CN111163891A

CN111163891A - 使用机械振荡使结构部件使结构部件朝向和远离工件机械振荡的金属制造系统

Info

Publication number: CN111163891A
Application number: CN201880064611.9A
Authority: CN
Inventors: 托德·厄尔·霍尔沃森; 克里斯托弗·徐
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2017-10-02
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2020-05-15
Also published as: WO2019070585A1; EP3691819A1; US20210060589A1; US20190099769A1; US10792682B2; EP3691819B1

Abstract

本申请涉及一种系统(10)，该系统包括焊接工具(20)，该焊接工具被配置成从送丝器(24)接收焊丝(28)、从电源(54)接收焊接功率，并且在焊接过程期间将焊丝(28)供应到工件(16,18,40)。该系统(10)还包括机械振荡系统，该机械振荡系统被配置成使结构部件朝向和远离工件(16,18,40)机械地振荡。结构部件位于送丝器(24)和电源(54)的外部。该系统(10)进一步包含控制电路(42)，该控制电路被配置成基于与焊接过程相关的反馈来控制焊接功率。

Description

使用机械振荡使结构部件使结构部件朝向和远离工件机械振荡的金属制造系统

相关申请

本国际申请要求2017年10月2日提交的标题为“METAL MANUFACTURING SYSTEMSAND METHODS USING MECHANICAL OSCILLATION”的美国专利申请序列号15/722,683的优先权。美国专利申请序列号15/722,683的全部内容通过引用并入本文中。

背景技术

本公开总体上涉及金属制造系统和方法，并且更具体地涉及使用电极的机械振荡来接合或构建金属工件的系统和方法。

各种制造的产品可以包括具有不同材料的部件。可以理解，可以通过紧固件、配合几何形状、焊接或其他过程将所制造产品的不同材料接合在一起。紧固件或互补的几何形状可以增加接头的部件或重量。使用金属的三维焊接和增材制造可以用于以受控和精确的方式制造耐用部件。遗憾地，这种过程可能复杂且昂贵。

发明内容

在一个实施例中，系统包括焊接工具，该焊接工具被配置成从送丝器接收焊丝、从电源接收焊接功率，并且在焊接过程期间将焊丝供应到工件。该系统还包括机械振荡系统，该机械振荡系统被配置成使结构部件朝向和远离工件机械地振荡。结构部件位于送丝器和电源的外部。

在另一个实施例中，系统包括焊接工具，该焊接工具被配置成从送丝器接收焊丝、从电源接收焊接功率，并且在焊接过程期间将焊丝供应到工件。该系统还包括机械振荡系统，该机械振荡系统被配置成使结构部件朝向和远离工件机械地振荡。结构部件位于送丝器和电源的外部。该系统进一步包含控制电路系统，该控制电路系统被配置成基于与焊接过程相关的反馈来控制焊接功率。

在另一个实施例中，系统包括焊接工具，该焊接工具被配置成接收焊丝并且将该焊丝供应到工件。该焊接工具包含机械振荡系统，该机械振荡系统被配置成使焊接工具的结构部件朝向和远离工件机械地振荡。该系统还包括控制电路系统，该控制电路系统被配置成接收起弧命令、控制机械振荡系统启动对结构部件的振荡、控制送丝器开始进给焊丝、至少部分地基于从传感器接收的反馈而确定焊丝和工件之间的电弧是否被引发、一旦确定电弧建立就控制机械振荡系统停止结构部件的振荡，并且控制送丝器将焊丝的送丝速度增加到期望的送丝速度。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同的符号在所有图中表示相同的部件，其中：

图1是制造系统的实施例和零件的图示；

图2是制造系统的实施例和零件的图示；

图3是具有集成式工具头的制造系统的实施例的图示；

图4是制造系统的机械振荡系统的示意图；

图5是示出电极的行进距离相对于时间的曲线图；

图6A是制造系统的衬套和电极的示意图；

图6B是制造系统的衬套和电极的示意图；

图7是制造系统的机械振荡系统的透视图；

图8示出了根据由控制器实施的示例性受控短路(CSS)波形以下各项的时间序列：由机械振荡系统导致的焊丝电极的送丝速度、由电源产生的电功率的电压和由电源产生的电功率的电流；

图9示出了根据由控制器实施的另一示例性CSC波形以下各项的另一组时间序列：由机械振荡系统导致的焊丝电极的送丝速度、由电源产生的电功率的电压和由电源产生的电功率的电流；

图10示出了根据由控制器实施的另一示例性CSC波形以下各项的另一组时间序列：由机械振荡系统导致的焊丝电极的送丝速度、由电源产生的电功率的电压和由电源产生的电功率的电流；以及

图11是描述可由所述系统实施的起弧过程的流程图。

具体实施方式

下面将描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，可能在说明书中没有描述实际实施方式的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方式的开发中，如同在任何工程或设计项目中，必须作出多个特定于实施方式的决策以实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束，该约束可能随实施方式而变化。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，却仍然是设计、生产和制造的常规任务。

转到图1，系统10(例如，增材制造系统或焊接系统)的实施例由一种或多种锚固材料14增材地形成(例如，印刷、构建)零件12。形成的零件12可以是第一工件16、第二工件18，或在第一工件16和第二工件18之间的接头，或它们的任意组合。在一些实施例中，第一工件16和第二工件18可以是具有显著不同物理性质的不同材料。例如，在一个实施例中，第一工件16可以是铝，而第二工件18可以是钢。注意，图1-3主要集中在系统10是增材制造系统的实施例，该增材制造系统被配置成使用熔敷在工件16、18上的多个液滴22来将工件16、18接合以形成零件12，或者由工件16、18中的一个构建零件12。然而，如在本文更详细描述的，在其他实施例中，系统10可以是焊接系统，该焊接系统被配置成通过在电极28与工件16、18之间产生焊接电弧以在工件16、18之间形成焊缝而将工件16、18接合。

在图1所示的实施例中，制造工具20熔敷多个液滴22以形成(例如，印刷、构建)一个或多个锚固材料14的零件12。在一些实施例中，制造工具20在第一工件16和第二工件18之间熔敷液滴22。如下面详细描述的，制造工具20可以利用一种或多种类型的能量来形成和熔敷液滴22以形成零件12。制造工具20所利用的一种或多种类型的能量可以包括但不限于电功率输出、光子能量(例如，激光)或其任何组合。在零件12是在第一工件16和第二工件18之间的接头的情况下，制造工具20利用能量来经由零件12而将第一工件16和第二工件18接合。

制造工具20加热来自进给器24的一种或多种锚固材料14以形成具有所需组成的液滴22。在一些实施例中，制造工具20的混合器26被配置成从进给器24接收并组合一种或多种锚固材料14。例如，混合器26可以将多种锚固材料14组合成具有锚固材料14的期望组合的电极28。在一些实施例中，混合器26可以形成多种锚固材料14的粉末混合物。电极28和/或粉末混合物可以形成液滴22。一种或多种锚固材料14是金属材料，包括但不限于铝合金、钢合金、铝、铁、铜、锰、硅、镁、锌、铬、钛、钼和镍。如本文所讨论的，液滴22是材料过渡的单元。当凝固时，每个液滴22可以变成“微熔敷物”(“micro-deposit”)，并且零件12由多个微熔敷物30形成。

图2示出了制造工具20的实施例，其将锚固材料14(例如，电极28)引导到微熔敷物30的熔融熔池32中以形成零件12。锚固材料14在被插入到熔池32中时可以处于大约环境温度或预热的温度。锚固材料14的部分34(例如，球)被熔池32熔化，从而在不形成限定的液滴22的情况下形成零件12的微熔敷物30。例如，在某些实施例中，锚固材料14的被预热部分34可以接合熔池32，从而通过热丝焊接过程来形成零件12的微熔敷物30。可以理解，熔池32可以是零件12的尚未固化的最近形成的部分。对熔池32施加的使部分34熔化的能量可以包括但不限于电阻加热、光子(激光)能量、等离子体或感应加热。

回到图1，一种或多种锚固材料14可以包括但不限于粉末、实心丝、有芯丝、管状丝或涂层丝，或它们的任意组合。在一些实施例中，第一锚固材料36可以基本上是第一工件16的材料，而第二锚固材料38可以基本上是第二工件18的材料。换句话说，第一锚固材料36和第二锚固材料38可以具有与相应的第一工件16和第二工件18基本相似或相容的化学组成。例如，第一锚固材料36可以相对于第一工件16的材料仅具有较小差异(例如，仅变化组成百分比的分数的元素组分、来自相同合金族的不同合金)。在一些实施例中，锚固材料14可以包括但不限于具有比第一工件16和/或第二工件18的材料更低的熔化温度的硬钎焊或软钎焊材料。当施加一种或多种锚固材料14时，具有与第一工件16或第二工件18相比更低的熔化温度的锚固材料14可以使得与第一材料16或第二材料18邻近的微熔敷物层30能够不熔化。系统10的一些实施例可以包括多于两种锚固材料14，诸如3、4、5、6、7、8、9、10或更多种锚固材料14。例如，可以向制造工具20提供第三锚固材料40。第三锚固材料40可以具有与第一工件16的材料或第二工件18的材料基本上类似的化学组成。附加地，或在替代方案中，第三锚固材料40可以具有为合金化材料的化学组成，该合金化材料在第一锚固材料36和第二锚固材料38之间提供期望的特性(例如，粘附性、增加的或减小的流动性)，和/或第三锚固材料40的化学组成可以对零件12提供期望的特性(例如，强度、硬度、电防腐)。

系统10的控制器42控制液滴22的施加以由微熔敷物30形成零件(例如锚)12。在某些实施例中，控制器42可以是具有单个控制器的单个控制系统，或者控制器42可以包括多个控制系统或控制器。例如，控制器42的多个控制系统可以被配置成调节系统10的不同部件或系统，和/或多个控制系统可以响应于控制器42的单个中央控制器。在具有焊丝锚固材料14的一些实施例中，控制器42通过调整向制造工具20的混合器26供应的一种或多种锚固材料14的相对量(从而形成电极28)来控制向零件12施加的液滴22的组成。例如，在第一锚固材料36基本上类似于第一工件16的材料或与第一工件16的材料相容的情况下，控制器42可以使电极28中的第一锚固材料36的相对比率增加以形成(例如，印刷)零件12的在第一工件16附近的部分。如本文所述，每个液滴22的组成是基于构成相应液滴22的一种或多种锚固材料14。液滴22至少部分地是液体(例如熔融的)。在一些实施例中，液滴22可以是液体锚固材料14，其包封相同或不同锚固材料14的固体元件。例如，制造工具20可以至少部分地仅熔化液滴22的外层。

在某些实施例中，制造工具20用混合器26将多种锚固材料14混合(例如，熔化、烧结、压缩)成具有混合组成的电极28。控制器42可以控制制造工具20以形成具有来自混合电极28的混合组成的液滴22。控制器42可以通过改变混合电极28中的一种或多种锚固材料14的比率来调节零件(例如锚固件)12的组成。在一些实施例中，制造工具20供应一种或多种锚固材料14中的每种作为单独的电极28，制造工具20分别形成液滴22。例如，控制器42可以控制制造工具20以形成单独的液滴22，所述液滴具有从多个电极28中的每个电极而来不同的相应组成。控制器42可以通过改变作为液滴22施加到零件12上的一种或多种锚固材料14的比率来调节零件12的组成。

在一些实施例中，控制器42联接到多个制造工具20，每个制造工具20经由各自的电极提供单独的锚固材料14。控制器42可以控制多个制造工具20中的每个以通过改变由每个制造工具20以液滴22供应的锚固材料14的比率来调节零件12的组成。如图3所示，在一些实施例中，多个进给器24可以组合在制造工具20的集成工具头44中，以成排或栅格地提供多种锚固材料14。集成工具头44可以增加锚固材料14的熔敷速率以形成(例如，印刷、构建)零件12。制造工具20的集成工具头44可以具有多个混合器26以接收锚固材料14并将其加工成电极28和/或粉末流。控制器42可以控制每个混合器26，以便每个电极28和/或粉末流具有相同的组成。在一些实施例中，控制器42控制一个或多个混合器26，以便相应的电极28或粉末流具有与来自另一混合器26的电极28或粉末流不同的组成。集成工具头44可以使制造工具20能够大致同时地形成零件的多层46，从而能够通过减少制造工具20形成零件12的道次(pass)量来减少零件12的生产时间。用格栅39示出由基本上凝固的微熔敷物30形成的零件12的第一层48。零件12的在第一层48和第三层52之间形成的第二层50的微熔敷物30可以比第一层48的微熔敷物30更热，但是充分凝固以支撑第三层52的熔敷液滴22并与其和接合。控制器42控制液滴22的熔敷速率和制造工具20形成层46的速率，以使每层能够与先前形成的层46接合。例如，当制造工具20构建零件12时，控制器42可以降低熔敷速率或层形成速率。

再次回到图1，控制器42控制电源54(例如，电流调节式电源)以调节提供给制造工具20的功率输出(例如，电流输出、电压输出、光子能量)，从而将一种或多种锚固材料14熔化成液滴22。可以理解，电源54可以包括但不限于发动机驱动的发电机、焊接电源、逆变器、激光器、感应加热器或其任意组合。在电源54是焊接电源的实施例中，控制器42可以基于操作状态诸如焊接操作来调节电源54的操作(例如，输出功率的电压电平和/或电流电平)。例如，控制器42可以基于焊接操作正处于电弧状态或短路状态来调节电源54的操作。

控制器42可以控制电源54以与脉冲式焊接过程或短路焊接过程(例如，受调节的金属熔敷(RMD^TM))类似的受控波形向电极28提供DC或AC功率输出。在一些实施例中，控制器42控制电源54和/或进给器24以经由制造工具20向电极28提供功率输出，从而能够实施修改的短路焊接过程(例如，受控短路)以形成零件12。另外，控制器42通过控制制造工具20以在受控的短路焊接过程期间延伸和缩回一个或多个电极28来促进零件12的形成。提供给制造工具20的功率输出将电极28熔化为液滴22，该液滴22经由电弧而熔敷到零件12作为微熔敷物30。即，在一些实施例中，电极28是焊丝，制造工具20是焊炬(例如，焊接工具)，其被配置用于脉冲式焊接过程或短路焊接过程，并且进给器24是送丝器。在这样的实施例中，焊炬20可以经由电弧而层叠微熔敷物30，由此经由脉冲式焊接过程和/或短路焊接过程(例如，RMD^TM)而由焊丝28形成(例如，构建、印刷)零件12。可以理解，系统10的一些实施例可以包括气体供应器56，该气体供应器被配置成向制造工具20提供一种或多种保护气体。一种或多种保护气体可以包括但不限于氩气、二氧化碳、氦气、氮气、氢气及其组合。该系统可以被配置成包括焊剂输送系统，其被配置成提供一种或多种焊剂。这些焊剂具有不同的组成以提供不同的最终结果，具体地冶金结果。

如上所述，控制器42可以控制对利用电弧，和/或磁能量，和/或光子能量来加热电极28的过程的功率输出。控制器42可以通过控制电源54来控制液滴22施加到零件12的速率。在一些实施例中，控制器42控制加热装置58(例如，感应器线圈、电阻加热器)以预热电极28。因此，控制器42可以控制施加到电极28的热量以形成液滴22。附加地，或者可替换地，加热装置58、60、62可以分别实施对电极28、第一工件16和/或第二工件18的预热或后加热。预热电极28可以减少施加到第一工件16和第二工件18的热量，从而减少热影响区的形成。

作为微熔敷物30而增加到零件12的液滴22影响增加到第一工件16和第二工件18的热量。微熔敷物30的形成可以包括但不限于加热锚固材料14(例如电极28)以形成液滴22，并冷却零件12中的微熔敷物30。可以理解，液滴22的热量和微熔敷物30的冷却速率可以影响由相应液滴22形成的微熔敷物30的显微结构，从而影响零件12的特性。例如，在第一位置64处零件12的微熔敷物30的显微结构可以不同于在第二位置66处微熔敷物30的显微结构。另外，如本文所讨论的，将每个液滴22施加到零件12可以包括但不限于液滴22到零件12的施加速率和每个微熔敷物30在零件12上的施加位置。控制器42可以控制液滴22的温度、施加(例如熔敷)速率和每个液滴22的施加位置，以控制施加到工件16、18的热量。例如，控制器42可以减少热影响区(HAZ)的诱因，该热影响区可以影响零件12附近的工件16、18的显微结构和特性(例如，强度、疲劳寿命)。在零件12中液滴22的温度、熔敷速率和施加位置影响向第一工件16和第二工件18增加的热量。例如，与1200℃的电弧相比，2000℃的电弧向零件12增加更多的热量。可以理解，液滴22的高熔敷速率(例如60Hz)可以向零件12增加比液滴22的相对较低熔敷速率(例如30Hz)更少的热量。另外，施加在第一工件16上的第一位置64处的液滴22比施加在第一工件16上的第二位置66处的液滴22向第一工件16增加更多的热量。在一些实施例中，控制器42控制加热装置58以影响零件12中的微熔敷物30的施加温度，从而影响向第一工件16和第二工件18增加的热量。控制器42可以控制进给器24和/或混合器26以控制施加速率，并且控制器42可以控制电源54以控制液滴22在零件12中作为微熔敷物的施加速率和施加温度。在一些实施例中，联接到制造工具20的机器人系统68可以包括控制电路系统，该控制电路系统被配置成通过经由一个或多个伺服马达69而使制造工具20沿着坐标轴70移动来控制液滴22的施加位置。

控制器42可以以与控制向工件16、18施加的热量类似的方式，控制液滴22的温度、液滴22的施加速率以及每个液滴22的施加位置，以控制向先前施加的微熔敷物30施加的热量。例如，液滴22的施加速率和温度可以影响先前施加的微熔敷物30的冷却速率和显微结构。控制器42可以控制液滴22的施加速率和温度，以获得用于形成零件12的每个微熔敷物30的期望显微结构。因此，控制器可以控制零件12的微熔敷物30的组成和/或显微结构。

在一些实施例中，第一加热装置60可以将零件12附近的第一工件16加热，和/或第二加热装置62可以将零件12附近的第二工件18(例如，接头)加热。第一加热装置60和第二加热装置62可以包括但不限于感应线圈、电阻加热器、火焰及诸如此类。第一加热装置60和第二加热装置62可以与相应的第一工件16和第二工件18的一个或多个表面界面接合。例如，第一加热装置60可以围绕第一工件16延伸。控制器42可以控制第一加热装置60和/或第二加热装置62以将零件12附近的相应工件16、18预热。可以理解，预热工件16、18可以影响从工具20到微熔敷物30的粘附。例如，增加第一工件16的温度可以增加微熔敷物30在第一位置64处的粘附性。在一些实施例中，控制器42独立地控制第一加热装置60和第二加热装置62，从而使得第一工件16能够被预热到与第二工件18不同的温度。

如前所述，第一工件16可以不同于第二工件18。例如，第一工件16可以是铝，而第二工件18可以是钢。在一些实施例中，第一工件16和第二工件18可以是具有相同基体金属(例如，铝、钛、铁、镀锌材料、高强度钢)的相同或不同组成。例如，第一工件16可以是镀镍钢，而第二工件18可以是相对高碳钢。第一工件16可以具有与第二工件18不同的特性和/或结构。例如，第一工件16和第二工件18之间的熔化温度、热导率和强度以及其他性质可以不同。附加地，或者可替换地，第一工件16和第二工件18可以具有不同的热敏感性。例如，第一工件16可以在第二工件18的熔化温度下进行退火。因此，使第一工件16(例如，通过将其加热到第二工件18的熔化温度)退火可以影响第一工件16的性质(例如，强度、疲劳寿命)。

可以理解，金属的热影响区(HAZ)在本文中可以定义为其中金属的性质和/或显微结构已受到热影响的金属区域。在一些实施例中，控制器42可以独立地控制施加到电极28的热量、施加到第一工件16的热量(例如，经由第一加热装置60)，以及施加到第二工件18的热量(例如，经由第二加热装置62)。系统10可以通过独立地控制施加到这些部件的热量来减小第一工件16和/或第二工件18的HAZ。例如，如果第一工件16是铝并且第二工件18是具有比第一工件16更高的熔化温度的钢，则控制器42可以控制制造工具20以比第一工件16(例如铝)附近的液滴22更多的热量和/或更高的速率在第二工件18(例如钢)附近施加液滴22。

当制造工具20在第一工件16和第二工件18之间移动时，控制器42可以控制为了用微熔敷物30构建零件12而施加的每个液滴22的组成和形成。以此方式，系统10可以控制零件12的组成和结构(例如，微熔敷物30的空间分布)以具有一组期望的特性，同时控制第一工件16和/或第二工件18的HAZ。

可以使用一个或多个传感器72来检测系统10的某些操作参数。尽管传感器72被示出为焊接工具20的部分，但是在其他实施例中，传感器72可以是系统10的任何其他部件(包括进给器24、电源54、气体供应器56、机器人系统68或其任意组合)的部分。在某些实施例中，控制器42可以使用检测到的操作参数作为反馈来控制系统10的各种操作参数。例如，在某些实施例中，传感器72(例如，温度传感器)可以测量电极28、第一工件16和/或第二工件18的温度和冷却速率。来自传感器72的反馈可以存储为电极28、第一工件16和/或第二工件18的温度历史。控制器42可以使用该温度历史来控制零件12的组成和结构。在一些实施例中，传感器72(例如，光学传感器，接近传感器及诸如此类)可以测量制造工具20、第一工件16和第二工件18相对于设定坐标轴70的位置。控制器42可以至少部分地基于距第一工件16和/或第二工件18的相对距离来控制液滴22向零件12的施加。例如，在一些应用中，零件12可以形成为具有第一锚固材料36和第二锚固材料38的梯度组成，以使得零件12的邻近第一工件16的组成与第一工件16相容(例如，形成强接合)，并且零件12的与第二工件18相邻的组成与第二工件18相容(例如，形成强接合)。

控制器42可以至少部分地基于零件12中的施加位置而独立地控制每个微熔敷物30的热循环、峰值温度和冷却速率。控制器42可以根据由处理器74执行的指令(例如代码)集而独立地控制用于施加位置的每个液滴22的组成和形成。处理器74可以至少部分地基于工件16、18和锚固材料14而从存储器76加载指令集。在一些实施例中，操作员(例如，来自主计算机)可以经由操作员接口78将指令集直接提供给控制器42。例如，操作者可以从由三维3D CAD工具产生的锚的三维模型(例如，计算机辅助设计(CAD)模型)加载用于形成零件12的指令集。在一些实施例中，控制器42可以接收和/或产生指令集以产生具有锚固材料14的期望组成的零件12。例如，控制器42可以利用零件12的3D CAD模型来控制机器人系统68以由锚固材料14生产零件12。尽管控制器42在本文中被描述为控制机器人系统68，但在其他实施例中，控制器42可以不用于控制机器人系统68。相反，在这样的实施例中，机器人系统68的单独控制电路系统可以控制机器人系统68，例如，以控制焊接工具20的机械振荡。可替代地，在某些实施例中，控制器42可以与机器人系统68的控制电路系统结合进行操作。附加地，或者可替换地，操作者可以将关于工件16、18和锚固材料14的信息输入到操作者界面78中，并且控制器42可以确定和/或修改指令集以形成具有期望特性的零件12。该指令集指导控制器42控制作为微熔敷物30的每个液滴22的组成、形成和施加，以形成具有所需特性的零件12。

控制器42可以使用来自传感器72的输入来单独地控制作为微熔敷物30施加到零件12的每个液滴22。在一些实施例中，控制器42可以至少部分地基于来自传感器72的输入来适配指令集，以补偿对第一工件16、第二工件18或零件12的改变。例如，如果来自传感器72的输入指示在第一工件16和第二工件18之间的接头的配合变化，则控制器42可以在零件12的形成期间调适液滴22的施加位置和/或加热。附加地，或者可替换地，如果来自传感器72的输入指示第一工件16和/或第二工件18和/或先前层的偏转或烧穿，则控制器42可以调适液滴的施加和/或加热。如果来自传感器72的输入指示第一工件16和/或第二工件18和/或先前层的偏转或烧穿，则控制器42可以在零件12的形成期间(例如，经由加热装置60、62)调适第一工件16的温度和/或第二工件18的温度。

系统10可以通过手工或自动移动制造工具20而在第一工件16与第二工件18之间构建零件12。在一些实施例中，可以通过如图1所示的电弧(例如喷射)而使液滴22熔敷。在如图2所示的一些实施例中，电极28接触工件和/或零件12，并且制造工具20经由短路而施加相应的微熔敷物30。在一些实施例中，操作者通过致动制造工具20上的触发器80来开始或重新开始构建零件12。控制器42通过传感器72来确定制造工具20相对于工件16、18的位置，并且控制器42根据指令集在形成所需组成的液滴22之前确定微熔敷物30的施加位置。在一些实施例中，机器人系统68诸如经由伺服马达69来控制制造工具20沿着坐标轴70的移动。控制器42可以利用指令集来控制机器人系统68以使制造工具20移动，从而基于该指令集而将受控的液滴22作为微熔敷物30施加到零件12中的相应位置。机器人系统68由此使得控制器42能够自动地形成具有所需组成和几何形状的零件12。在一些实施例中，机器人系统68可以由与工件16、18分离的一种或多种锚固材料14形成(例如，印刷、构建)零件12。形成的零件12可以随后与工件16、18接合。

此外，如上所述，尽管对图1-3的描述主要集中于增材制造技术(即，其中制造工具20是增材制造工具)，但在其他实施例中，系统10可以替代地是焊接系统10，其中制造工具20是焊炬，该焊炬被配置成从送丝器(例如，进给器24)供给焊丝(例如，电极28)。因此，在这样的实施例中，进给器24可以为包括用于从进给器24进给焊丝电极28的部件(例如，焊丝卷轴、焊丝驱动组装件及诸如此类)的送丝器，而不是包括用于供应一种或多种锚固材料14的部件。另外，在这样的实施例中，制造工具20可以是焊炬，该焊炬被配置成向工件16、18供给从送丝器24接收的焊丝电极28以与工件16、18中的一个或多个建立焊接电弧。

在某些实施例中，制造工具20可以为手持式工具，诸如手持式焊炬(例如，可由操作员操纵)，而在其他实施例中，制造工具20可以用于全自动或半自动的过程(即，完全受控于或部分受控于机器人系统，诸如本文所述的机器人系统68)。在任何情况下，本文所述的制造工具20在本文所述的进给器24和电源54的外部(即，与其分离)。

不管系统10是增材制造系统还是焊接系统，在某些实施例中，制造工具20的集成式工具头44可以被配置成机械振荡(即，上下移动远离和朝向熔池32)以进一步改善液滴22在零件12上的熔敷。换句话说，可以使集成式工具头44(电极28和设置在电极28周围的衬套100延伸穿过该集成式工具头)振荡，以使电极28和衬套100朝向和远离熔池32移动。在图4中，示出了与集成式工具头44联接的机械振荡系统102。机械振荡系统102包括联接到集成式工具头44的机械联动组装件。在所示实施例中，机械联动组装件包括：(例如，经由销106)联接或固定地附接至集成式工具头44的活塞104、联接至活塞104的凸轮108，以及被配置成驱动凸轮108旋转的马达110。在其他实施例中，机械联动组装件和/或机械振荡系统100可以直接联接到衬套100以使衬套100朝向和远离工件振荡。在操作中，通过使衬套100朝向和远离熔池32(例如，工件)移动，机械振荡系统102周期性地缩短或延长电极28必须行进到熔池32的路径。以此方式，机械振荡系统102可以用于将电极28从熔池32中断或移除，以有助于以受控方式形成液滴22。也可以操作机械振荡系统102来调节或控制焊接操作的状态。例如，机械振荡系统102可以操作以实施或改进焊接操作在电弧状态和短路状态之间的切换。

在某些实施例中，机械振荡系统102可以布置在工具20内(例如，在焊接工具20的外壳内)。在其他实施例中，机械振荡系统102可以设置在工具20的外部。例如，在这样的实施例中，机械振荡系统102可以至少部分地与在本文描述的机器人系统68集成。在任何情况下，在某些实施例中，机械振荡系统102设置在本文所述的进给器24和电源54(例如，其外壳的外部)的外部。应当理解，在操作过程中，集成式工具头44和衬套100至少部分地设置在工具20内，并且在本文描述的进给器24和电源54(例如，其外壳的外部)的外部。

如以下详细讨论的，具有在本文公开的机械振荡系统102的制造工具20可以在集成式工具头44的基本上固定的频率和/或有限的(例如，基本上固定的)行进距离下操作。因此，可以增加过程的简单性，同时显著降低制造工具20和机械振荡系统102的成本。例如，本公开的机械振荡系统102使液滴22能够在低焊接电流下形成。如将了解，在其他实施例中，机械振荡系统102可以具有其他部件。例如，机械振荡系统102可以是电磁系统来代替马达110、活塞104和凸轮106，该电磁系统包括线圈、磁体、其他机械联动组装件及诸如此类，以使集成式工具头44或其他结构部件能够振荡运动，并因此使衬套100联接到集成式工具头44。在某些实施例中，机械振荡系统102可以直接与衬套100相互作用以使得衬套100能够振荡运动。换句话说，由机械振荡系统102机械振荡的结构部件可以是衬套100(即，代替间接导致衬套100的机械振荡的集成式工具头44)。

如上所述，所示的机械振荡系统102(例如，机械联动组装件)包括：联接或固定地附接至集成式工具头44的活塞104、联接至活塞104的凸轮108，以及被配置成驱动凸轮108旋转的马达110。在某些实施例中，可以由控制器42控制和/或调节马达110的操作。当马达110驱动凸轮108旋转时，凸轮108的旋转将上下致动活塞104，如箭头112所示。因此，集成式工具头44也上下行进，该集成式工具头可以包括套管、轴环、气体喷嘴、接触末端、气体扩散器、入口导线引导件或固定到活塞104的其他部件。以这种方式，使衬套100和电极28朝向和远离熔池32移动。可以理解，可以基于凸轮108的尺寸和/或几何形状来选择集成式工具头44的行进距离。

当集成式工具头44向上振荡时，衬套100和电极28被拉离熔池32，并且当集成式工具头44向下振荡时，使衬套100和电极28朝着熔池32向下移动。当然，当机械振荡系统102正在操作并使集成式工具头44上下移动时，电极28正被朝向熔池32连续地向下进给。因此，电极28可以具有由图5的曲线图122中的线120表示的总行进距离。如将了解，线120的峰到峰振幅124可以表示机械振荡系统102(例如，活塞104和集成式工具头44)的行进距离。线120的总行进距离的逐渐增加可以归因于由进给器24对电极28的恒定进给。

如上所述，衬套100设置在电极28周围，并且衬套100由集成式工具头44保持和支撑。因此，当机械振荡系统102使集成式工具头44振荡时，集成式工具头44类似地直接使衬套100振荡，但可以不直接使电极28振荡。为了也帮助促进电极28的振荡，也可以选择衬套100的尺寸以使得电极28也能够振荡。

在图6A和6B中示意性地示出衬套100和电极28的振荡。集成式工具头44和机械振荡系统102未示出。在图6A中，集成式工具头44和机械振荡系统102尚未使衬套100和电极28向上振荡。换句话说，在图6A中，衬套100和电极28朝向熔池32完全向下延伸。然而，在图6B中，衬套100和电极28示出为由于机械振荡系统102的振荡而从熔池32缩回。具体地，衬套100和电极28缩回距离124(即，图5所示的峰到峰振幅)。可以理解，在衬套100和电极28之间可以存在空间或间隙130，因为衬套100是围绕电极28设置的管或护套。当选择凸轮108的尺寸和/或机械振荡系统102的其他部件的尺寸和几何形状时，可以考虑该间隙130。具体地，当衬套100被集成式工具头44和机械振荡系统102直接缩回时，由于衬套100和电极28之间的间隙130，衬套100最初可以缩回而没有电极28的类似缩回。一旦衬套100直接缩回初始量，衬套100和电极28可以彼此接触并摩擦接合，从而也使电极28能够缩回。为了确保电极28缩回期望的量(即，距离124)，当选择机械振荡系统102的部件(诸如凸轮108)的尺寸和几何形状时，可以考虑衬套100的初始缩回以及在衬套100和电极28之间的间隙130。在某些实施例中，可以使衬套100和电极28之间的间隙130最小化以提高衬套100和电极28的振荡运动的一致性和准确性。

机械振荡系统102的稍微固定的频率和固定的距离操作能够增加制造工具20的简单性并且极大地降低制造工具20的成本，进而可能不可被大幅定制。然而，可以通过调整、调节或以其他方式控制制造工具20的电功率来使制造工具20的操作能够定制和修改。在某些实施例中，可以控制电源54，以便向电极28施加恒定电流。具体地，如果机械振荡系统102使电极28从熔池32缩回的距离124足够大，则焊接电流可以保持在固定电平。固定的电流电平可以相对较低，但是足够大以熔化电极28并且一次形成一个液滴22。低恒定电流可能也不导致熔池32的扰动。

然而，在其他实施例中，可以对焊接电流施加一个或多个简单的动态变化。例如，控制器42可以调节电源54的操作以调整焊接电流的不同动态特性。例如，可以使用动态波形整形，但是为了保持简单性和低成本，变化可以相对较小。例如，当机械振荡系统102使衬套100和电极28缩回时，并且在低电流下开始电弧之后，可以通过控制器42来增加由电源54提供的电流。此时增加电流可以帮助形成下一个液滴22、帮助降低再附接到电极28的熔池32振荡的可能性，和/或增加可以与下一个液滴22一起熔敷的电极28的量。

当机械振荡系统102使衬套100和电极28返回朝向熔池32振荡时，随着电极28接近熔池32，电流可以(例如，通过控制器42)而被减小。减小电流可以有助于减小电极28在电极28试图接触熔池32时烧掉的可能性，和/或减小电极28和下一个液滴22接触熔池32并被熔池32“排斥”的可能性。在其他实施例中，当使衬套100和电极28朝向和/或远离熔池32振荡时，电流可以被维持在比系统10的峰值电流电平(例如，低于100安培、低于75安培、低于50安培、低于25安培、在10-100安培之间、在10-75安培之间、在10-50安培之间、在10-25安培之间等)显著较低的电平(例如，低至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％)。通常，显著较低的电流电平可以低于100安培以避免飞溅物，但是高于10安培以避免电弧熄灭。

在电弧期间形成下一个液滴22之后，并且当机械振荡系统102将要再次朝向熔池32振荡时，电流可以保持减小或进一步减小以进一步减小熔池32的扰动。当机械振荡系统102(以及衬套100和电极28)远离熔池32往回振荡时保持低电流(例如，显著低于峰值电流电平，如前所述)也有助于将新形成的液滴22留在熔池32中。更具体地，可以在短路期间保持低电流，并且在清除短路之后，可以短暂地增加电流以形成液滴22。如上所述，也可以立即在焊接操作的状态改变之前(例如，立即在短路或电弧之前)保持低电流。在某些实施例中，这可以伴随有恒定电压。在形成液滴22之后，当机械振荡系统102再次使电极28远离熔池32振荡时，降低电流以减少熔池32的扰动。

为了使机械振荡系统102和电源54的操作同步以实现上述操作，传感器72可以包括位置传感器或其他类型的传感器，其在特定时间检测集成式工具头44的位置。例如，传感器72可以检测集成式工具头44、活塞106、凸轮108、衬套100、电极28或其他部件的位置。基于一个或多个检测到的位置，控制器42可以调节电源54的操作，以使得电源54的电流输出对于电极28的特定位置是期望的电平。其他类型的传感器72也可以用于检测其他操作参数，该操作参数也可以用于使机械振荡系统102和电源54的操作同步。例如，一个或多个传感器72可以包括电压感测电路系统和/或电流感测电路系统，其可以用于检测电源54和/或马达110的电压和/或电流(例如，进而检测焊接操作的状态，诸如短路或电弧)。可以由传感器72检测其他操作参数，诸如机械振荡系统102、电源54和/或马达110的操作阶段、焊接电弧存在、短路(每秒短路)、马达110的角速度、马达110上的负载、送丝速度、电弧长度、清除事件、短路事件、电弧事件、状态改变或系统10的其他操作参数。

图7是机械振荡系统102的实施例的透视图，示出了具有活塞104、凸轮108和马达110的机械联动组装件。如上所述，衬套100可以经由销106或其他联接特征部而固定到活塞104。当马达110驱动凸轮108旋转时，将活塞104以振荡方式上下致动，从而使衬套100和电极28上下振荡。因此，使电极28朝向和远离熔池32移动。以此方式，机械振荡系统102能够实施操作制造工具20的简单且成本有效的方法。

在另一个实施例中，使接触末端与衬套100一起移动。在这种情况下，接触末端具有比衬套更高的摩擦并且有利于更紧密的控制。此外，这种运动还固有地改变了从接触末端中的电流传导点到焊缝的距离。而当接触末端处于很大程度上固定的位置时，接触末端中的电流传导点到焊缝之间的距离几乎是恒定的。在任一情况下，实现了从熔化的焊缝缩回焊丝的关键效果。类似地，在其他实施例中，可以使衬套100与气体喷嘴、套环、套管或者围绕衬套100的或联接到衬套100的其他结构部件一起移动。

本文描述的实施例通常要求使液滴22以非常受控的方式熔敷。一种方法是使用非常受控的焊接过程，诸如钨极惰性气体(TIG)应用和低热量输入金属极惰性气体(MIG)应用。当严格受控时，在理想条件下的大多数焊接过程可以重复增材制造过程。最受控的焊接过程包括Accu-Pulse^TM、RMD^TM和受控短路(CSC)焊接过程。RMD^TM和CSC过程是短路焊接过程。这些短路焊接过程对于增材制造是相对有效的，因为它们涉及相对低的热量。相比较而言，喷焊和脉冲式喷焊过程相对较热，因此产生更多的流体熔池，这对于精确的构建不是那么有效(例如，熔池和所产生的焊道往往变得太宽)。

在美国专利号6,963,048、美国专利号6,969,823和美国专利号6,984,806中更详细地描述了CSC过程，每件所述美国专利的全部内容通过引用并入本文中，该CSC过程使用电功率调制以及焊丝的向前/反向移动以使金属熔敷最大化。通常，在CSC过程中，通过使焊丝前进直到焊丝接触熔池而进入短路状态，然后通过使焊丝缩回直到焊丝不接触熔池而进入电弧状态，此时形成电弧。CSC过程通常采用复杂的功率输出控制技术来控制输送到焊缝的能量。通过将对状态之间的转变的控制从对传递到焊缝的能量的控制分开，CSC过程允许更好地控制每个状态。

通常，CSC系统需要使焊丝前进和缩回的能力。传统的CSC系统利用某些机械装置(诸如步进马达)来控制焊丝的前进和缩回。例如，这种CSC焊接系统动态地控制马达方向(例如，向前/反向、顺时针/逆时针)以使送丝器的驱动轮转动。因此，在这样的CSC系统中，当焊丝正被朝向焊缝进给时，传统CSC系统所采用的机械装置在进给方向上具有相对高的动量水平，该机械装置必须克服该动量水平而在相反方向上反向以缩回焊丝。

此外，如本文所述，常规短路过程比脉冲式或喷焊MIG过程相对更冷。常规短路过渡的一个问题是，它通常依赖于“箍缩效应”来将熔融球从固体焊丝分离。箍缩效应由相对高的电流驱动。当球分离时，等离子体在该相对高的电流电平下被重新点燃。这使得相对强的等离子体力推动熔池远离焊丝的端部，这可能导致不期望的熔池扰动。在美国专利号6,326,591和美国专利号6,800,832中更详细地描述了短路(short-by-short)过程(例如RMD^TM)，所述两件专利通过引用而整体并入本文中，该过程一种替代解决方案。通常，RMD^TM仍然使用箍缩效应，但是预测何时球将从焊丝分离，并且在该分离发生之前减小电流。该预测方法效果良好，是一种接近的替代方案。然而，通过比较，本文描述的CSC过程和本发明不需要使用相对高的电流来分离球，因此不需要预测，并且消除了在相对高的电流下点燃等离子体的风险。具体地，反向焊丝动作消除了为将熔融球“箍缩”脱离焊丝的端部而对大电流的需要。通过消除该峰值电流，相对于常规短路或甚至RMD^TM焊接过程，该过程的稳定性增加并且可以实现更冷的过程。

本公开的某些实施例实现使用向电弧提供焊丝电极28的送丝器24和向电弧提供电力的电源54来提供焊接型电力的系统和方法。在本文描述的机械振荡系统102促进焊丝电极28朝向和远离电弧的运动。在某些实施例中，控制器42控制振荡运动、控制电源54以提供期望的平均电弧电流、控制进给器24的焊丝卷轴、焊丝驱动组装件及诸如此类以控制焊丝电极28的平均送丝速度，或其任何组合。此外，在某些实施例中，控制器42可以包括：各种控制模块，诸如平均电弧电流或电弧电压控制模块，以将电源54的焊接功率输出的电流或电压控制到期望的平均电弧电流或电压；和/或短路检测反馈电路。

在其他实施例中，可以不通过相同的控制器42来控制对振荡运动的控制、对电源54的焊接功率输出的控制以及对送丝速度的控制。相反，在这样的实施例中，每种控制可以被设置为在标称设置下运行，并且每种控制可以足够强健以响应于系统10中的其他部件的期望响应。这些实施例可以导致降低系统10的复杂度。例如，在电弧阶段和/或短路阶段期间强烈且相对快速(例如20kHz量级)的恒定电压(CV)响应将比短路频率快得多地调制电流，并影响烧熔速率以维持所需电压。

电压是电弧长度的强指示。在某些实施例中，控制器42还可以通过调整系统10的标称设置来自动适应较慢的时标。例如，如果控制器42在一个或多个电弧阶段期间检测到相对短的电弧长度，则可以降低标称送丝速度，或者可以通过控制器42来增加电源54用于电弧阶段或短阶段的初始电流，或者，可以由控制器42(例如，通过调节机械振荡系统102的马达110的速度)改变振荡频率。每个这样的调节将倾向于增加平均电弧长度。

在某些实施例中，控制器42可以使用“协同”控制，由此在改变一个系统中的设置时，也可以改变其他系统的标称设置。例如，如果平均送丝速度增加，则可以增加电源54的功率电平(例如，通过增加电源54的电压、电流或两者)和/或可以增加机械振荡系统102的振荡频率。换句话说，通常，电源54的功率电平(例如，电压、电流或两者)可以与机械振荡系统102的机械振荡同步。例如，在某些实施例中，这可以基于匹配的设置表来完成。调整一个设置向系统10中的其他部件发送调整。协同作用是焊接工业中的通用术语，其描述一种系统，其中通过调节一个参数，多个参数被改变为理想的标称匹配设置。

因此，与常规MIG焊接过程相比，本文所述的实施例有助于相对低成本而且改善的性能。具体地，在本文描述的机械振荡系统102能够实施焊丝电极28的相对低成本的振荡，同时仍然能够实施CSC型过程。传统的MIG焊接过程(包括CSC过程)可以具有每秒大约25到超过200次的短路。本文描述的实施例通过尽可能地减少必须移动的质量来降低成本。在某些CSC焊接系统中，步进马达必须改变焊丝、衬套、送丝辊和马达本身的方向。其中马达本身的惯量可论证地是最大的。相反，在本文描述的实施例中，马达110不改变方向，因此消除了以过程的振荡频率(例如，在某些实施例中，在20和200个周期/秒之间)使马达110的电枢减速和沿相反方向再加速的要求。某些CSC焊接系统还需要“H桥”电驱动器的成本和复杂性，以及管理电驱动器的复杂控制器，而本文描述的实施例不需要。

此外，以基本上固定的频率和/或以基本上固定的行进距离振荡简化了系统10并降低了成本。在某些实施例中，雕刻机或低成本纹身机可以用作机械振荡系统102的部分，并且具有相对固定的行进距离和相对固定的振荡频率。相对固定的行进距离和相对固定的振荡频率极大地降低了系统10的成本(例如，至少部分地由于灵活性与成本的折衷)。某些传统的CSC系统使用步进马达来动态地推进和缩回焊丝，其中每个单独的前进和后退运动的距离和速度是独立且单独地受控的。相反，在本文所述的实施例中，例如通过凸轮108的尺寸而使机械振荡系统102的振荡距离相对固定，并且可通过例如调节马达110的速度(即，导致每秒更多或更少的短路)来控制机械振荡系统102的振荡速度。在某些实施例中，步进马达可以用于提供更动态的前进和缩回运动，但可能增加系统10的成本和复杂性。

如本文所述，控制器42可以用于控制焊接过程的电功率，以补偿机械振荡系统102相对缺乏的灵活性。具体地，由于机械振荡的频率和距离在机械振荡系统102的操作期间相对固定，所以控制器42可以基于与焊接过程有关的反馈(例如，焊接过程的阶段(诸如短路阶段154、电弧重建阶段158及诸如此类)的计时、机械振荡系统102的机械振荡的计时及诸如此类)来控制焊接过程的电功率(例如，由电源54输送的焊接功率)。例如，由于机械振荡系统102的机械振荡的相对固定的频率和距离，机械振荡系统102的机械振荡的周期在机械振荡系统102的操作期间保持相对固定，所以控制器42可以使来自电源54的焊接功率的输送与机械振荡系统102的机械振荡的周期同步。例如，在某些实施例中，控制器42可以基于与焊接过程相关的反馈(例如，焊接过程的阶段(例如，短路阶段154、电弧重建阶段158及诸如此类)的计时、机械振荡系统102的机械振荡的计时，及诸如此类)而周期性地校准来自电源54的焊接功率的输送，例如，使用传感器反馈(例如，经由在本文描述的传感器72)来检测短路、电弧及诸如此类的确切计时，并且基于该反馈调节焊接功率的状态之间的转变的计时(例如，参见图8-10)。

如上参照图5所述，焊丝电极28将具有与焊丝电极28以固定但较慢的速率向前移动的稳定但相对较慢的运动相结合的振荡运动。与通过提升整个焊炬20或反转进给马达来缩回焊丝电极28相反，在本文描述的实施例迫使焊丝电极28横穿相对较长的路径。假设焊丝电极28的来源(例如送丝器24)和焊接熔池32在很大程度上是固定的位置，则可以通过迫使焊丝电极28行进相对较长的距离来使焊丝电极28从熔池32缩回(例如参见图6A和6B)。具体地，衬套100具有基本上固定的长度。向上拉衬套100并将其从焊炬20的接触末端拉出实际上将产生更长的衬套100。当衬套100改变方向时，衬套100和焊丝电极28之间的多余空间必须被吸收。必须将该小距离增加到衬套100必须移动的量。衬套100和焊丝电极28之间的多余空间的最小量是理想的。

如上所述，机械振荡系统102可以具有基本上固定的振荡频率和/或基本上固定的振荡行程距离，以简化系统10并降低系统10的成本。如本文所述，称为“基本上固定”或“相对固定”的性质旨在描述在操作期间变化基本上不超过少量(例如，小于5％、小于4％、小于3％、小于2％、小于1％或甚至更少)的性质。应当理解，在某些实施例中，可以由控制器42调节机械振荡系统102的马达110的速度，从而调节机械振荡的频率。然而，一旦由控制器42调节马达110的速度，就将在机械振荡系统102的操作期间使机械振荡的频率保持基本上固定。相反，在某些实施例中，至少部分地由于机械振荡系统102的部件的固有物理特性，所以机械振荡的距离一直保持基本上固定。

基本上固定的振荡频率和基本上固定的振荡行程距离的一个问题是，这些特性中的任一个实际上可能不与熔池32和实际的球脱离同步。然而，如本文所述，控制器42可以动态地调节由电源54产生的电功率(例如，电压、电流或两者)，以补偿机械振荡系统102相对缺乏的精密性(即，经由较宽范围的振荡频率和振荡行程距离而缺乏操作的灵活性)。具体地，由电源54产生的电功率由控制器42基于与焊接过程相关的反馈(例如，焊接过程的阶段(诸如短路阶段154、电弧重建阶段158及诸如此类)的计时、机械振荡系统102的机械振荡的计时，及诸如此类)来控制。最简单的解决方案可以是使用传统的恒流(CC)焊接电源作为电源54。在这样的实施例中，如果振荡缩回距离足够大，则来自电源54的焊接电流可以设定在相对固定的电平，该相对固定的电平刚好足够高以每次一个球34地熔化焊丝电极28但仍然相对较低，从而没有造成多少熔池扰动，并且使得熔融材料不会从熔池32中喷出或从焊丝电极28的端部喷出(即，通常称为飞溅物)。在某些实施例中，控制器42可以使用控制回路来动态地调节平均电流和/或平均送丝速度以维持稳定的过程。

在某些实施例中，通过对焊接电压和/或电流(即，“波形”)实施动态变化，可以相对于相对恒定电流的过程改进该过程。如上所述，波形整形的示例包括Accu-Pulse^TM、RMD^TM和CSC焊接过程。此外，令人期望地能够实施相对简单和低成本的系统10，并且因此由控制器42实施的波形变化可以包括在焊丝电极28已经从熔池32分离(并且等离子体已经被重新点燃)之后增加电流。这样做将有助于形成下一个球34、有助于确保可能的熔池振荡不会重新附接到焊丝电极28，并且有助于增加可以熔敷的焊丝电极28的量，因为这是“安全”位置以将能量增加到过程而不增加不稳定过程的风险。此外，由控制器42实施的波形变化可以包括当焊丝电极28将要接触熔池32时减小电流。这样做将有助于焊丝电极28在试图接触熔池32时减少烧掉的机会、有助于减少焊丝电极28和熔球34接触熔池32并被不良计时的箍缩事件“排斥”的机会。此外，由控制器42实施的波形变化可以包括当焊丝电极28将要从熔融熔池32分离时减小电流。这样做将有助于在等离子体重新点燃时减小等离子体的力。减小该力(即，从无等离子体到等离子体)减小了熔池扰动、减少了飞溅物，并有助于使过程更稳定。

在某些实施例中，如果尚未重建电弧并且缩回完成或将要完成，则控制器42可以增加电流以迫使熔融柱在熔池32和焊丝电极28之间箍缩。在某些实施例中，如果焊丝电极28埋入熔池32中并且控制器42确定没有机械振荡系统102的缩回将重新点燃等离子体，则可能需要常规的箍缩事件。在这种情况下，控制器42可以调节波形以包括相对高的电流事件，从而液化焊丝电极28和/或箍缩焊丝电极28和/或熔池32的液体区域，并重新点燃电弧。另外，在某些实施例中，如果箍缩事件对于相对精密的3D零件将产生太大的力，则控制器42可以停止该过程并且需要手动重置系统10。

图8示出了根据由控制器42实施的示例性CSC波形以下各项的时间序列：由机械振荡系统102引起的焊丝电极28的送丝速度(WFS)(即，迹线132)、由电源54产生的电功率的电压(V)(即，迹线134)和由电源54产生的电功率的电流(I)(即，迹线136)。如图8所示，并且如在本文更详细描述的，焊丝电极28的送丝速度通常在正进给速率138和负进给速率140(即，在缩回期间)之间振荡，其中正进给速率138具有大于负进给速率140的量值，以使得焊丝电极28随着时间前进，如图5所示。每个迹线132、134、136的轴142旨在表示每个相应参数(即，送丝速度、电压和电流)的零值。图8示出了在轴线142上方的正送丝速度区域(例如，对应于正进给速率138)高于在轴线142下方的负送丝速度区域(例如，对应于负进给速率140)。这也将示出总送丝速度是恒定的前向送丝速度加上由机械振荡系统102导致的振荡的组合。

如图8所示，电流在短路(例如，间隔144)期间保持相对低。在短路清除(例如，间隔146)之后，在短时间(例如，在某些实施例中，在0.5-5.0毫秒之间)期间增加电流以形成球34。在某些实施例中，该电弧阶段可以具有恒定电压(CV)特性，其具有使球成形峰148的电流增加或减小的附加优点，从而根据焊丝电极28与熔池32的接近程度(例如电弧长度)而形成更大或更小的球34。这将有助于使烧熔速率与平均前向送丝速率平衡。可以通过球成形脉冲的持续时间或其幅度来实施CV特性。

然后，在形成球34之后，电流可以减小到相对低的电平150(例如，间隔152)。在某些实施例中，这可以具有恒定电流(CC)特性。然而，在其他实施例中，可以实施在相对低的电压电平下的CV特性，这可以有助于使进入的平均送丝速率与烧熔速率相匹配。理想地，该相对低的电流150将使得当焊丝电极28接近熔池32时，在球34和熔池32之间存在来自等离子体的最小力，并且使得当球34接触熔池32时产生最少的飞溅物或球排斥。电流将保持相对较低，等待焊丝电极28通过机械振荡系统102而从熔池32缩回，将球34留在熔池32中。在某些实施例中，可以实施在短路(例如，间隔144)期间的电流脉冲，该电流脉冲可以倾向于增加对焊丝电极28的电阻加热，但是如果短路清除同时仍然处于相对高的电流电平(例如，峰值148)，该电流脉冲也可以产生飞溅物。在某些实施例中，该脉冲电流的幅度可以受到恒压(CV)控制回路的影响，可以由控制器42限制该恒压控制回路的幅度或时间，以确保在短路清除时电流不处于相对高的电平。

应当注意，恒定电压(CV)状态往往给出一定量的动态功率，以帮助系统10使熔化速率与平均送丝速度相匹配。这种动态熔化提高了过程的稳健性。相反，功率是完全恒定电流(CC)的过程相对更难以与固定的送丝速度匹配。图9示出了根据由控制器42实施的另一示例性CSC波形以下各项的另一组时间序列：由机械振荡系统102(即，迹线132)引起的焊丝电极28的送丝速度(WFS)、由电源54产生的电功率的电压(V)(即，迹线134)和由电源54产生的电功率的电流(I)(即，迹线136)。具体地，图9示出了在每一球过渡期间焊丝电极28的一个振荡(例如，正进给速率138和负进给速率140的一个周期)。在一次球过渡期间，焊丝电极28完全可能具有多个振荡。具体地，如果球34形成脉冲熔化足够的焊丝电极28，则在焊丝电极28已经前进足够远而再次与熔池32接触之前，可能需要机械振荡系统102的两个振荡周期。通常，机械振荡系统102的主要功能是将焊丝电极28拉出熔池32，同时留下球34。

回到图9，在短路状态(例如，间隔154)期间，当焊丝电极28正在以正进给速率138被推进时，可以检测电压。例如，在某些实施例中，在本文描述的传感器72可以包括电压感测电路系统，该电压感测电路系统检测电压，并且将检测到的电压传送到控制器42(例如，以便控制器42可以例如通过检测电压的显著降低来确定已经启动短路状态154)。作为参考，在GMAW焊接中，短路阶段通常具有比电弧阶段低10-15伏的电压。也就是说，需要大约10伏特来使焊接气体电离以产生电弧。在短路状态154期间，电流保持在相对低的恒定电流(CC)电平156(例如，在某些实施例中小于50安培，或在5-30安培之间)，以便在短路清除时不产生大量飞溅物或熔池扰动。在某些实施例中，一旦建立短路状态154，除了使焊接功率与机械振荡同步之外，控制器42还可以向机械振荡系统102发送命令，以便以负进给速率140缩回焊丝电极28。在某些实施例中，指标传感器(index sensor)可以用于向控制器42提供焊丝电极28的位置(即，焊丝电极28是处于缩回位置还是前进位置)的显式反馈。在某些实施例中，传感器72可以被控制器42用来例如通过检测电压来确定短路状态154何时已经结束，由此允许控制器42基于电压的显著增加来确定短路已经被清除。

随后，在紧接在短路状态154之后发生的电弧重建状态(例如，间隔158)期间，在短时间段(例如，在某些实施例中，在100-300毫秒之间、在150-250毫秒之间，或大约200毫秒)中，控制器42将电流保持在相对低的恒定电流(CC)电平156，以便当焊丝电极28正在缩回时，可以用相对低的电流重建电弧。

一旦重建电弧，并且当焊丝电极28继续缩回时，在电弧重建状态158之后立刻发生的球成形状态(例如，间隔160)期间，控制器42将电流增加到相对较高的电流电平162，以将焊丝电极28从熔池32烧回并形成下一个球34。如图所示，在某些实施例中，可以由控制器42实施恒定电流(CC)斜坡164以驱动相对快速的电流跳变。在某些实施例中，可以由控制器42至少部分地基于焊丝电极28的尺寸(例如，直径)或特定合金和/或平均送丝速度来确定CC斜坡164的程度(即，电流从相对低的恒定电流电平156增加到峰值电流电平162的速率)。一旦达到峰值电流电平162，控制器42就可以对电流实施恒定电压(CV)控制回路以给予过程额外的稳健性。在某些实施例中，峰值电流电平162可以由控制器42限制，以避免转变到喷射模式。在某些实施例中，峰值电流电平162可以小于250安培、小于200安培，或甚至更小(例如，在某些实施例中，在150-200安培之间)。此外，峰值电流电平162由控制器42限制，以使等离子体在熔池32上的力最小化(即，限制焊透和熔池扰动)。

在球成形状态160中的固定时间量(例如，在某些实施例中，小于5毫秒、小于2毫秒，小于1毫秒，或甚至更短)之后，并且当焊丝电极28继续缩回时，在球成形状态160之后立刻发生的本底状态(例如，间隔166)期间，控制器42将电流从峰值电流电平162降低到相对低的电流电平168，以开始本底状态166。一旦达到相对低的本底电流电平168，控制器42就可以切换到恒压(CV)控制回路以改进过程稳健性。在某些实施例中，本底电流电平168可以被限制为小于50安培，或者在5-30安培之间，以使得等离子体不会将熔池32推离下一个短路太多，从而不会形成太大的球34，并且不会将太多热量放入熔池32中。在某些实施例中，一旦达到相对低的本底电流电平168，除了使焊接功率与机械振荡同步之外，控制器42还可以向机械振荡系统102发送命令，以再次开始以正进给速率138推进焊丝电极28。一旦完成本底状态166，循环将再次重复(即，下一短路状态154)。

如图9所示，由控制器42实施的CSC过程在某些实施例中可以包括若干可替代的特征。例如，在某些实施例中，图9所示的CSC过程的所有状态154、158、160、166可以是恒定电流(CC)或恒定电压(CV)。例如，所有状态154、158、160、166可以是CC，但是该过程并不十分稳健。或者，状态154、158、160、166中的仅一者可以为CV以给出一定量的动态熔化来帮助系统10使熔化速率与平均送丝速度匹配。此外，在某些实施例中，控制器42可以使用运行平均电压来近似弧长，然后至少部分地基于运行平均电压来驱动球成形状态160的持续时间。换言之，如果电弧长度由控制器42确定为比期望的短(例如，指示烧断没有跟上送丝速度)，则控制器42可以改变球成形状态160的持续时间以熔化更多的进入的焊丝电极28，从而产生用于下一次球熔敷的更大的球34和/或增加振荡频率以便每单位时间熔敷更多的球34。另外，在某些实施例中，控制器42可以主要实施CC功率，并且改变进入的焊丝电极28的速度。换句话说，如果平均电压被控制器42确定为太低(例如，指示相对低的平均电弧长度)，则控制器42可以降低来自进给器24的送丝速度以增加电弧长度。这样做将倾向于使进给速率与熔融速率匹配。然而，由于机械振荡系统102的马达110的动态控制通常比电控制回路慢，因此以这种方式调节送丝速度不能实施精确控制。

另外，在某些实施例中，控制器42可以实施常规CV控制回路，但施加某些限制。图10示出了根据由控制器42实施的另一示例性CSC波形以下各项的另一组时间序列：由机械振荡系统102引起的焊丝电极28的送丝速度(WFS)(即迹线132)、由电源54产生的电功率的电压(V)(即迹线134)和由电源54产生的电功率的电流(I)(即迹线136)，其中在某些限制下使用常规CV控制回路。具体地，如图10所示，控制器42可以允许CV过程“正常地”(即，以常规方式)运行，但将短路状态154期间的电流限制到比本底电流电平168(约30-150安培)低的电流电平170(约10-100安培)，且还可能限制峰值电流电平162(约100-300安培)。如图10所示，在某些实施例中，与上面关于图9讨论的CC斜坡164相反，控制器42可以实施恒定电压(CV)斜坡172，以便以比CC斜坡164更平滑、更渐近的方式将电流从相对较低的短路电流电平170驱动到峰值电流电平162。实际上，常规PID控制回路的积分分量在短路期间保持为低之后将被“大幅增长”。因此，一旦被允许这样做，在短路结束时，该积分分量就将自然地上升。在球34形成之后，电压控制回路将得到满足，并且误差将下降，电流也将下降。通常，CV控制回路是以最小努力实施稳健设计的简单方式。

如本文所述，机械振荡系统102的相对固定的缩回/前进和相对固定的频率的公认缺点是，可能相对难以与熔池32以及球34的实际脱离同步。因此，考虑到这一点，本文描述的控制器42的实施例控制产生等离子体和熔化焊丝电极28的电功率，以补偿机械振荡系统102缺乏的精密性。通常，电功率(例如，焊接功率)受控于由机械振荡系统102执行的机械过程。最简单的解决方案是使用传统的恒流(CC)焊接电源(例如，作为电源54)。换言之，如果缩回距离足够大，则焊接电流可以被设定为并保持在相对固定的电平。该相对固定的电流电平必须足够高以便每次一个球34地熔化焊丝电极28。相对固定的电流电平将相对低，从而其不会导致很多熔池扰动，也不会从熔池32或从焊丝电极28的端部喷出熔融材料(即，通常称为飞溅物)。然而，在这样的实施例中，CC熔化速率必须匹配送丝速度。在这样的实施例中，只要CC控制回路中的下降意味着随着电压增加而电流略微减小，焊接电源(例如，电源54)和/或电压感测进给器(例如，进给器24)的CC响应中的略微“下降”就将使得该CC方法更稳健。

在某些实施例中，可以利用焊接电流的简单动态改变来改进该过程，如图8-10所示。如图8-10所示，以相对简单和低成本的系统10为目标，由控制器42实施的波形变化相对最小。例如，在焊丝电极28已经从熔池32分离之后增加电流将有助于形成下一个球34、有助于确保可能的熔池振荡不会重新附接到焊丝电极28，并且有助于增加可以熔敷的焊丝电极28的量。因为这是“安全的”位置，从而在不增加任何不稳定性的风险的情况下向该过程增加能量。此外，当焊丝电极28将要接触熔池32时减小电流将有助于减小焊丝电极28在试图接触熔池32时烧掉的机会，并且将有助于减小焊丝电极28和熔融球34接触熔池32并被“排斥”的机会。此外，当焊丝电极28将要从熔融熔池32分离时减小电流将有助于在等离子体重新点燃时(即，在电弧重建状态158期间)减小等离子体的力。减小该力(例如，从无等离子体到等离子体)减小了熔池扰动，并有助于使该过程更稳定。通常，如果尚未重建电弧，并且焊丝电极28的缩回结束或将要结束，则必须通过控制器42来增加电流以迫使熔融柱在熔池32和焊丝电极28之间箍缩。在某些实施例中，控制器42可以在短路状态154期间增加电流以实现对焊丝电极28的一些电阻加热。这样做将有助于将热量加入焊丝电极28中，而不需要将更多的热量加入熔池32中，从而减少了对等离子体花费时间的需要，进而减少了进入熔池32中的热量，这对于例如小零件的构建可能是有利的。

另外，在某些实施例中，在短路状态154期间，控制器42使电流保持相对较低。在短路清除之后，在相对短(例如，在某些实施例中，小于40毫秒、小于5毫秒、小于1毫秒或甚至更短)的时间期间，控制器42可以使电流增加(例如，在球成形状态160期间)以形成球34。在某些实施例中，球成形状态160将包括恒定电压(CV)特性，因此具有使球成形峰值电流电平162增加或减小的附加优点，从而根据焊丝电极28到熔池32的接近程度(例如电弧长度)形成更大或更小的球34。CV特性将有助于使烧熔速率与平均前向送丝速率平衡。在某些实施例中，可以由控制器42通过调节球成形状态160的持续时间或其幅度来实现CV特性。

然后，在形成球34之后，控制器42可以将电流减小到相对低的本底电流电平168。在图8所示的实施例中，该电流减小将具有恒定电流(CC)特性。然而，在图9和10所示的实施例中，这种电流减小将具有恒定电压(CV)特性，这将有助于使进入的平均送丝速率与烧熔速率相匹配。通常，控制器42将使相对低的本底电流电平168保持足够低，以便当焊丝电极28接近熔池32时，从等离子体作用到熔池32上的力最小，并且当球34接触熔池32时产生最少的飞溅物。另外，当控制器42等待焊丝电极28从熔池32缩回而将球34留在熔池32中时，将保持相对低的本底电流电平168。

在某些实施例中，控制器42可以在短路状态154期间导致电流脉冲，这将趋向于增加对焊丝电极28的电阻加热，但是如果短路清除同时仍然处于相对较高的脉冲电流电平，则还可能产生更多的飞溅物。在某些实施例中，控制器42可以实施“安全网”短路清除状态，以应对当焊丝电极28没有从熔池32充分缩回时的情况(例如，当短路状态154的持续时间比由机械振荡系统102导致的焊丝电极28的一个或两个完整机械振荡周期更长时)。这种短路清除状态可以包括完全停止该过程，或者实施相对高电流的短路清除能量脉冲。

为了描述在本文描述的系统10的操作，将给出具体示例。具体地，假设焊丝电极28具有每分钟120英寸或每秒2英寸的正净总送丝速度(即，包括向前进给和缩回)，其对于送丝速率而言相对较慢，并且假设机械振荡系统102使焊丝电极28以每秒60次振荡的基本上固定的速率振荡，则焊丝电极28以每2英寸横移60次上下振动。因此，通常，焊丝电极28应该每隔2英寸横越烧掉60个熔融金属球34。因此，使焊丝电极28前进，以便每个球34将消耗焊丝电极28的大约2/60英寸(即，大约0.0333英寸)。

此外，如果机械振荡系统102使焊丝电极28以每秒60次振荡的基本固定的速率振荡，并且如果焊丝电极28的向前运动的每个阶段的持续时间大约等于焊丝电极28的缩回的每个阶段的持续时间，则焊丝电极28的向前运动和缩回的阶段的持续时间等于大约1/120秒(即，大约8.333毫秒)。在焊丝电极28从进给器24稳定向前推进的每秒2英寸的速率下，当焊丝电极28正在缩回时，焊丝电极28移动焊丝电极28的大约0.01667英寸(即，2英寸/秒×0.008333秒)。通常，焊丝电极28必须缩回大约0.01667英寸加上断开液桥所需的距离(例如，单个球34的直径可以估计为大约0.05英寸)。因此，焊丝电极28的总缩回距离必须最小为约0.05+0.01667＝约0.06667英寸。通常，缩回所花费的时间量减少使得在缩回发生时将推进的焊丝电极28的量减小。

当等离子体再点燃时，其将熔化焊丝电极28，这使得熔融球34必须向前移动以与熔池32重新连接的距离增加。假设已经形成新的球34，并且已经熔化大约0.0333英寸的焊丝电极28以形成0.05英寸直径的球34，通过向前移动大于0.1英寸或缩回，几乎保证了熔融球34与熔池32重新连接或分离。在这种情况下，该距离是球34的直径的两倍，并且是相对较小的行进距离。

比焊丝电极28的直径略大的球34的直径对于其他焊接过程也是常见的。通常，缩回的速度应当明显快于前进的向前运动的速度。此外，缩回的相对固定的行进距离应当足以将焊丝电极28从熔融熔池32中拉出。此外，表面张力将倾向于使熔融金属从熔池32“粘”到焊丝电极28，因此缩回的行进距离应当足以克服该表面张力。

通常，流过液体导体的电流将导致液体导体收缩。这被称为“箍缩效应”。对于传统的MIG焊接过程，使用相对高的峰值电流来将焊丝从液体熔池分离。然而，该相对高的电流也重新点燃等离子体，以相对强的力扰动熔融熔池，并在过程中增加一定量的易变性。理想地，在相对低的电流下重新点燃等离子体，从而很少发生扰动。

在本文描述的实施例中，通过缩回焊丝电极28，焊丝电极28将从熔池32分离。如果焊丝电极28没有完全分离，则可以增加更多的电流以驱动电箍缩。由于缩回可能使液柱变窄，因此所需电流仍然小于没有缩回时的电流。对于直径相对小的焊丝，液体球34(以及随后在焊丝电极28的端部和熔池32之间的液柱)将具有较小的直径，并且可以使用较短的缩回。速度不一定是低成本系统10的关键性能要求。此外，较小直径的焊丝电极28将产生较小的球和较窄的熔池32，这将为成品零件提供较大的分辨率。通常，可以为了分辨率、精度和减少焊透而牺牲制造零件的速度。

某些替代方案可以用于本文所述的系统10。例如，代替使用本文描述的CSC过程，在某些实施例中，MIG焊接过程可以由控制器42和电源54实施。在这样的实施例中，由机械振荡系统102导致的机械缩回确保更好的启动和更少的问题。此外，在其他实施例中，RMD焊接过程也可以由控制器42和电源54实施。在这样的实施例中，RMD过程可以由控制器42针对特定应用进行优化。另外，在其他实施例中，可以由控制器42和电源54实施修改的埋弧焊(SAW)过程。在这样的实施例中，焊剂将允许成品零件具有不同的冶金特性。在本文描述的所有实施例中，可以使用焊丝电极28的不同合金，尤其是有芯焊丝，以在成品零件中获得独特的冶金特性。

通常，本文描述的实施例旨在通过相对低成本的机械振荡系统102来增强球34的分离。在某些实施例中，机械振荡系统102可以像气动钻一样沿着焊丝电极28向下发送冲击波。液柱中的这种振动可以使液柱开始收缩。一旦该收缩开始，如果有足够的电流，则将开始箍缩效应。

在某些实施例中，形成3D零件的增材焊接过程将一个焊道置于先前焊道上面以形成零件。如果基体被熔接到第一焊道，则必须使用基体。在这样的实施例中，可以使用导电和冷却板，例如水冷式铜块。这种块不会与焊道熔接。这将允许零件(具体地第一层和底层)更灵活地形成。

另外，本文描述的实施例能够实施相对低成本的系统10，该系统10包括机械振荡系统102，该机械振荡系统102具有相对固定的行进距离和相对有限的振荡频率范围，以使焊丝电极28在向前运动和缩回之间振荡。有助于降低系统10的成本的机械振荡系统102相对缺乏的精密性由控制器42通过电源54执行本文所述的CSC过程来补偿。

本文描述的实施例还可以促进更好的起弧。起弧是使用消耗性电极的电弧焊中的长久问题，并且其经济性在短缝焊接(诸如汽车座椅)中被放大。通常，以缓慢的进给速率(称为磨合速度)进给焊丝，直到发生短路。此后，从焊接电源输出电流浪涌以点燃电弧或像熔断器那样熔断短路，希望导致电弧点燃。然而，根据焊丝和工件之间的初始接触的条件，熔断器爆炸和电弧点火可能不平稳。如果接触电阻较低，例如当焊丝端部不尖锐时，焊丝短切(stub out)并且从接触末端延伸的整个焊丝可以像飞棒(flying baton)一样断开，或者焊丝可以就像面条一样受热弯曲。确实存在用于更好地起弧的补救措施以存在适度的电弧点火，但也带来损失。例如，较慢的磨合速度浪费机器人循环时间；焊丝缩回启动需要昂贵的机动化焊炬，并且在电弧端处的焊丝锐化脉冲可能产生凹坑缺陷。

在本文描述的系统10可以用于至少部分地由于由机械振荡系统102产生的焊丝电极28的振荡而促进初始的焊丝与工件接触(或“擦弧”(scratch starting))。通常，可以操纵焊丝电极28的振荡，以便在焊丝电极28和工件16、18之间产生轻微接触，由此增加接触电阻R并使对焊丝电极28的接触工件16、18的末端的I²R(即，电流(I)平方乘以电阻(R))加热增大。随着电阻R的增加，相同的电流I可以产生增加的热效应以点燃电弧。

图11是描述在某些实施例中可以由在本文描述的系统10实施的起弧过程174的流程图。起弧过程174可以在控制器42已经接收到起弧命令(例如，在手动焊接中操作者正在拉动焊炬20的触发器80，或者例如在机器人焊接中正在推动机器人循环启动按钮)时开始(框176)。一旦控制器42已经接收到起弧命令，控制器42就可以向机械振荡系统102发送命令以启动焊丝电极28的振荡(框178)。另外，控制器42可以向进给器24发送命令以开始将焊丝电极28进给到焊炬20(框180)。然后，一个或多个传感器72可以用于感测在焊丝电极28和工件16、18之间的电弧是否已经建立(框182)。例如，在某些实施例中，传感器72可以包括电压感测电路系统和/或电流感测电路系统，其可以用于检测电压和/或电流何时越过预定阈值，例如14伏。一经确定电弧建立条件已经发生，控制器42就可以向机械振荡系统102发送命令以停止焊丝电极28的振荡(框184)，这将减小对机械振荡系统102的马达110的工作循环要求，由此减小机械振荡系统102的成本和重量要求。然后，控制器42可以向进给器24发送命令，以将焊丝电极28的进给速率斜升到期望的送丝速度(框186)，该期望的送丝速度可以经由操作员接口78来设定。

参考图11描述的起弧过程174(其可以由本文描述的系统10实施)可以提供优于传统起弧方法的几个优点。例如，起弧过程174提供比传统的起弧方法更可靠的起弧，从而导致更少的停机时间并产生更少量的飞溅物。这两个优点在短焊缝和多个起弧应用中是非常重要的。此外，至少部分地由于相对低成本的机械振荡系统102的实施，起弧过程174的成本相对低于传统的起弧方法。另外，在磨合速度可以增加同时仍然产生可靠的起弧的情况下，起弧过程174减少了周期时间。此外，在需要相对较低的电弧电流同时仍然产生可靠的起弧的情况下，起弧过程174减少电磁干扰(EMI)和电磁场(EMF)。另外，起弧过程174由于较少的电腐蚀而增加了接触末端寿命，否则电腐蚀可能由建立电弧时相对较低的电弧电流浪涌导致。另外，可由本文所述的系统10实施的参考图11描述的起弧过程174可以在若干应用中提供与起弧相关的优点，所述应用包括但不限于气体金属极电弧焊接(GMAW)，包括MIG焊接；SAW；焊丝钎焊；堆焊，包括包覆和/或表面硬化；多丝GMAW/SAW；GMAW-激光混合焊接；及诸如此类。

虽然本文仅已经说明和描述了本公开的某些特征，但本领域技术人员将想到多种修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本公开的真实精神内的所有这些修改和改变。

Claims

1.一种系统，包含：

焊接工具，所述焊接工具被配置成从送丝器接收焊丝、从电源接收焊接功率，并且在焊接过程期间将所述焊丝供应到工件；以及

机械振荡系统，所述机械振荡系统被配置成使结构部件朝向和远离所述工件机械地振荡，其中所述结构部件在所述送丝器和所述电源的外部。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述结构部件至少部分地布置在所述焊接工具内。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述焊接工具包含所述机械振荡系统和所述结构部件。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述焊接工具是手持式焊接工具。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述焊接工具是机器人焊接工具。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述结构部件包含衬套。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述焊接过程包含金属极惰性气体(MIG)焊接过程。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述焊丝延伸穿过所述结构部件。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述结构部件的机械振荡具有基本上固定的行进距离。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述结构部件的机械振荡具有基本上固定的频率。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述机械振荡系统包含马达和联接到所述马达的机械联动组装件，其中所述机械联动组装件固定地附接到所述结构部件。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述焊接工具包含延伸到所述结构部件中的衬套，所述焊丝延伸穿过所述衬套，并且所述结构部件直接联接到所述衬套。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述机械联动组装件包含与所述马达联接的凸轮，以及与所述凸轮联接的活塞，其中所述活塞被固定地附接到所述结构部件。

14.一种系统，包含：

焊接工具，所述焊接工具被配置成从送丝器接收焊丝、从电源接收焊接功率，并且在焊接过程期间将所述焊丝供应到工件；

机械振荡系统，所述机械振荡系统被配置成使结构部件朝向和远离所述工件机械地振荡，其中所述结构部件在所述送丝器和所述电源的外部；以及

控制电路系统，所述控制电路系统被配置成基于与所述焊接过程相关的反馈来控制所述焊接功率。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成至少部分地基于与在所述焊接过程期间在所述焊丝和所述工件之间发生的短路的计时相关的反馈来控制所述焊接功率。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成至少部分地基于从检测所述焊接功率的电压电平的传感器接收的反馈来确定何时发生所述短路。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成在增加所述焊接功率的所述电流电平之前，在所述短路结束之后在100-300毫秒之间的时间段期间保持所述焊接功率的电流电平基本恒定。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成在所述短路结束之后将所述焊接功率的电流电平增加到峰值电流电平。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成使用恒定电流(CC)斜坡将所述电流电平增加到所述峰值电流电平。

20.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成至少部分地基于所述焊丝的直径、所述焊丝的平均送丝速度或其组合来确定所述电流电平到所述峰值电流电平的增加速率。

21.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成以渐近方式将所述电流电平增加到所述峰值电流电平。

22.根据权利要求18所述的系统，其中所述峰值电流电平小于250安培。

23.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成将所述电流电平从所述峰值电流电平降低到本底电流电平。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述本底电流电平小于50安培。

25.根据权利要求23所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成在将所述电流电平减小到所述本底电流电平之前在固定的时间量期间将所述电流电平维持在所述峰值电流电平。

26.根据权利要求23所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成当达到所述本底电流电平时使所述焊接功率的电压电平保持基本恒定。

27.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成至少部分地基于与在所述焊接过程期间在所述焊丝和所述工件之间发生的焊接电弧的计时相关的反馈来控制所述焊接功率。

28.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成至少部分地基于与所述结构部件的机械振荡相关的反馈来控制所述焊接功率。

29.根据权利要求14所述的系统，包含控制电路系统，所述控制电路系统被配置成控制所述结构部件的机械振荡。

30.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制电路系统被配置成至少部分地基于与所述焊接过程相关的所述反馈，在恒流(CC)操作模式和恒压(CV)操作模式之间切换。

31.一种系统，包含：

焊接工具，所述焊接工具被配置成接收焊丝并且将所述焊丝供应到工件，其中所述焊接工具包含机械振荡系统，所述机械振荡系统被配置成朝向和远离所述工件机械地振荡所述焊接工具的结构部件；以及

控制电路系统，所述控制电路系统被配置成接收起弧命令、控制所述机械振荡系统来启动所述结构部件的振荡、控制送丝器开始进给所述焊丝、至少部分地基于从传感器接收的反馈而确定在所述焊丝和所述工件之间的电弧是否被引发、一旦确定所述电弧建立时就控制所述机械振荡系统停止所述结构部件的振荡，并且控制所述送丝器而将所述焊丝的送丝速度增加到期望的送丝速度。

32.根据权利要求31所述的系统，其中所述传感器包含电压感测电路系统、电流感测电路系统，或它们的组合，所述电压感测电路系统被配置成检测从电源向所述焊接工具输送的焊接功率的电压电平，所述电流感测电路系统被配置成检测所述焊接功率的电流电平。

33.根据权利要求31所述的系统，其中所述焊丝延伸穿过所述结构部件。

34.根据权利要求31所述的系统，其中所述结构部件的机械振荡具有基本上固定的行进距离。

35.根据权利要求31所述的系统，其中所述结构部件的机械振荡具有基本上固定的频率。

36.根据权利要求31所述的系统，其中所述机械振荡系统包含马达以及与所述马达联接的机械联动组装件，其中所述机械联动组装件固定地附接到所述结构部件。

37.根据权利要求36所述的系统，其中所述机械联动组装件包含联接到所述马达的凸轮，以及联接到所述凸轮的活塞，其中所述活塞被固定地附接到所述结构部件。

38.根据权利要求31所述的系统，其中所述焊接工具包含延伸到所述结构部件中的衬套，所述焊丝延伸穿过所述衬套，并且所述结构部件直接联接到所述衬套。