CN111491756A - 通过预加热焊丝并且感应加热工件进行焊接的系统、方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了通过预加热焊丝并且感应加热工件进行焊接的系统、方法和设备。一种示例焊接系统包括：焊接电流源，该焊接电流源被配置为向焊接电路提供焊接电流，该焊接电路包括电极丝和焊炬的第一接触端头；电极预加热电路，该电极预加热电路被配置为将预加热电流经由该焊炬的第二接触端头提供通过该电极丝的第一部分；以及至少一个感应加热线圈，该至少一个感应加热线圈被配置为向工件施加感应热量，该焊接电流源、该电极预加热电路和该感应加热线圈被配置为对该工件执行预加热操作和焊接操作。

Description

通过预加热焊丝并且感应加热工件进行焊接的系统、方法和 设备

背景技术

本公开总体上涉及焊接，更具体地涉及通过预加热焊丝并且感应加热工件进行焊接的系统、方法和设备。

焊接是在所有行业中越来越普遍的过程。焊接就其核心简单而言是使两块金属结合的方式。各种各样的焊接系统和焊接控制方案已经被实施用于各种用途。在连续焊接操作中，金属惰性气体(MIG)焊接和埋弧焊(SAW)技术允许通过进给由来自焊炬的惰性气体保护的焊丝和/或焊剂来形成连续焊道。这种送丝系统可供用于其他焊接系统，例如钨极惰性气体保护(TIG)焊。向焊丝施加电功率并且电路穿过工件而完成以维持焊接电弧，该焊接电弧使电极丝和工件熔化从而形成所需焊缝。

生产率在任何制造操作中都很重要。在许多制造操作中，工件的焊接是生产高质量组装件的重要组成部分。已经使用并正在开发许多焊接系统，包括气体金属电弧焊(GMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)、保护金属电弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)等。取决于因素诸如要接合的部分、材料的尺寸和厚度、期望的最终组装件和使用的材料，可以使用这些焊接系统中的任一种。

尽管这些焊接技术在很多应用中非常有效，但基于焊接在电极是“冷”还是“热”的情况下开始，可能有不同的初始焊接表现。一般地，冷电极启动可以被认为是电极端头和相邻金属处于或相对接近环境温度时的启动。相比之下，热电极启动典型地是电极端头和相邻金属的温度高得多但低于电极丝的熔点时的启动。在一些应用中，在电极是热的时被认为有助于引发焊接电弧和焊接。然而，目前的现有技术没有提供被设计为确保电极在焊接操作开始之前被加热的方案。

附图说明

图1是包括感应加热系统的示例性焊接系统的框图，该感应加热系统被配置为在焊接过程之前升高焊缝位置的温度。

图2是展示了根据本公开的方面图1的焊接系统和感应加热系统的示例性功能部件的框图。

图3是展示了根据本公开的方面图1的焊接系统和感应加热系统的示例性功能部件的框图。

图4是根据本公开的方面混合型感应加热/焊接组装件的实施例上的内部部件的透视图，包括完全地包围感应加热线圈的保护壳体的实施例。

图5是根据本公开的方面保护壳体的实施例的透视图，该保护壳体设置在感应加热线圈与对应的通量集中器材料(flux concentrator material)和焊炬之间。

图6是根据本公开的方面混合型感应加热/焊接组装件的实施例的内部部件的透视图。

图7A和图7B展示了根据本公开的方面用于对接接头的两个感应加热线圈配置。

图8A至图8H展示了根据本公开的方面用于T形角焊接头的各种感应加热线圈配置。

图9A和图9B分别展示了根据本公开的方面在对接接头和T形角焊接头中使用的各种形状的焊缝背衬垫。

图10A和图10B展示了根据本公开的方面在混合型感应加热/焊接组装件的感应加热线圈与工件的表面之间的线圈相隔距离(coil standoff distance)。

图11A和图11B分别展示了根据本公开的方面对于对接接头和T形角焊接头在工件之间的各种焊接间隙距离。

图12展示了使用V形接头轮廓的常规焊接操作，其中随之从焊接电弧损失能量。

图13展示了根据本公开的方面感应加热和电弧加热的施加可以如何结合以在窄间隙焊缝中进行平衡加热。

图14A和图14B展示了根据本公开的方面各种感应加热线圈配置。

图15A和图15B展示了根据本公开的方面多个感应加热线圈的各种配置。

图16展示了根据本公开的方面使用混合型感应电弧焊接过程执行窄间隙焊接。

图17展示了可以由常规对接焊接电弧产生的非均匀热量分布、以及工件从其原始形状到变形形状的变形。

图18展示了根据本公开的方面可以使用混合型感应电弧焊接过程在对接焊缝中产生的均匀热量分布。

图19展示了可以由常规T形角焊焊接电弧产生的热量分布以及工件从其原始形状到变形形状的变形。

图20展示了根据本公开的方面可以使用混合型感应电弧焊接过程在T形角焊焊缝中产生的热量分布。

图21是可以用于实施图3的焊炬和接触端头的示例喷嘴组装件的截面图。

图22是表示可以被执行以通过使用感应预加热将工件预加热并使用电阻预加热将电极丝预加热来执行焊接的方法的流程图。

图23是表示可以被执行以通过使用感应预加热将工件预加热并使用电阻预加热将电极丝预加热来执行焊接的方法的流程图。

附图未按比例绘制。在适当情况下，相同或相似的附图标记用于在附图中指代相似或相同的元件。

具体实施方式

为了促进对本公开的原理的理解，现在将参考附图中所示的示例，并且将使用特定语言来描述这些示例。然而应理解，本公开并不意在限制权利要求的范围。所示示例的修改和本文中所示的本公开的原理的这种进一步应用被视为本公开所涉及的技术领域中的技术人员通常将想到的。

如本文中所使用的，词语“示例性”是指“用作示例、实例或例子”。本文中所描述的实施例不是限制性的，而仅是示例性的。应当理解，所描述的实施例不一定被解释为较其他实施例是优选的或有利的。而且，术语“本发明的实施例”、“实施例”或“发明”不要求本发明的所有实施例都包括所讨论的特征、优点或操作模式。

如本文中所使用的，术语“电路”和“电路系统”是指物理电子部件(即，硬件)以及任何软件和/或固件(代码)，所述软件和/或固件可以配置硬件、由硬件执行和/或以其他方式与硬件相关联。如本文中所使用的，例如，特定的处理器和存储器，当执行第一组一行或多行代码时，可以包括第一“电路”，并且当执行第二组一行或多行代码时，可以包括第二“电路”。如本文中所使用的，“和/或”是指列表中由“和/或”连接的项中的任何一项或多项。例如，“x和/或y”是指三元素集合{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换言之，“x和/或y”是指“x和y中的一个或两个”。作为另一示例，“x、y和/或z”是指七元素集合{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换言之，“x、y和/或z”是指“x、y和z中的一个或多个”。如本文中所使用的，术语“示例性”是指用作非限制性示例、实例或例子。如本文中所使用的，术语“例如”和“诸如”列出一个或多个非限制性示例、实例或例子的清单。如本文中所使用的，每当电路系统包括用于执行功能所需的硬件和代码(如果有必要)时，该电路系统就是“可操作”以执行该功能，而无论该功能的执行是否被禁用或未被启用(例如，通过操作员可配置的设置、出厂调节等)。

如本文中所使用的，送丝焊接式系统是指能够执行焊接(例如，气体金属电弧焊(GMAW)、气体钨极电弧焊(GTAW)等)、钎焊、包覆、耐磨堆焊和/或其他过程的系统，其中通过送至工作位置(诸如电弧或焊接熔池)的焊丝提供填充金属。

如本文中所使用的，焊接型电源是指在被施加功率时能够提供焊接、包覆、等离子切割、感应加热、激光(包括激光焊接和激光熔覆)、碳弧切割或碳弧气刨、和/或电阻预加热的任何装置，包括但不限于变压器-整流器、逆变器、转换器、谐振电力供应器、准谐振电力供应器、开关模式电力供应器等、以及与其相关联的控制电路系统和其他辅助电路系统。

如本文中所使用的，预加热是指在焊接电弧和/或电极丝熔敷在行进路径上之前加热电极丝。

一些公开的示例描述了“从”和/或“向”电路和/或电力供应器中的位置传导电流。类似地，一些公开的示例描述了经由一个或多个路径“提供”电流，所述路径可以包括一个或多个导电元件或部分导电的元件。用于描述电流传导的术语“从”、“向”和“提供”并不需要电流的方向或极性。反而，即使提供或图示了示例电流极性或方向，对于给定电路，这些电流也可以沿任一方向传导或具有任一极性。

公开了一种混合型感应金属加工方法，其将感应加热源与金属加工系统(诸如焊接系统)结合使用。虽然实施例在本文中被描述为焊接过程，但公开的示例可以更一般地用于金属加工过程，诸如切割操作、包覆操作、弯曲操作、热处理操作、准备和后加工操作及诸如此类。在至少一些所描述的实施例中，假设GMAW过程利用一个或多个焊接电源、一个或多个接收功率和保护气体的焊炬、以及一个或多个送丝器来通过一个或多个焊炬提供所需的功率、气体和焊丝电极。

此外，本公开的实施例可以与以下申请中阐述的系统和过程中的一种或多种结合使用，每个申请出于所有目的通过援引以其全文并入：由Holverson等人在2011年5月19日提交的发明名称为“AUXILIARY WELDING HEATING SYSTEM[辅助焊接加热系统]”的美国专利申请序列号13/111,433；由Beistle等人在2014年5月16日提交的发明名称为“INDUCTIONHEATING SYSTEM[感应加热系统]”的美国专利申请序列号14/280,164；由Verhagen等人在2014年5月16日提交的发明名称为“INDUCTION HEATING SYSTEM TEMPERATURE SENSORASSEMBLY[感应加热系统温度传感器组装件]”的美国专利申请序列号14/280,197；由Garvey等人在2014年5月16日提交的发明名称为“INDUCTION HEATING SYSTEM TRAVELSENSOR ASSEMBLY[感应加热系统行程传感器组装件]”的美国专利申请序列号14/280,227；由Albrecht等人在2014年9月23日提交的发明名称为“METAL HEATING AND WORKINGSYSTEM AND METHOD[金属加热与加工系统及方法]”的美国专利申请序列号14/494,248；由Jones等人在2014年11月4日提交的发明名称为“LARGE SCALE METAL FORMING[大型金属成形]”的美国专利申请序列号14/532,695；由Jones等人在2015年5月6日提交的发明名称为“LARGE SCALE METAL FORMING CONTROL SYSTEM AND METHOD[大型金属成形控制系统和方法]”的美国专利申请序列号14/705,738；由Jones等人在2015年10月9日提交的发明名称为“High-productivity hybrid induction heating/welding assembly[高生产率混合型感应加热/焊接组装件]”的美国专利申请序列号14/879,727；由Jones等人在2015年10月9日提交的发明名称为“Reduced-distortion hybrid induction heating/welding assembly[减少变形的混合型感应加热/焊接组装件]”的美国专利申请序列号14/879,716；以及由Jones等人在2015年10月9日提交的发明名称为“Hybrid induction heating/weldingassembly[混合型感应加热/焊接组装件]”的美国专利申请序列号14/879,735。

公开的示例焊接系统包括：焊接电流源，以便向焊接电路提供焊接电流，其中该焊接电路包括电极丝和焊炬的第一接触端头；电极预加热电路，以提供预加热电流经由焊炬的第二接触端头通过电极丝的第一部分；以及至少一个感应加热线圈，以便向工件施加感应热量，其中焊接电流源、电极预加热电路和感应加热线圈对工件执行预加热操作和焊接操作。

在一些示例焊接系统中，焊接电流源和电极预加热电路在工件中产生焊接热量分布，其中至少一个感应加热线圈通过施加感应热量而在工件中产生感应热量分布，并且焊接电流源、电极预加热电路和至少一个感应加热线圈将焊接热量分布与感应热量分布组合以在工件中产生组合热量分布。一些这种示例系统进一步包括控制电路系统以便：在焊接操作期间基于输入来估计工件中的焊接热量分布和感应热量分布；基于估计的焊接热量分布和估计的感应热量分布来估计组合热量分布；以及基于估计的组合热量分布来控制焊炬、至少一个感应加热线圈或这两者的定位。

在一些此类示例中，控制电路系统基于来自一个或多个传感器的反馈来估计工件中的焊接热量分布或感应热量分布中的至少一个。在一些示例中，一个或多个传感器包括以下中的至少一个：位置检测传感器以检测焊炬或至少一个感应加热线圈中的至少一个相对于工件的位置；或温度传感器以检测工件附近的温度。

一些示例系统进一步包括控制电路，以便将组合热量分布与预定热量分布进行比较，并且基于该比较来控制焊接电流、预加热电流、感应热量、焊炬的定位或至少一个感应加热线圈的定位中的至少一者。在一些示例中，焊接热量分布包括工件中的第一预定热量分配，并且感应热量分布包括工件中的第二预定热量分配。

一些示例焊接系统进一步包括控制电路系统，以便通过向至少一个机器人操纵器传输控制信号来控制焊炬、至少一个感应加热线圈或这两者的定位。在一些示例中，控制电路系统控制焊炬、至少一个感应加热线圈或这两者的定位，以最小化工件的变形。在一些示例中，控制电路系统控制焊炬、至少一个感应加热线圈或这两者的定位，以在工件的内表面上产生基本上均匀分布的热量。

一些示例焊接系统进一步包括控制电路系统，以便基于对工件的目标热量输入来控制焊接电流、预加热电流或感应热量中的至少一者。一些示例进一步包括控制电路系统，以便基于对至少一个感应加热线圈提供的功率或在由至少一个感应加热线圈进行加热后由温度传感器感测到的工件的温度中的至少一者来控制焊接电流、焊接电压、预加热电压或预加热电流中的至少一者。

在一些示例中，在电极丝离开第一接触端头之前，电极预加热电路经由预加热电流来减少电极丝中的铸造物(cast)。一些示例焊接系统进一步包括控制电路，以便基于焊接电流或预加热电流中的至少一者来确定焊炬的接触端头到工件距离的变化，并且基于接触端头到工件距离的变化来调整预加热电流或送丝速度中的至少一者。一些示例焊接系统进一步包括：预加热反馈电路，该预加热反馈电路被配置为测量预加热电压；以及控制电路，该控制电路被配置为：基于该预加热电压来控制该预加热电流；并且响应于检测到由预加热反馈电路测量到的无效预加热电压而控制电极预加热电路来调整预加热电流。

一些示例焊接系统进一步包括控制电路，以便基于指定预加热参数的输入来控制电极预加热电路。在一些示例中，预加热参数包括以下中的至少一种：预加热电流、预加热电压、预加热瓦数、阻抗、电极温度、预加热瓦数与电弧瓦数之间的功率平衡、对工件的总热量输入、预加热焓、熔透值、工件厚度、工件的接头类型、工件的材料类型、保护气体类型、或电极丝的丝直径。在一些示例中，控制电路被配置为基于预加热参数来控制焊接参数或感应加热参数中的至少一种。

在一些示例中，电极预加热电路减少电极丝中存在的可扩散氢。一些示例包括控制电路，以便基于至少一个感应加热线圈和焊炬相对于工件的行进速度来控制焊接电流、预加热电流或感应热量中的至少一者。在一些示例中，电极预加热电路包括被配置为提供预加热电流的第二电源。一些示例包括被配置为向至少一个感应加热线圈提供功率的感应加热电源。在一些示例中，电极预加热电路包括第一接触端头或第三接触端头中的至少一个。一些示例焊接系统包括控制电路，以便监测电极丝的第二部分上的电压降并且基于该电压降来调整焊接电流或预加热电流中的至少一者，其中电极丝的第二部分包括电极丝的第一部分的至少一部分。

现在转到附图，图1展示了对焊接操作供电、进行控制并提供耗材的示例性焊接系统10。焊接系统10包括焊接电力供应器12、送丝器14(或在某些实施例中，多个送丝器14)、以及焊炬16(或在某些实施例中，多个焊炬16)。电力供应器12可以是从电源18接收电功率的功率转换器或基于逆变器的焊接电力供应器(或可能不是相同类型的多个电力供应器)。在一些示例中，电力供应器12是向焊接电路提供焊接电流的焊接电流源。如下文更详细描述的，焊接电路包括电极丝和焊炬16的第一接触端头。在一些示例中，多个电力供应器12(相同类型或不同类型)可以连接到一个或多个送丝器14和一个或多个焊炬16。可以在电源18中设置多种不同的电路设计，并且可以设想到多种不同的焊接方案(例如，直流电、交流电、脉冲、短路等)。这些常规电路和方法技术中的任一种可以与本发明的感应加热技术结合使用。在其他实施例中，焊接电力供应器12可以是可以包括内燃发动机的发电机或交流发电机焊接电力供应器。焊接电力供应器12还可以包括用户接口20，以便调整各种焊接参数诸如电压和电流并且在需要时连接电源18。另外，气体源22可以联接到焊接电力供应器12。气体源22是向焊炬16供应的保护气体的来源。另外，在某些实施例中，气体源22还向辅助保护气体扩散器24供应保护气体。例如，在某些实施例中，气体源22可以供应氩气、二氧化碳、氧气、氦气和/或任何其他保护气体和/或保护气体的组合。如将了解的，保护气体由焊炬16和/或辅助气体扩散器24施加到液态焊接熔池的位置，以防止吸收可能对焊缝造成冶金损坏的大气气体。

图1的示例焊接系统10进一步包括预加热电力供应器200。如图所示，预加热电力供应器200联接到焊丝进给器14。例如，预加热电力供应器200可以通过送丝器电力引线、焊接电缆、气体软管和控制电缆而联接到焊丝进给器14。预加热电力供应器200可以例如使用第二焊接电力供应器来实现。

所展示的示例中所示的焊丝进给器14向焊炬16提供焊丝以供在焊接操作中使用。可以使用各种焊丝。例如，焊丝可以是实心钢、实心铝、实心不锈钢、金属芯焊丝、药芯焊丝、扁平带状电极等。本文中描述的实施例可以与任何合适类型的电极(或在某些实施例中，冷送丝)和任何合适的焊丝组合物一起使用。此外，焊丝的厚度可以根据使用焊丝的焊接应用而变化。例如，焊丝可以是0.023”、0.035”、0.045”、0.052”、1/16”、5/64”、3/32”、1/8”或任何其他直径。此外，焊丝进给器14可以包封各种内部部件，诸如送丝驱动系统、电动马达组装件、电动马达及诸如此类。焊丝进给器14可以进一步包括另一用户接口(未示出)，该另一用户接口允许用户设定一种或多种功率参数(诸如焊接电压、焊接电流、预加热电压和/或预加热电流)和/或送丝参数(诸如送丝速度)。在所展示的实施例中，辅助保护气体扩散器24也通过气体软管26联接到焊丝进给器14(或者可以直接连接到气体源并从用户接口20进行控制)。然而，焊丝进给器14可以与任何送丝过程一起使用，包括气体操作(气体金属电弧焊(GMAW))、无气体操作(保护金属电弧焊(SMAW)或自保护药芯焊丝电弧焊(FCAW))、埋弧焊(SAW)等。

如图所示，通过第一电缆28将焊丝送入到焊炬16。第一电缆28(例如，焊接电缆)还可以向焊炬16供应气体，并且还可以向焊炬16供应冷却水。如进一步所示，第二电缆30(例如，工作电缆)将焊接电力供应器12(例如，经由夹具)联接到工件32以在焊接操作期间完成焊接电力供应器12与焊炬16之间的电路。

示例性焊接系统10还包括感应加热系统34。如上所述，感应加热系统34包括感应加热线圈36和感应电力供应器38。感应电力供应器38包括用户接口40。用户接口40可以包括按钮、旋钮、拨盘、触摸屏显示器、开关及诸如此类，以允许操作者调节感应电力供应器38的各种操作参数。例如，用户接口40可以被配置为使得操作者能够设定和调整由感应电力供应器38产生的交流电的频率。类似地，用户接口40可以使得操作者能够选择感应加热线圈36的期望输出温度。用户接口40还可以包括一个或多个显示器，该一个或多个显示器被配置为向操作者提供系统反馈(例如，感应加热线圈36的实时温度、感应加热线圈36相对于工件32的行进速度及诸如此类)。在某些实施例中，感应电力供应器38可以利用电线导体44来联接到降压变压器42。更具体地，两个电线导体44从感应电力供应器38布设到变压器42，并且每个电线导体44布设在柔性管或导管的内部。此外，感应加热系统34可以是风冷式或液冷式系统。例如，冷却剂可以在对每一个电线导体44进行布设的柔性管内部流动。在某些实施例中，对电线导体44进行布设的一个柔性管包含进入变压器42的流动冷却剂，并且对电线导体44进行布设的另一柔性管包含流动冷却剂，该流动冷却剂从变压器42流到热交换器或移除冷却剂的热量的其他装置。

交流电流离开变压器42并且通过电导体46而被供应到感应加热线圈36。在某些实施例中，电导体46可以具有中空芯部并且还可以将流动冷却剂传送通过感应加热线圈36。在所展示的实施例中，感应加热线圈36设置在工件32附近。在交流电流动通过感应加热线圈36时，在工件32内产生并引起涡电流。涡电流抵抗工件32的电阻率流动，从而在工件32中产生局部热量。如图所示，感应加热线圈36定位在焊炬16前方。换句话说，为了使焊炬16沿方向48操作和行进，将感应加热线圈36放置在焊炬16的前面(即，沿着焊缝接头并且在由焊炬16形成的焊接电弧50之前)。因此，感应加热线圈36对工件32的紧靠在焊接电弧50前方的局部区域52进行加热，由此升高在焊接电弧50正前方的局部区域52的温度。如本领域技术人员将了解的，此类温度一般基本上高于常规“预加热”温度(并且可以达到与熔点一样高)。因此，当焊炬16沿方向48行进时，需要来自焊接电弧50的较少热量就可以使工件32的局部区域52达到熔化温度。因此，由焊接电弧50产生的更多热量可以用于熔化焊丝，从而焊丝可以以较高速率被送到焊接电弧，这使得焊炬16能够以较高速度完成对工件32的焊接。因此，与相当的常规焊接相比，本文描述的混合型感应加热/焊接组装件90的特征的组合可以使焊接速率翻倍(或甚至三倍)。

如图所示，焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200可以联接。例如，焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200可以由硬线、通过无线连接、通过网络及诸如此类联接。如下文详细地讨论，焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200可以在示例性焊接系统10的操作期间交换数据和信息。更具体地，焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200可以协作地起作用(例如，使用来自彼此的反馈)以调整示例性焊接系统10的各种操作参数。

可以根据本公开的方面对图1的示例性焊接系统10进行修改。尽管在电弧焊接过程的背景下描述所展示的示例，但示例的特征可以与各种其他合适的焊接或切割系统和过程一起使用。例如，虽然在本实施例中，感应加热系统34定位在焊炬16前方，但感应加热系统34也可以定位在其他位置。例如，感应加热系统34可以定位在焊炬16后面以在工件32被焊接和融合之后向焊缝位置提供热处理。类似地，某些实施例可以包括一个以上感应加热系统34或感应加热线圈36(即，第一感应加热系统34或感应加热线圈36定位在焊炬16前方以升高局部区域52的温度，第二加热系统34或感应加热线圈36定位在焊炬16后面以提供对已经融合的焊缝区域的热处理)，和/或第三加热系统34或感应加热线圈36以在焊接过程之前或之后加热工件32以便降低焊缝的冷却速率来防止冶金损坏。

图2是展示示例性焊接系统10的某些内部部件的框图。如上文所讨论的，电源18可以向一个或多个焊接电力供应器12、一个或多个感应电力供应器38和/或一个或多个预加热电力供应器200供电。预加热电力供应器200向焊丝进给器14或直接向焊炬16提供功率，以经由电阻加热来预加热电极丝。焊接电力供应器12联接到焊炬16并且联接到工件32，由此在焊接操作期间完成焊接电力供应器12与焊炬16之间的电路。示例焊接电力供应器12和预加热电力供应器200可以利用相同的导体来传导预加热电流和焊接电流两者。

每个感应电力供应器38产生被供应到变压器42的交流电流，该变压器随后将电流传送到感应加热线圈36。如上所述，焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200可以联接并且被配置为交换信息和数据(例如，操作参数、设置、用户输入、系统反馈、传感器等)，以使得焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200能够协作地起作用。

焊接电力供应器12包括若干个内部部件以调节焊接系统10的各种操作参数。在所展示的实施例中，焊接电力供应器12包括控制电路系统54a、处理器56a、存储器电路系统58a和接口电路系统60a。控制电路系统54a被配置为向焊接电力供应器12施加控制信号以将功率输出到焊炬16。

控制电路系统54a进一步联接到处理器56a、存储器电路系统58a和接口电路系统60a。接口电路系统60a联接到焊接电力供应器12的用户接口20。如上文所讨论，用户接口20被配置为使得操作者能够输入和控制焊接电力供应器12的各种设置。例如，用户接口20可以包括菜单以供选择对焊丝进给器14的期望电压或电流输出。另外，用户接口20可以包括焊接过程或焊丝材料和直径的菜单或列表。如将理解，不同的焊接过程、焊丝材料和焊丝直径可以具有不同的特性，并且可以针对各种操作参数要求不同的配置。例如，要求不同值的配置参数可以包括电压输出、电流输出、送丝速度、送丝扭矩及诸如此类。对于各种焊接过程、焊丝材料和焊丝直径中的每一种，这种配置参数的预设值以及其他值可以存储在存储器电路系统58a中。

例如，用户可以从焊接电力供应器12的用户接口20上显示的多种不同焊接过程的菜单中选择焊接过程。用户接口20将对焊接过程的选择传递到接口电路系统60a，该接口电路系统将该选择传递到处理器56a。处理器56a然后检索存储在存储器电路系统58a中的该焊接过程的特定配置参数。此后，处理器56a将配置参数发送到控制电路系统54a，以便控制电路系统54a可以将适当的控制信号施加到焊丝进给器14。在一些示例中，如下文所讨论的，焊接电力供应器12的控制电路系统54a还可以将配置参数传递到感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200。

预加热电力供应器200可以使用焊接电力供应器来实现，并且包括控制电路系统54b、处理器56b、存储器电路系统58b和接口电路系统60b。控制电路系统54b、处理器56b、存储器电路系统58b和接口电路系统60b可以与焊接电力供应器12的部件相似或相同。控制电路系统54b向预加热电力供应器200和/或焊丝进给器14施加控制信号。例如，控制电路系统54b可以向焊丝进给器14提供与由预加热电力供应器200和/或焊接电力供应器12提供的电压或电流相关的控制信号。控制电路系统54b还可以提供用于调节焊丝进给器14的操作的控制信号，诸如脉冲宽度调制(PWM)信号以调节焊丝进给器14中的马达组装件的工作循环。

在所展示的实施例中，感应电力供应器38包括控制电路系统62、处理器64、存储器电路系统66和接口电路系统68。控制电路系统62被配置为向感应电力供应器38和/或变压器42施加控制信号。例如，控制电路系统62可以向变压器42提供与由感应电力供应器38供应的交流电(例如，交流电频率)相关的控制信号。另外，控制电路系统62可以调节与感应电力供应器38和/或变压器42一起使用的冷却系统的操作。如上所述，感应加热系统34可以使用空气或冷却剂来在整个感应加热系统34中提供循环冷却。例如，控制电路系统62可以调节通过变压器42和感应加热线圈36的液体冷却剂的流量，以维持感应加热系统34的期望温度。

控制电路系统62进一步联接到处理器64、存储器电路系统66和接口电路系统68。接口电路系统68联接到感应电力供应器38的用户接口40。如上所述，感应电力供应器38的用户接口40使得操作者能够调节感应电力供应器38的一个或多个操作参数或设置。例如，用户接口40可以使得用户能够从设计菜单中选择感应加热线圈36的特定设计。如将了解的，不同的感应加热线圈36设计可以具有不同的配置参数。例如，不同的设计可以具有不同的最大操作温度，并且可以要求不同的交流电频率以实现期望的温度。类似地，用于冷却感应加热系统34的冷却剂可以具有不同的配置参数(例如，热传递系数、粘度、流量及诸如此类)。这种配置参数的预设值以及其他值可以存储在存储器电路系统66中。例如，用户接口40可以将对感应加热线圈36设计的用户选择传递到接口电路系统68，该接口电路系统可以将该选择传递到处理器64。处理器64然后可以检索存储在存储器电路系统66中的感应加热线圈36的特定配置参数。此后，处理器64将配置参数发送到控制电路系统62，以便控制电路系统62可以将适当的控制信号施加到感应电力供应器38和变压器42。

如上所述，焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200可以通过硬线、无线连接、网络连接或诸如此类而彼此联接。具体地，焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200可以被配置为彼此发送和接收与焊接系统10的操作相关的数据和信息。例如，焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200可以彼此通信以协调感应加热线圈36和焊炬16沿着工件32的速度。在一些示例中，感应加热线圈36和焊炬16都被设计用于自动化操作。因此，焊接电力供应器12、感应电力供应器38和/或预加热电力供应器200可以联接并被配置为在感应加热线圈36和焊炬16在方向48上沿着工件32行进时进行通信并有效地调整感应加热线圈36与焊接电弧50之间的距离。例如，焊炬16和感应加热线圈36可以各自具有传感器，所述传感器被配置为测量沿着工件32的行进速度或温度。

焊接电力供应器12或预加热电力供应器200可以将用户选择的焊接过程(即，由操作者通过用户接口20选择的焊接过程)传递到感应电力供应器38。更具体地，焊接电力供应器12的控制电路系统54a(和/或预加热电力供应器200的控制电路系统54b)可以将焊接过程选择传递到感应电力供应器38的控制电路系统62。此后，感应电力供应器38的控制电路系统62可以基于用户选择的焊接过程来修改各种操作参数中的任一种。例如，控制电路系统62可以开始或结束该过程，或者基于所选择的焊接过程来调节向感应加热线圈36提供的交流电的频率或振幅或者流过变压器42和/或感应加热线圈36的冷却剂的流量，以实现感应加热线圈36的期望最大温度。更具体地，针对所选择的焊接过程，处理器64可以从存储器电路系统66检索所选择的焊接过程的配置参数并且将该配置参数发送到控制电路系统62。类似地，感应电力供应器38的控制电路系统62可以将操作信息或数据发送到焊接电力供应器12的控制电路系统54a和/或预加热电力供应器200的控制电路系统54b。例如，控制电路系统62可以将感应加热线圈36的温度数据(例如，最大温度或实时温度)发送到焊接电力供应器12的控制电路系统54a和/或预加热电力供应器200的控制电路系统54b。此后，焊接电力供应器12的控制电路系统54a和/或预加热电力供应器200的控制电路系统54b可以响应于从感应电力供应器38接收到的数据而调整焊接电力供应器和/或焊丝进给器14的一个或多个操作参数。例如，焊接电力供应器12的控制电路系统54a和/或预加热电力供应器200的控制电路系统54b可以开始或结束该焊接过程，或者基于从感应电力供应器38的控制电路系统62接收到的感应加热线圈36的温度数据来调整焊丝进给器14的送丝速度或扭矩。为了由感应加热线圈36向工件32的在焊炬50前方的局部区域52提供较高温度，可能需要较慢或较快的送丝速度。

在一些示例中，用于产生和控制感应加热功率和焊接功率的电力供应器和控制电路可以进行结合。也就是说，一些或全部电路可以设置在单个电力供应器中，并且某些电路可以兼具两种功能(例如，操作者接口部件)。另外，中央控制器可以向焊接/切割系统和感应系统两者提供协调和同步命令。

尽管在本公开中有时提及焊炬16和相邻的感应加热系统34的前进或移动，但取决于焊接系统设计，焊炬16和感应加热系统34可以移位，而在其他系统中，焊接系统设计、焊炬16保持基本上静止，而使一个或多个工件移动。(例如，在某些机器人或自动化操作中、在埋弧应用中等)。对移动焊炬16和感应加热系统34的提及包括这些部件与(多个)工件32之间的任何相对运动。

图3是图1的焊接系统和感应加热系统34的实施例的框图，展示了感应电力供应器38、降压变压器42、以及定位在由焊炬16产生的焊接电弧50前方的感应加热线圈36。图3进一步展示了可以用于向焊炬16提供焊接功率和预加热功率的示例焊炬16的功能图。

如图3所示，焊炬16具有第一接触端头202和第二接触端头204。送丝器14包括焊丝卷轴206，并且使用焊丝驱动器222将电极丝208从焊丝卷轴206进给到焊炬16。电极丝208离开送丝器14并行进通过焊接电缆28(例如，在焊丝衬里内)。焊炬16将电极丝208从焊丝卷轴206进给到工件32以产生焊接电弧50。

在操作中，电极丝208从焊丝卷轴206穿过第二接触端头204和第一接触端头202，在第二接触端头与第一接触端头之间，预加热电力供应器200产生预加热电流以加热电极丝208。具体地，在图2所示的配置中，预加热电流经由第二接触端头204进入电极丝208，并且经由第一接触端头202离开。

在第一接触端头202处，焊接电流也可以进入电极丝208。焊接电流由焊接电力供应器12产生或以其他方式提供。焊接电流经由工件32离开电极丝208，进而产生焊接电弧50。当在电极丝208与工件32之间发起电弧50时，电路完成，并且焊接电流流过电极丝208、跨过金属工件32并返回到焊接电力供应器12。焊接电流使电极丝208和(多个)工件32的母体金属熔化，由此在熔化物凝固时将工件接合。通过预加热电极丝208，可以在大大降低的电弧能量下产生焊接电弧50。

焊接电流由焊接电力供应器12产生或以其他方式提供，如本文所公开，而预加热电流由预加热电力供应器200产生或以其他方式提供。预加热电力供应器200和焊接电力供应器12最终可以共享共用电源(例如，电源18，诸如共用发电机或线路电流连接)，但来自电源18的电流被转换、逆变和/或调节以产生两种单独的电流：预加热电流和焊接电流。例如，可以利用单个电源和相关联的换流器电路系统来促进预加热操作，在这种情况下，三条引线可以从单个电源延伸出来。

在操作期间，焊接电力供应器12建立焊接电路，以将焊接电流从焊接电力供应器12传导到第一接触端头202，并且经由焊接电弧50、工件32和工作电缆30返回到电力供应器12。为了实现焊接电力供应器12与第一接触端头202和工件32之间的连接，焊接电力供应器12包括端子210、212(例如，正端子和负端子)。

在操作期间，预加热电力供应器200建立电极预加热电路以将预加热电流经由焊炬16的接触端头202、204传导通过电极丝208的区段214。为了实现预加热电力供应器200与接触端头202、204之间的连接，预加热电力供应器200包括端子216、218。预加热电流从预加热电力供应器200流到第二接触端头204、电极丝208的区段214、第一接触端头202并且经由连接焊接电力供应器12的端子210的电缆220返回到预加热电力供应器200，并且因此流到第一接触端头202、流到预加热电力供应器200的端子218。

因为预加热电流路径与焊接电流路径叠加在第一接触端头202与电力供应器12、200之间的连接上，所以电缆220可以在第一接触端头202与电力供应器12、200之间实现更有成本效益的单连接(例如，单根电缆)，而不是为焊接电流到第一接触端头202和为预加热电流到第一接触端头202提供单独的连接。在其他示例中，预加热电力供应器200的端子218经由单独的路径而不是第一接触端头202与焊接电力供应器12之间的路径而连接到第一接触端头202。

焊接电力供应器12和电极预加热电路在工件32中产生焊接热量分布。可以用于实现预加热电力供应器200、焊炬16、焊接电力供应器12的用于预加热焊丝的示例系统和方法被公开在2016年11月4日提交的发明名称为“Systems,Methods,and Apparatus toPreheat Welding Wire[用于预加热焊丝的系统、方法和设备]”的美国专利申请序列号15/343,992中。美国专利申请序列号15/343,992的全部内容通过援引并入本文中。

如上文所讨论的，变压器42通过电线导体44而联接到感应电力供应器38。感应电力供应器38通过电线导体44而将交流电供应到变压器42。交流电通过电导体46从变压器42被供应到感应加热线圈36。具体地，交流电通过附接到变压器42的底座72上的电力连接70离开变压器42。电导体46例如通过焊接、钎焊或螺栓连接而联接到电力连接70。如上所述，在某些实施例中，电导体46可以具有中空芯部，由此使得冷却剂能够流过电导体46和感应加热线圈36，以调节感应加热线圈36的最大温度。换句话说，电导体46和感应加热线圈36可以携载交流电和冷却剂流。

如图所示，变压器42由顶板74和底板76支撑。在某些实施例中，顶板74和底板76可以由陶瓷或其他电绝缘材料形成。顶板74和底板76进一步联接到金属、陶瓷或聚合物框架78上。金属、陶瓷或聚合物框架78可以被配置成以便可以调整工件32与感应加热线圈36之间的距离80。例如，金属、陶瓷或聚合物框架78可以进一步固定到机器人操纵器88(例如，参见图2)，该机器人操纵器被配置为在多个平面中沿着工件32的焊缝接头移动和引导感应加热系统34。此外，机器人操纵器88可以联接到感应电力供应器38的控制电路系统62，以便控制电路系统62可以调节感应加热线圈36和/或整个感应加热系统34相对于工件32的移动和速度。

感应加热线圈36的目的是携载来自变压器42或感应电力供应器38的电流，以在要被加热的部分(例如，工件32)中以产生磁感应电流。感应加热线圈36本质上是变压器42或感应电力供应器38的两极之间的直接电短路。如果感应加热线圈36发生任何损坏，那么可能在损坏的区域迅速地过热并熔化。在某些实施例中，感应加热线圈36可以是已经被弯曲或成形或制造成将加热该部分(例如，工件32)的形状的金属管。水或其他冷却剂流过感应加热线圈36的内部以防止感应加热线圈36过热。如果冷却剂达到沸点，从而在感应加热线圈36的内表面上形成气泡，那么气泡形成屏障，其防止冷却剂从线圈内表面的那个区域移除热量。如果未被监测到，那么感应加热线圈36可能在该气泡的位置处局部熔化而被损坏。例如，感应加热线圈36的小凹陷或弯曲成不同于原始设计形状的形状可以引起流动湍流或冷却剂流的滞流区，这是冷却剂加热到高于沸点的可能区域。此外，对金属的冷加工将在局部变形区域处降低感应加热线圈36的导电性，这可能导致感应加热线圈36上的该点过热。

感应加热线圈36的导电性质是重要的物理特性。对感应加热线圈36的任何电阻加热都将降低感应加热过程的效率。用于电阻加热感应加热线圈36的能量然后可以损失到冷却剂，并且不可用于加热该部分(例如，工件32)。通过弯曲或形成并且通过合金成分来降低金属的导电性。线圈金属，如果在制造期间被弯曲或成形，将在该变形区域中电阻增大。与较高强度的金属相比，较低强度的金属在变形时将展示出导电性的较少地下降。因此，在最低强度机械条件下，感应加热线圈36可以由纯金属或几乎纯金属制成。因此，在某些实施例中，感应加热线圈36被保护以防任何弯曲或其他机械损坏。

具体地，如图4所示，在某些实施例中，可以通过使用外护套或结构作为线圈保护壳体82来保护感应加热线圈36。例如，在某些实施例中，感应加热线圈36可以被线圈保护壳体82完全包围。这样的结构一定不能导电以防止被感应加热线圈36加热。较高强度的聚合物和陶瓷材料可以用于防止对感应加热线圈36的机械损坏。陶瓷材料可以在烧制之前成形并且聚合物材料可以进行铸造或机加工以提供支撑来防止对感应加热线圈36的损坏。例如，在某些实施例中，线圈保护壳体82可以是一件式或多件式结构。多件式结构可以由全部都是相同材料的多件制成，或者可以由多件制成，其中每件可以是不同材料或相同材料。例如，在某些实施例中，线圈保护壳体82可以由两件高密度聚丙烯制成，因此这两件可以分开并且容易被移除和替换。另外，如果从被加热部分(例如，工件32)散发的热量足以对线圈保护壳体82造成损坏，那么可以使用多件，其中线圈保护壳体82的部分由陶瓷材料制成，该陶瓷材料可以承受被加热部分(例如，工件32)附近的热量。一些陶瓷材料易受到感应加热。在使用这些类型的陶瓷的情况下，线圈保护壳体82的陶瓷材料可以被保护以免受由电流穿过感应加热线圈36所产生的电磁辐射。在这种实施例中，电磁通量集中器材料84可以被置于感应加热线圈36与线圈保护壳体82的一个或多个陶瓷件之间。

当感应加热线圈36用于在热成形过程的情况下产生被加热点或被加热线，用于在混合型感应电弧焊接的情况下在焊炬16前方产生加热线，或者用于在混合型感应切割的情况下在割炬前方产生加热线时，可以添加额外的陶瓷材料以进一步保护感应加热线圈36以免受所述过程的热量。材料的选择可以取决于材料的具体性质，诸如耐磨性、对流动的液体金属或液体金属氧化物或其他被加热材料的耐侵蚀性、或者对焊接电弧或等离子切割电弧的辐射热量的耐受性。易受感应加热线圈36的加热是辅材料性质，而耐磨性、耐侵蚀性或者对来自电弧(例如，焊接电弧50)的辐射热的耐受性是作出材料选择的主要性质。通过将通量集中器材料置于由感应加热线圈36产生的辐射电磁场的路径中以防止电磁场影响陶瓷材料，用于保护感应加热线圈36的这种陶瓷部件本身可以被保护以免被感应加热线圈36加热。

例如，图5展示了带有陶瓷线圈保护壳体82的感应加热线圈36的实施例，在感应加热线圈36与陶瓷线圈保护壳体82之间使用通量集中器材料84。更具体地，如图5所示，在某些实施例中，通量集中器材料84可以设置在感应加热线圈36周围。用于以这种方式减少或防止磨损和其他退化的通量集中器材料84可以包括耐热的、非金属的、耐磨的和电绝缘的材料，诸如纤维增强材料、钢化玻璃或复合材料。

防止对感应加热线圈36造成损坏的另一方法是感测感应加热线圈36可能因碰撞而损坏，并且启动一个或多个运动装置以防止碰撞和损坏。例如，如图6所示，在某些实施例中，一个或多个传感器86可以用于保护线圈以免碰撞和损坏。例如，在某些实施例中，激光高度/距离传感器86(或其他位置检测传感器)可以用于感测以防止感应加热线圈36在沿着非平坦表面附近移动时与该表面碰撞，或者防止感应加热线圈36与从该表面突起的物体碰撞。

如图2所示，在某些实施例中，机器人操纵器88或其他机械运动系统可以被来自一个或多个传感器86的信号控制以移动感应加热线圈36来避免与物体碰撞。还可以：使用多个激光距离传感器86；或者使一个或多个激光距离传感器86指向不同方向或指向弯曲表面上在不同位置；向控制电路系统(例如，焊接电力供应器12、预加热电力供应器200和感应电力供应器38的相应的控制电路系统54a、54b、62、或系统10的某个其他控制电路系统)提供数据输入；并且控制电路系统54a、54b、62控制多个机器人操纵器88或其他机械运动系统以防止与弯曲表面碰撞，但维持感应加热线圈36与表面的恒定相隔距离。替代性碰撞检测方法是可能的，包括检测小挠曲程度的接头。达到小挠曲程度时，可以停止运动以防止损坏。另外，在系统10中感测到高于正常的力可以用于感测碰撞并在损坏发生之前停止系统10。

另外，在某些实施例中，控制电路系统(例如，焊接电力供应器12、预加热电力供应器200和感应电力供应器38的相应的控制电路系统54a、54b、62、或系统10的某个其他控制电路系统)可以控制多个机器人操纵器88或其他机械运动系统以独立地控制焊炬16和变压器42和/或感应加热线圈36相对于正在被加工的工件32的位置、取向和/或移动。例如，机器人操纵器88或其他机械运动系统可以包括设置在混合型感应加热/焊接组装件90的共用壳体内的独立定位系统。更具体地，在某些实施例中，设置在混合型感应加热/焊接组装件90的共用壳体内的独立定位系统可以包括多轴向定位系统，该多轴向定位系统被配置为独立地调整焊接16和变压器42和/或感应加热线圈36相对于共用壳体(并且因此，相对于正在被加工的工件32)的位置、取向和/或移动。因此，这些多轴向定位系统形成本文中描述的机器人操纵器88或其他机械运动系统的部分。

如果感应加热线圈36移动得离正被感应加热线圈36加热的部分(例如，工件32)的表面太远，那么与金属部分耦合的电磁场将减小，并且能量传递将减少。这种状况可能致使感应加热线圈36过热，并且潜在地被损坏。在这种情况下，一个或多个激光距离传感器86保护感应加热线圈36以免过热。

混合型感应加热/焊接组装件90包括一个或多个激光高度传感器86以检测一个或多个激光高度传感器86距正被加热的部分(例如，工件32)的表面的距离(高度)，由此这个距离可以用作指标用于确定感应加热线圈36距正被加热的部分(例如，工件32)的表面的位置。更具体地，一个或多个激光高度传感器86可以通信地联接到控制电路系统(例如，焊接电力供应器12、预加热电力供应器200和感应电力供应器38的相应的控制电路系统54a、54b、62、或系统10的某个其他控制电路系统)，并且控制电路系统54a、54b、62可以从一个或多个激光高度传感器86接收信号并相应地确定如何控制混合型感应加热/焊接组装件90的操作。例如，如本文所描述的，控制电路系统54a、54b、62可以控制多个机器人操纵器88或其他机械运动系统以防止感应加热线圈36与正被加热的部分(例如，工件32)的表面碰撞，并且维持感应加热线圈36距正被加热的部分(例如，工件32)的表面的恒定相隔距离。

在一些示例中，混合型感应加热/焊接组装件90可以包括与一个或多个激光高度传感器86通信地联接的单独的激光高度传感器模块(例如，设置在混合型感应加热/焊接组装件90的壳体内)，该单独的激光高度传感器模块可以被配置为从一个或多个激光高度传感器86接收信号，并且被配置为相应地控制混合型感应加热/焊接组装件90的操作。例如，激光高度传感器模块可以包括其自己的控制电路系统(例如，一个或多个处理器，其被配置为执行存储在一个或多个存储介质中的代码，类似于本文所描述的控制电路系统54a、54b、62)，以便确定感应加热线圈36距正被加热的部分(例如，工件32)的表面的距离，并且相应地至少部分地控制混合型感应加热/焊接组装件90的操作(例如，单独地控制，或者与焊接电力供应器12和感应电力供应器38的相应的控制电路系统54a、54b、62或系统10的某个其他控制电路系统提供协调控制)。例如，激光高度传感器模块可以被配置为向多个机器人操纵器88或其他机械运动系统发送控制信号，以防止感应加热线圈36与正被加热的部分(例如，工件32)的表面碰撞，并且维持感应加热线圈36距正被加热的部分(例如，工件32)的表面的恒定相隔距离。

附加地或可替代地，在一些示例中，混合型感应加热/焊接组装件90可以包括红外温度传感器模块(例如，设置在混合型感应加热/焊接组装件90的壳体内)，该红外温度传感器模块包括一个或多个红外温度传感器。红外温度传感器模块可以被配置为相应地控制混合型感应加热/焊接组装件90的操作。例如，红外温度传感器模块可以包括其自己的控制电路系统(例如，一个或多个处理器，其被配置为执行存储在一个或多个存储介质中的代码，类似于本文所描述的控制电路系统54a、54b、62)，以便确定感应加热线圈36和/或正被加热的部分(例如，工件32)的表面附近的温度，并且相应地至少部分地控制混合型感应加热/焊接组装件90的操作(例如，单独地控制，或者与焊接电力供应器12、预加热电力供应器200和感应电力供应器38的相应的控制电路系统54a、54b、62或系统10的某个其他控制电路系统提供协调控制)。例如，红外温度传感器模块可以被配置为：将控制信号发送到焊接电力供应器12的控制电路系统54a、预加热电力供应器200的控制电路系统54b和/或感应电力供应器38的控制电路系统62以调整由焊接电力供应器12和/或感应电力供应器38向混合型感应加热/焊接组装件90供应的焊接功率和/或感应功率；发送控制信号以控制混合型感应加热/焊接组装件90相对于正被加热的部分(例如，工件32)的表面的位置、取向和/或移动；确定工件32中的焊接热量分布或感应热量分布中的至少一者；及诸如此类。

尽管被描述为焊炬16用于混合型感应电弧焊接过程，但在其他实施例中，焊炬16可以代替地由用于混合型感应切割过程的等离子割炬替换，或者其他混合型金属加工和感应加热过程可以使用其他类型的金属加工工具来实施。实际上，在某些实施例中，焊炬16(和等离子割炬等)可以是从混合型感应加热/焊接组装件90可移除和可替换的(即，混合型感应加热/焊接组装件90的其余内部部件保持不变)，从而可以由混合型感应加热/焊接组装件90相对轻易地实施不同的混合型感应加热过程。

除了具有可移除和可替换的焊炬16和/或等离子割炬等之外，在某些实施例中，混合型感应加热/焊接组装件90的感应加热线圈36也可以是可移除的和可替换的。实际上，在某些实施例中，多个感应加热线圈36可以安装到混合型感应加热/焊接组装件90中以有助于对不同配置的部分(例如，工件32)的焊接、切割、成形等。例如，图7A和图7B展示了用于对接接头的两个感应加热线圈36配置。如图7A所示，在某些实施例中，单个感应加热线圈36可以设置在正被焊接的部分(例如，工件32)的第一侧上。在其他实施例中，第一感应加热线圈36可以设置在正被焊接的部分(例如，工件32)的第一侧上，而第二(例如，背侧)感应加热线圈36可以设置在正被焊接的部分(例如，工件32)的第二相反侧(例如，背侧)上。图8A至图8H展示了用于T形角焊接头的各种感应加热线圈36配置。

在某些实施例中，焊缝背衬垫150可以与混合型感应加热/焊接组装件90结合使用。更具体地，如图9A所示，在对接接头的背景下，焊缝背衬垫150可以设置在正被焊接的部分(例如，工件32)的与混合型感应加热/焊接组装件90的感应加热线圈36相反的一侧上。图9A还展示了在对接接头中使用的各种形状的焊缝背衬垫150。类似地，如图9B所示，在T形角焊接头的背景下，焊缝背衬垫150可以设置在正被焊接的部分(例如，工件32)之一的与混合型感应加热/焊接组装件90的感应加热线圈36相反的一侧上。图9B还展示了在T形角焊接头中使用的示例性形状的焊缝背衬垫150。图9A和图9B中所展示的焊缝背衬垫150可以由各种材料制成，包括但不限于铜、水冷式铜、陶瓷、粉状焊剂、玻璃纤维、编织玻璃纤维布及诸如此类。

如本文所述，混合型感应加热/焊接组装件90可以包括各种传感器和/或传感器模块，所述传感器和/或传感器模块被配置为检测混合型感应加热/焊接组装件90的操作参数(例如，混合型感应加热/焊接组装件90的(多个)感应加热线圈36相对于(多个)工件32的表面的位置、取向和/或移动、空气和/或冷却剂流量和/或温度、焊接功率、感应加热功率及诸如此类)，并且将信号发送到控制电路系统(例如，焊接电力供应器12、预加热电力供应器200和感应电力供应器38的相应的控制电路系统54a、54b、62或系统10的某个其他控制电路系统)以便调整操作参数。例如，如图10A和图10B所示，在某些实施例中，混合型感应加热/焊接组装件90的(多个)感应加热线圈36与工件32的表面之间的距离152(被称为“线圈相隔距离”)可以例如由本文中所描述的一个或多个机器人操纵器88或其他机械运动系统(例如，参见图2)至少部分地基于来自混合型感应加热/焊接组装件90的各种传感器和/或传感器模块的反馈而连续地调整。另外，如图11A和图11B所示，在某些实施例中，工件32之间的距离154(被称为“焊缝间隙距离”)可以例如由本文中所描述的一个或多个机器人操纵器88或其他机械运动系统(例如，参见图2)至少部分地基于来自混合型感应加热/焊接组装件90的各种传感器和/或传感器模块的反馈而连续地调整。

本文中所描述的混合型感应和焊接系统和方法减少了施加到工件的总热量、加快了过程，从而例如焊接和基底金属的每单位焊接长度的热量没有增加、提高了熔敷速率和/或减少工件变形和与变形相关的问题。通过利用感应热来将焊接接头的表面升高到更高温度或甚至接近熔化，焊接电弧的热可以用来熔化丝，并且该过程可以以比常规焊接高得多的行进速度来进行。电弧可以主要被遏制在窄焊接接头间隙中，因此损失到周围环境的电弧能量甚至更少，从而甚至更有效地使用电弧等离子体中的能量。减少了需要劳动和材料以及计划时间的焊接缺陷，因此使整体生产率更高。此外，当使用常规焊接技术时，窄间隙焊接是仅使用焊接电弧进行加热的问题：间隙需要相当宽，并且一般需要在顶部处更宽以容纳焊接电弧。利用本文中所描述的改进的混合型感应金属加工过程，可以使用窄得多的间隙，因为电弧可以容易熔化到已经更接近熔点的焊缝边缘中，而不必将焊接接头加工或打磨成打开顶部。

生产率也提高，因为窄间隙导致减少了耗材的使用。填充焊接接头间隙所需的金属体积由熔化的焊丝供应。较窄的间隙将必定减少焊丝消耗，从而用正被接合的部分(例如，工件32)的便宜得多基底金属来基本上替换使用常规焊接间隙时的昂贵焊丝。窄间隙也减少了保护气体或焊剂的量。因此，生产率提高，生产率可以被表示为每单位成本产生的焊缝长度的比率的度量。另外，一般通过总“电弧启动”时间来衡量对焊炬16(尤其是替换部分)的磨损和损坏。过程的速度增大使电弧启动的时间量减少，因此减少了对焊炬16以及送丝器的磨损和损坏。能量的使用也是如此，作为能量辐射体，到周围环境的电弧等离子损失可以是30％至50％。感应加热一般损失8％或更少的能量，从而使生产率额外提高。

如本文中所使用的，术语“窄间隙”意在涵盖被表征为分别在工件32的顶部和底部处工件32之间的宽度相对相似的间隙。例如，在某些实施例中，在工件32的顶部处工件32之间的宽度可以比在工件32的底部处工件32之间的宽度大仅约10％至75％，这可以产生窄间隙的约10°至约25°、约1°至约10°、约0°至约5°、约0°至约2.5°或甚至更低的相对小角度。实际上，在某些实施例中，在工件32的顶部处工件32之间的宽度可以与在工件32的底部处工件32之间的宽度基本上相似(例如，在0至5％内)，这可以产生窄间隙的约0°(例如，小于约1°、小于约0.5°等)的角度。将理解，其他更宽的角度(例如，约35°至约45°)也可以得益于本文中所描述的实施例。

由于对焊接电弧可用能量水平的各种约束，焊接接头(特别是在接合较厚的金属时)被切割、打磨或机加工成在最靠近焊接电弧的表面处具有较大的轮廓。行业统计表明，需要更多的时间(可能多达两倍)来设置切割机以生产这样的斜面焊接接头轮廓或V形接头轮廓。图12展示了使用V形接头轮廓的常规焊接操作，其中随之从焊接电弧50损失能量156。在相似的伴随能量损失的情况下，在产生其他类型的焊接接头轮廓(诸如J形凹槽或U形凹槽)上花费甚至更多的时间和成本。

图13展示了焊接过程(例如，GMAW焊接过程)，其中在要接合的工件32之间设置大致平直的窄间隙158。具体地，在所展示的实施例中，窄间隙158的内(例如，相互面向)表面159可以基本上彼此平行(例如，在5°内、在2°内、在1°内或甚至更小)。感应加热线圈36用于加热工件32。焊接电弧50和电极预加热的热量分布大致与感应热量分布平衡，以在窄间隙158中提供更平衡的热量分布。更具体地，如图13所示，由于感应加热线圈36和焊炬16相对于工件32(其也可以由本文所描述的控制电路系统有效地控制)的定位，感应加热线圈36产生的感应热量分布和焊炬16产生的焊接热量分布的组合可以在工件32之间形成的平直窄间隙158的整个厚度t_窄上平衡(例如，基本上均匀地分布)。例如，在某些实施例中，在工件32的内表面159上产生的热量可以沿着内表面159变化少于15％、少于10％、少于5％、少于2％等。已经利用本文中所描述的混合型感应焊接过程产生具有零宽度平头对接焊接接头间隙的焊缝。该过程已经表明产生具有大至0.125”的间隙158的可接受焊缝。似乎可行的是产生具有大至0.375”或更大的间隙158的焊缝，然而，生产率的主要益处是从尽可能窄(例如，小于约0.375”、小于约0.125”等)的间隙158获得的。

将理解，在由焊接电弧50与电极预加热产生的热量分布与由感应加热线圈36产生的感应热量分布之间的平衡可以由焊接电力供应器12、预加热电力供应器200和感应电力供应器38的控制电路系统54a、54b、62或系统10的某个其他控制电路系统有效地控制。例如，焊接电力供应器12的控制电路系统54a、预加热电力供应器200的控制电路系统54b、感应电力供应器38的控制电路系统62、或系统10的某个其他控制电路系统可以从本文中所描述的各种传感器和/或传感器模块接收与混合型感应加热/焊接组装件90的检测到的操作参数相关的信号，并且可以确定(例如，估计)由焊接电弧50和电极预加热产生的热量分布和/或由感应加热线圈36产生的感应热量分布。示例控制电路系统54a、54b、62通过将焊接热量分布与感应热量分布组合来确定组合热量分布(例如，估计的热量分布与估计的感应热量分布的组合)。

在一些示例中，焊接电力供应器12的控制电路系统54a、预加热电力供应器200的控制电路系统54b、感应电力供应器38的控制电路系统62或系统10的某个其他控制电路系统可以基于对工件32的目标热量输入来控制焊接电流、预加热电流或感应热量。

焊接电力供应器12的控制电路系统54a和/或预加热电力供应器200的控制电路系统54b可以基于感应加热线圈36对工件32的加热来控制焊接功率(例如，经由第一接触端头202向电极丝208施加的焊接电流和/或焊接电压)和/或预加热功率(例如，经由接触端头202、204向电极丝208的区段214施加的预加热电流和/或预加热电压)。例如，控制电路系统54a、54b可以基于向感应加热线圈36提供的感应加热功率和/或基于在感应加热线圈36进行加热后的由温度传感器感测到的工件32的温度来调整焊接功率和/或预加热功率。

在一些示例中，电极预加热电路(例如，预加热电力供应器200、接触端头202、204等)被配置为在电极丝208离开第一接触端头202之前经由预加热功率来减少电极丝208中的铸造物cast。例如，通过将电极丝208预加热到阈值温度，在电极丝208到达电弧50之前减少或移除作为铸造物存在于电极丝208中的应力。用于减少电极丝208中的铸造物的示例技术被公开在2017年9月13日提交的发明名称为“SYSTEMS,METHODS,AND APPARATUS TOREDUCE CAST IN A WELDING WIRE[用于减少焊丝中的铸造的系统、方法和设备]”的美国专利申请序列号15/703,008中。美国专利申请序列号15/703,008的全部内容通过援引并入本文中。

在一些示例系统中，控制电路系统54a、54b基于焊接电流和/或预加热电流来确定焊炬16的接触端头到工件距离的变化。基于所确定的接触端头到工件距离的变化，示例控制电路54b可以调整预加热电流或送丝速度。用于确定接触端头到工件距离的变化并且基于该变化来调整预加热电流和/或送丝速度的示例被公开在2017年6月9日提交的发明名称为“Systems,Methods,and Apparatus to Control Welding Electrode Preheating[用于控制焊接电极预热的系统、方法和设备]”的美国专利申请序列号15/618,926中。美国专利申请序列号15/618,926的全部内容通过援引并入本文中。

在一些示例中，预加热电力供应器200的控制电路54b接收表示预加热电压(例如，接触端头202、204之间的电压，或电极丝208的区段214上的电压)的反馈。例如，预加热反馈电路224可以用于测量接触端头202、204之间的电压并且将测量结果提供到预加热电力供应器200。基于预加热电压，示例控制电路54b基于预加热电压来控制预加热电流和/或响应于检测到由预加热反馈电路224测量到的无效预加热电压而控制电极预加热电路以调整预加热电流。示例无效预加热电压可以是预加热电压反馈控制电路未定义的或者落在指定的有效电压范围之外(诸如小于阈值电压)的预加热电压。用于检测预加热电压和/或基于预加热电压来控制预加热的示例技术公开在2017年4月18日提交的发明名称为“Systems,Methods,and Apparatus to Provide Preheat Voltage Feedback Loss Protection[用于提供预加热电压反馈损失保护的系统、方法和设备]”的美国专利申请序列号15/490,169中。美国专利申请序列号15/490,169的全部内容通过援引并入本文中。

在一些示例中，控制电路54a、54b基于指定一个或多个预加热参数的输入(例如，经由用户接口20)来控制电极预加热电路。预加热参数包括以下中的至少一种：预加热电流、预加热电压、预加热瓦数、阻抗、电极温度、预加热瓦数与电弧瓦数之间的功率平衡、对焊缝的总热量输入、预加热焓、熔透值、工件厚度、电极丝208的丝直径、工件的接头类型或工件的材料类型。在一些示例中，控制电路54a、54b基于(多个)预加热参数来控制(多个)焊接参数和/或感应加热参数。例如，操作者可以指定一个或多个预加热参数，并且控制电路54a、54b、60基于(多个)预加热参数来控制(多个)焊接参数和/或(多个)感应加热参数。

作为示例，预加热电力供应器200的控制电路54b可以响应于用户输入增加预加热功率而指令焊接电力供应器12和/或感应电力供应器38减少功率输出。用于控制电极预加热电路和/或焊接电力供应器12的技术公开在2017年5月16日提交的发明名称为“Systems,Methods,and Apparatus to Preheat Welding Wire[用于预加热焊丝的系统、方法和设备]”的美国专利申请序列号15/596,387中。美国专利申请序列号15/596,387的全部内容通过援引并入本文中。

电极预加热电路可以减少电极丝208中存在的可扩散氢。减少可扩散氢可以显著降低例如高强度钢焊接应用中的氢致裂纹的风险。可以用于实施焊接电力供应器12和/或预加热电力供应器200的技术公开在2017年6月9日提交的发明名称为“SYSTEMS,METHODS,AND APPARATUS TO PREHEAT WELDING WIRE FOR LOW HYDROGEN WELDING[用于预加热焊丝以进行低氢焊接的系统、方法和设备]”的美国临时专利申请号62/517,507中。美国专利申请序列号62/517,507的全部内容通过援引并入本文中。

在一些示例中，控制电路54a、54b、60可以基于至少一个感应加热线圈36和/或焊炬16相对于工件32的行进速度来控制焊接电流、预加热电流或感应热中的至少一者。

控制电路系统54a、54b、62可以基于焊接热量分布、感应热量分布和/或组合热量分布来调整一个或多个操作参数，例如，平衡由焊接电弧50产生的热量分布和由感应加热线圈36产生的感应热量分布。在一些示例中，平衡组合热量分布减少(例如，最小化)工件32中的变形和/或应力。例如，在某些实施例中，焊炬和/或感应加热线圈36相对于工件32的定位可以例如由本文中所描述的一个或多个机器人操纵器88或其他机械运动系统(例如，参见图2)至少部分地基于由焊接电力供应器12的控制电路系统54a、预加热电力供应器200的控制电路系统54b、感应电力供应器38的控制电路系统62或系统10的某个其他控制电路系统执行的算法来连续地调整，以便至少部分地基于来自混合型感应加热/焊接组装件90的各种传感器和/或传感器模块的反馈来确定(例如，估计)由焊接电弧50和电极预加热产生的热量分布和/或由感应加热线圈36产生的感应热量分布，然后确定组合热量分布(例如，由焊接电弧50和电极预加热产生的估计热量分布以及由感应加热线圈36产生的估计感应热量分布的组合)。

侧壁融合缺陷在使用常规电弧焊接过程的窄间隙焊接中很常见。缺陷修复在材料和劳动力方面成本高并且造成生产计划延迟，并且因此显著不利于生产率。由于由独立地受控制的感应加热线圈36和电弧等离子(例如，由焊炬16产生)的组合产生的平衡加热，所以减少或消除了侧壁融合缺陷。

尽管使用单个感应加热线圈36可能是本文中所描述的混合型感应焊接过程的最简单应用，但多个感应加热线圈36可以用于进一步提高生产率。具体地，在某些实施例中，单个宽的感应加热线圈36可以跨过焊接接头间隙，从而同时地加热两侧(例如，参见图14A)。相反，在其他实施例中，在焊接接头间隙的两侧上的双平行感应加热线圈36可以用于使感应加热翻倍，并且在焊接电弧、送丝速度和功率电平增加的情况下，使焊接速度翻倍或使焊接速度不止翻倍(例如，参见图14B)。

在某些实施例中，也可以串联地使用多个感应加热线圈36。例如，沿着焊缝在焊炬16前方的两个相对宽的感应加热线圈36(一前一后)可以用于使感应功率翻倍。另外，如图15A所示，在某些实施例中，可以串联地使用多组平行的感应加热线圈36以使感应加热功率翻两番。此外，如图15B所示，在其他实施例中，可以使用感应加热线圈36的其他组合，诸如串联放置的两个平行的感应加热线圈36，其中单个宽的感应加热线圈36沿焊接160的方向在前方更远(例如，在焊炬16的前面更远)。

多个取向是可能的，包括将感应加热线圈36放置在焊缝的背侧上、或定位成偏向期望的熔透的方向、或者取决于接近限制进行定位。完成的焊缝轮廓(截面)表明熔化的材料有利于感应加热区域。因此，感应加热线圈36相对于接头的定位添加另一水平的控制以影响完成的焊缝的熔透轮廓或切割过程的优选方向。例如，在将较厚构件接合到较薄构件的情况下，感应加热可以用于确保对厚构件的充分熔透而没有对较薄构件过度加热。这个过程可以实现过去使用常规过程太难形成的接头。此外，焊透将有利于材料已经被加热之处。因此，通过有策略地放置感应加热，可以优化完成的焊透位置、深度、宽度或其他关键截面度量。

对于可以用于可能受气体保护的混合型感应电弧过程的焊接保护气体的类型没有约束。所有的标准焊接保护气体应能够向本文所描述的混合型感应电弧焊接过程提供保护。该过程提供形成新气体混合物的机会，所述新气体混合物增强混合型感应电弧焊接，但可能不适合于常规电弧焊接过程。例如，可以使用包含氩气和氦气(氦气的比例更高)的混合物的焊接气体，以增强电弧特性。在焊接接头间隙在顶部处较宽的普通焊接过程中，包含较高百分比的低密度气体的气体混合物往往会分离，并且低密度气体可以容易通过宽间隙开口逸出。例如，在氩气/氦气混合物中，氩气往往会集中在焊接接头的底部并且氦气集中在焊接接头的顶部处。对于常规GMAW过程，保护气体中的氦气的最高水平是75％，然而对于本文所描述的混合型感应加热过程，具有75％至95％的氦气的保护气体将提供具有优良侧壁润湿的更热电弧，以防止形成缺陷。氦气比氩气更贵，但极窄的焊接接头间隙约束了所需的气体体积的宽度，并且使用较低成本的前导气体和尾随气体可以将保护气体约束到小体积，从而降低成本并且提高作为每单位焊缝长度的成本的度量的生产率。其他焊接气体混合物可以与本文所描述的混合型感应电弧焊接过程一起使用，这一般不用于常规气体保护的焊接过程。例如，约17％氩气(例如，在约15％至20％氩气的范围内)和约83％氦气(例如，在约80％至85％氦气的范围内)的气体混合物可以用于本文所描述的混合型电弧焊接(或切割)过程。

本文所描述的混合型感应电弧焊接(或切割)过程可以利用比常规金属制造过程更快的行进速度。因此，常规气体输送机构可能是不够的。例如，常规过程主要使用一个气流喷嘴(例如，用于从气体源22输送保护气体)。相比之下，本文所描述的系统10可以需要前导气体喷嘴、主要气体喷嘴和尾随气体喷嘴。利用另外的递送位置，可以出于特定目的(诸如热量、表面张力、净化氮气的区域、搅拌动作、过程动态及诸如此类)来优化每个位置处的气体燃烧。

在常规的气体保护的电弧焊接过程中，一旦焊接电弧已经完成，等离子就终止在液体金属池中。相反地，在本文中所描述的混合型感应电弧焊接过程的情况下，窄间隙158被电弧50完全填满，以便电弧力将液体金属保持在焊接接头间隙的区域外，从而基本上产生阻挡液体金属“河流”的坝，如图16所示。在焊炬16沿着接头移动时，液体金属填充在焊接电弧50的后面。为了获得良好的侧壁融合，重要的是液体金属薄膜保持涂布焊接接头间隙侧面。因此，保护气体成分在与液体金属接触时减少液体金属池的表面能量，趋向于促进用液体金属均匀地涂布焊接接头间隙的表面。这是因为如果液体金属涂层中出现间隙，那么将形成能量较高的表面，因此液体金属将拉伸以维持覆盖固体金属表面。最小化表面能量的趋势是表面和界面的形态学和组成的限定因素。一般地，如果周围环境的液体表面能量低于固体金属表面，那么将促进液体对表面的润湿。因此，包含降低液体的表面能量的气体的气体混合物将促进利用液体金属涂布金属表面。例如，液体铁中仅存在50ppm的硫可以将表面张力降低约20％。六氟化硫是不反应且无毒的相对密度大的气体，并且用作液体产品的气雾输送的推进剂。因此，约17％氩气(例如，在约15％至20％氩气的范围内)、约82.5％氦气(例如，在约80％至85％氦气的范围内)和约0.5％六氟化硫(例如，在约0.1％至1.0％六氟化硫的范围内)的气体混合物例如可以用于促进对焊接接头间隙的侧面的润湿并且防止侧壁融合缺陷。

对于可以与本文所描述的混合型感应电弧焊接过程一起使用的焊丝的类型没有约束。然而，粉状金属芯焊丝趋向于产生具有更均匀直径的焊接电弧50，这将提供来自电弧等离子的甚至更多的热量分配。由于本文中所描述的混合型感应电弧焊接过程不需要来自电弧50的很多能量就能加热基底材料(例如，工件32)，因此焊丝可以被优化以施加更多的能量来熔化焊丝。例如，可以使用电阻更大的实心焊丝或者外护套电阻更大(按照厚度或合金)的金属芯焊丝，以使得焊丝更容易熔化。

已经表明在本文中所描述的混合型感应电弧焊接过程中以最大速度产生高质量焊缝的某些示例性焊丝/气体组合物包括例如：(1)使用具有下表1中所示的组成的铁合金焊丝，并且使用约17％氩气/约83％氦气的气体混合物，(2)使用具有下表1中所示的组成的铁合金焊丝，并且使用约17％氩气/约82.5％氦气/约0.5％六氟化硫的气体混合物，以及(3)使用具有下表1中所示的组成的铁合金焊丝，并且使用约10％二氧化碳/约90％氩气的气体混合物。

焊缝金属分析
		碳(C)	0.03
锰(Mn)	1.57
		硅(Si)	0.69
磷(P)	0.001
		硫(S)	0.006

表1

当焊缝中的热量分布不均匀时，造成焊缝变形。当金属冷却时，它与金属的温度成比例地收缩(参见图12)。对于电弧焊接，电弧散出热能。焊缝的更靠近电弧的部分比在焊缝的与电弧相反的侧上的金属接收更多的热量。随着焊缝冷却，较热的区域比较冷的区域收缩更多。这导致在焊缝中形成非均匀热应力。非均匀热应力导致金属从在进行焊接过程之前的部分的原始尺寸变形。图17展示了可以由常规焊接电弧产生的非均匀热量分布162以及工件从其原始形状164到变形形状166的变形。

本文中所描述的混合型感应电弧焊接过程利用三个独立的热源(例如，由焊接电弧50产生的热量分布、电极预加热以及由感应加热线圈36产生的感应热量分布)，以平衡焊缝中的热量分配。利用均匀加热，所得热量分布提供均匀地收缩并且不产生非均匀热应力的焊缝。至少一个高频率感应线圈36放置在焊炬16附近。感应线圈36将焊缝的顶部加热到接近工件32的熔点(例如，大于50％同系温度)。如在本公开中所使用的，材料的“同系温度”是指材料的实际温度与材料的熔化温度的比率，两者都用绝对温度术语(例如，开尔文度数)来表示。然后，在感应线圈36之后，由焊炬16施加电弧焊接过程，以便加热焊缝的底部(例如，参见图13)。得到的热量分布是贯穿焊缝的均匀加热。那么焊缝不形成非均匀热应力，并且焊缝收缩贯穿焊缝是均匀的。均匀的热应力不会使焊缝变形(将图18的均匀热量分布168与图17的非均匀热量分布162相比)。

可以形成相似的加热模式以防止在其他焊缝接头设计中发生变形。例如，对于T形角焊接头，变形机制不同于对接接头。在T形角焊接头中，焊缝的电弧等离子加热不连续构件的表面，但金属的中心柱仍然是凉的。结果就是底部构件170中的冷中心柱保持相对固定，而顶部构件172的表面的被加热金属和焊缝金属本身冷却并收缩。这导致顶部构件172朝向焊缝弯曲，如由箭头174所展示(参见图19)。

通过将焊缝的表面加热到接近熔点，电弧然后提供足够的热来加热顶部构件172的整个厚度，因此消除在底部构件170的中心中的金属的冷柱。当焊缝冷却时，顶部构件172被顶部构件172的中心的热收缩拉向底部构件170。收缩的焊缝熔敷物随顶部构件172一起收缩并且不向底部构件170施加任何应力负载，因此消除了焊缝变形(参见图20)。如本文中所描述的，从由一个或多个感应加热线圈36产生的感应热量分布和由焊炬16产生的焊接热量分布的组合热量分布得到的应力和变形的减少可以通过以下方式来实现：确定一个或多个感应加热线圈36和/或焊炬16相对于正在被加工的工件32的定位的最佳关系，以及根据这个确定来独立调整一个或多个感应加热线圈36和/或焊炬16的定位。如本文中所描述的，控制电路系统(例如，焊接电力供应器12、预加热电力供应器200和感应电力供应器38的相应的控制电路系统54a、54b、62或系统10的某个其他控制电路系统)可以从本文中所描述的传感器和/或传感器模块接收反馈，并且可以使用这个反馈来确定(例如，估计)由一个或多个感应加热线圈36产生的感应热量分布和由焊炬16产生的焊接热量分布，并且可以将这些确定的热量分布组合成组合热量分布，确定一个或多个感应加热线圈36和/或焊炬16相对于正在被加工的工件32的最佳定位以最小化工件32中的变形和/或应力，然后通过例如控制多个机器人操纵器88或其他机械运动系统来实施所确定的最佳定位，从而根据所确定的最佳定位而独立地控制一个或多个感应加热线圈36和/或焊炬16相对于工件32的位置、取向和/或移动，以使得工件32中的变形和/或应力最小化。例如，在某些实施例中，所确定的最佳定位可以导致(多个)工件32中基本上没有变形和/或应力(例如，变形小于5％、变形小于2％、变形小于1％、变形小于0.5％等)。一般地，本文中所描述的实施例产生焊缝，其中与相当的焊缝相比(多个)工件32显示出变形减少至少60％或甚至大于80％。

可以在其他类型的焊接接头(诸如搭接接头)中产生类似的加热模式。取决于焊接条件，许多不同配置的线圈形状可以应用于该过程。用于对接接头的示例线圈配置在图14A和图14B中示出。用于T形角焊接头的示例线圈配置在图8A至图8H中示出。

图21是可以用于实施图3的焊炬16和接触端头202、204的示例喷嘴组装件300的剖视图。示例喷嘴组装件300包括喷嘴302、扩散器绝缘体304、第一接触端头202、焊丝引导件308、气体扩散器310、第一接触端头绝缘体312、第二接触端头204、第二接触端头绝缘体316、喷嘴安装件318、喷嘴安装件夹具320、制冷体322、以及制冷体盖324。喷嘴组装件300附接到焊炬颈部326，通过该焊炬颈部，焊丝衬里328将电极丝208和/或保护气体输送到喷嘴组装件300。在图3的示例中，接触端头204接纳焊丝衬里328的在孔部分中并与接触端头204电接触的至少一部分。

第一接触端头202将焊接电流输送到电极丝208以用于电弧焊接。第一接触端头202旋拧到气体扩散器310中，该气体扩散器进而旋拧到扩散器绝缘体304中。扩散器绝缘体304提供气体扩散器310与喷嘴302之间的电绝缘和热绝缘。

气体扩散器310旋拧到制冷体322中。制冷体322将焊接电流和/或预加热电流从焊接电缆或其他焊接电流和/或预加热电流的导体传导到扩散器310，该扩散器电连接到第一接触端头202。第一接触端头绝缘体312和扩散器绝缘体304提供焊接电流和预加热电流路径与喷嘴302之间的电绝缘。

第二接触端头204电联接到焊炬颈部326，以将预加热电流传导到电极丝208和/或从电极丝传导预加热电流。预加热电路包括焊炬颈部326、第二接触端头204、第一接触端头202、电极丝208在第二接触端头204与第一接触端头202之间的部分(例如，图3的区段214)、扩散器310、以及制冷体322。

第二接触端头绝缘体316提供第二接触端头204与制冷体322之间的电绝缘。第二接触端头绝缘体316包括密封件330(例如，O形环)以减少或防止焊接气体泄漏。喷嘴安装件318和喷嘴安装件夹具320提供附接点以便将喷嘴组装件300旋拧到焊炬颈部326上。在图25的示例中，第一接触端头202、焊丝引导件308和/或第二接触端头204是经由喷嘴302的端头可移除的。

焊炬16的其他实施方式可以用于实施焊接电路和/或预加热电路。在一些其他示例中，预加热电路可以被实施为与焊炬16分开，诸如在焊炬16与送丝器14之间。虽然在前述示例中使用接触端头，但代替或附加于接触端头可以使用其他类型的电触件，诸如导电辊。

图22是表示方法2200的流程图，该方法可以被执行以通过使用感应预加热将工件预加热并使用电阻预加热将电极丝预加热来执行焊接。可以执行示例方法2200来实施图1至图3的焊接系统10。

在框2202处，示例感应加热电力供应器38向(多个)感应加热线圈36提供感应加热电流。(多个)感应加热线圈36在通过焊炬16电弧焊接之前预加热工件32和/或控制焊接后冷却。

在框2204处，预加热电力供应器200提供预加热功率以经由焊炬16的接触端头202、204来预加热电极丝208。对电极丝208的预加热可以减少由焊接电力供应器12经由电弧来熔化电极丝208所需的能量的量。

在框2206处，焊接电力供应器12向焊炬16(例如，向接触端头202)提供焊接电流，以利用电极丝208来执行电弧焊接。

在框2208处，机器人操纵器88和/或人类操作者在工件32上方移动焊炬16和(多个)感应加热线圈36，以预加热工件32并且对工件32的被预加热部分执行焊接。示例方法2200可以包括同时地执行框2202至2208和/或在焊接操作的持续时间期间重复框2202至2208。

图23是表示方法2300的流程图，该方法可以被执行以通过使用感应预加热将工件预加热并使用电阻预加热将电极丝预加热来执行焊接。可以执行示例方法2300来实现图1至图3的焊接系统10。为简洁起见，下文参考预加热电力供应器200的控制电路系统54b来描述方法2300。然而，方法2300可以由控制电路系统54a、54b、62中的任一个和/或控制电路系统54a、54b、62的任何组合执行。

在框2302处，控制电路54b确定要在工件(例如，图1的工件32)中产生的组合热量分布。例如，控制电路54b可以基于工件32的厚度、工件32的接头类型、工件32的材料类型、对工件32的目标总热量输入、保护气体类型和/或电极丝208的尺寸和/或材料来计算组合热量分布，从而基本上避免工件32的变形。

在框2304处，控制电路54b确定焊接热量分布和/或感应热量分布以获得组合热量分布。例如，控制电路54b可以确定要由焊炬16和/或(多个)感应加热线圈36中的每一个施加的相应加热以实现组合加热分布。示例组合热量分布、焊接热量分布和/或感应热量分布可以是工件32中的预定热量分配，诸如热影响区尺寸、熔透、加热深度、焊道尺寸和/或诸如此类。

在框2306处，控制电路54b基于焊接热量分布、感应热量分布和/或组合热量分布来确定焊炬16和(多个)感应加热线圈36的相对定位、焊接参数、感应预加热参数和/或(多个)焊丝预加热参数。例如，较高熔透焊接可以包括由预加热电力供应器200施加的减少的预加热功率(导致由焊接电力供应器12施加更多热量)，而较低熔透焊接可以包括由焊接电力供应器12施加的增加的焊丝预加热和减少的热量。可以由控制电路54b确定和/或配置的示例预加热参数包括预加热电流、预加热电压、预加热瓦数、接触端头202、204之间的阻抗、电极温度、预加热瓦数与电弧瓦数之间的功率平衡、对工件32的总热量输入、预加热焓、熔透值、工件厚度、工件32的接头类型、工件32的材料类型、保护气体类型、或电极丝208的丝直径。焊炬16和/或(多个)感应加热线圈36(例如，相对于彼此和/或工件)的相对定位还影响组合加热分布的产生。例如，控制电路54b可以增大焊炬16与(多个)感应加热线圈36之间的距离以便在焊接之前促进工件32中的热量分散，或者减小焊炬16与(多个)感应加热线圈36之间的距离以减少热量分散并集中来自感应预加热的热量。

在框2308处，控制电路54b确定是否正在发生焊接。如果没有在发生焊接，那么控制电路54b可以重复框2308，直到开始焊接为止，和/或返回到框2302以确定不同的热量分布和/或参数(例如，响应于用户输入)。

当焊接开始(或正在发生)时，在框2310处，控制电路系统54b基于焊炬16和(多个)感应加热线圈36的相对定位、焊接参数、感应预加热参数和/或(多个)焊丝预加热参数来控制焊接电力供应器12、预加热电力供应器200和感应加热电力供应器38。

在框2312处，一个或多个传感器(例如，传感器86)测量(多个)焊接参数、(多个)焊丝预加热参数、(多个)感应加热参数、工件温度和/或其他测量结果。

在框2314处，控制电路系统54b(例如，基于测量结果)估计焊接热量分布和感应热量分布。在框2316处，控制电路系统54b基于焊接热量分布和感应热量分布来估计组合热量分布。例如，控制电路系统54b可以基于测量的参数对焊接热量分布、感应热量分布和/或组合热量分布进行建模。附加地或可替代地，控制电路系统54b可以确定测量到的(多个)参数是否在所测量参数的预定极限内。

在框2318处，控制电路系统54b基于焊接热量分布、感应热量分布和/或组合热量分布(例如，基于来自传感器86的测量值)来更新(多个)焊丝预加热参数、(多个)焊接参数、(多个)感应预加热参数和/或(多个)感应加热线圈36和焊炬16的相对定位。例如，控制电路系统54b可以响应于将估计的焊接热量分布、估计的感应热量分布和/或估计的组合热量分布与(多个)预定或期望的分布进行比较来更新对控制焊接电力供应器12、预加热电力供应器200和/或感应加热电力供应器38的一个或多个控制回路的命令。

然后控制可以返回到框2308以继续或结束焊接控制。

尽管已经参考某些实施方式描述了本方法和/或系统，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本方法和/或系统的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同方案。另外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以做出许多修改以使特定的情况或材料适应于本公开的教导。例如，所公开的示例的系统、框和/或其他部件可以被组合、划分、重新布置和/或以其他方式被修改。因此，本方法和/或系统不限于所公开的具体实施方式。反而，本方法和/或系统将包括在字面上和依据等同原则属于所附权利要求的范围内的所有实施方式。

本文所引用的所有文件(包括期刊论文或摘要、公布的或对应的美国或国外专利申请、公告的或国外专利、或任何其他文件)各自都通过援引而被完整地并入本文中，包括所引用的文件中呈现的所有数据、表格、附图和文本。

Claims (24)

1.一种焊接系统，包括：

焊接电流源，所述焊接电流源被配置为向焊接电路提供焊接电流，所述焊接电路包括电极丝和焊炬的第一接触端头；

电极预加热电路，所述电极预加热电路被配置为将预加热电流经由所述焊炬的第二接触端头提供通过所述电极丝的第一部分；以及

至少一个感应加热线圈，所述至少一个感应加热线圈被配置为向工件施加感应热量，所述焊接电流源、所述电极预加热电路和所述感应加热线圈被配置为对所述工件执行预加热操作和焊接操作。

2.如权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊接电流源和所述电极预加热电路被配置为在工件中产生焊接热量分布，所述至少一个感应加热线圈被配置为通过施加所述感应热量而在所述工件中产生感应热量分布，并且所述焊接电流源、所述电极预加热电路和所述至少一个感应加热线圈被配置为将所述焊接热量分布与所述感应热量分布组合以在所述工件中产生组合热量分布。

3.如权利要求2所述的焊接系统，进一步包括控制电路系统，所述控制电路系统被配置为：

在所述焊接操作期间基于输入来估计所述工件中的所述焊接热量分布和所述感应热量分布；

基于所估计的所述焊接热量分布和所估计的感应热量分布来估计所述组合热量分布；以及

基于所估计的所述组合热量分布来控制所述焊炬、所述至少一个感应加热线圈或两者的定位。

4.如权利要求3所述的焊接系统，其中所述控制电路系统被配置为基于来自一个或多个传感器的反馈来估计所述工件中的所述焊接热量分布或所述感应热量分布中的至少一者。

5.如权利要求4所述的焊接系统，其中所述一个或多个传感器包括以下中的至少一种：位置检测传感器，所述位置检测传感器被配置为检测所述焊炬或所述至少一个感应加热线圈中的至少一个相对于所述工件的位置；或温度传感器，所述温度传感器被配置为检测所述工件附近的温度。

6.如权利要求2所述的焊接系统，进一步包括控制电路，所述控制电路被配置为：

将所述组合热量分布与预定热量分布进行比较；以及

基于所述比较来控制所述焊接电流、所述预加热电流、所述感应热量、所述焊炬的定位或所述至少一个感应加热线圈的定位中的至少一者。

7.如权利要求2所述的焊接系统，其中所述焊接热量分布包括所述工件中的第一预定热量分配，并且所述感应热量分布包括所述工件中的第二预定热量分配。

8.如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括控制电路系统，所述控制电路系统被配置为通过向至少一个机器人操纵器传输控制信号来控制所述焊炬、所述至少一个感应加热线圈或两者的定位。

9.如权利要求8所述的焊接系统，其中所述控制电路系统被配置为控制所述焊炬、所述至少一个感应加热线圈或两者的所述定位，以最小化所述工件的变形。

10.如权利要求8所述的焊接系统，其中所述控制电路系统被配置为控制所述焊炬、所述至少一个感应加热线圈或两者的所述定位，以在所述工件的内表面上产生基本上均匀分布的热量。

11.如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括控制电路系统，所述控制电路系统被配置为基于对所述工件的目标热量输入来控制所述焊接电流、所述预加热电流或所述感应热量中的至少一者。

12.如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括控制电路系统，所述控制电路系统被配置为基于对所述至少一个感应加热线圈提供的功率或在由所述至少一个感应加热线圈进行加热后由温度传感器感测到的所述工件的温度中的至少一者来控制所述焊接电流、焊接电压、预加热电压或所述预加热电流中的至少一者。

13.如权利要求1所述的焊接系统，其中在所述电极丝离开所述第一接触端头之前，所述电极预加热电路被配置为经由所述预加热电流来减少所述电极丝中的铸造物。

14.如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括控制电路，所述控制电路被配置为：

基于所述焊接电流或所述预加热电流中的至少一者来确定所述焊炬的接触端头到工件距离的变化；以及

基于所述接触端头到工件距离的所述变化来调整所述预加热电流或送丝速度中的至少一者。

15.如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括：

预加热反馈电路，所述预加热反馈电路被配置为测量预加热电压；以及

控制电路，所述控制电路被配置为：

基于所述预加热电压来控制所述预加热电流；以及

响应于检测到由所述预加热反馈电路测量到的无效预加热电压而控制所述电极预加热电路来调整所述预加热电流。

16.如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括控制电路，所述控制电路被配置为基于指定预加热参数的输入来控制所述电极预加热电路。

17.如权利要求16所述的焊接系统，其中所述预加热参数包括以下中的至少一种：所述预加热电流、预加热电压、预加热瓦数、阻抗、电极温度、所述预加热瓦数与电弧瓦数之间的功率平衡、对所述工件的总热量输入、预加热焓、熔透值、工件厚度、所述工件的接头类型、所述工件的材料类型、保护气体类型、或所述电极丝的丝直径。

18.如权利要求16所述的焊接系统，其中所述控制电路被配置为基于所述预加热参数来控制焊接参数或感应加热参数中的至少一种。

19.如权利要求1所述的焊接系统，其中所述电极预加热电路被配置为减少所述电极丝中存在的可扩散氢。

20.如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括控制电路，所述控制电路被配置为基于所述至少一个感应加热线圈和所述焊炬相对于所述工件的行进速度来控制所述焊接电流、所述预加热电流或所述感应热量中的至少一者。

21.如权利要求1所述的焊接系统，其中所述电极预加热电路包括第二电源，所述第二电源被配置为提供所述预加热电流。

22.如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括感应加热电源，所述感应加热电源被配置为向所述至少一个感应加热线圈提供功率。

23.如权利要求1所述的焊接系统，其中所述电极预加热电路包括所述第一接触端头或第三接触端头中的至少一个。

24.如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括控制电路，所述控制电路被配置为监测所述电极丝的第二部分上的电压降并且基于所述电压降来调整所述焊接电流或所述预加热电流中的至少一者，其中所述电极丝的所述第二部分包括所述电极丝的所述第一部分的至少一部分。

Images