分离的所述检测之后在所述焊接电流被提供到所述焊条(107)之前中间电流被提供到所述焊条(107)，其中所述中间电流大于所述接触后的电流并且小于所述焊接电流。
12.如权利要求1至11中的任一项所述的方法，还包括在所述接触的检测之后使所述焊条(107)的方向反向一反向持续时间。
13.如权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中所述第一固定速度(S1,S',S2,SR,SW)是针对所述焊条(107)的焊接速度。
14.如权利要求1至13中的任一项所述的方法，其中所述第一固定速度(S1,S',S2,SR,SW)被保持一持续时间并且所述中间电流被提供所述持续时间，并且在所述持续时间之后所述焊条(107)以第二固定速度被提供并且所述焊接电流被提供。
15.一种焊接系统(100)，所述焊接系统(100)包括：
电源供应器(101)，所述电源供应器(101)将感测电压提供到焊接焊条(107)；
焊丝送进机构(103)，所述焊丝送进机构(103)朝向至少一个工件(W)推进所述焊条(107)；以及
检测电路(115)，所述检测电路(115)检测所述焊接焊条(107)和所述至少一个工件(W)之间的电压和电流中的至少一个；
其中，所述焊丝送进机构(103)使用多个焊丝送进速度脉冲推进所述焊接焊条(107)，其中所述脉冲具有第一焊丝送进速率一第一持续时间并且具有第二焊丝送进速率一第二持续时间；
其中所述检测电路(115)检测所述焊接焊条(107)和所述至少一个工件(W)之间的接触并且检测所述焊接焊条(107)和所述至少一个工件(W)的分离；并且
其中在所述检测电路(115)检测到所述分离之后，所述焊丝送进机构(103)以第一固定速度(S1,S',S2,SR,SW)推进所述焊接焊条(107)并且所述电源供应器(101)将焊接电流提供到所述焊接焊条(107)。
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