CN108687430A

CN108687430A - 用于电弧焊和焊丝操纵控制的系统和方法

Info

Publication number: CN108687430A
Application number: CN201810290244.6A
Authority: CN
Inventors: J·亨利
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2017-04-06
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2018-10-23
Also published as: EP3385023A1; US20180290228A1; JP2018176280A; KR20180113459A; EP3385023B1; US10500671B2

Abstract

本发明的实施例涉及在焊接操作中控制焊丝给送的系统和方法，其中，所述焊丝给送具有多个正脉冲和负脉冲。实施例确定平均送丝速度并且将所述平均值与期望的送丝速度进行比较，并且然后改变所述送丝脉冲的参数以实现期望的送丝速度。

Description

用于电弧焊和焊丝操纵控制的系统和方法

技术领域

符合本发明的装置、系统和方法涉及焊接，并且更确切地涉及与在焊接操作中控制焊丝操纵有关的装置、系统和方法。

背景技术

在许多焊接应用中，焊丝操纵变得越来越普遍。在焊接过程中当可消耗焊丝/电极在不同阶段被推进和回抽时发生焊丝操纵。例如，在一些GMAW/MIG焊接操作中，将电极推进直到发生或检测到短路，并且然后将其回抽以帮助清除短路。在一些过程中，这有助于更快地清除短路，并且可以导致较低的总热量输入的焊接操作。然而，在此类应用中，由于焊丝控制方法，在焊接过程中会出现问题，诸如焊接过程中不一致的熔敷速率。这通常出现在接触尖端到工件的距离(CTWD)在某些焊接过程中发生变化的情况中，因为这可改变焊接操作的短路频率。

通过将常规的、传统的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

本发明的示例性实施例是一种在焊接过程中控制焊丝给送和焊丝操纵的方法和系统，使得焊接操作的平均送丝速度保持在期望的速率，并且在一些实施例中，与焊接参数诸如电压或电流无关地进行控制。

附图说明

通过参照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是本发明的示例性焊接系统的图解表示；

图2是在不同CTWD距离处的平均送丝速度的图解表示；

图3是本发明实施例中的示例性送丝和平均送丝速度的图解表示；

图4是根据本发明实施例的对送丝速度/焊丝操纵的调整的图解表示；

图5是可用于控制本发明实施例的送丝速度/焊丝操纵的控制电路的图解表示；以及

图6是本发明实施例的示例性流程图的图解表示。

具体实施方式

现在将详细参照多个不同的和可替代的示例性实施例并参照附图，其中相似的数字代表基本上相同的结构元件。每个实例是通过说明的方式而不是作为限制来提供的。事实上，本领域的技术人员将清楚的是，可以在不脱离本披露内容和权利要求书的范围或精神的情况下作出修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分所展示或描述的特征可以在另一个实施例上使用，以产生更进一步的实施例。因此，本披露内容旨在包括在所附权利要求书及其等效物范围内的修改和变化。

本披露总体涉及焊接系统和焊接过程。具体而言，本发明实施例涉及焊接系统诸如GMAW/MIG。然而，应当注意，就下文的实施例中讨论的任何特定的焊接操作类型而言，其讨论旨在是示例性的，而不受限于本发明的其他示例性实施例。

现在转到图1，描绘了本发明的示例性焊接系统。焊接系统100包括具有基于处理器的控制器115的焊接电源110和用户界面/显示器111。该电源可以是任何类型的已知焊接电源，并且本发明的实施例不限于此。例如，电源100可以是由俄亥俄州克利夫兰市的林肯电气公司(The Lincoln Electric Company of Cleveland,Ohio)制造的PowerWave，但是实施例不限于此。由于具有强大且复杂的控制器的此类电源的制造、构造和操作是已知的，因此不需要在本文中详细描述。控制器115可以是能够控制焊接系统的操作的任何已知的基于处理器的控制器，并且可具有CPU、存储器等。显示器111可以是显示与焊接操作有关的操作数据、用户输入数据等的任何已知类型的显示器。该显示器还可以是允许用户输入数据经由屏幕111输入的触摸屏类型。

系统100还可以包括消耗品源125，从该消耗品源经由送丝机120将消耗品127供应给焊接操作，该送丝机的操作是已知的。送丝机120还可以具有可以与电源110的控制器115相联接的控制器145。在此类实施例中，数据、信息以及控制命令/指令可以在各个控制器之间交换。送丝机120还可以具有用户界面147，以允许用户将控制信息和焊接过程数据输入到送丝机120中。由于各个控制器之间的通信耦合(该通信耦合可经由任何已知的方式进行，诸如有线、线或通过电力电缆)，用户可经由送丝机120或电源110控制焊接操作。此类配置是普遍已知的并且在此不需要进行详细描述。焊丝127被输送至任何已知类型的焊炬130以用于工件或焊接金属W的焊接。如图所示，并且众所周知，送丝机120具有焊丝驱动机构143，该焊丝驱动机构能够如本文所述将消耗品127推进和回抽。此类系统可以使用马达、伺服机构、辊等抓握焊丝127并且在推进或回抽方向上驱动焊丝。由于焊接操作是广为人知的，因此不在本文中对其进行详细描述。

此外，在一些示例性实施例中，焊炬130可具有能够辅助焊丝的推进和回抽的焊丝驱动机构150。此类“推拉式”焊炬是已知的并且不需要在本文中进行详细描述。此外，焊炬可以使用焊丝驱动机构150或焊炬130中的其他类似的合适机构来提供关于焊接操作的送丝速度的反馈。当然，可用其他已知的系统诸如送丝机内的系统来提供送丝速度反馈，只要反馈系统能够准确地监测消耗品127的送丝速度即可。在示例性实施例中，送丝速度反馈系统(例如，150)将所检测到的送丝速度提供给送丝机120的控制器145，然后该控制器可以确定期望持续时间段内的平均送丝速度。

如上所述，在一些焊接操作中，期望在焊接操作过程中将焊丝127推进和回抽以提供期望的焊接特性和/或焊接性能。例如，在一些情况下，期望在焊接期间和/或在检测到短路事件时回抽消耗品。这可以帮助更快地清除短路。但是，由于在焊接过程中短路频率可能发生变化，所以焊接操作的送丝速度应改变。例如，在焊接过程中，(例如，在手动或半自动焊接操作中)CTWD可能改变，并且这些变化将导致短路频率发生变化，并且因此导致平均送丝速度发生变化。例如，随着短路频率的降低，平均送丝速度可以增加，因为焊丝回抽事件较少，并且反之亦然。这些变化可导致对于给定的行进速度等而言焊接操作过程中的金属熔敷不均匀。这些变化还会导致对焊接过程的其他不利影响。

图2描绘了分别为0.5英寸和0.75英寸的CTWD的期望或预设送丝速度和平均送丝速度之间的相对关系。可以看出，定义期望送丝速度和平均送丝速度之间的关系的斜率取决于CTWD而变化。这可能是给定焊接操作的因不同CTWD而导致的不同短路频率的结果。

现在转到图3，其描绘了根据本发明实施例的示例性送丝速度波形300。如图所示，波形300具有多个正脉冲310和负脉冲320，其中正脉冲表示焊丝推进，并且负脉冲表示焊丝回抽。每个正脉冲310具有峰值WFS 311和持续时间313，并且负脉冲320具有峰值回抽速度321和持续时间323。当然，应当注意，在示例性实施例中，各个脉冲的持续时间不一定是固定的，而是可以由焊接过程的短路频率、短路持续时间等决定。然而，每个峰值WFS值可以在焊接操作之前预先确定，并且可以由用户设定或者可以由各个控制器中的一个控制器基于关于焊接操作的用户输入数据来确定。

图3中还示出了与实际/检测到的WFS 340相比较的期望平均WFS 330的图形表示，以虚线示出。平均WFS 330表示一段时间内的平均值，在任一个控制器或两个控制器中可以预先确定该平均值，并且所检测到的平均WFS 340表示焊接操作的实际平均WFS。图3中示出了实际平均值340小于期望平均值330。这可能是CTWD小于预期的结果，CTWD小于预期可导致焊接操作的短路频率增加。短路频率的增加将导致焊丝相比推进状态在回抽状态中花费更多的时间，从而导致小于期望平均WFS的实际平均WFS。在所示实施例中，随着较少的消耗品被添加到焊接，所得的焊接将可能具有小于期望值的熔敷速率。如下文进一步讨论的，本发明的实施例解决了这个问题，

图4描绘了本发明的示例性波形。针对上下文示出了来自图3的波形300。如图所示，本文所述系统调整WFS波形以实现期望的平均WFS。这可以通过增加/减少WFS脉冲的推进峰值和回抽峰值来完成。例如，为了增加所检测到的平均WFS，系统可以使波形具有较高的正峰值311’和较小的负峰值321’。这导致焊接操作的平均WFS增加。为了降低所检测到的平均WFS，可以降低正峰值，并且可以增加负峰值。通过使用这种调整方法，本发明的实施例可以在焊丝操纵焊接过程中实现改进的WFS控制，而与焊接操作中的电流和/或电压的控制无关。

具体而言，在一些示例性实施例中，独立于送丝速度来调节焊接电弧电流和/或电压控制。也就是说，在此类系统中，电源和/或送丝机具有能够保持期望的电流和/或电压的电压和/或电流反馈以及控制电路和系统。此类系统是已知的并且不需要在本文中进行详细描述。在一些示例性实施例中，电弧电压和电流反馈和控制完全独立于如本文所述的送丝速度控制。这并不是说没有对电压和/或电流进行调节，而是送丝速度不是基于电弧电压和/或电流反馈而直接调节的，并且电弧电压和/或电流不是基于所检测到的送丝速度而直接控制的。此类系统提高了系统的操作效率并且允许本文所述的系统以期望的方式调节送丝速度，以在焊接操作中提供消耗品的一致熔敷。

在图4所示的实施例中，调整每个负脉冲和正脉冲的峰值以实现期望的平均WFS。然而，无需总是如此。例如，在一些实施例中，当调整的需要小时，可以调整各个峰值中的仅一个峰值(即正值或负值)。也就是说，在一些示例性实施例中，如果实际平均WFS在相对于期望平均WFS的特定阈值或窗口内，则仅调整正峰值或负峰值中的一者，并且如果需要的调整超过阈值，才调整每个正/负峰值。例如，在一些示例性实施例中，如果所检测到的平均WFS在期望的平均WFS的10％内，则仅调整正脉冲的峰值，同时保持负(回抽)脉冲的峰值，而如果所检测到的平均WFS超过10％阈值，则调整每个相应的峰值。在示例性实施例中，该阈值可在期望的或预设的平均WFS的2％至20％的范围内。在其他示例性实施例中，该阈值可在5％至12％的范围内。通过在需要时仅调整正脉冲，焊接操作的清除短路方面可以保持一致、具有一致的焊丝回抽脉冲。应当注意，上述阈值旨在对于一些实施例是示例性的，并且在其他实施例中可以使用其他阈值。应当注意，当使用熔敷速率而不是如本文所讨论的送丝速度时，也可以使用上述百分比范围。

在其他示例性实施例中，送丝机120或电源110任一者的控制器可以基于正在执行的焊接操作的类型以及其他焊接操作参数来确定要修改哪个脉冲。也就是说，对于给定的一组焊接操作参数，可能最期望仅通过WFS波形的正脉冲来调整平均WFS，而在另一组给定的焊接参数中，可能期望仅调整负峰值来实现期望的WFS。此类焊接过程因素可包括：焊接过程类型、波形类型(例如，STT、脉冲等)、行进速度、消耗品类型(其可以包括构造、直径等)、热输入、熔敷速率等。当然，实施例可以使用这些参数中的任何一个、它们的组合或全部以及在此未列出的其他参数来确定WFS修改的机制，以实现期望的焊接性能和焊接目标。例如，控制器可以利用查找表或状态表等，并且基于输入参数来确定可以实施哪些WFS修改技术。因此，在此类实施例中，用户可以输入各种所需的焊接过程参数，并且控制器(送丝机或电源任一者)可以确定将用于该过程的WFS控制协议，包括任何所需的阈值。这将在下面进一步解释。

例如，对于第一组焊接过程参数，可能期望仅调整正脉冲的峰值(更慢或更快)以调整送丝速度，并且同样地，对于第二组参数应该调整负脉冲。当然，这些实施例也可以采用上面所讨论的阈值。例如，对于给定的一组参数，控制器可以确定应该首先将正脉冲调整到阈值，并且如果预设和实际WFS中的差值超过该阈值，则还应该调整负脉冲。然而，在示例性实施例中，该阈值可基于焊接参数而不同。例如，对于第一组焊接参数，当所检测到的平均WFS在期望的平均WFS的10％内时，控制器确定应该调整正脉冲，但是对于第二组参数，控制器也确定应调整正脉冲，但阈值为15％，超过该阈值时还应调整负脉冲。同样，这些确定可以基于预先填充的查找表、状态表等。因此，本发明的实施例在给定的焊接操作过程中最大化和优化对焊丝操纵过程的控制。

在上述实施例中，是修改脉冲的峰值，但在其他实施例中，可以修改正脉冲和/或负脉冲的持续时间。在一些实施例中，持续时间由焊接波形的短路清除决定，并且因此可以改变，但是将仅基于短路事件的持续时间而变化。然而，在其他实施例中，可以调整持续时间或使持续时间固定以实现期望的平均WFS。也就是说，在一些实施例中，相对于清除短路而言，可以缩短或延长持续时间以调整平均送丝速度，而在其他实施例中，持续时间可被固定为设定的持续时间，而不管短路清除的持续时间。同样，控制器可以使用各种用户输入来确定是否可以利用WFS脉冲持续时间来调整或控制送丝速度。

图5描绘了示例性的WFS控制电路，可在送丝机或电源任一者的控制器中利用该控制电路。当然，应当注意，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，系统控制器还可以远离系统100定位，诸如在单独的系统控制器等中。如图5所示，控制电路500包括比较器510，该比较器作为输入接收所检测到的平均送丝速度和预设或期望的平均送丝速度。比较器比较每个信号并输出错误信号520。错误信号520被提供给比例积分微分控制器(PID)530，然后该比例积分微分控制器输出WFS比例因子540。然后由控制器使用比例因子540来如本文所述调整WFS波形以实现期望的输出。例如，控制器可以通过(1+WFS比例因子)调整所检测到的平均送丝速度以实现期望的输出。在示例性实施例中，可以使用PID，因为给定焊接操作的平均WFS是在一段时间内提供给焊接的焊丝的总量的积分。当然，图5中所示的电路500是示例性的并且不旨在进行限制。在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以使用其他反馈和控制电路。

利用上述实施例，与已知系统相反，考虑到送丝系统中存在的任何机械问题，并且在一些实施例中，WFS的控制与焊接电弧电流和/或电压的控制无关，并且对于给定的焊接操作可以保持消耗品的持续输送。

在本发明的示例性实施例中，焊丝的振荡可以以50Hz至200Hz的范围内的频率发生，并且在其他实施例中以75Hz至150Hz的范围内的频率发生。此外，在示例性实施例中，用于检测和确定平均送丝速度的滤波窗口在5Hz至25Hz的范围内，并且在其他实施例中可以在10Hz至20Hz的范围内。此类滤波帮助确保所确定的平均送丝速度不会受到会干扰或不利影响数据的噪音(诸如机械噪音)的不利影响。

应当注意，虽然上述实施例已经在WFS方面进行了讨论，但是其他实施例可以使用和监测使用与上述类似的方法的焊接操作的熔敷速率而不偏离本发明的精神或范围。也就是说，系统可以使用送丝速度以及诸如消耗品直径的信息来确定熔敷速率，并且将所确定的熔敷速率与输入的或期望的熔敷速率进行比较。也就是说，在一些实施例中，用户可能期望输入熔敷速率而不是送丝速度作为用户输入。在这种情况下，本发明的实施例可以如本文所述容易地起作用。

图6是说明本发明示例性实施例的操作的代表性流程图。当然，应当注意，该流程图是示例性的并且不旨在进行限制，并且在不脱离操作的精神或范围的情况下可以改变下面所示项目的顺序。如图所示，至少一些焊接参数被输入到用于焊接操作的控制器和/或系统中，随后输入期望的平均WFS。当然，在一些实施例中，所有这些信息可以在相同的时间/在相同的步骤中输入。此外，在其他实施例中，期望的平均WFS可以由控制器基于步骤610中输入的数据中的至少一些(例如，焊接过程类型、波形类型(例如，STT、脉冲等)、行进速度、消耗品类型(可包括构造、直径等)、热量输入、熔敷速率等)来确定。例如，对于给定的一组焊接参数，控制器可以具有预定的期望的WFS，然后将其用于焊接操作。此外，在一些实施例中，预定的或预先存储的焊接操作可被存储在控制器或另一存储器内，或被上载到具有所有期望信息的控制器。所输入的焊接参数可包括本文讨论的任何参数，或典型地用于给定焊接操作的任何其他焊接参数。在其他示例性实施例中，除了期望的或当前的平均WFS，可以输入期望的熔敷速率以及关于消耗品的信息(诸如直径)，并且控制器使用该信息来确定期望的WFS速率。在输入/确定期望的熔敷速率或WFS速率之后，可以开始630焊接操作。在焊接过程中，系统检测/确定焊接操作640的实际平均WFS和/或熔敷速率。可以使用任何已知的反馈系统来如本文所述进行该确定。然后将所检测到的信息与期望或预设的信息(WFS或熔敷速率、或两者)650进行比较。基于比较650，控制器然后可以如本文所述调整送丝速度或熔敷速率以实现期望的结果。例如，可以通过调整送丝机或焊炬(如果配备的话)任一者或两者中的送丝机构来完成。然后在焊接操作过程中保持该控制方法以实现恒定的熔敷速率，这对于已知的焊丝操纵系统是不可行的。

在上述实施例中，接收和分析所提供的信息的控制器/处理器处在电源和/或送丝机内。然而，在其他示例性实施例中，这可以经由单独的计算机设备来完成，包括手持式设备，如膝上型计算机、平板电脑等。控制器无需在电源和/或送丝机内，但可以如此。

虽然已参照某些实施例描述了本申请的主题，但是本领域技术人员将理解，在不脱离主题的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等效形式。此外，可以进行许多修改以使具体的情况或材料适应主题的教导内容而不脱离主题的范围。因此，意图是该主题内容不限于所披露的特定实施例，而是包括落入本文所描述的范围内的所有实施例。

Claims

1.一种焊接系统，包括：

送丝机构，所述送丝机构具有送丝驱动机构，所述送丝驱动机构在焊接操作过程中将焊丝推进并且回抽所述焊丝，其中，所述焊丝的所述推进具有多个正送丝速度脉冲，并且所述焊丝的所述回抽具有多个负送丝速度脉冲，

送丝速度检测电路，所述送丝速度检测电路在所述焊接操作过程中检测所述焊丝的送丝速度，以及

控制器，所述控制器联接至所述送丝机构和所述送丝速度检测电路，所述控制器基于来自所述送丝速度检测电路的所述检测到的送丝速度来确定所述焊接操作的平均送丝速度，并且其中，所述控制器将所述检测到的平均送丝速度与期望的平均送丝速度值进行比较，

其中，每个所述正送丝速度脉冲具有第一脉冲参数，并且每个所述负送丝速度脉冲具有第二脉冲参数，并且所述控制器基于所述确定的平均送丝速度与所述期望的送丝速度值的比较来改变所述第一脉冲参数和所述第二脉冲参数中的至少一者。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一参数是正峰值送丝速度，并且所述第二参数是负峰值送丝速度。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述焊接操作具有焊接电弧电压和焊接电流中的每一者，并且与所述第一参数或所述第二参数的改变无关地调节所述焊接电弧电压和所述焊接电流中的每一者。

4.如权利要求1所述的系统，其中，当所述确定的平均送丝速度在所述期望的平均送丝速度的第一范围内时，所述控制器改变所述第一参数和所述第二参数中的所述至少一者，并且其中，当所述确定的平均送丝速度不在所述第一范围内时，所述控制器改变所述第一参数和所述第二参数两者。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述第一范围在2％至20％的范围内。

6.如权利要求4所述的系统，其中，所述第一范围在5％至12％内。

7.如权利要求4所述的系统，其中，所述第一范围由所述控制器基于至少一个输入的焊接过程参数来确定。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述正送丝速度脉冲的频率在50Hz至200Hz的范围内。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述期望的平均送丝速度由所述控制器基于期望的熔敷速率、消耗品类型、行进速度、热量输入、焊接过程类型和焊接过程波形中的至少一者来确定。

10.一种焊接系统，包括：

送丝机构，所述送丝机构具有焊丝驱动机构，所述焊丝驱动机构在焊接操作过程中将焊丝推进并且回抽所述焊丝，其中，所述焊丝的所述推进具有多个正送丝速度脉冲，并且所述焊丝的所述回抽具有多个负送丝速度脉冲，

控制器，所述控制器联接至所述送丝机构和所述送丝速度检测电路，所述控制器基于来自所述送丝速度检测电路的所述检测到的送丝速度来确定所述焊接操作的平均熔敷速率，并且其中，所述控制器将所述检测到的平均熔敷速率与期望的平均熔敷速率进行比较，

其中，每个所述正送丝速度脉冲具有第一脉冲参数，并且每个所述负送丝速度脉冲具有第二脉冲参数，并且所述控制器基于所述确定的平均熔敷速率与所述期望的熔敷速率的比较来改变所述第一脉冲参数和所述第二脉冲参数中的至少一者。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述第一参数是正峰值送丝速度，并且所述第二参数是负峰值送丝速度。

12.如权利要求10所述的系统，其中，当所述确定的平均熔敷速率在所述期望的平均熔敷速率的第一范围内时，所述控制器改变所述第一参数和所述第二参数中的所述至少一者，并且其中，当所述确定的平均熔敷速率不在所述第一范围内时，所述控制器改变所述第一参数和所述第二参数两者。

13.一种焊接方法，包括：

在焊接操作过程中将焊丝推进和回抽，其中，所述焊丝的所述推进使用多个正送丝速度脉冲，并且所述焊丝的所述回抽使用多个负送丝速度脉冲，其中，每个所述正送丝速度脉冲具有第一脉冲参数，并且每个所述负送丝速度脉冲具有第二脉冲参数；

在所述焊接操作过程中检测所述焊丝的送丝速度；

基于所述检测到的送丝速度来确定用于所述焊接操作的平均送丝速度；

将所述检测到的平均送丝速度与期望的平均送丝速度值进行比较，

基于所述确定的平均送丝速度和所述期望的送丝速度值的所述比较，改变所述第一脉冲参数和所述第二脉冲参数中的至少一者。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一参数是正峰值送丝速度，并且所述第二参数是负峰值送丝速度。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括与所述第一参数或所述第二参数的改变无关地调节焊接电弧电压和焊接电流中的每一者。

16.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一参数和所述第二参数中的所述至少一者的所述改变是在所述确定的平均送丝速度在所述期望的平均送丝速度的第一范围内时发生，并且进一步包括当所述确定的平均送丝速度不在所述第一范围内时改变所述第一参数和所述第二参数两者。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一范围在2％至20％的范围内。

18.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一范围在5％至12％内。

19.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一范围由所述控制器基于至少一个输入的焊接过程参数来确定。

20.如权利要求13所述的方法，进一步包括基于期望的熔敷速率、消耗品类型、行进速度、热量输入、焊接过程类型和焊接过程波形中的至少一者来确定所述期望的平均送丝速度。