CN104968465A - 焊丝预热系统和方法 - Google Patents

Abstract

在焊接系统中，预热工艺在焊弧引燃前执行，焊弧引燃例如为按下焊炬上的触发器或开关。预热工艺包括从电源(10)生成和施加期望的电流和电压至焊接焊条。预热持续直到焊接焊条达到期望的温度或电阻，这可以参考渐增的电压、渐减的电流、峰值和下降电压、电阻和/或功率测量等而确定。在预热后，期望的焊接工艺可以焊弧的引燃为开始。所述系统包括具有电源转换电路(24)和控制电路(22)的电源(10)、信号源(16)、电流和电压监测传感器。

Description

焊丝预热系统和方法

相关申请的参见引用

本申请是2013年2月5日提交的标题为“焊丝预热系统和方法”的美国临时申请号为61/761,007的非临时专利申请，在此为了所有目的，将该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本申请中。

背景技术

本发明通常涉及焊接机，更具体地，涉及配置为在焊接执行前对焊丝执行预热操作的焊接机。

许多各种不同的焊接系统和焊接控制模式已经为了各种各样的目的而实施。在连续焊接操作中，金属惰性气体(MIG)技术允许通过从焊炬供给由惰性气体保护的焊丝来形成连续的焊缝。电源施加于焊丝并且通过工件来完成回路以维持焊弧，所述焊弧熔化焊丝和工件来形成期望的焊接。

MIG焊的先进形式是基于焊接电源中的脉冲功率的产生。也就是说，各脉冲模式可在以下情况下执行，通过电源控制电路控制电流和/或电压脉冲以调节焊丝的金属滴液的形成和凝结，维持期望的熔池加热和冷却轮廓，控制焊丝和熔池之间的短路等等。然而，其他焊接模式也存在并且通常用于提供不是脉冲的功率。各模式可依靠“焊条正极”或“焊条负极”的极性，并且本发明可以涉及任意和所有这些极性。

虽然在许多应用中非常有效，但根据焊接是以“冷”焊条还是以“热”焊条启动，MIG焊接技术可经历不同的初始焊接性能。通常，冷焊条启动可认为是焊条尖端和邻近金属处在或相当靠近周围环境温度的启动。热焊条启动，相比之下，通常是那些焊条尖端和邻近金属被升温得更高但低于焊丝熔点的启动。在一些应用中，人们认为，当焊条是热的时候，将促进焊弧引燃和焊接启动。然而，该领域的现状没有提供一种设计为确保焊条在焊接开始前被加热的模式。

因此，有需要提供改进的焊接策略，该焊接策略提供具有已加热的焊条的焊接启动以便提高焊接性能。

发明内容

本公开涉及设计为回应这些需求的方法和系统。依照某些方面，焊接方法包括接收表明焊接工艺启动的信号，并且在引燃焊弧前，控制施加于焊接焊条的电压或电流来预热焊条。监测反馈电压和电流来确定预热的结束，并且然后，依照期望的焊接协议结束预热并引燃焊弧。

依照另一方面，焊接方法包括接收表明焊接工艺启动的信号，并且，在引燃焊弧前，自动地控制施加于焊接焊条的电压或电流来预热焊条。然后，当焊条达到基于监测到的施加于焊接焊条的电流和电压来确定的期望的电阻或期望的功率水平时，结束预热，并且然后，依照期望的焊接协议引燃焊弧。

根据进一步的方面，焊接系统包括电源、信号源以及电流和电压监测传感器，所述电源包括配置为合作以向焊接焊条提供焊接电流和电压的电源转换电路和控制电路，所述信号源配置为提供焊接工艺启动信号。所述控制电路配置为，在引燃焊弧前，控制施加于焊接焊条的电压和电流来预热焊条，且监测施加的电压和电流来确定预热的结束，并且依照期望的焊接协议来结束预热并引燃焊弧。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将会更好理解，在整个附图中相同的字符表示相同的部分，其中：

图1是示例性MIG焊系统的示意性表示，所述示例性金属惰性气体电弧焊系统示出了连接到送丝机并用于执行焊接操作的电源，在所述焊接操作中在焊接开始前焊条已经加热；

图2是用于图1中示出的类型的焊接电源的示例性控制电路元件的示意性表示；

图3是示出焊接工艺中的示例性步骤的流程图，在所述焊接工艺中焊条被预热；并且

图4和5示出产生的并且用于预热焊条的电压和电流波形。

具体实施方式

现在转向附图，并且首先参照图1，示出的示例性焊接系统包括电源10和送丝机12，所述电源10和送丝机12经由导体或导管14彼此连接。在示出的实施例中，电源10是和送丝机12分离开的，使得送丝机可放置在与电源相距一些距离并且靠近焊接位置处，并且导管14具体体现为在电源10和送丝机12之间传输控制信号和电力的焊接电缆。然而，应当理解的是，送丝机，在一些实施中，可以与电源集成。在这样的情况中，导管14将在系统内部。在送丝机和电源分离开的实施例中，终端通常设置在电源和送丝机上以允许导体或导管连接至系统，以便允许电力和气体从电源提供到送丝机，并且允许数据在两个设备之间交换。

该系统设计为向焊炬16提供焊丝、电力和保护气体。如本领域技术人员所理解的，焊炬可以有多种不同的类型，并且通常允许将焊丝和气体供应到邻近工件18的位置，在该位置形成焊接来将两块或更多块的金属接合。第二导体通常延伸至焊接工件，以便完成电源和工件之间的电气回路。

该系统设计为允许操作者选择数据设置，尤其经由提供在电源上的操作员接口20。操作员接口通常包含在电源的前面板中，并且可允许选择设置，比如焊接工艺、使用的焊接类型、电压和电流设置等等。特别地，该系统设计为提供具有被引导通过焊炬的各种钢铁、铝或其他焊丝的MIG焊。这些焊接设置传送到在电源内的控制电路22。

该控制电路，在下面将更详细的描述，操作以控制施加于焊丝用于执行期望的焊接操作的焊接电力输出的产生。在某些目前预期的实施例中，例如，控制电路可适于调节MIG焊模式，同时在焊接开始前也提供用于预热焊丝焊条的电力。如下面更充分的描述，这样的加热可通过改变通过焊接电缆和焊炬而施加于焊条的电流和电压的操作参数来控制。

因此，该控制电路连接至电源转换电路24。所述电源转换电路适于产生输出功率，例如将最后施加于在焊炬处的焊丝的脉冲和非脉冲波形。可采用各电源转换电路，包括斩波器、升压电路、降压电路、逆变器、整流器等等。这种电路的配置可以是在本领域所公知的并且是其本身的类型。电源转换电路24连接至如箭头26所示的电源的来源。施加于电源转换器24的电力可起源于电力网，尽管也可使用其他的电力源，例如由机动发电机、电池、燃料电池或其他可供选择的来源所产生的电力。最终，图1示出的电源包括接口电路28，所述接口电路28设计为允许控制电路22与送丝机12交换信号。

送丝机12包括附赠的连接至接口电路28的接口电路30。在这些实施例中，多引脚接口可布置在这两个元件上，并且多导体电缆在接口电路之间延伸以允许如送丝速度、工艺、选择的电流、电压或功率等级等的信息设置在电源10和送丝机12之一上或这两者上。

送丝机12也包括连接至接口电路30的控制电路32。如下面更充分地描述，控制电路32允许送丝速度依照操作者的选择被控制，并且允许这些设置经由接口电路反馈到电源。控制电路32连接至送丝机上的操作员接口34，该送丝机允许选择一个或多个焊接参数，尤其是送丝速度。该操作员接口也可允许选择如工艺、使用的焊丝类型、电流、电压或功率的设置等的这样的焊接参数。控制电路32也连接至气体控制阀36，所述气体控制阀36调节流向焊炬的保护气体的流量。通常，这样的气体在焊接的时候提供，并且可在焊接前立刻打开并且在焊接之后很短的时间打开。如参考标号38所代表的，施加于气体控制阀36的气体通常以加压瓶的形式提供。

送丝机12包括用于在控制电路36的控制下，将焊丝送至焊炬并因此送至焊接应用的组件。例如，焊丝40的一个或多个线轴被放置在送丝机中。焊丝42是从线轴上展开的并且前进地送至焊炬。线轴可以和离合器44连接在一起，当焊丝被送至焊炬时，所述离合器脱离线轴。离合器也可以被调节来保持最小的摩擦水平以避免线轴的自由旋转。提供与送料辊48接合的进给电机46来将来自送丝机的焊丝朝着焊炬推送。在实践中，轧辊48中的一个机械地连接至电机并且通过电机旋转以驱动来自送丝机的焊丝，同时配套的轧辊朝向焊丝偏置以在两个轧辊和焊丝之间保持很好的接触。一些系统可包括这种类型的多轧辊。最终，转速计50被提供用于检测电机46、轧辊48或其他连接元件的速度以便提供实际送丝速度的示值。来自转速计的信号反馈至控制电路36，如下面描述的，为了调节的目的。

应该注意的是，也可执行其他系统配置和输入方案。例如，焊丝可从在送丝机外部的大容量存储容器(例如，卷筒)或一个或多个线轴被供给。同样地，焊丝可从“线轴枪”供给，在所述短管枪中线轴安装在焊炬上或靠近焊炬。如本文所指出的，送丝速度设置可在送丝机或在电源的操作员接口20上或两者上经由操作者输入34被输入。在焊炬上具有送丝速度调节的系统中，这可能是用于设置的输入。

来自电源10的电力施加于焊丝，通常以常规的方式借助于焊接电缆14至焊炬电缆52再至工作电缆53。同样地，保护气体被供给通过送丝机和焊炬电缆52。在焊接操作期间，焊丝通过焊接电缆外壳朝着焊炬16向前推送。在焊炬16内，附加的牵引电机54可装配有相连接的驱动辊，尤其用于铝合金焊丝。如下面将更充分地描述的，电机54被调节为提供期望的送丝速度。在焊炬上的触发开关56提供信号，所述信号反馈到送丝机12并从送丝机回到电源10，以使焊接工艺能够由操作者来开始和停止。也就是说，触发开关一经按下，气体流动开始，焊丝前进，电力施加于焊炬电缆52并且通过焊炬16施加于前进的焊丝。这些工艺在下文中将更详细的描述。最终，工作电缆53和相连接的夹具58允许闭合从电源10开始经过焊炬16、焊条(焊丝)和工件18的电路，用于在操作期间保持焊弧。

应当注意贯穿本讨论，虽然送丝速度可以由操作者“设置”，而在焊接期间由于许多原因，由控制电路控制的实际速度通常发生变化。例如，“准备期”(用于焊弧引燃的初始焊丝供给)的自动算法可使用从设定速度得出的速度。同样地，在焊接期间，可以控制送丝速度的各种倾斜的增长和降低。其他焊接工艺可能需要“弹坑(cratering)”阶段，在此阶段送丝速度被改变来在焊接之后填满凹陷部分。更进一步，在脉冲焊接模式中，送丝速度可被周期性地或循环地改变。

图2示出用于控制电路22的示例性实施例，所述控制电路设计为在图1示出的类型的系统中运行。全部电路，在此用参考标号60表明，包括上文所讨论的操作员接口20和用于传送参数至下游组件和从下游组件传送参数的接口电路28，所述下游组件例如送丝机、焊炬和各种感应器和/或制动器。该电路包括处理电路62，所述处理电路62本身可包括一个或多个专用或通用的处理器，设计为执行焊接模式，计算在焊接模式中应用的波形等等。该处理电路与驱动电路64相连接，所述驱动电路64将来自处理电路的控制信号转换成施加于电源转换电路24的电力电子开关的驱动信号。通常，驱动电路对来自处理电路的这样的控制信号做出反应，来允许电源转换电路产生焊接制度的控制波形。处理电路62也与存储电路66相连接，所述存储电路66可由一种或多种类型的参数和临时数据存储构成，例如用于提供所执行的焊接模式、存储焊接参数、存储焊接设置、存储错误记录等。

正如上文所讨论的，本发明焊条预热技术提供待执行的预热模式，当预期时，其具有系统执行的任意焊接程序。在图2示出的实施例中，该方案通过单独的程序化协议实施，所述单独的程序化协议由处理电路62实施。就是说，如参考标号68所示的，焊接模式协议可包括任何已知的或将来研发的焊接程序，例如脉冲和非脉冲模式。如参考标号70所示的，预热协议设置为总是被使用或仅在被操作者选择时被使用的。在实践中，预热协议可以被实施，并且其一旦终止，可依照所选择的焊接协议采取控制。基于这些协议产生的波形可仅由软件产生，也可由通过处理电路实施的和/或组成所示控制和驱动电路的一部分的硬件和/或固件产生。预热协议和焊接协议将通常利用来自传感器和输入的反馈。这些输入可包括焊接设置，预定程序逻辑和在焊接过程期间从传感器72接收的输入。感应到的参数通常包括，例如，施加于焊炬并经由焊炬施加于焊接焊条的电流和电压。

图3示出预热和焊接技术的实现的示例性逻辑。在典型工艺中，通常如参考标号74所示，焊接操作者将进行选择来限定焊接设置。这样的选择可包括焊接工艺、电压、电流、送丝速度等。可在电源、在送丝机或在两者上做出这些选择。在步骤76，其中期望的，操作者可选择执行本公开所描述的预热程序。在某些系统中，预热程序可被自动地执行，尽管目前计划的是操作者可选择或取消选择预热。此外，虽然描述了手工焊接系统，但相同的预热过程可在自动系统(例如，机器人)中执行。

在步骤78，工件、电缆和其他系统组件准备好执行期望的焊接，操作者要么可将焊丝焊条搭在工件上，要么继续进行非接触启动。在非接触启动中，焊条将和工件分隔开。然后在步骤80，操作者可按下焊炬上的触发器来以常规的方式启动焊接。然而，接着不是通常的那样引燃焊弧用于焊接的启动，而是接着执行预热，预热将以步骤82所示被执行。如下文所描述的，几种情景可以设想为预热，通常，然而，电压和电流被控制足够长的时间以将焊接焊条的温度升高到特定的点。如步骤84所述，在该预热阶段，逻辑可以循环，如步骤84所述，系统确定预热的结束点(见下文)是否已经到达。此后，如步骤86所示焊弧可被引燃，并且被选择的焊接模式协议将跟随着刚刚预热好焊条。

可取决于焊接的开始是接触情况还是非接触情况来采用稍有不同的逻辑。例如，当执行接触式开始时，系统可执行轻微的延时来在预热前检测接触。在某些实施例中，在焊弧引燃前，焊条不在焊弧状况下的时间总量被确定，预热时间、电流或电压中的至少一个可基于所确定的时间总量来确定，并且预热循环的结束也可基于计时器(例如，预热的总时间)结束，所述计时器的设定是基于，例如，所确定的预热时间、电流或电压。此外，用于执行预热协议的逻辑，在某些情况下，可稍微改变紧随预热后的焊接模式。也就是说，因为焊条将被预热，在随后的焊接工艺中可应用较低的初始电流。在目前预期的实施例中，预热的时间周期可基于例如所使用的焊丝、施加的电流和电压等因素而改变。预热的典型周期可以在，例如，在10毫秒到20毫秒之间改变。在实践中，基准电压和电流量可设置用于不同的焊丝尺寸，例如产生约为100安培的基准时，基于焊丝类型和尺寸设置电压。在焊接期间使用的焊丝类型和尺寸以及送丝速度，以及在准备阶段使用的任意不同的送丝速度，将通常在上文讨论的焊接设置期间由操作者选择。

通常，预热可认为是对焊条增加能量，这期间等效为在焊条和工件之间产生短路。如本领域技术人员所理解的，当焊条被加热时，所述焊条的电阻通常会增大，并且电阻的增大将形成用于预热协议和用于预热终止时刻的基础。通过监视电压和电流，然后并且控制这些参数，该过程可以免于对特定时间的依赖。在某些预期的实施例中，当达到电压阈值时，预热协议是基于固定电流的应用(例如，基于选择的焊丝)和从初始水平到终止水平所增加的电压。因为依照欧姆定律，焊丝的电阻(表明升高温度)由增加的电压表明具有保持稳定的电流，通过简单地监测施加的电压，协议允许将焊条电阻(并且因此焊丝温度升高)增大至期望的并且一致的水平。以举例的方式，8伏特的电压水平可用作具有大约200安培的恒定电流的阈值。一旦达到电压阈值，然后，系统切换到引弧阶段，但是可以以较低或更可预测的电流引燃焊弧，而不是用冷焊条或不同的、未知的温度的焊条引燃焊弧。

图4示意性地示出了依照本工艺的该方面的波形。此处，示意性地表示88呈现具有沿着纵轴90的电压、沿着纵轴92的电流和沿着横轴94的时间。电流波形96可以和电压波形98一起看见。如上所述，在该工艺启动的点，其通常由参考标号100示出，电流和电压由电源施加到焊炬并且然后通过焊炬施加到焊接焊条。在该实例中，电流增加至如参考标号102所示的通常恒定的水平，在这种情况下，大约为100安培。在相同的启动的点，电压增加至大约1.4伏特的初始电压，并且渐渐地增加至大约2.5伏特的水平。在这个实例中，电流和电压是直线的并且连续的。终止的点在大约2.5伏特处，其相当于一个点，在该点已经确定出焊条已经充分地加热来开始焊接。在该点，如参考标号104所示电流下降，如参考标号108所示电压也下降。其后，尽管图4中未示出，焊接工艺可随着电弧的引燃而开始。

图5示出了通常由参考标号110所示的可选的控制方案。此处再次，如图所示电压沿着纵轴90且电流沿着纵轴92，并且时间沿着横轴94。在这种情况下，电流和电压两者都施加来启动工艺，在这种情况下，施加大约200安培的电流。通常如参考标号112和114所示，以初始水平施加电压并且电压增加直到焊丝达到最高温度并且变平或下降。这种下降可表明焊丝将不会由于施加附加能量而经历进一步的电阻变化。因此，通过监测施加的电压，可在应用选择的焊接协议之后确定用于结束工艺的触发。

更进一步的改变可包括，例如，斜升电流，例如减少用于预热的时间。在进一步的可替代的选择中，电压的斜坡率的变化可表明焊丝在最大电流密度，而不是使用电压阈值。更进一步，协议可使用恒定电压并且等待电流下降到阈值或电流斜坡率的改变。如本领域技术人员所理解的，或根据由欧姆定律所决定的关系，这些各种测定通常对应于由于加热而产生的焊接焊条的电阻的增加，该加热可在期望的电压、电流、功率或任何其他期望的阈值处终止。考虑到这一点，也可以测量功率和/或电阻并且基于这些分析来终止预热工序。例如，可以基于施加的或检测的电压和电流来确定功率和/或电阻。应当注意的是，当可以参考当前公开来控制和/或监测电压和电流(或功率、电阻等)时，这应该被理解为电流和电压中的一个或两个可控制，并且另一个被监测。事实上，据知，“控制”参数(例如，电压)中的一个包括监测，因为该控制过程包括知道数值，无论通过主动控制、反馈或者两者。

尽管仅仅本发明的某些特征在本文已经被阐明并且描述，本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解的是，附加的权利要求旨在覆盖落入本发明真实精神的全部这些修改和变化。

Claims (23)

1.一种焊接方法，包括：

接收表明焊接工艺启动的信号；

在引燃焊弧前，控制施加于焊接焊条的电压或电流来预热焊条；

监测反馈电压和电流来确定预热的结束；以及

依照期望的焊接协议来结束预热和引燃焊弧。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，由于操作者按下焊炬的触发器，所以从焊炬接收所述信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在预热期间，施加至焊接焊条的电流通常保持恒定，并且监测到来自焊条的电压反馈增大。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，当来自焊条的电压反馈达到预设的阈值时，结束预热。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，当电压反馈达到峰值并且下降时，结束预热。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在预热期间，施加于焊接焊条的电压通常保持恒定，并且监测到来自焊条的电流反馈减小。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，监测施加的电压和电流来确定何时焊接焊条已经达到预期的电阻，并且然后结束预热。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，监测施加的电压和电流来确定何时焊接焊条已经达到预期的功率水平，并且然后结束预热。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，施加的电流、施加的电压和预热的结束中的至少一个是基于焊条的类型和尺寸。

10.一种焊接方法，包括：

接收表明焊接工艺启动的信号；

在引燃焊弧前，自动地控制施加于焊接焊条的电压或电流来预热电极；

当焊条达到预期的电阻或预期的功率水平时，所述预期的电阻或预期的功率水平是基于监测到的施加于焊接焊条的电流和电压而确定的，结束预热；以及

依照预期的焊接协议引燃焊炬。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，预热的结束是基于达到期望阈值的反馈电压。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，预热的结束是基于达到预期阈值的反馈电流。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，预热的结束是基于达到最大水平并且下降的反馈电压。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，施加的电流、施加的电压和预热的结束中的至少一个是基于焊条的类型和尺寸。

15.一种焊接系统，包括：

电源，包括配置为合作将焊接电流和电压提供至焊接焊条的电源转换电路和控制电路；

信号源，配置为提供焊接工艺启动的信号；以及

电流和电压监测传感器；

其中，控制电路配置为在引燃焊弧前控制施加于焊接焊条的电压和电流来预热焊条，监测施加的电压和电流来确定预热的结束，并且依照期望的焊接协议结束预热和引燃焊弧。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，信号源包括焊炬。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，在预热期间，施加于焊接焊条的电流通常保持恒定，并且监测到电压反馈增大。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，当施加于焊条的电压达到预定的阈值时，预热结束。

19.根据权利要求17所述的系统，其中，当施加的电压达到峰值并且下降时，结束预热。

20.根据权利要求15所述的系统，其中，在预热期间，施加于焊接焊条的电压通常保持恒定，并且监测到电流减小。

21.根据权利要求15所述的系统，其中，监测施加的电压和电流来确定何时焊接焊条已达到期望的电阻，并且然后结束预热。

22.根据权利要求15所述的系统，其中，监测施加的电压和电流来确定何时焊接焊条已达到预期的功率水平，并且然后结束预热。

23.一种焊接方法，包括：

接收表明焊接工艺启动的信号；

在引燃焊弧前，确定焊丝不在焊弧状态下的时间总量；

基于确定的时间总量，确定预热时间、电流和电压中的至少一个；

基于计时器，结束预热循环；以及

依照期望的焊接协议，引燃焊弧。