CN104684675A - 具有气体流量反馈控制的焊机;将目标保护气体流率提供到焊接现场的方法:相应气体流量反馈控制 - Google Patents

Abstract

用于提高焊接单元中的保护气体的流量控制的方法和焊接系统被描述，所述焊接系统使用来自质量或体积流量控制器(50)、压力传感器(52)和阀位置传感器(54)中的至少一个的反馈来调节通过控制器(50)的保护气体流量。

Description

具有气体流量反馈控制的焊机;将目标保护气体流率提供到焊接现场的方法:相应气体流量反馈控制

技术领域

本发明涉及用于焊接并且更特别地用于电弧焊接或用于切割的改进的气体流量控制器；并且更具体地涉及具有改进的气体控制的电弧焊机。

背景技术

焊接操作通常采用将惰性或半惰性气体(例如，氦、氩、二氧化碳等)用作保护气体来保护焊接区域。焊接区的空气由保护气体取代以防止熔融焊接熔池的污染。这种污染主要由大气中存在的氮、氧以及水蒸气引起。作为实施例，已凝固的钢中的氮降低了延展性以及焊缝的冲击强度并且可以导致裂化。大量的氮还可以导致焊缝多孔性。钢中多余的氧与碳结合形成一氧化碳(CO)。这种气体可以陷入金属中，导致多孔性。此外，多余的氧可以与钢中的其他元素结合并且形成化合物，所述化合物在焊缝金属中生成夹杂物(inclusion)。当水蒸气和油中存在的氢与铁或铝结合时，多孔性将产生并且“底焊道”焊缝金属裂化可能发生。在各种焊接应用和焊接工艺中，氩、氦和二氧化碳可以单独地或以组合的方式或者与其他气体混合来使用，以提供无缺陷的焊缝。

金属惰性气体保护焊(“MIG”)受到过度的保护气体流率(flow rate)的负面影响，并且要求最小化湍流气流以排除电弧中的空气。几种装置被用来设定保护气体流率。一种装置被用在气瓶或管线气体供应器上，例如，具有流量控制旋钮的流量计。旋钮调整针阀，所述针阀典型地采用浮球将气体递送软管中的压力降低到获得期望的保护气体流量所需要的压力。另一种装置仅用于气瓶气体供应器，并且采用非常小的孔口，并且使用调节器来使孔口上游的压力变化以控制流量。

重要的是，在流量计或调节器上设定的流率在焊接时保持在设定值。然而，在生产中会出现改变流量的限制因素，例如，在MIG焊枪管口中的飞溅堆积、在MIG焊枪线缆中的气体通道中出现的扭曲或者在导管通道段中的杂物堆积。为了最小化上面的变化，阻流系统发展起来。这些系统在孔口或阀的限制的上游要求更高的压力。然而，高压力导致初始气体剧增，这对获得高质量的焊缝而言是不合期望的。事实上，在焊接工艺开始时，过度高的气体剧增使得空气与气流混合并且在达到稳定的状态之前可以导致内部焊缝多孔性。

低压力装置同样受到多种问题的困扰。这些系统典型地缺乏高压力装置的自动流量补偿，并且在焊接操作开始时，不足的额外气体会导致劣等的焊缝开始部分。

从气体管线到焊炬的溢流和欠流导致初始焊缝不规则，包括飞溅、多孔性以及焊缝的污染。因此，降低和/或最小化保护气体流量的变化是期望的。

最后，不同品牌的焊枪以及不同的位置可能具有不同的流量特征，所述流量特征可能进一步影响气体流量。基于压力或体积的流量控制器不具有用于确定实际上传到焊接现场的流率的装置，并且因此来自气体源或通过焊枪的流量上的变化将不会被流量控制器捕获。因此，意识到的是，存在对这样的改进的气体流量控制器的需要，所述改进的气体流量控制器能够调节到焊接操作(特别地在启动期间)的保护气体的流量。

发明内容

降低和/或最小化焊接操作中(特别地在启动期间)的保护气体流量的变化的问题通过根据权利要求1的焊接系统、根据权利要求10的方法以及根据权利要求15的控制反馈系统来解决。除此之外，优选的实施方案被公开在从属权利要求中。关于所述方法，如果所述方法进一步包括以下步骤，则它是特别地优选的：通过所述控制器利用所述阀信号调整位置信号，和/或所述控制器在所述焊枪上的触发器未被接合时关闭所述阀，和/或所述质量流量传感器被安置为邻近所述焊枪或在所述焊枪内。关于所述控制反馈系统，如果它进一步包括以下内容，则它是特别地优选的：在所述计量阀的上游并且与所述控制器通信的压力传感器，和/或所述质量流量传感器被安置为邻近所述焊枪或在所述焊枪内。所述焊接系统至少包括保护气体输入(input)；保护气体输出，所述保护气体输出被耦合到具有触发器的焊枪；以及针对至少所述保护气体的反馈控制系统，其中保护气体反馈控制系统包括质量流量传感器，所述质量流量传感器用于测量保护气体输入和保护气体输出之间的流量；阀，所述阀用于调节保护气体输入和保护气体输出之间的流量；以及控制器，所述控制器用于基于从流量传感器接收的输入来将阀位置输出传递到阀。

在本发明的一个方面，控制系统可以包括阀位置传感器，所述阀位置传感器将阀位置传递到所述控制器，所述控制器基于阀位置反馈调整阀。反馈控制系统可以可选地进一步包括压力传感器，所述压力传感器用于确定流量的压力并且将该信息传递到控制器。

反馈控制系统可以分析来自传感器中的至少两个的信号，所述传感器选自由流量传感器、压力传感器和阀位置传感器组成的组，并且基于至少两个信号调整所述保护气体输出。在本发明的另一个方面，控制系统可以分析来自所有三个传感器的信号。

在本发明的另一个方面，将目标保护气体流率提供到焊接现场的方法被描述。所述焊接现场可以包括气体输入、电输入、焊丝送进器、焊枪以及反馈控制系统，所述反馈控制系统用于调节从所述气体输入到所述焊枪的气体流量，所述反馈控制系统至少包括阀、质量流量传感器和控制器，所述阀用于控制到所述焊枪的保护气体流率，所述质量流量传感器用于确定到所述焊枪的气体流率，所述控制器用于接收来自所述流量传感器的流率信号 并且将阀信号传递到所述阀，所述方法包括以下步骤：将所述阀之后的所述保护气体的所述流率传递到所述控制器；基于所述保护气体的所述流率确定流率信号；将所述流率与所述目标流率相比较；计算所述阀信号；将所述阀信号提供到所述阀；以及基于所述阀信号调整通过所述阀的所述保护气体流率。

所述方法可以可选地包括监测送进气体输入压力的步骤，所述监测步骤产生用于传递到所述控制器的压力信号，并且其中工艺可以进一步包括从对所述流率信号和压力信号的分析中计算阀信号的后续步骤。

所述方法可以进一步可选地包括监测阀位置并且将该位置信号传递到所述控制器的步骤。

在本发明的一个方面，所述质量流量传感器被安置为邻近所述焊枪或在所述焊枪内。

本发明范围扩及保护气体流量控制反馈系统的部件，其中系统可以至少包括保护气体计量阀、在计量阀下游的质量流量传感器以及与质量流量传感器和计量阀通信的控制器，所述控制器至少基于从质量流量传感器接收的信号调整计量阀。

如之前所描述的，气体流量控制反馈系统可以可选地包括在计量阀上游并且与控制器通信的压力传感器以及与控制器通信的阀位置传感器。

附图说明

本发明在特定部分和各部分的方案上可以具有具体形式，本发明的优选实施方案将在说明书中被详细描述并且在附图中被图示说明，附图构成本发明的一部分，并且在附图中：

图1是具有保护气体供应器的焊机的示意图；

图2是用于图1所示的焊机的气体反馈控制系统的示意图；

图3是用于图1所示的焊机的气体反馈控制系统的示意图；

图4是根据另一种变化的气体反馈控制系统的示意图；

图5是根据另一种变化的气体反馈控制系统的示意图；

图6是图示说明气体流率的理想状况针对时间的图；

图7是图示说明堵塞通道的气体流率针对时间的图；

图8是图示说明高压力条件的气体流率针对时间的图；

图9是图示说明理想气体流率针对时间的图；

图10是图示说明高压力条件的气体流率针对时间的图；以及

图11是图示说明低压力条件的气体流率针对时间的图。

具体实施方式

现在将出于图示说明在递交本专利申请时申请人已知的最佳模式的目的，描述实施本发明的最佳模式。实施例和附图仅仅是示例性的而不意味着要限制本发明，本发明通过权利要求的范围和精神来衡量。现在参照附图，其中示出的内容仅是出于图示说明本发明的优选实施方案的目的而不是出于限制本发明的优选实施方案的目的，图1图示说明焊接系统20，所述焊接系统20包括焊接使用者界面22、焊丝送进器和主轴(spindle)24、气体流率控制器26、焊接电源供应器28以及焊枪30。保护气体从气体供应器32(例如气体管线、填充气体的气瓶或者其他加压的供应器)被送进到气体流率控制器26。保护气体优选地选自由氦、氮、氩、二氧化碳或其他已知的保护气体组成的组，所述保护气体通常具有非反应性的性质，用于提高焊缝的质量。如图1所图示说明的，气体流率控制器26包括可变流量控件(例如电驱动的螺线管)，所述可变流量控件允许使用者选择优选的压力或流率。

保护气体借助于送进软管或管34从气体供应器32被送进到流率控制器26，所述送进软管或管34可以由柔性材料(例如橡胶、尼龙或玻璃纤维增强塑料)或者刚性材料(例如不锈钢或铜)制成。压力调节器36被安置在气体供应器32和送进软管34之间，用于调节输出压力。在优选的方案中，压力调节器36被直接耦合到气体供应器32并且在“打开(on)”状态和“关闭(off)”状态之间是可控的，在所述“打开”状态，保护气体在优选的压力下流动，而在所述“关闭”状态，没有气体经过压力调节器36。

如进一步在附图中所参照的，气炬管线38从气体流率控制器26延伸到焊枪30。气炬管线38可以是柔性的或刚性的。焊枪30包括触发器40，所述触发器40可选地包括气阀42并且允许保护气体流过焊枪30，由此将保护气体提供到焊接现场。在一些方案中，触发器40的气阀42是打开/关闭开关，允许或不允许流过焊枪30；而在其他方案中，气阀42是可变阀，根据触发器40接合的程度来允许可变量的保护气体流过焊枪30。

图2图示说明用于精确控制从送进软管34到焊枪30的气体流量的反馈控制系统44。在这种方案中，阀46(优选地为比例阀46)、流量传感器48和控制器50被提供，其中流量传感器48检测从送进软管34流到焊枪30的保护气体的量并且将该信息传送到控制器50，所述控制器50调整比例阀46以根据保护气体的预先设定的流量来增加或减少流量。

流量传感器48测量到焊枪30的保护气体的体积流率或质量流率。该信息被数字化并且通过信号A传递到控制器50。控制器50接收保护气体的流率并且确定其超出还是低于预先选择的流率。如果该流率低于预先选择的流率，高输出信号由流量信号B发送到比例阀46，并且流率增加。如果该流率超出预先选择的流率，则低输出由流量信号B发送到比例阀46，并且流率减少。

根据优选的方案，流量传感器48是能够输出流量信号A(例如数字电信号)的科里 奥利质量流量传感器。流量信号A可以基于波频、电压、电流或其他可变信号而变化。可替换地，流量传感器48可以感测压力、流率或指示流到焊枪30的保护气体的量的其他特征。

控制器50通常是这样的微处理器，所述微处理器能够接收流量信号A(其可以是数字或模拟电输入)，将该输入与设定状态相比较，并且将阀控制信号B提供到电动阀。在这种方案中，设定状态可以基于使用者所选的值(例如，来自使用者界面屏幕)来确定，或者可以是预先设定的定值。

如图3所更好地图示说明的，反馈控制系统44包括比例阀46，所述比例阀46可以进一步包括将电动阀46的位置传递到控制器50的阀位置信号C。图2所示的方案要求控制器50基于阀控制信号B来计算阀46的位置，由于磨损或在计算或传递中的不精确因素的缘故，这可能是不精确的。然而，通过将来自比例阀46的阀位置信号C提供到控制器50，比例阀46的位置被更精确地传送到控制器50。阀46的预期位置现在匹配阀46的实际位置。这种方案允许对通过流量传感器48到焊枪30的流量的更精确控制。

如图4所更好地图示说明的，反馈控制系统44阀位置信号C可以被省略，并且压力传感器52可以被包括在电动阀46的上游。压力传感器52包括压力信号D，所述压力信号D从压力传感器52被传递到控制器50。压力传感器52被配置来检测保护气体的管线压力并且将该信息通过压力信号D传递到控制器50，如流量信号A所指示的，所述控制器50使用该信息来确定低流量状况是由低入口压力还是由焊枪内的限制因素引起。例如，如果流量信号A是低的并且压力信号D是低的，则低流量状况由低入口压力引起。然而，如果流量信号A是低的并且压力信号D是高的，这指示堵塞并且控制器50可以输出错误。

将来自压力传感器52的压力信号D传递到控制器50的至少一个优点是控制器50可以更精确地控制用于调整阀46的增益。在一个情景中，压力信号D可以报告高压力而流量信号A可以报告低流量。为了防止保护气体流量上的突然改变，控制器50可以命令阀46缓慢地打开，允许管线压力和流量上的渐变。然而，如果压力信号D是低的并且流量信号A是低的，则控制器50可以命令阀46迅速地打开，允许保护气体流量上的较高的增长率。

如图5所示，更复杂的反馈控制系统44可以包括用于控制到焊枪30的保护气体流量的比例阀46、用于确定保护气体流量的量的流量传感器48、用于调整阀46的控制器50以及用于确定保护气体的管线压力的压力传感器52。流量信号A将来自流量传感器48的流量的量传递到控制器50，阀控制信号B允许控制器50调整阀46的位置，阀位置信号C将阀46的位置传递到控制器50，并且压力信号D将来自压力传感器52的管线压力传递到控制器50。这种方案结合了上面所描述的之前两种方案的优点。

具体地，根据这种方案，控制器50接收关于保护气体的压力(压力信号D)、阀46 的位置(阀位置信号C)以及流到焊枪30的保护气体的量(流量信号A)的输入。控制器50随后使用该信息来通过这样的方式控制阀46，即通过阀控制信号C将输出传递到阀46。到控制器50的各种输入信号要求控制器分析各种条件并且提供阀控制信号B中的输出。

到控制器50的这些输入信号(流量信号A、阀位置信号C和压力信号D)中的每个传递数字信号(例如高电压、低电压或零电压)，指示所测量的值超出、低于或处于优选水平。类似地，通过阀控制信号B传递到阀46的任何输出选择性地是打开、关闭、中性信号。控制器50能够将阀控制信号B输出为高、低或零电压，或者还可以包括用于输出错误信号的选项。如果阀控制信号B是高的或者低的，则阀46将分别打开或关闭。如果输出是零，则阀将不改变位置。如果输出是错误的，根据错误的类型，阀可以完全关闭或者将错误输出解译为零输出。例如，如果压力太低而不能支持所期望的流率，阀46可以打开来最大化流量；但如果压力信号D是高的并且流率信号A是低的，则在焊枪30中可能存在阻塞，要求阀46关闭并且避免损坏或质量差的焊缝。可替换地，信号可以传递模拟值。

气体流率和阀位置的各种图在图6-图8中示出。在这些图中，阀46的位置以从0到100％的百分比示出，具有大约为50％的优选操作范围。这些图的左侧指示目标气体流率而右侧指示阀46已经打开的量。在图6所示的理想状况中，阀46以稳定的比率被打开并且气体流量稳定地增加。一旦阀46达到50％并且获得了目标气体流率，阀46保持打开直到焊接完成。阀可以被干净利索地关闭，将气体流率从目标流率降低到零。

在图7中，堵塞通道或气体短缺的情景被示出。在这种情景中，阀46必须被打开到100％以获得所期望的气体流率。这要求阀46以较快的速率被打开来获得与理想状况相同的最大化流量的时间。

在图8中，高气体压力情景被示出。在这种情景中，阀46被打开到较低百分比(例如，大约25％)的总流量。这要求更高的控制程度来避免流率中的尖峰。

图9-图11示出各种情景，所述情景依据时间表示气体流量和实际的焊接输出。目标气体流率沿图的左侧被示出而焊接输出沿图的右侧被示出。一旦焊枪30上的触发器40被拉动，气体将通过焊枪30流到输出。在这些附图中，各种情景(即，理想、高压力或低压力)依据时间表示触发器40被接合之后的气体流量。

在图9中，理想情景被示出。根据这种状况，一旦触发器40被拉动，气体流率将增加到最大值，稍稍超出目标气体流率(大约5％)。气体流率随后将下降到目标气体流率，允许理想的焊接输出。

在图10中，高气体压力的情景被示出。当触发器40被拉动时，由于高压力，气体流 率将在稳定到目标气体流率之前的适应性预流状况中出现尖峰。在这种状况中，控制器50允许气体压力中的短暂尖峰，以防止波动或减缓堆积。

在图11中，低压力的情景被示出。当触发器40被拉动时，控制器50将打开阀有一段较长的适应性预流时间，增加流率直到它达到目标气体流率。

出于图示说明在那时对于申请人而言是已知的最佳模式的目的，用于实施本发明的最佳模式已经被描述。如由权利要求书的范围和价值所衡量的，实施例仅是图示说明性的，并不意味着限制本发明。已经参照优选的和可替换的实施方案描述了本发明。显然，一旦阅读和理解本说明书，其他人将想到修改和变更方案。意图包括所有这些修改和变更方案，只要这些修改和变更方案落入所附权利要求书范围或其等同范围内。

参考编号： 

20 焊接系统

22 使用者界面 

24 具有主轴的焊丝送进器

26 气体流率控制器

28 焊接电源供应器

30 焊枪

32 气体供应器 

34 送进软管或管 

36 压力调节器 

38 气炬管线

40 触发器

42 气阀

44 反馈控制系统 

46 阀

48 流量传感器 

50 控制器

52 压力传感器 

54 阀位置传感器 

A 信号

B 流量信号

C 阀位置信号 

D 压力信号

Claims (15)

1.一种焊接系统，所述焊接系统包括：

保护气体输入；

保护气体输出，所述保护气体输出被耦合到具有触发器(40)的焊枪(30)；以及

针对至少所述保护气体的反馈控制系统(44)，所述反馈控制系统(44)包括：

流量传感器(48)，所述流量传感器(48)用于测量所述保护气体输入和所述保护气体输出之间的流量；以及

阀(46)，所述阀(46)用于调节所述保护气体输入和所述保护气体输出之间的流量。

2.如权利要求1所述的焊接系统，其中所述阀(46)进一步包括阀位置传感器(54)，所述阀位置传感器(54)用于基于来自阀位置传感器的阀位置输出将阀位置传递到控制器(50)。

3.如权利要求2所述的焊接系统，其中

所述控制器(50)交互地控制所述阀位置。

4.如权利要求2或3所述的焊接系统，其中

所述控制器(50)包括警告器，所述警告器用于指示来自所述阀位置的反馈何时不同于所述阀位置输出。

5.如权利要求2至4中的任一项所述的焊接系统，其中

所述反馈控制系统(44)进一步包括压力传感器(52)，所述压力传感器(52)用于确定流量的压力并且将所述压力传递到所述控制器(50)用于适应性预流控制。

6.如权利要求1至5中的任一项所述的焊接系统，其中

所述反馈控制系统分析来自所述流量传感器(48)、所述压力传感器(52)和所述阀位置传感器(54)中的至少两个的信号(44)，并且基于所述至少两个信号调整所述保护气体输出。

7.如权利要求1至5中的任一项所述的焊接系统，其中

所述反馈控制系统(44)分析来自所述流量传感器(48)、所述压力传感器(52)和所述阀位置传感器(54)中的所有的信号，并且基于所述三个信号调整所述保护气体输出。

8.如权利要求1至7中的任一项所述的焊接系统，其中所述流量传感器(48)被安置在焊枪(30)内。

9.如权利要求1至8中的任一项所述的焊接系统，其中所述流量传感器(48)是质量流量传感器并且优选地为科里奥利质量流量传感器，或者体积流率传感器，或者所述流量传感器(48)传感压力或者指示流到焊枪(30)的保护气体的量的其他特征。

10.一种将目标保护气体流率提供到焊接现场的方法，所述焊接现场包括气体输入、电输入、焊丝送进器、焊枪以及反馈控制系统，所述反馈控制系统用于调节从所述气体输入到所述焊枪的气体流量，所述反馈控制系统包括阀、质量流量传感器和控制器，所述阀用于控制到所述焊枪的保护气体流率，所述质量流量传感器用于确定到所述焊枪的气体流率，所述控制器用于接收来自所述流量传感器的流率信号并且将阀信号传递到所述阀，所述方法包括以下步骤：

将所述阀之后的所述保护气体的所述流率传递到所述控制器；

基于所述保护气体的所述流率确定流率信号；

将所述流率与所述目标流率相比较；

计算所述阀信号；

将所述阀信号提供到所述阀；以及

基于所述阀信号调整通过所述阀的所述保护气体流率。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：

监测送进气体输入压力。

12.如权利要求11所述的方法，其中

所述监测的步骤产生用于传递到所述控制器的压力信号。

13.如权利要求11或12所述的方法，进一步包括以下步骤：

从对所述流率信号以及用于适应性预流控制的所述压力信号的分析中计算所述阀信号。

14.如权利要求10至13中的任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：

监测阀位置，并且优选地，进一步将所述位置信号传递到所述控制器。

15.一种用于在焊接单元中使用的保护气体流量控制反馈系统(44)，所述保护气体流量控制反馈系统(44)包括：

具有计量阀形式的保护气体阀(46)；

在所述计量阀下游的流量传感器(48)；以及

与所述流量传感器(48)和所述计量阀通信的控制器(50)，所述控制器(50)至少基于从所述流量传感器接收的信号(A)调整所述计量阀。