CN1278811C - 一种控制焊接过程中短路/电弧态转换的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制焊接型电源的方法和装置包括提供具有一个电弧电流部分和一个短路电流部分的电流波形。通过回拉焊条进入电弧状态，通过进送焊条进入短路状态。这可通过把直径为2.4mm或更粗的焊条引向焊接处并旋加小于100安培或小于35安培的电流来实现。在所述电弧状态期间的电流波形包括至少三段，在进入所述短路状态之前进入最后段，并且电流幅值与所述短路状态开始时的电流幅值相等。可通过控制把焊条推入焊口的进送来控制熔深和/或焊珠的形成。平衡可由使用者设定。在产生电弧之前电流进入所述电弧电流部分，在产生短路之前电流进入所述短路状态，方法是协调波形与焊条的回拉一致。

Description

一种控制焊接过程中短路/电弧态转换的方法

技术领域

本发明一般说涉及焊接工艺。更具体说，它涉及利用短路方法的焊接。

背景技术

有很多不同的电弧焊接方法应用于大量焊接应用中。虽然不同的方法具有某些共同的特性，如利用电弧和/或电流来提供焊接用的热量，但不同的方法也还有使它们适合于某些特殊用途的一些特性。

MIG焊接是一种广泛应用的方法，它为电极和工件提供高热量输入，因而有很高的沉积率。但是，这种方法有时不稳定，难以控制弧长。MIG方法常常以短路焊接来实现。

另一种已知的焊接方法被称为可控短路焊接，或短路焊接。短路焊接方法常以MIG方法来实现。一般说，短路焊接包括短路状态，此时，焊条接触焊口并形成短路，和电弧状态，此时，在焊条和焊口之间形成电弧。在电弧状态期间，焊条熔化，而在短路状态期间，熔化的金属从焊条末端转移至焊坑。

短路焊接的缺点与二种状态之间的转移和该过程的不稳定性有关。短路状态到电弧状态的转移通常靠提供足够的电流来“夹”断一个液滴来实现。大电流下的夹断可能造成熔化金属连接桥的猛烈崩解，产生过度的焊接飞溅。焊口被推开也是造成不稳定的原因。

在已有技术中，曾为产生一种稳定的短路焊接电源作出过很多努力，例如美国专利4717807，4835360，4866247，4897523，4954691，4972064，5001326，5003154，5148001，5742029，5961863，6051810和6160241中给出的。一般说，这些专利中公开的复杂控制方案都未能成功控制焊接过程，以获得稳定和有效的焊接。这些控制方案试图从用于焊接的总能量，伸出的长度，总瓦数，前一状态的时间等方面着手来控制材料的沉积和/或预测或形成到达下一状态的转移。

这些方案有一个共同的失败原因：它们企图用输出电流或功率既对焊接能量，也对状态间的转移实现控制。这必然会造成为一个控制目的而牺牲另一控制目的(焊接能量或状态转移)。最后的结果是，这些控制方案在控制进入焊接的能量和控制状态转移二方面都不成功。

美国专利No.6326591中公开了另一种短路焊接控制系统。这个系统精确地控制了进入焊接的能量，但它并未提供对状态间转移的独立控制。

本发明人已经公布了对一种可控短路焊接方法的说明，这里，焊条的机械运动(进送和回拉)是用来控制焊接状态之间的转移的。通过进送焊条直至焊条接触到焊口而进入短路状态。电弧状态的进入则通过回拉焊条直至焊条不再接触焊口，于是形成了电弧。这个系统可使用传统的输出控制去控制递送至焊接的能量。通过状态转移控制与能量控制的分离，该系统可以更好地实现每一种控制。

可控短路焊接系统要求有进送和回拉焊条的能力。本发明人在文章中公开了用步进马达实现对焊条运动的控制。步进马达可满足要求地保障短时间的焊条进送和回拉。

但是，步进马达不一定能保障长时间的焊条进满足要求的馈给。因而，最好有一种系统，它能用来进送和回拉焊条，还可长时间馈送焊条。

可控短路焊接的一个问题发生在焊条拉回时。从供料源来的焊条是朝焊接点馈送的，它具有这个方向的动量。回拉马达使焊条朝反方向运动。由于无任何力量来抵偿这个反作用力，焊条的馈送可能不是平稳和有效的。因此，最好有一种可抵偿焊条换向的可控短路焊接机。

可控短路焊接的另一个问题是，现有技术未能充分利用状态转移的机械控制方法对转移控制所能达到的优点。因此，最好能有一种可控短路焊接机，它对电弧的电气控制以控制进入焊接的热量为目的，而不以从一个状态转移到另一状态为目的。

现有技术未能准确提出短路焊接机在低电流粗焊条时的需求。特别是在低电流如小于100A下焊接粗的焊条，如2.4mm直径的焊条，会很难实现控制方案。因此，最好有一种可控短路焊接方法，它可以用在相对于焊条直径来说比较低电流的场合。

发明内容

按照本发明的第一方面，用于控制焊接型电源的方法和装置包括：提供一种具有电弧电流部分和短路电流部分的电流波形。电弧状态是通过回拉焊条进入的，而短路状态是通过进送焊条进入的。通过协调波形与焊条回拉，使电流在产生电弧之前进入电弧电流部分，在产生短路之前进入短路电流部分。

按照本发明的第二方面，焊接工艺包括把直径为2.4mm或更粗的焊条对准焊接处，并施加低于100安培或低于35安培的电流。

按照本发明的第三方面，可控的短路焊接方法包括提供一个电弧状态和一个短路状态。在电弧状态期间，电流波形包括至少三段，最后一段是在即将进入短路状态之前进入的，并且其电流幅值与短路状态开始时的电流幅值相等。

在各种不同实施例中，熔深和/或焊球的形成可由控制焊条进入焊口的推进过程来控制。

在电弧部分和/或短路部分的电流幅值用于控制施加到焊接处上的热量，而焊条的进送和回拉用于控制由一个状态转换到另一个不同状态的作业转换时间。

在另一个实施例中，相对于短路状态，作业花费在电弧状态的时间，即电弧/短路平衡由控制焊条相继的回拉和送进之间的时间长度来控制。也可以按照用户选择的表示新希望的相对于短路状态时间的电弧状态时间的输入来控制。另外，作业可包括一种脉冲状态，并且脉冲状态的相对时间可按照用户新选择的输入来控制。作业可包括按各种比例混合的来自两种或更多种气体源的混合气体，这可按用户所选择的输入来完成。

在一个实施中，通过控制电流极性来控制熔深。EP/EN平衡可按用户的选择输入来控制。

在研究了下面附图，详细说明和后附权利要求书后，本领域的技术人员会清楚本发明的其它原理特点和优点。

附图说明

图1是依照本发明的焊接系统框图；

图2是依照本发明的带缓冲器和可逆马达的焊枪；

图3是图2焊枪的剖面图；

图4是依照本发明的缓冲器的详细剖面图；

图5是依照本发明，作为缓冲器一部分的焊接缆线的剖面图；和

图6是依照本发明的作业周期波形。

在详细说明本发明的至少一种实施方案之前，应理解的是，本发明的应用并不限于下面详细说明和附图中所给出的具体结构和布置。本发明可以有其他实施方案或可以其他方式实现。此外，可以理解，此间所采用的措词和术语是为了说明的目的，而不应理解为限制。相同的标志数字用来表示相同的部件。

具体实施方式

在参照利用具体部件的具体焊接系统说明本发明的同时，应该理解，本发明也可以用其他的系统，部件，和模块来实现，也可以应用于其他外围环境。

一般说，本发明是用于可控短路焊接的一种方法和设备，它包括对电弧和短路二种状态之间转移的机械控制。在一种实施方案中，该作业包括一脉冲模式。对焊接能量的控制是利用输出电流或电压的幅值，波形，时间等来实现的。这样，借助于，例如，在状态转移发生时或在预期的状态转移时改变电流，可以使状态转移发生，并可以使电流与状态的转移相协调，以减少飞溅，不稳定性或其他不希望有的特性。

状态的机械控制是靠进送和回拉电弧处的焊条实现的。一次进送和随后的一次回拉形成一个作业周期(作业周期，应用于此处时，包括诸如一次电弧状态，加上随后的一次短路状态或电弧状态加上随后的短路状态，随后的脉冲状态等等的一个周期)。在该优选方案中，进送和回拉是由一对马达完成的，它们面对面地分别布置在焊条的一侧，并靠近焊枪(或固定在其上)。在不同实施方案中，马达可以是步进马达，伺服马达，行星齿轮驱动马达，零后冲马达，无齿轮马达，或用线性传动装置替代。在一种方案中，这对马达布置成一前一后。

在本优选方案中用的是步进马达，步数，每步的角度和幅度是可控的，并可用来控制焊条进送和回拉的距离。

本优选方案包括固定在焊条源，例如焊条盘，附近的焊条馈送马达，它将焊条送至焊枪(有的方案没有这个马达)。当可逆马达回拉焊条时(此时焊条馈送马达继续进给焊条)，缓冲器用来接纳焊条馈送马达和可逆马达之间的焊条增加。类似地，当可逆马达进送焊条时，焊条被拉出缓冲器。除焊条馈送马达造成的运动外，可逆马达也移动焊条末端，或者说，可逆马达将其运动迭加到由焊条馈送马达造成的运动上。焊条馈送马达的速度是跟踪可逆马达的平均速度的，这样，按平均数考虑，在本优选方案中，二种马达驱动的焊条长度是相同的。

缓冲器可以是可储存和返回多余焊条或可在焊条源和焊枪间提供较大焊条路径长度的任一种设备。本优选方案的缓冲器包括至少在从焊条源至焊枪的一部分距离上的焊条周围的焊条衬套。衬套布置在较大的管中，可以在管内弯曲和拐折，这样，可增加在给定长度的管内的焊条长度。该管固定在一空心轴上，焊条则穿过这个轴。轴在一个位置上固定。这样，当焊条回拉时，焊条相对于管和轴移动(或者可以说管和轴相对于焊条移动)。轴可安装成沿焊条的轴线滑动，因此相对于焊枪头部运动，从而增大了焊枪头部(电弧末端)和焊枪的焊条源端之间的焊条路径长度。

或者，衬套可以安装在轴上，则焊条相对于衬套运动。在本优选方案中，衬套是可压缩的，例如螺旋弹簧，这样，当焊条回拉时，弹簧被压缩。还可以配备探测缓冲器中焊条总量或焊条张力的探测器，受控过程(例如平均的焊条馈送速度)可受控对此作出反应。

在该优选方案中，还有一个控制器，它使马达在一个作业周期中至少反转一次，它还基于平均电弧电流(仅指电弧状态期间的平均电流或其函数)，功率，能量，电压或其他焊接输出参数来控制输出电流。除传统焊接参数外，反馈可包括短路探测，缓冲器反馈，张力反馈，焊口振动中的一项或多项。其他可采用的反馈包括时常少于每周期一次的反向。另一种方案为焊接期间的重复反向(即，不仅仅是在焊接结束时)，而不是每周期一次。

例如，电弧周期结束时的制动可在焊条和液滴间加力，它可在无回拉动作的情况下断开液体连接桥。这尤其适用于焊条直径较小和短路频率较高的情况。液滴在制动前具有焊条的速度。这个动能足以断开液体通道。在此情况下，不再需要回拉。

还可以通过控制焊条进入焊口的进送来控制热量，熔深，和/或焊珠的形成。电弧状态和短路状态的时间比例(电弧平衡)可由用户设定(如果用到脉冲状态，则可以是其时间)。对诸如极性(平衡)，气体混合物等参数的控制可以与电弧/短路的时间比例(或其他参数)协调完成。

现在参见图1，依照本优选实施方案，焊接系统100包括电源102，焊条馈送装置104，控制器106和焊枪108，供应管线112供给焊接电流，气体，水，控制，和马达用电流到焊枪108，它们共同为焊接缆线105和107提供焊接电流到工件110上。电源102，焊条馈给装置104和控制器106可以是商品焊接系统部件，诸如Miller Invision456电源和改进的Miller XR焊接馈送装置。在这里，电源包括任何可供应焊接，等离子体切断，和/或感应加热电力设备，包括谐振电源，准谐振电源等，还包括所附控制电路和其他辅助电路。在这里，电源包括诸如整流器，开关，变压器，SCR等处理并提供输出能量的电源电路。在这里，焊条馈送装置包括驱动焊条的马达或机构，焊条的固定件，与此有关的控制机构，和附属的硬件和软件。它可以包括一台在焊条源附近并将焊条推至焊接处的马达，和/或一台或多台在焊枪附近，拉动焊条进入管道和至接触头部，或从接触头部往回拉动焊条的马达。在这里，焊条通道包括焊条从焊条源至焊枪或电源所取的路径，还可包括通过衬套，缓冲器等。

控制器106在本实施例中是焊条馈送装置104和电源102的一部分。控制器106还包括适合于本发明的一些控制模块，例如用来控制可逆马达的可逆焊条馈送装置控制模块，平均电弧电流模块，和用于电弧状态机械控制的控制模块。这里用的控制器包括数字和模拟电路，分立或集成电路，微处理器，DSP，等，以及软件，硬件和固件，它们布置在一块或多块板上，用来控制诸如电源和/或焊条馈送装置的设备。在这里，控制模块可以是数字或模拟的，并包括硬件或软件，并执行某具体控制功能。例如，平均电弧电流控制模块控制输出，以提供所需的平均电弧电流。

图2较详细地示出了焊枪108。除已有焊枪技术的零部件外，焊枪108还包括一对马达罩203和205，用来驱动焊条移向或移离焊接口的马达布置在其内，还有一缓冲器201，焊条回拉时，它接纳焊条209，焊条进送时，则供应焊条209。在这里，缓冲器包括在焊条方向逆向时接纳焊条和在焊条时送时提供焊条的部件。电弧处的焊条末端图中以207表示。在本优选方案中，马达罩和缓冲器毗邻焊枪，在其他实施方案中则靠近焊枪。这里所说的毗邻焊枪包括直接或通过外罩毗连、接触焊枪或是焊枪的一部分。在这里，靠近焊枪包括离焊枪要比离焊条源近得多，例如，位于从焊条源至焊枪间的距离的75％之后。一种实施方案提供的手持焊枪包括固定在焊枪的一小盘焊条。

图3是图2的焊枪沿A-A线截取的剖面图。一对马达301和302最好是步进马达(虽然它们也可以是其他马达)，它们驱动焊条并且分别布置在焊条的相对两侧上，直接面对面，毗邻焊条，因而作用在焊条上的力基本上是相等的。在其他可选方案中，它们是一前一后布置的，或者布置在焊条的同一侧。在这里，直接面对面包括基本上在沿焊条路径的同一位置处。在这里，毗邻焊条布置包括离焊条足够近以便推动或拉动焊条。在这里，驱动焊条包括将焊条移向焊枪和移离焊枪之一或二者皆有。

在图3中也可看到缓冲器201，但图4中表示得更详尽，它包括固定在支承403上的轴401。轴401有一空心轴心，焊条209穿过它通过。焊接缆线105(图1和5)由外管501和衬套503构成，焊条209布置在其内。衬套503的外径显著地小于管501的内径，以允许衬套503在管501内弯折时接纳或储存焊条的长度。衬套503最好是螺旋弹簧，它可以压缩和延伸，以进一步缓冲焊条。储存焊条的长度，在这里，包括在焊条方向逆向时接纳焊条。显著地大于衬套的外径，在这里，包括有足够移动和弯折的空间。焊条衬套，在这里，包括焊条在其中可容易运动的管子。管501是固定在轴401上的，因此，焊条209相对于轴401移动。

还可包括一个探测缓冲器201接纳的焊条总量的探测器。这类探测器的示例包括当焊条运动经过它时就会转动的带编码器的轮子，或一个带有铁氧体材料或磁性材料衬套的线性变换器。控制器包括接收反馈的缓冲器反馈输入，并提供响应于缓冲器反馈的焊条馈送马达输出。焊条内的张力也可被探测并用来控制焊接作业。

作业过程的控制从电气角度看是比较容易的，因为过程控制是通过焊条位置的机械控制完成的。因此，焊接电流成为独立的过程参数，这与传统的MIG过程完全相反。

一种理想的控制方案用平均电弧电流(电弧状态期间的平均电流，或其函数)作为控制变量。与已有控制方法相比，这可更好地控制熔化和用于焊接的热量，并减少飞溅和不稳定性。用平均电弧电流来控制热量是可能的，因为电弧电流不是用来形成从电弧至短路的转移的(或逆向转移)。状态的控制也可与电流控制协调一致。例如，如果状态转移发生在T1时刻，电流转移可在此前一点点发生，以防止中断焊口。另一控制特点是可允许用户设置电弧与短路的时间比，或EP和EN间的平衡。

一种理想的电弧波形示于图6中，它包括有三段的电弧电流波形——起始高电流段，中等电流段和低电流段。低电流段是在短路形成前进入的，从而有助于到短路状态的平稳转移。

因为焊接电流成为独立过程参数，所以可将电流设置为这样的值，这个值可将作业过程引导至由物理行为确定的所需状态。对低飞溅材料转移来说，当电导体截面小时作用于液体的力必须低。因此，在这些阶段的电流也必须低。在短路状态中段期间，这里呈现出电导体的较大截面，则可以用大的力来移动液体。此外，短路中段期间的大电流也是可能的。在电弧阶段，电流可用来移动液体和决定熔化速率。

本发明可与已知控制方案一起使用，但因不再对导致转移的电流水平有要求，而能以更理想的方式来实现。例如，利用弧长或伸出量为控制变量的方案可容易地实现，因为步进马达可准确测量伸出量。由于转移是机械方式造成的，每次作业周期都可重新确定弧长。

本发明可用于各种作业，包括但不限于焊极正，焊极负，交替极性，ac mig，mig钎焊，硬饰面，和低电流下的粗焊条焊接。例如，利用本发明，2.4mm焊条可在100A甚至35A或更小的电流下实现焊接。现有技术的系统对粗焊条需要更大的电流才能清除短路和进入电弧状态。本发明不是靠电流来清除短路的，所以可以用粗焊条和小电流。

控制最好能把焊条馈送马达的速度与步进马达的平均速度联系起来，使焊条的馈送速度能跟随作业速度。20-30作业周期(大约500msec)的平均速度可保障有效控制。

通过监测形成短路或形成电弧前焊条行进的距离，可以确定焊口的振动频率。一种控制方案可调整状态转移的时间使其与焊口振动的自然频率吻合。控制器包括实现这个控制方案的频率模块和焊口振动反馈电路。短路探测反馈电路也可用作为控制回路的一部分。

可以对本发明作出很多变动，但仍属于此处所指定的范围。因此，很明显，这里所提供的依照本发明的用来控制短路焊接的方法和设备是完全满足前面所述目的和优点的。虽然本发明是结合若干具体实施方案说明的，很显然，对本领域技术人员来说，很多可选方案，修改和变更是显然的。因此，我们的意图是包含属于权利要求书精神和广义范围的所有可选方案，修改和变更。

Claims (10)

1、一种控制焊接过程中短路/电弧态转换的方法包括：

提供一种具有一个电弧电流部分和一个短路电流部分的电流波形；

通过回拉焊条进入电弧状态；

通过进送焊条进入短路状态；

通过协调所述波形与所述焊条回拉一致使电流在产生电弧之前进入所述电弧电流部分；

通过协调所述波形与焊条进送一致使电流在产生短路之前进入所述短路电流部分。

2、如权利要求1的方法，还包括通过控制把焊条推入焊口的进送来控制熔深。

3、如权利要求1的方法，还包括通过控制把焊条推入焊口的进送来控制焊珠的形成。

4、如权利要求1的方法，其中，在所述电弧部分和所述短路部分的电流幅值被用来控制加给焊点的热量，并且其中，推进和抽回焊条被用来控制从所述电弧状态转换到所述短路状态和从所述短路状态转换到所述电弧状态的时间。

5、如权利要求1的方法，还包括确定所述电弧状态和所述短路状态之间的转换时间T1和确定从所述电弧状态转换到所述短路状态的转换时间T2，抽回焊条，使得在时间T1产生电弧，抽回焊条，使得在时间T2进入短路状态。

6、如权利要求1的方法，还包括通过控制相继的抽回和推进焊条之间的时间长度来控制相对于所述短路状态花费在所述电弧状态的时间部分。

7、如权利要求1的方法，还包括除了所述电弧状态和所述短路状态以外，还控制焊接作业进入一个脉冲状态，其中，相对于所述短路状态，花费在所述脉冲状态的时间响应于用户所选择的输入。

8、如权利要求7的方法，还包括按照用户选择的输入来控制两种或两种以上源的气体混合。

9、如权利要求1的方法，还包括除了所述电弧状态和所述短路状态以外，控制焊接作业进入一个脉冲状态，其中，相对于所述电弧状态，花费在所述脉冲状态的时间响应于用户所选择的输入。

10、如权利要求1的方法，还包括通过控制电流的极性来控制熔深，其中，通过多次改变所述极性，以控制熔深。

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