CN108472757A - 用于保护焊丝的焊接系统及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于产生焊接功率输出的受控波形的焊接系统及方法，该波形包括多个连续的峰值相位(84)，其设计为当与金属芯或药芯焊丝一起使用时避免或减少微电弧。与传统技术相比，背景电流和电压电平的比率提高，其中大多数情况下电平超过峰值电流和电压的50％。在背景与电流和电压的峰值电平之间的过渡也被平滑掉(88)，并且与每个脉冲周期的持续时间相比，峰值相位的持续时间被延长以进一步减少微电弧。

Description

用于保护焊丝的焊接系统及方法
背景技术
本发明总体涉及焊机，且更具体地涉及一种配置为执行焊接操作的焊机，在该焊接操作中，循环波形被施加到焊丝以避免或最大程度地降低焊丝与其他部件(诸如，焊炬触头)之间的微电弧。
针对不同的目的已经实施了各种各样的焊接系统及焊接控制方式。在连续焊接操作中，气体金属电弧焊(GMAW)，且更具体地说，金属惰性气体(MIG)技术允许通过从焊炬进给焊丝电极保护气体(通常为惰性气体或含有惰性剂的气体)来形成连续的焊缝。电源被施加至焊丝，并且通过工件完成电路，从而保持使焊丝和工件熔化以形成期望的焊接的电弧。
先进形式的MIG焊接是基于产生允许焊丝和工件期望的溶化的循环脉冲，同时还在焊接中提供期望的线材沉积。正在开发日益复杂的脉冲焊接方式适于特殊的材料、条件、工件材料和配置、保护技术等等。一种已获得越来越高认可的焊丝电极形式具有围绕芯材的鞘或壳。两者都可以由精心挑选的材料制成，以便在焊接过程中以及在最终的焊接中提供材料的流动、冶金结合以及其他有用的特性。
然而，仍然需要适于特殊焊丝电极的焊接过程，使得焊接过程可以被最优化并且可以始终如一地产生高质量的焊接点。
发明内容
本公开提供了设计成响应这种需求的焊接系统和方法。根据示例性实施方式，焊接方法包括产生用于焊接功率输出的控制波形，该波形包括多个电压和电流的连续峰值相位，之后是过渡相位，接着是电压和电流的背景相位，以及焊接方法包括调节每个背景相位，使得背景电流与峰值电流的比率至少约为25％，并且背景电压与峰值电压的比率至少约为50％。
根据其它方面，提供了一种包括产生循环脉冲焊接方式的控制波形的焊接方法，该波形包括多个电压和电流的连续峰值相位，之后是过渡相位，接着是电压和电流的背景相位，从而基于波形以期望的电压和电流电平向焊丝电极提供焊接功率，焊丝电极包括金属芯或药芯焊丝，以及调节每个背景相位和每个峰值相位以减少焊丝电极和其他部件(诸如焊炬触头)之间的微电弧。
本公开还涉及焊接系统，并且例如涉及一种包括电源的焊接系统，其配置为将来自电源的电功率转换成用于执行焊接操作的受控脉冲波形，和偶联到该电源的控制电路，以及配置为控制受控脉冲波形的产生，该波形包括多个电压和电流的连续峰值相位，之后是过渡相位，接着是电压和电流的背景相位，并且其中控制电路配置为调节每个背景相位，使得背景电流与峰值电流的比率至少约为25％，并且背景电压与峰值电压的比率至少约为50％。
附图说明
图1是根据本技术的各方面的示例性MIG焊接系统的图解示意图，其示出了偶联到送丝机用于执行脉冲焊接操作的电源；
图2是在图1中示出的焊接电源类型的示例性控制电路组件的图解示意图；
图3是根据本公开示出了实施焊接方式的某些控制逻辑的流程图；并且
图4是根据本公开焊接方式的示例性脉冲中的电压和电流的图形示意图。
具体实施方式
现在转到附图，首先参考图1，示例性焊接系统被示为包括经由导体或导管14彼此偶联的电源10和送丝机12。在示例的实施例中，电源10与送丝机12分开，使得送丝机可以在靠近焊接位置的电源一定距离处定位。然而，应该理解，在一些实施方式中，送丝机可以与电源集成。在这种情况下，导管14将在系统内部。在送丝机与电源分离的实施例中，端子通常设置在电源上以及送丝机上，以允许导体或导管偶联到系统，以便允许功率和气体从电源提供给送丝机，并允许在两个设备之间交换数据。
该系统被设计为向焊炬16提供焊丝、功率和保护气体。如本领域技术人员将理解到的那样，焊炬可以具有许多不同的类型，并且通常允许将焊丝和气体进给到邻近待形成焊接点以连接两个或多个金属片的工件18的位置。第二导体通常通向焊接工件，以便完成电源和工件之间的电路。如本领域技术人员将理解的，焊炬通常包括允许完成电源(和电缆)和行进的焊丝(电极)之间的电路的触头(未单独地示出)。已经发现，在焊丝和触头之间可能发生微电弧，这可能对焊炬有害并且可能降低由此产生的焊接操作。下文描述的技术解决了这些问题并减少或避免了这种微电弧。
该系统被设计成允许操作者选择数据设置，特别是经由电源上提供的操作者界面20。操作者界面通常将被结合到电源的前面板中，并且可以允许诸如焊接过程、要使用的焊丝类型、电压和电流设置等的设置的选项。特别地，该系统被设计为允许用各种钢、铝或其他通过焊炬引导的焊丝进行MIG焊接。这些焊接设置被传送到电源内的控制电路22。该系统可以特别地适于实施为某些电极类型设计的焊接方式。
下面更详细地描述的控制电路操作以控制施加到焊丝的焊接功率输出的产生，用于执行期望的焊接操作。在某些目前设想的实施例中，例如，控制电路可以适于调节促进焊丝和工件的熔化和接合的脉冲MIG焊接方式，同时避免焊丝和焊炬触头之间的微电弧。所实施的脉冲焊接方式适于可能特别受这种微电弧的影响的焊丝，诸如药芯焊丝或金属芯焊丝。例如，这种焊丝在由Amata等人于2013年3月15日提交的标题为“用于低锰焊丝的系统和方法(Systems and Methods for Low-Manganese Welding Wire)”的美国专利申请序列号13/840,614中进行了描述；在由Amata等人于2013年3月15日提交的标题为“用于低锰焊丝的系统和方法(Systems and Methods for Low-Manganese Welding Wire)”的美国专利申请序列号14/086,758中进行了描述；在由Barhorst等人于2014年4月30日提交的标题为“用于低锰焊接合金的系统和方法(Systems and Methods for Low-Manganese WeldingAlloys)”的美国专利申请序列号14/265,750中进行了描述；以及在由Barhorst等人于2014年8月12日提交的标题为“用于低锰焊接合金的系统和方法(Systems and Methods forLow-Manganese Welding Alloys)”的美国专利申请序列号14/457,599中进行了描述；在此通过引用将其并入到本公开中。此外，这种类型的某些焊丝可以以商品名“Hobart ElementTM”从Miller Electric Mfg.Co.获得。这种焊丝可能具有低的锰含量，这被认为增加了微电弧的可能性，并且似乎也影响熔融材料的浸润和流动。焊接技术解决了这些问题，特别是当使用这种焊丝时。但是，应该注意的是，本技术可以用于各种各样的焊丝，包括实心焊丝。这对于对脉冲焊接方式没有很好的响应和/或材料转移可以得到改善、浸润和流动性能够得到提高等等的焊丝、实心或保护的焊丝尤其有用。
如下文更充分地描述，本技术允许控制连续的电压和/或电流脉冲以允许控制焊接电弧，并且在脉冲焊接方式的相位(例如峰值和背景相位)之间平滑过渡，同时避免微电弧。特别地，在某些目前考虑的实施例中，波形中的电压峰值被调节为比常规峰值相位更长，而背景相位与峰值电平相比通常具有比常规方式更高的电流电平。而且，通过峰值转换基本上被平滑掉，以避免电流和电压的突变。这些中的某些可以适于特殊的焊丝尺寸，并且当实施时，限定峰值、背景和转变的特殊控制参数可以针对焊丝的类型和尺寸(以及其他焊接参数，诸如焊丝进给速度)。
控制电路被偶联到功率转换电路24。该功率转换电路适于产生输出功率，诸如将最终施加到焊炬处的焊丝的脉冲波形。可以采用各种功率转换电路，包括斩波器、升压电路、降压电路、逆变器、转换器等等。这种电路的配置可以是本领域通常已知的类型和其本身的类型。如箭头26所示，功率转换电路24被偶联到电源上。施加到电源转换电路24的功率可以源自电网，但是也可以使用其他电源，诸如由发动机驱动的发电机、电池、燃料电池或其他替代能源产生的功率。最后，在图1中示例的电源包括接口电路28，接口电路28被设计成允许控制电路22与送丝机12交换信号。
送丝机12包括偶联到接口电路28的互补接口电路30。在一些实施例中，可以在接口电路之间运行的组件和多芯电缆二者上提供多个引脚接口，以允许诸如焊丝进给速度、过程、所选电流、电压或功率电平等等的信息设置在电源10、送丝机12或两者上。
送丝机12还包括偶联到接口电路30的控制电路32。如下文更充分地所描述，控制电路32允许焊丝进给速度根据操作者选择来控制，并且允许这些设置经由接口电路而被反馈回电源。控制电路32被偶联到送丝机上的操作者界面34，其允许选择一个或多个焊接参数，特别是焊丝进给速度。操作者界面还可以允许选择诸如过程、所使用的导线类型、电流、电压或功率设置等的焊接参数。控制电路32也被偶接到将保护气体的流动调节到焊炬的气体控制阀36。通常，这种气体在焊接时被提供，并且可以在焊接之前立即打开以及在焊接之后短时间打开。施加到气体控制阀36的气体通常以加压瓶的形式提供，如参考数字38所示。应该注意的是，对于某些焊丝，可能不需要保护气体，或者基于焊丝的类型和要求，可能会改变保护气体的混合物。
送丝机12包括用于在控制电路32的控制下将焊丝进给到焊炬并因此进给到焊接应用的部件。例如，焊丝40的一个或多个线轴容纳在送丝机中。焊丝42从线轴上分离开来并逐渐地进给到焊炬。线轴可以与离合器44相关联，使得当焊丝被进给到焊炬时脱离线轴。离合器也可以被调节以保持最小摩擦电平，以避免线轴的自由旋转。进给发动机46被设置成与进给辊48相接合，以将焊丝从送丝机推向焊炬。在实践中，辊48中的一个机械地偶联到发动机并且由发动机旋转以驱动来自送丝机的焊丝，同时配对的辊朝向焊丝偏向，以保持两个辊和焊丝之间的良好接触。一些系统可能包括这种类型的多个辊。最后，可以提供转速计50用于检测发动机46、辊48或任何其它相关部件的速度，以便提供实际焊丝进给速度的指示。来自转速计的信号被反馈到控制电路32，诸如用于以下所述的校准。
应该指出的是，也可以实施其他系统安排和输入方式。例如，焊丝可以从大批存储容器(例如鼓)或从送丝机外部的一个或多个线轴而被进给。类似地，焊丝可以从其中线轴安装在焊炬上或附近的“线轴枪”而被进给。如本文所述，焊丝进给速度设置可以经由送丝机上的操作者输入端34或电源的操作者界面20或两者而进行输入。在焊炬上具有焊丝进给速度调整的系统中，这可能是用于设置的输入。
通常通过焊接电缆52以常规方式将来自电源的功率施加到焊丝电极。类似地，保护气体(如果使用的话)通过送丝机和焊接电缆52而进行进给。在焊接操作期间，焊丝通过焊接电缆护套朝向焊炬16行进。在焊炬内部，附加的牵引电动机54可以设置有相关联的驱动辊，特别是用于铝合金焊丝。电动机54被调节以提供期望的焊丝进给速度，如下文更充分地描述。焊炬上的触发开关56提供被反馈给送丝机并由此返回到电源的信号，以使焊接过程能够由操作者进行开始和停止。也就是说，在按下触发开关时，气流开始，焊丝行进，功率施加到焊接电缆52并通过焊炬到达行进的焊丝。下面还将更详细地描述这些过程。最后，工件电缆和夹具58允许通过焊炬、电极(焊丝)和工件从电源进行闭合电路，以在操作期间维持焊接电弧。
通过本讨论，应该注意的是，虽然焊丝进给速度可以由操作者进行“设定”，但由于许多原因，由控制电路命令的实际速度通常在焊接期间会变化。例如，用于“运行”(用于电弧启动的焊丝的初始进给)的自动算法可以使用通过设定速度导出的速度。类似地，在焊接过程中，可以命令焊丝进给速度中的各种斜率增加和减少。其他焊接过程可能需要“成坑”相位，其中改变焊丝进给速度以填充焊接后的凹陷。更进一步，在脉冲焊接方式中，焊丝进给速度可以周期性地或循环地改变。
图2示出了控制电路22的示例性实施例，控制电路22设计成在图1示例的类型的系统中发挥作用。整个电路(这里由参考数字60表示)包括上文讨论的操作者界面20和接口电路28，用于传递给下游组件或者来自下游组件(诸如焊丝机、焊炬和各种传感器和/或致动器)的参数通讯。该电路包括处理电路62，处理电路62本身可以包括一个或多个专用处理器或通用处理器，其被设计为执行焊接方式，对在焊接方式中实施的波形进行计算等等。处理电路与驱动电路64相关联，驱动电路64将来自处理的控制信号转换为施加到功率转换电路24的功率电子开关的驱动信号。通常，驱动器电路对来自处理电路的这种控制信号作出反应，以允许功率转换电路产生用于本公开中描述的类型的脉冲焊接方式的受控波形。处理电路62还将与存储器电路66相关联，存储器电路66可以由一种或多种类型的永久和临时数据存储器组成，诸如用于提供所实施的焊接方式、存储焊接参数、存储焊接设置、存储错误日志等等。
例如，在于2001年9月19日授予Holverson等人标题为“具有基于状态控制器的焊接式电源(Welding-Type Power Supply With A State-Based Controller)”的美国专利号6,747,247中；在于2004年5月7日授予Holverson等人标题为“具有基于状态控制器的焊接式电源(Welding-Type Power Supply With A State-Based Controller)”的美国专利号7,002,103中；在于2006年2月3日授予Holverson等人标题为“具有基于状态控制器的焊接式电源(Welding-Type Power Supply With A State-Based Controller)”的美国专利号7,307,240中；以及于2001年9月19日授予Davidson等人标题为“在组件之间具有网络和多级消息传送的焊接式系统(Welding-Type System With Network And Multiple LevelMessaging Between Components)”的美国专利号6,670,579中提供了关于焊接状态机器更完整的描述。所有这些都通过引用的方式并入到本公开中。
图3总体示出了焊接方式的逻辑，其中波形被控制成控制短路特性。通常由参考数字76指示的逻辑可以被认为是从执行脉冲焊接过程开始，如方框78所指示。这样的过程可以通过闭环控制施加到焊接电极(通过工件完成的电路和行进的焊接熔池)的电压、通过施加到电极的电流的闭环控制、或者通过控制电压和电流二者来实施。在一些实施例中，例如，以闭环方式调节电压的控制回路可以与以闭环方式控制电流的控制的相位相交替。在目前考虑的实施例中，脉冲波形中的峰值、背景和过渡被控制成允许建立和维护焊弧，同时避免微电弧。
然后，在步骤80中，监控和控制焊接过程的参数，特别是施加到焊丝电极的电压和电流。通常，通过检测施加到焊接电极、焊炬、焊接电缆或功率流中的某个其他点的电压和电流来进行这种监控。电压和电流可以以比脉冲焊接方式的频率高得多的速率进行采样。例如，每个脉冲周期可以为几毫秒(例如5毫秒)的量级，而采样可以在几微秒的量级(例如每50微秒)进行。在大多数系统中，电压和电流采样将在整个焊接过程中发生，并且在焊接期间的电压和/或电流分析可以通过收集的数据完成。
在步骤82，电压和/或电流峰值的参数如下所述进行计算和调节。在当前的实施例中，计算电压峰值的参数，同时系统在脉冲波形的峰值相位期间以电压闭环方式控制焊接功率。也就是说，控制峰值的电压和/或电流，包括峰值的幅度、峰值的持续时间、峰值的上升率以及从峰值的下降率。一些实施例可以控制少于这些参数。如下文所述，峰值被调节成提供延长的持续峰值，之后是电压和电流中的逐渐下降；被调节到背景电平，其中电压保持在峰值电压的至少约50％的电平。在某些目前考虑的实施例中，脉冲焊接方式的峰值和背景相位是电压闭环，而峰值和背景相位之间的过渡或斜坡是电流闭环。但是，也可以考虑其他适配，例如整个过程是电流闭环的情况。如参考数字84、86和88所指示，可以对用于创建和维持焊接电弧的脉冲波形的峰值、背景和过渡相位进行一个或多个改变。通常，这些将由从存储在系统存储器中并由处理电路执行的代码实施的决策引擎来定义。例如，可以基于诸如所选择的过程、使用的焊丝、焊丝的尺寸等因素来设定它们。在焊接过程中，这些参数中的一个或多个可以基于附加因素(诸如焊丝进给速度、检测电压和电流，焊炬位置等等)进行调整。在步骤90，逻辑可以循环返回以继续过程控制，直到焊工停止焊接(例如，如通过释放焊炬的触发器进行信号指示)为止。
应该注意的是，虽然已经对操作者和焊接的手动控制进行了某些参考，但是本技术还可以应用到自动或半自动焊接，包括通过使用焊接机器人的方式。在这种情况下，不仅通过控制电路控制焊接方式，而且还可以控制焊炬(和/或工件)的定位、移动和其他控制。
图4示出了随时间94显示的改进过程的示例性波形92。这里再次地，该过程可以包括电压闭环控制和电流闭环(例如，斜坡)控制的交替周期或相位，在这种情况下，峰值是电压闭环控制的，之后切换到电流闭环控制。在这个过程中，通过电极的熔融金属通过适当调节峰值和背景以及它们之间的过渡在脉冲过程中(其中微电弧化被最小化)被转移到行进的焊接熔池中。
如在图4中示出，在焊接过程中形成的电流(和电压)脉冲通常在时间上一致，其中电流脉冲仅在图4中示出。这里再次地，在一些实施例中，电流可以在波形的转变(斜坡)相位期间进行闭环控制，而在峰值和背景相位期间可以使用电压闭环控制。波形示出了电流在背景相位96期间(例如，通过调节电压、或电流或两者)，之后在背景到峰值相位98期间通过电流的斜坡上升保持在相对稳定的电平。然后，如参考数字100所指示，实现扩展的峰值相位。在峰值相位之后，实施平滑过渡相位102以返回到背景电平。
为了避免或降低微电弧的风险，背景电流和电压与峰值电平相比，比传统的脉冲焊接技术保持在高得多的电平。例如，对于具有0.052英寸直径的药芯焊丝，以下基于每分钟英寸的焊丝进给速度(WFS)(电流“i”以安培为单位，电压“v”以伏特为单位)可能是典型的程序电平：
此外，在目前考虑的实施例中，对于所有焊丝进给速度，从背景相位到峰值相位的斜坡被设定为约350A/ms，如从峰值相位到背景相位的斜坡也是如此。此外，峰值相位的持续时间被扩展到该方式的每个循环脉冲的整个持续时间的约25％，其中具有如图4中所示的扩展过渡相位。可以观察到，对于大多数设置，背景与峰值电流比率高于25％，并且在大多数情况下高于约50％，并且高达或超过约70％。类似地，背景与峰值电压比率高于至少50％，并且在大多数情况下高于约60％，以及高达或超过约80％。
尽管本文仅仅示例和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，应该理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本发明真实精神内的所有这些修改和变化。

Claims (20)

1.一种焊接方法，包括：
产生用于焊接功率输出的控制波形，所述波形包括多个电压和电流的连续峰值相位，之后是过渡相位，接着是电压和电流的背景相位；以及
调节每个背景相位，使得背景电流与峰值电流的比率至少约为25％，并且背景电压与峰值电压的比率至少约为50％。
2.如权利要求1所述的方法，其中基于闭环电压控制来执行对所述波形的所述峰值相位的控制。
3.如权利要求1所述的方法，其中基于闭环电压控制来执行对所述波形的所述背景相位的控制。
4.如权利要求1所述的方法，其中基于闭环电流控制来执行对所述波形的所述过渡相位的控制。
5.如权利要求1所述的方法，其中背景电流与峰值电流的比率至少约为50％。
6.如权利要求1所述的方法，其中背景电流与峰值电流的比率至少约为70％。
7.如权利要求1所述的方法，其中背景电压与峰值电压的比率至少约为60％。
8.如权利要求1所述的方法，其中背景电压与峰值电压的比率至少约为80％。
9.如权利要求1所述的方法，其中在所述过渡相位中实施约350A/ms的电流斜坡率。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述峰值相位的持续时间是所述波形的一个循环的总持续时间的至少约25％。
11.一种焊接方法，包括：
产生用于循环脉冲焊接方式的控制波形，所述波形包括多个电压和电流的连续峰值相位，之后是过渡相位，接着是电压和电流的背景相位；
基于所述波形以期望的电压和电流电平向焊丝电极提供焊接功率，所述焊丝电极包括金属芯或药芯焊丝；以及
调节每个背景相位和每个峰值相位以减少所述焊丝电极和焊炬的触头之间的微电弧。
12.如权利要求11所述的方法，其中背景电流与峰值电流的比率至少约为25％。
13.如权利要求11所述的方法，其中背景电流与峰值电流的比率至少约为50％。
14.如权利要求11所述的方法，其中背景电压与峰值电压的比率至少约为50％。
15.如权利要求11所述的方法，其中背景电压与峰值电压的比率至少约为60％。
16.如权利要求11所述的方法，其中在所述过渡相位中实施约350A/ms的电流斜坡率。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述峰值相位的持续时间是所述波形的一个循环的总持续时间的至少约25％。
18.一种焊接系统，包括：
电源，所述电源配置为将来自电源的电功率转换为受控脉冲波形，用于执行焊接操作；以及
控制电路，所述控制电路偶联到所述电源并且配置为控制所述受控脉冲波形的产生，所述波形包括多个电压和电流的连续峰值相位，之后是过渡相位，接着是电压和电流的背景相位，并且其中所述控制电路配置为调节每个背景相位，使得背景电流与峰值电流的比率至少约为25％，并且背景电压与峰值电压的比率至少约为50％。
19.如权利要求18所述的系统，其中在所述过渡相位中实施约350A/ms的电流斜坡率。
20.如权利要求18所述的系统，其中所述峰值相位的持续时间是所述波形的一个循环的总持续时间的至少约25％。
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