CN107378238A - 使用组合填充焊丝给送和高强度能量源的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明的方法和系统包括与弧焊系统组合使用的热丝焊接系统，其中该焊接系统在热丝焊接系统引发弧清除例程。该弧清除例程包括检测电弧并且接着跳过热丝波形的完整脉冲、并引发下一个脉冲以便确定耗材分离是否仍存在。重复地引发随后的脉冲，直至确定耗材分离不存在，此时，该热丝操作继续。

Description

使用组合填充焊丝给送和高强度能量源的方法和系统

优先权

本申请要求于2016年5月17日提交的美国临时申请号62/337,821的优先权，其全部内容通过援引并入文本。

技术领域

特定实施例涉及填充焊丝熔覆(overlaying)应用以及焊接和接合应用。更具体地说，某些实施例涉及利用热丝沉积工艺与激光焊接工艺或弧焊工艺以及可变极性热丝操作中的电弧抑制的系统和方法。

发明背景

最近，已经在热丝焊接中取得进展。然而，这些工艺和系统中的一些利用的电流波形可能干扰相邻弧焊过程所产生的电弧。进一步，在某些应用中可能需要对熔融熔池进行额外的混合和搅拌，这可能不能通过一些已知的工艺来实现。进一步，在使用可变极性波形的一些热丝应用中，已经发现某些电弧抑制技术可能不利地干扰热丝工艺的操作。

通过将常规、传统和所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。

发明内容

本发明的实施例包括使用热丝沉积工艺来进行镀覆、熔覆、连接或焊接的系统和方法，其中将热丝波形与串联弧焊波形同步。在此描述的系统和方法的另外实施例涉及在可变极性的热丝沉积操作中的电弧抑制技术。

所要求保护的本发明的这些和其他特征及其所展示的实施例的细节将从以下描述和附图中得到更全面理解。

附图简要说明

通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加清晰，在附图中：

图1为热丝和激光系统的一个示例性实施例的图解表示；

图2为热丝和弧焊系统的一个示例性实施例的图解表示；

图3为热丝电源和在其中利用该热丝电源的系统的一个示例性实施例的进一步图解表示；

图4为热丝工艺的示例性AC电压和电流波形的图解表示；

图5为示例性热丝和GTAW弧焊工艺的图解表示；

图6是示例性热丝电流波形的图解表示；

图7A至7C是示例性的热丝和弧焊电流波形的图解表示；

图8是本发明的示例性实施例的图解表示，示出了AVC控制系统。

图9是热丝系统中的电流和电压波形的图解表示，其中发生了起弧事件并且电弧不利地干扰该过程；以及

图10是电弧抑制与电流重启过程的示例性实施例的示例性电流和电压波形的图解表示。

详细说明

下面将参考附图来描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明、而不旨在以任何方式限制本发明的范围。贯穿全文，类似参考号表示类似的要素。

图1示出了一种用于执行钎焊、包覆、堆焊、填充、表面硬化熔覆和接合/焊接应用中的任一种的组合填充焊丝给送器和能源系统100的一个示例性实施例的功能性示意框图。系统100包括能够使激光束110聚焦到工件115上从而对工件115加热的激光器子系统。该激光子系统是高强度能量源。该激光子系统可以是任何类型的高能激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd:YAG、Yb-盘、YB-光纤、光纤递送或直接二极管激光系统。此外，如果其他类型的激光系统具有充分的能量，它们可以被使用。该系统的其他实施例可以包括用作高强度能量源的电子束、等离子体弧焊子系统、钨极气体保护弧焊子系统、气体保护金属弧焊子系统、焊剂药芯焊丝弧焊子系统、和埋弧焊子系统中的至少一者。以下说明将重复提到激光系统、射束和电源，然而，应理解的是，这种引用是示例性的，因为可以使用任何高强度能量源。例如，高强度能源可以提供至少500W/cm²。该激光子系统包括彼此操作性地连接的激光装置120和激光器电源130。激光器电源130提供用于操作激光装置120的功率。

系统100还包括热填充焊丝给送器子系统，该热填充焊丝给送器子系统能够提供至少一根电阻填充焊丝140来在激光束110附近与工件115进行接触。当然，应当理解，通过在此引用工件115，熔融熔池被认为是工件115的部分，因此对与工件115的接触的引用包括与熔池接触。该热填充焊丝给送器子系统包括填充焊丝给送器150、导电管160、以及热丝电源170。在操作过程中，引领激光束110的填充焊丝140由来自操作性地连接在导电管160与工件115之间的热丝焊接电源170的电流所电阻加热。根据本发明的实施例，尽管交流(AC)或其他类型的电源也是可能的，但热丝焊接电源170是脉冲直流(DC)电源。焊丝140从填充焊丝给送器150穿过导电管160朝向工件115给送并且延伸到该管160之外。焊丝140的延伸部被电阻加热，这样使得该延伸部在接触该工件上的焊接熔池之前接近或达到熔点。激光束110用于使工件115的基底金属中的一些基底金属熔化，以便形成焊接熔池并且还使焊丝140熔化到工件115上。电源170提供电阻熔化填充焊丝140所需的大部分能量。根据本发明的某些其他实施例，该给送器子系统可能能够同时提供一根或多根焊丝。例如，一根第一焊丝可以用于表面硬化和/或向该工件提供耐腐蚀性，并且一根第二焊丝可以用于向该工件添加结构。

系统100进一步包括运动控制子系统，该运动控制子系统能够使激光束110(能源)和电阻填充焊丝140沿着工件115朝同一方向125移动(至少在相对意义上)使得激光束110和电阻填充焊丝140彼此保持相对固定。根据不同实施例，工件115与激光器/焊丝组合之间的相对运动可以通过实际地移动工件115或通过移动激光装置120和该热丝给送器子系统来实现。在图1中，运动控制子系统包括操作性地连接至机器人190的运动控制器180。运动控制器180控制机器人190的运动。机器人190操作性地连接(例如，以机械方式固定)到工件115上从而使工件115在方向125上移动，这样使得激光束110和焊丝140沿着工件115有效地行进。根据本发明的替代性实施例，激光装置110和导电管160可以被整合到单个头中。该头可以经由操作性地连接到该头上的运动控制子系统来沿着工件115移动。

总体上，存在可以使高强度能源/热丝相对于工件移动的若干种方法。如果该工件是圆的，那么例如，该高强度能源/热丝可以是静止的，并且该工件可以在该高强度能源/热丝下旋转。可替代地，机器人臂或线性牵引机可以平行于该圆形工件移动，当该工件旋转时，该高强度能源/热丝可以连续地移动或者每个循环转位一次以便(例如)熔覆该圆形工件的表面。如果工件是扁平的或至少不是圆的，则工件可以如图1中所示的在高强度能量源/热丝下方移动。然而，机器人臂或线性牵引机或甚至安装在梁上的支架都可以用于使高强度能量源/热丝头相对于工件移动。

系统100进一步包括感测和电流控制子系统195，该感测和电流控制子系统操作性地连接到工件115和导电管160上(即，有效地连接到热丝电源170的输出端上)并且能够测量工件115与热丝140之间的电势差(即，电压V)和通过它们的电流(I)。感测和电流控制子系统195可以进一步能够从测量电压和测量电流计算出电阻值(R＝V/I)和/或功率值(P＝V*I)。总体上，当热丝140与工件115接触时，热丝140与工件115之间的电势差为零伏特或者非常接近零伏特。其结果是，如在此稍后更详细描述的，感测和电流控制子系统195能够感测电阻填充焊丝140何时与工件115相接触并操作性地连接到热丝电源170上，从而进一步能够响应于该感测而控制通过电阻填充焊丝140的电流流动。根据本发明的另一个实施例，感测和电流控制子系统195可以是热丝电源170的组成部分。

根据本发明的实施例，运动控制器180可以进一步操作性地连接到激光器电源130和/或感测和电流控制器195上。以此方式，运动控制器180和激光器电源130可以彼此通信，这样使得激光器电源130知道工件115什么时候正在运动，并且这样使得运动控制器180知道激光装置120是否是活动的。类似地，以此方式，运动控制器180与感测和电流控制器195可以彼此通信，这样使得感测和电流控制器195知道工件115什么时候正在运动，并且这样使得运动控制器180知道该热填充焊丝给送器子系统是否是活动的。此类通信可以用于协调系统100的不同子系统之间的活动。

如以上所描述的，该高强度能源可以是任何数目的能源，包括焊接电源。在图2中示出该高强度能源的示例性实施例，该图示出了与图1所示的系统100类似的系统200。该系统200的许多部件类似于系统100中的部件，并且因此将不再详细讨论这些部件的操作和利用。然而，在系统200中，该激光系统被弧焊系统(诸如GMAW系统)替代。该GMAW系统包括电源213、焊丝给送器215和焊炬212。焊接电极211经由焊丝给送器215和焊炬212递送到熔融池。在此描述的类型的GMAW焊接系统的操作是众所周知的，并且不需要在此详细描述。应当注意尽管GMAW系统关于所描绘的示例性实施例来示出和讨论，但本发明的示例性实施例也可以与以下各项一起使用：GTAW、FCAW、MCAW和SAW系统、熔敷系统、钎焊系统、以及这些系统的组合等，包括使用电弧来辅助将耗材转移到工件上的熔融池的那些系统。图2中未示出可以根据已知方法使用的保护气体系统或亚弧焊剂系统。

像以上所描述的激光系统一样，电弧生成系统(它们可以用作高强度能源)用于形成熔融熔池，热丝140使用如以上详细描述的系统和实施例被添加到该熔融熔池。然而，通过电弧生成系统，如已知的，另外一种耗材211也被添加到该熔池。这个另外的耗材增强了通过在此描述的热丝工艺提供的已经提高的熔敷性能。此性能将在以下进行更详细的讨论。

进一步地，如总体上已知的，电弧生成系统(诸如GMAW)使用高电流水平来在推进的耗材与工件上的熔融熔池之间生成电弧。类似地，GTAW系统使用高电流水平来在焊条与耗材被添加到其中的工件之间生成电弧。如总体上已知的，许多不同的电流波形可以被用于GTAW或GMAW焊接操作，诸如恒定电流、脉冲电流等。然而，在系统200的操作过程中，电源213所生成的电流可能干扰电源170所产生的用于加热焊丝140的电流。因为焊丝140邻近电源213所生成的电弧(因为它们各自被引导到同一熔融熔池，类似于以上所描述的情况)，对应电流可能彼此干扰。确切地，各电流生成磁场，并且那些场可能彼此干扰并且不利地影响它们的操作。例如，该热丝电流所生成的磁场可能干扰电源213所生成的电弧的稳定性。也就是说，在对应电流无适当控制且其间未进行同步的情况下，竞争的磁场可能使电弧不稳定并且因此使该过程不稳定。因此，示例性实施例利用电源213与170之间的电流同步来确保稳定操作，这将在下文进行进一步讨论。

如上所述，由对应电流所感生的磁场可能彼此干扰，并且因此本发明的实施例使对应电流同步。同步可以经由不同方法来实现。例如，可以使用感测和电流控制器195来控制电源213和170的操作以便使这些电流同步。可替代地，也可以利用主从关系，其中使用这些电源中的一者来控制另一者的输出。这些相关电流的控制可以通过控制这些电源的多种方法(包括使用状态表或算法)来实现，这样使得它们的输出电流被同步以用于稳定操作。这将在以下进一步讨论。例如，可以利用与美国专利公开号2010/0096373中所描述的系统和装置类似的一种基于双态的系统和装置。于2010年4月22日公开的美国专利公开号2010/0096373通过引用以其全文结合在此。

系统100和200的结构、使用、控制、操作和功能的更详细讨论至少在美国专利申请13/212,025和12/352,667中进行了阐述，这些美国专利申请被转让给了本申请的相同拥有人、并且由于它们涉及在此描述和讨论的系统以及其中所讨论的替代性实施例而通过援引以其全文完全并入本文，为效率和清楚起见在此不重复这些内容。

图3描绘了本发明的系统300的另一个示例性实施例的图解表示。类似于系统200，系统300利用组合的热丝和弧焊工艺。系统300的功能和操作类似于系统200的功能和操作，并且因此将不重复类似的功能性。如图所示，系统300包括引领着尾随热丝140的引领弧焊电源301。电源301被示出为GMAW型电源，但实施例不限于此，因为也可以利用GTAW型电源。焊接电源301可以具有任何已知的构造。另外描述的是一种热丝电源310(其可以与图1和图2所示出的电源相同)连同其中的一些部件。如以上所解释的，可能希望使来自电源301和310各自的电流波形输出同步。这样，同步信号303可以被利用来确保这些电源的操作是同步的，这将在以下进行进一步描述。

热丝电源310包括逆变器功率部分311，该逆变器功率部分接收输入功率(其可以是AC或DC)并且将输入功率转换成用于加热焊丝140的输出功率，这样使得该焊丝可以沉积到工件W上的熔池中。逆变器功率部分311可以被构造成可用于焊接、切割的任何已知的逆变器型电源、或热丝电源。该电源也含有预设加热电压电路313，该预设加热电压电路利用与该工艺相关的输入数据来为电源310的输出信号设定预设加热电压从而使得焊丝140维持在所希望的温度上，这样使得该焊丝适当地沉积到工件W上。例如，预设加热电压电路313可以利用设定(诸如焊丝尺寸、焊丝类型和焊丝给送速度)来设置有待在该工艺过程中维持的该预设加热电压。在操作过程中，维持该输出加热信号使得该输出信号的平均电压在一个预先确定的持续时间段或预先确定数目的循环上维持在该预设加热电压水平处。在一些实施例中，该预设加热电压水平在2至9伏特范围内。此外，在本发明的示例性实施例中，焊丝140的焊丝给送速度可影响该最佳预设加热电压水平，使得当该焊丝给送速度较低(处于或低于200in/min)时，该预设加热电压水平在2至4伏特范围内，然而在该焊丝给送速度较高(高于200in/min)时，该预设加热电压水平在5至9伏特范围内。此外，在一些示例性实施例中，当电流较低(处于或低于150安培)时，该预设加热电压水平在2至4伏特范围内，然而在该电流较高(高于150安培)时，该预设加热电压水平在5至9伏特范围内。因此，在操作过程中，电源310将焊丝140与工件W之间的平均电压维持在该预设加热电压水平处以用于给定操作。在其他示例性实施例中，该预设加热电压电路313可以设置平均电压范围，其中该平均电压被维持在该预设范围内。通过将所检测的平均电压维持在该预设加热电压水平处或该预设加热电压范围内，电源310如所希望的提供加热丝140的加热信号，但避免产生电弧。在本发明的示例性实施例中，是在预先确定的时间段内测量平均电压，使得在该工艺过程中确定了移动平均。该电源利用了时间平均滤波器电路315，该时间平均滤波器电路通过感测引线317和319来感测输出电压，并且进行以上所描述的电压取平均值计算。如图3所示，随后将所确定的平均电压与预设加热电压进行比较。

当然，在其他示例性实施例中，电源310可以使用电流预设阈值和/或功率预设阈值来控制该电源的输出信号。此类系统的操作将类似于以上所描述的基于电压的控制。

电源310也含有电弧检测阈值电路321，该电弧检测阈值电路比较通过感测引线319和317的检测到的输出电压，并且将所检测到的输出电压与电弧检测电压水平进行比较，以便确定电弧放电事件已经还是将在焊丝140与工件W之间发生。如果所检测到的电压超过该电弧检测电压水平，则电路321向逆变器功率部分311(或控制器装置)输出信号，该信号导致功率部分311关闭输出功率以便区别出该电弧、或以其他方式防止其产生。在一些示例性实施例中，该电弧检测电压水平在10至20伏特范围内。在其他示例性实施例中，该电弧检测电压水平在12至19伏特范围内。在其他示例性实施例中，是基于该预设加热电压水平和/或该焊丝给送速度来确定该电弧检测电压水平。例如，在一些示例性实施例中，该电弧检测电压水平在该预设加热电压水平的2至5倍范围内。在其他示例性实施例中，用于所使用的任何保护气体的阳极电压水平和阴极电压水平可能影响该预设加热电压水平。在其他示例性实施例中，用于所使用的任何保护气体的阳极电压水平和阴极电压水平可能影响该预设加热电压水平。在一些示例性应用中，该电弧检测电压将在7至10伏特范围内，而在其他实施例中它将在14至19伏特范围内。在本发明的示例性实施例中，该电弧检测电压将在5至8伏特范围内，高于该预设加热电压水平。

电源310也包括标称脉冲波形电路323，该标称脉冲波形电路生成的波形会被逆变器功率部分311使用来将所希望的加热波形输出给焊丝140和工件W。如图所示，标称脉冲波形电路323经由同步信号303联接到弧焊电源301，这样使得来自每个对应电源的输出波形如在此所述地是同步的。

如图所示，标称脉冲波形电路323使其输出信号与弧焊电源301同步，并且将所生成的加热波形输出到乘法器，该乘法器如图所示也从比较器327接收误差信号。该误差信号允许调整到逆变器功率部分311的输出命令信号，以便如以上所描述的维持所希望的平均电压。

应当注意这些以上描述的电路和基本功能性类似于在焊接和切割电源中利用的电路和基本功能性，并且因此这些电路的详细构造不需要在此详细描述。此外，也应当指出的是可以经由电源310内的单个控制器来完成一些或所有的以上功能性。

现在转向图4，该图描绘了通过在此披露的热丝电源可以产生的示例性电压401和电流411波形。可以看到，电压波形401和电流波形411各自是交变电流(AC)，其中波形的相邻峰具有相反的极性。这样的热丝波形可以用于在图1至3各自中描述的系统。然而，已经发现，在使用激光来创建熔池的热丝工艺(参见例如图1)中，有时希望给熔池提供搅拌，这是通过仅使用激光所不能实现的。在这样的情形下，使用交变电流波形411提供了熔池搅拌和振荡。这种熔池运动可以辅助减小孔隙率或其他缺陷、并且辅助熔融熔池中的颗粒细化。因此，在本发明的一些实施例中，希望使用如图所示的AC加热波形。当然，应注意的是，本发明的实施例不局限于图4所示的波形，而是可以使用其他波形。例如，还可以使用方波脉冲电流轮廓。

进一步，如图所示，在一些示例性实施例中，电流在电流脉冲413之间减小到0安培。这样的波形提供了主动电弧抑制，以防止在热丝140与工件之间产生不经意的起弧事件。如上文描述的，希望的是防止通过热丝140发生起弧事件。这样，在所示的示例性电流波形411中，波形411在相邻脉冲413之间含有多个0安培电流时期415。也就是，在示例性实施例中，电流脉冲413在下一个脉冲(具有不同的极性)发生之前持续一段持续时间To地减小到0安培。这种主动电弧抑制有助于防止不经意的起弧事件。在本发明的示例性实施例中，0安培持续时间To是基于峰值脉冲电流、波形频率、和脉冲宽度的预先确定的持续时间。该零电流持续时间还将扑灭在前一个脉冲中可能已经产生的任何电弧。在示例性实施例中，0安培的持续时间是在电流脉冲413的持续时间Tp的80％至120％的范围内。在进一步的示例性实施例中，0安培持续时间To大于电流脉冲413的持续时间Tp。

进一步，在额外的示例性实施例中，在热丝工艺的过程中可以改变0安培持续时间To，以便控制热量输入。也就是，可以减小该持续时间To以便增加热量输入，而可以增大该持续时间To以便减少热量输入。因此，在一些示例性实施例中，可以监测焊丝140和/或熔池的热量(参见所引用的优先权申请)，并且该热丝电源可以基于所检测到的温度来调整0安培持续时间To的持续时间以达到所希望的温度。

进一步，如以上解释的，在将弧焊工艺与热丝工艺一起使用的那些实施例中，弧焊电源可以是GMAW或GTAW电源和工艺。然而，在一些示例性实施例中，如果利用GTAW工艺，则控制该GTAW工艺，使得仅在热丝波形411中的0安培持续时间415过程中进行自动电压控制(AVC)读数。普遍已知的是，在GTAW(TIG)焊接过程中，许多GTAW电源在焊接过程中采用衡量电弧上的电压的AVC读数，以用于确定该GTAW过程的电弧长度、并且最终辅助控制该GTAW过程的电弧长度。应注意的是，GTAW型电源的构造、功能和操作、以及自动电压控制的使用是本领域技术人员熟知的，因而在此不需要详细讨论。例如，示例性的AVC单元包括控制单元和与焊炬相联接的机械滑块或移动机构，其中该控制单元获得电弧电压的读数并且使该机械滑块/移动机构向上或向下(并且因此使焊炬向上或向下)移动以便保持所希望的电压。然而，已经发现，热丝电流脉冲由于彼此接近而可能影响GTAW电弧的电弧长度。这总体上在图5中进行描绘。如图所示，使用GTAW电极500来在电极500与焊接熔池WP之间产生电弧。然而，在热丝电流脉冲的过程中，产生可以拉动或推动电弧的磁场MF。(应注意的是，为清楚起见在旁边示出了热丝140，但它可以相对于电极500被定位在任何径向位置)。通过使电弧移动，电弧的长度改变，并且这样将影响在电弧长度改变时期获取的任何AVC读数，并且这些读数将不准确地反映电极与熔池之间的距离、或造成电压读数不准确。例如，该AVC读数可能显示，GTAW电弧长度已经增大，因此致使GTAW电源作出就好像电极500已被拉离熔池状态下的反应。然而，当热丝电流脉冲被切断或减小时，电弧长度返回至其正常位置并且这样，通过GTAW电源对“增大的”电弧长度作出的补偿现在是不合适的，从而不利地影响GTAW过程。因此，本发明的实施例将热丝电源与GTAW电源同步，使得仅在热丝波形411的0安培持续时间To期间才采集用来控制GTAM电源的自动电压控制读数。确切而言，如图6所示，仅在该持续时间To期间(当电流为0安培时)获取AVC。在一些示例性实施例中，在电流为0安培时、但不是太接近任何相邻电流脉冲413之一时获取AVC读数。例如，在一些示例性实施例中，在持续时间To的中间80％期间获取GTAW过程的AVC读数。也就是，在持续时间To的前和最后10％的部分中不获取GTAW过程的AVC读数，其中前部分是持续时间To的在脉冲413之后的10％，并且最后部分是该持续时间的在下一个脉冲413之前的10％。通过在GTAW与热丝过程之间利用这样的同步，GTAW过程可以维持其完整性。

典型地，GTAW焊接电流是恒定的电流，并且在许多应用中，AVC电路或控制单元不是标准GTAW电源的一部分。因此，在本申请的一些示例性实施例中，AVC单元或电路(为清楚起见没有示出)是独立的单元并且与在此描述的热丝停滞时间相同步。AVC电路和单元的构造和操作是本领域技术人员普遍已知的。

在本发明的利用结合了AC热丝工艺的GMAW工艺的示例性实施例中，还希望将相应的波形同步并且保持波形总体上彼此同相。已经发现，当相对波形的峰值异相时，热丝电流产生的磁场可能对于GMAW过程的电弧具有显著的拉动，尤其是当GMAW过程处于其背景相时(即，在背景电弧期间)。当使用具有较低背景水平的GMAW焊接波形时，尤其是如此。例如，当焊接不同的合金例如不锈钢和镍合金时，GMAW脉冲参数使用相对低的背景电流。低的背景电流产生具有低的电弧力的电弧，从而使得它们更易受热丝脉冲影响。使用具有高的峰值电流水平的热丝脉冲时，尤其是如此。因此，在示例性实施例中，可能希望将相应波形同步并且总体上使它们同相以便确保GMAW的电弧稳定性。在图7A至7C中示出了一些示例性的波形。

图7A至7C各自描绘了用于在此描述的GMAW/热丝工艺的示例性同步电流波形。应注意的是，虽然相应的GMAW波形701各自被示出为正波形，但它们也可以是AC波形。此外，虽然图7A和7B中的热丝波形711各自被示出为AC，但它们也可以具有单一极性。进一步，虽然图7C中的热丝波形711被示出为具有单一极性，但它也可以是AC波形。可以利用以上替代方案而不脱离本发明的精神或范围。

现在转向图7A，GMAW波形701被示出为具有多个电流脉冲703，每个电流脉冲具有峰值电流水平705。进一步，这些脉冲各自通过背景电流部分707分离。该背景电流部分可以具有在10至250安培范围内的标称电流水平。还示出了具有多个脉冲713的热丝电流波形711。波形711是AC的，并且脉冲713各自具有峰值电流水平715并且如上文讨论的通过0安培部分717分开。热丝脉冲713的峰值电流水平715可以在250至500安培的范围内。此外，这些波形是同步的且同相的，使得波形之间的相位角Φ是在340至20度的范围内。在一些示例性实施例中，相位角Φ是在355至5度的范围内，而在其他实施例中相位角Φ为0度。通过将波形同步并且利用在此讨论的相位角，本发明的实施例有助于防止GMAW电弧被热丝电流波形过度影响。

图7B描绘了其他示例性的波形，其中热丝电流脉冲713与GMAW波形701同步，使得热丝脉冲峰值715先于GMAW脉冲峰值715，如图所示。也就是，在GMAW脉冲达到其相应峰值705电流水平之前，热丝脉冲达到其峰值电流水平715。在示例性实施例中，相应峰值之间的相位角Φ是在340至359度的范围内。此外，热丝峰值电流水平715在GMAW过程中熔滴分离发生前的时间t结束。为清楚起见，在图7B中描绘了在GMAW脉冲703结束时的熔滴分离，然而，所理解的是，熔滴分离将取决于所使用的波形、并且因此不一定如所描绘的是在脉冲703结束时。本领域技术人员普遍理解GMAW工艺的熔滴过渡机理，并且因此不需要在此详细描述。如上文所述，热丝脉冲713的峰值水平715在GMAW熔滴分离前的时间t结束。在示例性实施例中，时间t在50至1000μs的范围内。在其他示例性实施例中，时间t在50至200μs的范围内。在这样的实施例中，熔滴飞行不受热丝电流的影响(或受影响极小)。

图7C描绘了本发明的额外的示例性实施例。在这个示例性实施例中，GMAW波形701被同步成使得每个脉冲703先于热丝脉冲713开始。在示例性实施例中，GMAW脉冲703的开始以在1至20度的范围内的相位角Φ超前于热丝脉冲713的开始。在其他示例性实施例中，相位角Φ在300至50度的范围内。然而，虽然GMAW脉冲超前于热丝脉冲，但GMAW脉冲具有的电流爬升速率709小于热丝脉冲713的爬升速率719。例如，对于脉冲式喷雾过程，该变化率可以在350至500A/ms的范围内，并且对于热丝而言，变化率可以在350至700A/ms的范围内。通过对热丝脉冲713利用较慢的变化率，GMAW电弧可以对于热丝峰值的拉动更具抵抗性。在进一步的示例性实施例中，热丝脉冲713利用的变化率高于GMAW脉冲的变化率并且使得，在GMAW脉冲703达到其相应峰值705水平之前，热丝脉冲713达到其峰值电流水平715。应注意的是，在一些应用中，热丝峰值电流可以显著影响低电流电弧，例如当电弧电流处于低背景状态下时。这是由于干扰磁场造成的。类似地，热丝电流峰值还可能影响熔滴过渡。因此，在一些示例性实施例中，有利的是使得热丝电流峰值在弧焊峰值期间、而不是在熔滴过渡之前。

图8描绘了有待用于本发明的实施例的示例性AVC系统。系统800以与在此描述和讨论的实施例一致的方式运行。该AVC控制单元联接至GTAW电源、焊炬和工件中的每一者上。而且，同步线路805将AVC控制电路801联接至热丝电源上。移动机构804将焊炬向上或向下移动以便维持电弧电压，如在此描述的。图8中还示出了GTAW电流807(被示出为恒定电流)以及代表性的热丝电流输出809，其中示出了AVC检测811是与热丝电流输出的切断时间同步的。

如以上讨论的，无论除了热丝工艺之外利用的是GMAW还是GTAW工艺，相应波形的同步都是所希望的。可以用于将波形同步的电路和控制方法在焊接工业中是普遍已知且广泛使用的。这些方法论可以类似地用于在此描述的实施例。这样，在此将不再重复对同步技术和控制方法的详细讨论。进一步，在此描述的这些不同示例性系统可以使用不同的控制器部件来控制在此描述的这些操作。例如，焊接电源和热丝电源各自可以对应地联接到用于控制和同步每个电源的共用控制器上。此外，可以利用主-从关系，其中这些电源之一(例如，GTAW或GMAW电源)用作主电源并且热丝电源的功能服从于该主电源。当然，可以使用其他同步方法论而不脱离本发明的精神或范围。

如以上解释的，对于在此描述的热丝沉积工艺可以使用不同的串联组合。例如，可以使用GMAW型工艺(参见图2)，或者可以使用GTAW工艺(参见图5)。进一步，如在此描述的，热丝电流波形可以是AC的，因此具有负极性以及正极性的部分或脉冲。进一步，普遍理解的是，通过热丝耗材(即，在热丝与熔池之间)产生电弧可能对于该工艺有害并且因此在大多数情形下不希望这样的起弧。已经开发了不同的技术、系统和工艺来抑制热丝(例如，参见图5中的140)与熔池之间的电弧产生。由于在本申请的受让人的其他未决专利申请中充分描述了这些工艺/系统/方法，在此不再详细描述这些工艺。

然而，最近发现，在某些工艺/应用中，用于热丝的一些已知电弧抑制技术可能对于热丝工艺有害，从而使得该工艺可能受损害和/或可能需要停止和重启，而这是不希望的。下文将进一步结合本发明的用于消除与在此描述的电弧抑制有关的问题的示例性实施例来对此进行解释。进一步应注意的是，以下讨论是具体针对在GTAW串联工艺中使用可变极性热丝波形的本发明实施例。然而，示例性实施例不局限于使用串联的GTAW(例如，参见图5)，并且在此描述的实施例也可以用于GMAW、激光等等。

如以上解释的，已经发现在某些应用中，用于热丝电流的已知电弧抑制技术可能具有操作上的限制。例如，当对于GTAW工艺使用AC热丝时，已经发现，当推动这种类型的工艺以高的速度和/或沉积速率运行时，沉积将出现问题。也就是，观察到在一些情形下，热丝耗材(例如，图5中的140)没有恰当地沉积。例如，焊珠可能损失热量并且因此变“冷”，从而致使耗材在沉积时“扭结”。进一步，还已经观察到，当出现故障模式时，例如由于热丝/熔池分离而产生电弧时，已知的电弧抑制技术不能恰当地清除这种故障，这可能造成产生喷溅、使熔池溅出、和/或干扰GTAW工艺的钨电极。

在图9中示出了以上描述的问题的示例性电压和电流波形。确切而言，图9描绘了在与GTAW电弧工艺结合使用时可变极性热丝沉积信号的示例性电压波形910和电流波形920。如普遍理解的，在正常操作中，焊丝140接触熔池并且基本上处于与熔融熔池WP相同的电势。在示例性实施例中，从热丝工艺的接触尖端160到工件的热丝140电压是约2伏特。在许多情形下，当焊丝的末端与熔池失去接触时，该电压显著增大，这表明焊丝已经与熔池分离并且有可能已经形成了电弧。在大多数情形下这是不希望的。在检测到这种电压增大时，系统可以执行电弧抑制例程来消除/防止电弧并且使焊丝140再次与熔池进行接触。然而，在一些应用/情形中，即使焊丝140的末端没有与熔池接触，焊丝140的末端也可以处于串联弧焊工艺的等离子体羽流中，例如GTAW等离子体羽流中。当这发生时，该等离子体羽流提供了让热丝电流前进到熔池/工件的路径。由此，在某些情形下，已知的电弧抑制技术无法充分或快速地解决焊丝140与熔池之间的缺乏接触。这在图9中总体地示出。

如图9所示，典型的AC热丝波形以交替极性的电流和电压脉冲运行-阶段A。在点B处，检测到负极性电压尖峰911，这表明焊丝140已经失去与熔池的接触。在这种检测之后，切断电流(根据一些已知的电弧抑制技术)-参见C。在切断电流之后，重新接通并且重新开始正常的电流脉冲-D。在许多情形下，这应当触发正常的操作。然而，在例如上文描述的那些情形下，在电弧抑制尝试之后出现额外的电压尖峰E，并且随着电弧抑制尝试的继续，这种情形加剧并且逐渐变得更差F，直到该过程必须停止并重新开始。

所理解的是，当GTAW工艺的钨电极(例如，图5中的500)和热丝140均为负极性(AC热丝电流波形的负的半周期)时，电流从熔池流入焊丝140、但不经过钨500。此外，存在将GTAW电弧朝焊丝140拉动的、来自热丝电流的磁力。认为这种拉动在热丝140上产生额外的加热，从而使得更可能在负的半周期期间起弧。如以上解释的，如果/当焊丝140起弧，则电弧抑制作为电压尖峰检测到从熔池到焊丝140的电流流动(产生阳极/阴极电压)并且切断热丝输出。如果在焊丝没有与熔池接触时尝试另一个负的半周期，则在焊丝140与熔池之间存在电压并且电弧抑制可以检测到这个电压。

然而，当热丝140处于波形920的正部分中时，存在从焊丝140经电弧、到钨500中的潜在电流流动路径。正常地，当焊丝140接触熔池时，热丝电流的磁推力将电弧等离子体推离热丝140，并且这种短路连接保持电压足够低到使得电流从热丝、经熔池流入钨500中。认为当焊丝140与熔池之间失去连接时，将开始出现问题。在这种情形下，电流可以从焊丝140(当为正时)经等离子体直接流到钨500。当这发生时，产生至少两个问题：(1)即使焊丝140已经失去连接，热丝电源也并没有在熔池与焊丝140之间检测到电弧(阳极/阴极电压)，以及(2)电流(从焊丝140传递到钨电极500的电流)不再流经熔池，从而夺走熔池的热量。因此，焊丝140从钨500(由于电弧加热)往回烧，并且熔池变冷且变扭结。在许多情形下，仅波形的正侧是稳定的，因此需要停止此过程并重新开始。

本发明的实施例解决了以上描述的问题，尤其是在GTAW工艺为负极性工艺的情形下。也就是，GTAW电流为负。为了解决以上描述的问题，本发明的示例性实施例在处于负极性期间感测焊丝140与熔池的连接。如果焊丝140连接至熔池，则波形的负的半周期可以运行，并且如果负的半周期的运行没有电压尖峰，则确定焊丝140仍与熔池相连/接触，并且接着可以运行正的半周期。在图10中示出了描绘此内容的示例性电压和电流波形。

图10描绘了本发明的示例性实施例的电压1010和电流1020波形。如这个实施例中所示，在正脉冲之后的A点检测到起弧和/或焊丝/熔池分离，并且通过负的电压尖峰指示。基于这种检测，该电源(参见例如图1中的170)不让AC脉冲波形的负的半周期运行或开始，并且不让该AC脉冲波形的接下来的正的半周期运行-B。在跳过了该正的半周期之后，电源170尝试运行下一个负的半周期，但在C检测到另一个电压尖峰。这个额外的电压尖峰表明，焊丝140仍没有与熔池接触并且因此该电源再次跳过该负的半周期和接下来的正的半周期-D。在这个跳过之后，电源170再次引发电流1020的负的半周期-点E，并且此时没有检测到电压尖峰(表明焊丝140现在回到了与熔池相接触)并且因此开始负脉冲和接下来的正的半周期脉冲F。在检测到电压尖峰时(例如，“G”)根据需要进行重复。也就是，当检测到电压尖峰时，其指明电弧和/或焊丝与熔池分离。当检测到这点，该电源停止AC脉冲波形1020并且运行如在此描述的清除例程。确切而言，当检测到阈值电压(指示了尖峰)是，电源170跳过接下来两个具有交替极性的脉冲、并且引发下一个与弧焊工艺(例如，GTAW工艺)具有相同极性的脉冲。例如，当GTAW电流为负电流时，在此描述的清除例程的示例性实施例在检测到电弧或分离时将跳过紧接下来的负电流脉冲以及紧接下来的正电流脉冲、并且将引发下一个具有与GTAW电流相同的极性(负)的电流脉冲。换言之，跳过至少一个完整波形周期(正和负的脉冲)，并且该电源引发下一个接下来的(在这个跳过的周期之后的)具有与弧焊工艺(GTAW或GMAW等)相同的极性的脉冲。电源170将在该具有与弧焊极性相同极性的脉冲成功运行的情况下才引发接下来的具有相反极性的脉冲。因此，如果在跳过了完整的周期并引发了下一个具有相同极性的脉冲并且检测到电压尖峰之后，跳过另一个完整脉冲周期并且再次尝试接下来的具有相同极性的脉冲。将此重复，直到该具有与弧焊电流相同的极性的脉冲成功地完成(没有超过电压阈值水平)。仅在该具有与弧焊电流相同的极性的脉冲成功地完成之后，电源170才引发接下来的具有相反极性的半周期脉冲。本发明的示例性实施例减轻了以上讨论的问题并且有助于优化交替极性的热丝沉积工艺的性能。这样的系统不允许起弧逃离(run away)电源并且允许实现优化的、平稳的性能。

在示例性实施例中，以上阈值可以是电压水平或可以是dv/dt水平。也就是，在一些示例性实施例中，电源170可以检测电压改变速率，并且如果该改变速率超过阈值速率，则确定起弧和/或失去接触事件已经或即将发生、并且允许所描述的清除功能。在该阈值是电压阈值的实施例中，该电压阈值可以是在电源170中预先确定的水平、或者可以是基于给电源170的输入或基于所使用的波形而确定的水平。在一些示例性实施例中，该电压阈值可以是至少+/-5伏特。也就是，如果存在与0伏特水平相比等于或高于5伏特(为正或为负)的电压尖峰，则该电源引发在此描述的清除例程。在其他示例性实施例中，该电压阈值为至少+/-3.5伏特。在又另外的示例性实施例中，该电压阈值为至少+/-7伏特。

在其他示例性实施例中，可以在检测到电弧/分离之后跳过两个完整的AC热丝电流周期，接着引发与弧焊电流具有相同极性的半个脉冲。在一些示例性实施例中，被跳过的完整周期数量是基于热丝140的送丝速度来确定的。也就是，如果送丝速度处于第一速率(例如，高于给定阈值的WFS速率)，则电源170将仅跳过一个完整周期之后再尝试接下来的相同极性脉冲，但是如果送丝速度处于第二速率(例如，低于给定阈值)，则该电源将跳过两个(或在一些实施例中跳过更多个)完整周期之后再尝试接下来的相同极性脉冲。这个WFS阈值水平可以是预先确定的、或是基于用户输入该热丝焊接工艺中的信息。

虽然以上讨论是集中于焊接操作过程中的控制和运行，但在开始或引发这样的焊接操作时也可以采用类似的方法。也就是，当启动在此描述的示例性系统时，首先开始弧焊操作以便产生电弧和熔池，热丝将接触该熔池。在弧焊电流之后启动热丝电流，并且在示例性实施例中，热丝电流的开始时脉冲具有与在热丝电流引发时的弧焊电流相同的极性。也就是，如果弧焊波形在热丝引发时具有负极性，则热丝电流应当以负极性开始。这确保了电流遵循恰当的流动路径。在一些实施例中，如果相应的电流具有相反的极性，则热丝电流可能与熔池相接触地-通过电弧羽流-流动。在示例性实施例中，在检测到与熔池的接触之后，以相同的极性开始热丝焊接电流。这种检测可以类似于以上描述的检测，例如使用电压等等。一旦进行检测，就启动热丝工艺并继续到检测到分离，并且接着该系统如在此描述的作出响应。

如以上讨论的，无论除了热丝工艺之外利用的是GMAW还是GTAW工艺，相应波形的引发、输出和控制以及以上描述的相应清除功能都是令人希望的。可以用于控制在此描述的波形和清除例程的电路和控制方法论在焊接工业中是普遍已知且广泛使用的。这些方法论可以类似地用于在此描述的实施例。这样，在此将不再重复对控制技术和控制方法论的详细讨论。进一步，在此描述的这些不同示例性系统可以使用不同的控制器部件来控制在此描述的这些操作。例如，焊接电源和热丝电源各自可以对应地联接到用于控制和同步每个电源的共用控制器上。此外，可以利用主-从关系，其中这些电源之一(例如，GTAW或GMAW电源)用作主电源并且热丝电源的功能服从于该主电源。当然，可以使用其他同步/同步方法论而不脱离本发明的精神或范围。

虽然已经参照某些实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变并且替换等效物。此外，可以进行许多修改来使得具体的情况或材料与本发明传授内容相适配而不背离其范围。因此，本发明不旨在局限于所披露的具体实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (18)

1.一种焊接方法，包括：

向焊接操作提供焊接电流以便产生焊弧和熔池；

将热丝耗材提供至所述熔池；

在所述焊接操作过程中向所述焊接耗材提供热丝焊接波形，其中所述热丝焊接波形是具有多个完整脉冲的AC波形，其中所述完整脉冲各自包括具有第一极性的第一脉冲部分和具有第二极性的第二脉冲部分；

检测所述热丝焊接耗材与所示熔池之间的分离；

在所述检测之后切断所述热丝焊接波形；

在按顺序下一个第一或第二脉冲部分开启所述热丝焊接波形，其中所述按顺序下一个第一或第二脉冲部分具有与所述焊接电流相同的极性；

确定所述检测到的分离是否仍存在；并且

如果所述分离仍存在，则切断所述热丝焊接波形并跳过所述第一或第二脉冲部分的按顺序又下一个脉冲部分，并且如果所述分离不存在，则完成所述第一或第二按顺序下一个脉冲。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊接电流是GTAW焊接电流。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊接电流是DC负焊接电流。

4.如权利要求1所述的方法，其中，对所述分离的所述检测是在所述完整脉冲之一的所述第一脉冲部分的过程中发生的。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一尝试脉冲部分具有负极性。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊接电流为负，并且其中，所述按顺序下一个第一或第二脉冲部分为负。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述焊接电流是脉冲式的。

8.如权利要求1所述的方法，其中，将所述引发步骤和确定步骤重复多次，直至所述确定确定了所述分离不存在。

9.如权利要求1所述的方法，其中，当达到预定阈值水平时，进行对所述分离的所述检测。

10.如权利要求1所述的方法，其中，当检测到所述热丝焊接波形的电压为至少+/-3.5伏特时，进行对所述分离的所述检测。

11.一种焊接方法，包括：

向焊接操作提供DC焊接电流以便产生焊弧和熔池；

将热丝耗材提供至所述熔池；

在所述焊接操作过程中向所述焊接耗材提供热丝焊接波形，其中所述热丝焊接波形是具有多个完整脉冲的AC波形，其中所述完整脉冲各自包括负脉冲部分和正脉冲部分；

检测所述热丝焊接耗材与所示熔池之间的分离；

在所述检测之后切断所述热丝焊接波形；

在切断所述热丝焊接波形之后引发按顺序下一个负脉冲部分，其中所述引发所述按顺序下一个负脉冲部分是在随后的下一个完整脉冲开始时开始的；

确定所述检测到的分离是否仍存在；并且

如果所述分离仍存在，则切断所述热丝焊接波形并且跳过按顺序下一个正脉冲部分，并且如果所述分离不存在，则完成所述按顺序下一个负脉冲部分和所述按顺序下一个正脉冲部分。

12.如权利要求11所述的方法，其中，对所述分离的所述检测是在所述完整脉冲之一的所述负脉冲部分的过程中发生的。

13.如权利要求11所述的方法，其中，对所述分离的所述检测是在所述完整脉冲之一的所述正脉冲部分的过程中发生的。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述DC焊接电流为负。

15.如权利要求11所述的方法，其中，将所述引发步骤和确定步骤重复多次，直至所述确定确定了所述分离不存在。

16.如权利要求11所述的方法，其中，当达到预定阈值水平时，进行对所述分离的所述检测。

17.如权利要求11所述的方法，其中，当检测到所述热丝焊接波形的电压为至少+/-3.5伏特时，进行对所述分离的所述检测。

18.一种焊接系统，包括：

弧焊系统，该弧焊系统向焊接操作提供焊接电流以便产生焊弧和熔池；以及

热丝焊接系统，该热丝焊接系统将热丝焊接耗材提供至所述熔池、并且在所述焊接操作过程中向所述焊接耗材提供热丝焊接波形，其中所述热丝焊接波形是具有多个完整脉冲的AC波形，其中所述完整脉冲各自包括负脉冲部分和正脉冲部分；

其中所述焊接系统使用电压阈值水平来检测所述热丝焊接耗材与所述熔池之间的分离，并且如果检测到所述分离，则所述焊接系统在所述检测之后切断所述热丝焊接波形；

其中在切断所述热丝焊接波形之后，所述系统引发按顺序下一个脉冲部分并且在所述按顺序下一个脉冲部分的过程中确定所述分离是否仍存在，其中所述按顺序下一个脉冲部分具有与所述焊接电流相同的极性；并且

其中，如果所述焊接系统确定所述分离仍存在，则所述焊接系统切断所述热丝焊接波形并跳过按顺序又下一个脉冲部分，并且如果所述分离不存在，则所述焊接系统完成所述按顺序下一个脉冲部分和所述按顺序又下一个脉冲部分。