采用旋转电极的金属芯焊接方法及其系统的制作方法
【专利摘要】公开了采用金属芯焊接电极并带有电极（44）和电弧强制运动的方法和系统。电极（44）可以通过运动控制组件（62）而运动，所述运动控制组件（62）包括位于焊炬（24）内的电机（66）。电弧仅在金属芯电极（44）的护套和工件（14）（或焊坑）之间建立，提供了独特的传送方式来强化沉积、行进速度以及其它焊接和工艺特性。
【专利说明】采用旋转电极的金属芯焊接方法及其系统
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及焊接技术，更具体涉及尤其在自动化焊接应用中采用金属芯焊丝电极来提高性能的改进工艺。
【背景技术】
[0002]通过焊接操作来连接工件的多种技术已经得到发展。这些技术包括多种多样的工艺和材料，其中大部分现代工艺涉及可消耗电极或非消耗电极与工件之间产生的电弧。这些工艺通常被分组成这些类别，例如恒电流工艺、恒电压工艺、脉冲工艺等等。然而，在这些工艺之间进行进一步划分也是普遍的，对于消耗电极来添加填料金属到焊缝中的工艺尤其如此。几乎在所有此类工艺中，所选择的工艺都与填料材质及其形态密切相关，在某些工艺中只能唯一地采用特定类型的电极。例如，某些类型的金属惰性气体(MIG)保护焊工艺，其构成了一个大组的一部分，有时被称作气体保护金属极电弧焊(GMAW)。
[0003]在GMAW焊接中，采用焊丝形式的电极被推进焊池消耗，通过电极焊丝和工件之间的电弧的热量而熔化。焊丝从绕丝筒连续地穿过焊枪进行传送，在焊枪处电荷被传送给焊丝来产生电弧。用于此类工艺中的电极构型通常被称作实芯焊丝、药芯焊丝，或者被称作金属芯焊丝。每种类型相对于其它类型都被认为具有独特的优点和缺点，为了优化它们的性能，需要对焊接工艺和焊接配置进行仔细的调节。例如，实芯焊丝虽然比其它类型的焊丝便宜，但通常需要与惰性保护气体一起使用，而惰性保护气体却是相当昂贵的。药芯焊丝可以不需要单独的保护气体供给，但本身却比实芯焊丝要更加昂贵。金属芯焊丝需要保护气体，但是这些气体可以被调节为比实芯焊丝所需要的保护气体便宜的混合物。虽然金属芯焊丝相对于其它电极类型具有独特的优势，但是它的采用并不像实芯焊丝那样普遍。
[0004]所有上述三种电极类型都可以使用不同的传送方式，传送指的是从电极顶端将金属移动到前进焊道的机械和机电现象。存在着多种此类传送方式，例如短路传送、球形传送、喷射传送以及脉冲喷射传送。实践中，传送物理学可能表现为上述方式的混合，虽然通常选择工艺和电极来维持特定的传送方式，但在焊接期间实际的材料传送可以在它们之间进行转换。
[0005]虽然早就认识到，采用金属芯焊丝电极相对于实芯焊丝和药芯焊丝电极在很多方面都具有优势，但是需要对工艺进行改进来提高它们的性能和被采用度。
【发明内容】
[0006]本申请总结了新研发的设计成满足此类需要的工艺和金属芯焊丝电极的组合。所涉及的工艺依靠旋转或往复运动电弧，有时被称作“旋转电弧”，通常通过移动电极顶端和采用金属芯焊丝电极。非常出乎预料的是，相信强制电弧运动和金属芯焊丝的使用提供了非常巨大的改进，基于以前已知的旋转电弧技术或金属芯焊丝焊接技术的使用，这些改进是无法获得或可预测到的。进一步相信，由于强制电弧运动和金属芯焊丝的协同作用，电弧特性、焊池特性以及渗透特性都是独一无二的。通过调节下列因素例如工艺参数、金属芯焊丝的尺寸和类型、运动的量、频率和模式等等，可以得到进一步的增强特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]当参照附图阅读下文的【具体实施方式】时，本发明的这些以及其它特征、方面和优点都将变得更好理解，全部附图中相同的标记代表相同的部分，其中:
[0008]图1是采用本技术某些方面的示例性焊接系统的图示；
[0009]图2是与图1中的系统一起使用的金属芯电极末端的具体视图；
[0010]图3是代表根据本技术某些方面的金属芯电极运动的视图；
[0011]图4是金属芯焊丝运动采用圆形模式的前进焊道的图示；
[0012]图5是金属芯焊丝采用椭圆形路径的前进焊道的近似示图；
[0013]图6是金属芯焊丝采用不同取向的椭圆形路径的前进焊道的另一个示图；
[0014]图7是采用运动的金属芯焊丝电极的前进焊道的示例性电弧位置和传送方式的示图；以及
[0015]图8是一起不出了金属芯电极移动和不例性强化传送轨迹的时序图。
【具体实施方式】
[0016]图1示出了示例性焊接系统10，该系统采用金属芯焊丝电极的运动。系统10设计成产生焊缝12和工件14。焊缝可以是任意类型和以任意期望的方式取向，包括对接焊缝、搭接焊缝、斜焊缝、立式焊缝等等。该系统包括能量供给装置16，能量供给装置16通常连接到气源18和电源20例如电网。其它电源当然也可以采用，包括发电机、发动机驱动式电源堆等等。送丝机22连接到电源20并为焊枪24提供金属芯焊丝。如下所具体描述，在焊道形成期间，金属芯焊丝被强制运动来引起金属芯焊丝的护套与工件之间的电弧运动。
[0017]在示出的实施例中，能量供给装置16包括功率转换电路26，功率转换电路26连接到控制电路28，控制电路28管理功率转换电路的操作以产生适合于焊接操作的电能输出。能量供给装置可以按照多种工艺、焊接机制等进行设计和计划来产生输出功率，其包括恒电流工艺、恒电压工艺、脉冲工艺、短路传送工艺等等。在目前所考虑的实施例中，控制电路28控制功率转换电路26来产生脉冲焊接机制，该焊接机制帮助材料从金属芯焊丝传送到前进焊道。然而，其它焊接机制当然也可以应用。操作者界面30允许焊接操作者既可以改变焊接工艺，也可以改变焊接设置。另外，在某些所考虑的实施例中，操作者界面可以允许选择和/或修改与焊枪运动和金属芯焊丝相关的某些参数。最后，能量供给装置可以包括阀32，阀32用来调整来自气源18的保护气体的流量。
[0018]送丝机22通常包括控制电路，控制电路通常用标记34示出，控制电路控制绕丝筒36的焊丝供给。绕丝筒36包含一定长度的金属芯焊丝，在焊接期间金属芯焊丝被消耗。焊丝通过驱动组件38前进，通常通过在控制电路34控制下的小型电机的使用来进行。焊丝、气体、控制和反馈数据可以通过焊接电缆40在送丝机22和焊枪44之间进行交换。工件14通过电缆42也连接到能量供给装置，从而形成连通电极44的电路回路，此时电弧在电极和工件之间被建立。如下更具体描述，从焊枪中推出的电极44被强制运动，例如以旋转运动的方式，如标记46所示。
[0019]图1所示的焊接系统可以设计成人工操作，虽然本技术中的大部分应用是自动化的。也就是说，焊枪24固定到机器人，机器人按程序来定位焊炬相对于工件的期望位置。然后机器人可以执行在电极和工件之间启动电弧，并沿着预定的路径正确地导引焊枪和推进焊枪和/或工件，此时焊道被建立来连接两个部件。如下更具体描述，在此类自动化应用中，本技术能够显著提高行进速度和改进焊道特性。
[0020]本技术被具体设计来与图2中示出类型的金属芯焊丝配合使用。此类焊丝通常包括由金属制成的护套46，护套46包裹住金属内芯50。各种已知的技术都可以用来生产此类金属芯焊丝，此类技术不属于本发明的范围。金属芯焊丝的特性可以根据具体的应用进行选择，具体取决于所要连接部件的冶金学、所使用的保护气体种类以及焊道的预期填充体积等等。在图示的实施例中，金属芯焊丝的某些几何尺寸可以有助于增加电极运动的好处。例如，焊丝通常选择具有理想的直径52。该直径包括护套的壁厚54和内芯的直径56。这些参数可以改变和优化来增强焊丝的性能，并提供对下列特性的改进，如电弧建立、电弧维持、材料传送、形成焊道的冶金学以及焊道的渗透等等。使用在本技术中的合适的焊丝的例子包括选自Hobart Brothers公司标识为“Matrix”的优质金属芯焊丝(Premium MetalCore Wire)。
[0021]图3示出了通常应用中焊丝的运动方式。如图3所示，接缝58形成于工件之间，从此处伸出的带有电极44的焊枪被定位在意向接缝的附近。随后电弧在电极和下方将要连接的金属之间建立。电极从接触件60中伸出，接触元件60能够运动从而推动电极和已建立的电弧运动。为使接触件运动，运动控制组件62被设置在焊枪中。虽然可以采用大量的技术用于推动此类运动，但在目前预期的设置中，通过电机66带动凸轮64进行旋转，通过系统的控制电路对电机66自身进行控制和供电。因此接触件和电极被推动以预定的模式和预定的频率进行运动，所述模式和频率由运动控制组件62的几何尺寸和控制来决定。如图3所示，接触件的顶端和电极可以从接触件的中心线运动预定的距离或偏心距68。如下所述，各种模式都可以用于此类运动。在此过程中电极44前进以形成预期的焊道。而且，整个组件以期望的行进速度运动，如标记70所示。如下所述，电极运动与金属芯焊丝的组合可以显著地提高所得到的焊道质量，并且与通过单一电极运动或单一使用金属芯焊丝所能获得的行进速度相比，该组合允许更高的行进速度。
[0022]图4示出了示例性的前进焊道72，连同电极44的特定运动模式一起示出。本领域技术人员应该理解，焊道跟随着焊池或焊坑74前进，焊池或焊坑74由熔化的金属组成，熔化的金属来源于加热电极和工件母材的周围金属。图4中的电极以大体上圆形模式运动，如标记76所示。目前可以预期的是，此类运动与焊枪的行进速度协调一致，以使电极充分地靠近焊坑74和工件的周边区域，从而维持电弧并使电弧在这些区域之间运动，并维持焊坑同时加热电极和周围金属。如下所述，也可以预期的是，其它协调因素也可以运用，例如送丝速度、电极运动的速率或频率以及焊接工艺的脉冲频率(例如用来形成电弧的电流和电压)等等。也就是说，预期的焊接工艺可以“开环”执行，不需要电极运动和其它焊接参数进行协调控制，或者可以“闭环”执行，电极运动需要和一个或多个工艺变量协调化和/或同步化。
[0023]图5示出了电极运动的另一种可能模式，此种情况下是以大体上椭圆形的模式78。此种情况下的椭圆具有沿着焊缝和焊炬行进方向的长轴80和垂直于所述行进方向的短轴82。另外，图6示出了又一种可能模式，命名为横向椭圆形模式84，其中椭圆形运动的长轴80垂直于焊缝和焊炬的行进方向。然而，应该注意的是，任何期望的模式都可以采用，此外，运动控制组件可以被调整来适应执行这些模式。例如Z字形模式、“8”字形模式以及横交往复线形等模式都可以采用并根据具体的焊接情况进行优选。
[0024]图7示出了示例性的沉积和渗透方案，当使用被强制运动的金属芯焊丝时，相信该方案是可行的。也就是说，电极44在待连接的工件86和88之间运动。形成的焊道90渗透到工件中，并且随着焊道的推进形成大体上平整的表面。在图7中，标记94指的是焊丝的护套48朝向工件86的最大路径，而标记94代表护套48距离工件88的最大路径。
[0025]相信在金属芯焊丝和工件和/或前进的焊坑之间建立的电弧仅存在于护套48和这些元件之间。因此，独特的传送位置被建立，如标记98所示。可以观察到，所形成的焊缝比通过采用实芯焊丝电极的电极运动所建立的类似焊缝要更加平整。另外相信的是，对母材的渗透得到了增强，如标记100所示。
[0026]通过利用金属芯焊丝的受控的、模式化的运动，相信能够获得很多好处。例如，随着行进速度的实质性增加，获得更高的沉积率是可能的，比采用两者之一的任何单一技术能够获得的沉积率大约高出50-100%。而且，用更少的攻击电弧能够获得更好的间隙桥接。焊缝也表现出更好的浸润、更低的飞溅以及更少的咬边。如上所述，相比于使用实芯焊丝的旋转电弧技术的情况下，焊道也表现为更加平整和更少的鼓包。
[0027]在本技术中可以变化的参数可以包括因素，例如电极的运动速率和电极围绕标准或中心位置的运动范围。尤其是，虽然本发明中圆形模式被采用，但本发明并不一定局限于圆形模式，相信为了获得更加平整的焊道和更高的沉积速率，旋转频率可以高于50Hz，并且可以扩大到100-150HZ，甚至更高都是可行的。另外，目前预期的旋转直径大约为1.5mm，但是更大的直径，例如大约2.5mm也是可行的。而且，使金属芯电极的运动(例如旋转)与脉冲波形、送丝速度等进行协调和同步是可行的。提供与气体流量同步化或协调化的电极运动也是可行的。上述各种参数可以有助于在母材中的渗透、电极材料的沉积、电弧的维持以及其它焊接参数。
[0028]还可以相信的是，可能由于施加在产生于电极顶端的熔球或喷射物上的机械力(例如离心力)，焊坑可以更好地随着金属芯电极的运动一起运动。因此该工艺能够比以前的工艺冷却得更快。对于某些类型的工件和工件冶金学，尤其是电镀的工件，还可以提高额外的好处。进一步，该工艺可以允许使用廉价的保护气体，例如C02，而不是使用当前与此类焊接电极一起使用的氩气混合气。
[0029]图8示出了关于金属芯焊接电极的运动和来自电极顶端的材料的强制传送的示例性时序图。在图8中，轨迹102示出了电极顶端随着时间的运动，而轨迹104示出了强制传送。在圆形运动模式下，从前进的焊道、焊坑或接缝的任意具体位置中的任意具体点来看，都将大体上呈正弦运动。在此运动中的点106处，电极的护套非常接近于工件母材的边缘。焊接工艺可以进行调整，例如通过控制脉冲焊接机制，来强化或增强这些位置处电极材料的传送，大体上如标记108所示。这些时间段通常会周期性发生，如时间线110所示。这些控制机制还有很多其它控制机制都可以被预料。如上所述的协调传送方式与金属芯焊接电极的运动，尤其当利用仅仅通过电极的护套来建立的电弧。
[0030]前述技术已经在焊炬上进行了测试，该焊炬包括伺服电机和凸轮，伺服电机和凸轮用来使接触嘴在大约50Hz下以2.0mm的振幅进行旋转。使用长度为45mm的标准接触嘴。直径为0.045英寸的金属芯焊接电极被采用，电极类型为ER70S-6实芯焊丝。90-10C02混合保护气被采用。采用基于自动接口(Auto Access)能量供给装置的脉冲焊接机制，该能量供给装置运行Accu-Pulse工艺,该能量供给装置可以从威斯康辛州(Wisconsin)的MillerElectric Mfg.0f Appleton公司购得。基线测试以每分钟39英寸的速度进行,该优化的速度能够在12规格(gauge)的材料上得到高质量的角焊缝。基于这些设置，行进速度被增加到每分钟59英寸，大约高于基线50%。测试条件不断变化试图来优化焊接效果。限制性的因素显现为存在咬边。无论焊接参数如何变化，高度错乱的焊道和咬边仍然存在。
[0031 ] 在第二项测试中，相同的焊丝和气体与相同的焊接能量供给装置和焊接工艺一起被采用。然而在该测试中电极运动被采用，如上所述。第二项测试的行进速度被设置在每分钟59英寸。测试条件不断变化试图来优化焊接效果。密集的驱动电弧表现为深挖入基体金属中并形成了成穴作用。电极运动工艺降低了咬边的数量并且使焊缝表面显著地平整化。然而，焊坑没有推出到焊趾，最终仍然留下一些咬边。
[0032]在第三项测试中，采用直径为0.045英寸的E70C-6M Vantage和Matrix金属芯焊丝(可以从Hobart Brothers公司购得)。焊接混合保护气、能量供给装置和焊接工艺都与前面的测试相同。在这项使用金属芯焊丝的测试中，电极运动也采用每分钟59英寸的行进速度设置。测试条件不断变化试图来优化焊接效果。由金属芯焊丝产生的电弧明显比使用实芯焊丝的情况下要柔和。成穴作用的降低使得焊坑更好地填入焊趾中，在每分钟59英寸的速度下几乎消除了所有的咬边。焊腿的大小与材料厚度(0.125英寸)相等。虽然相信需要正确的材料焊接尺寸，但是自动化工业会过焊此类材料，从而来弥补在部件装配中的误差并便于可视化检测。
[0033]在第四项测试中，采用同样的金属芯焊丝，但直径为0.052。采用相同的混合保护气、能量供给装置和焊接工艺，同时也采用电极运动。测试也以每分钟59英寸的行进速度进行。同样地，测试条件也是不断变化试图获得优化的焊接效果。由金属芯焊丝产生的电弧明显要比采用实芯焊丝情况下要柔和。成穴的减少使得焊坑更好地填在焊趾处，在每分钟59英寸的行进速度下几乎消除了所有的咬边。焊腿尺寸被改善成具有更大的焊道宽度。在此项测试中，通过移动焊丝上下高出接缝大约1.2mm的方式来测试工艺的稳健性。焊缝也以1.2mm的缝隙进行测试。焊接结果表明，该工艺即使在每分钟59英寸的行进速度下都具有非常稳健的窗口。
[0034]另一项测试也被进行，采用与前面测试中相同的金属芯焊丝、混合保护气、能量供给装置和焊接工艺。在此项测试中，采用更高的行进速度，以每分钟80英寸的行进速度使用在水平叠层接缝上。为了优化焊接效果测试条件不断变化。由金属芯焊丝产生的电弧明显比实芯焊丝的要柔和。缝隙从O变化到1.2mm并返回来测试此工艺的稳健性。焊接结果表明，即使以每分钟80英寸的行进速度，此工艺也具有非常稳健的窗口。在所有金属芯电极测试中的飞溅物数量都显著少于应用在类似接缝上采用传统实芯焊丝所看到的飞溅物数量。
[0035]当然本文中仅图示和描述了本发明的某些特征，对本领域技术人员来说，很多改进和变形都可以做。因此，应该理解的是，所附的权利要求书试图覆盖所有落入本发明实质精神之内的此类改进和变形。
【权利要求】
1.一种焊接方法，包括: 在金属芯焊接电极和工件之间建立电弧，所述金属芯焊接电极包括护套和内芯； 从焊炬中送出所述电极，同时通过位于焊炬内的运动控制组件使所述电极以期望的模式循环地运动，使电弧仅维持在所述护套和工件之间；以及前进所述焊炬或工件来建立焊道。
2.根据权利要求1所述的方法，其中采用脉冲焊接工艺来建立和维持所述电弧。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述脉冲焊接工艺的至少一个参数控制成与所述电极的运动协调。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极以大体上圆形模式运动。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极以大体上椭圆形模式运动。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述椭圆形模式具有大体上沿着所述焊炬行进方向的长轴。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述椭圆形模式具有大体上垂直于所述焊炬行进方向的长轴。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊炬或工件以至少每分钟59英寸的速率推进。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述焊炬或工件以至少每分钟80英寸的速率推进。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述电极以至少60Hz的频率运动。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电极以至少IOOHz的频率运动。
12.—种焊接系统，包括: 能量供给装置，构造成产生适合于焊接的能量； 送丝机，连接到所述能量供给装置并构造成供给金属芯焊接电极，所述金属芯焊接电极包括护套和内芯； 焊炬，连接到所述送丝机并构造成利用来自所述能量供给装置的能量在所述电极和工件之间建立焊接电弧，同时通过位于所述焊炬内的运动控制组件使所述电极以期望的方式循环地运动，使电弧仅维持在所述护套和工件之间。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述能量供给装置构造成执行脉冲焊接工艺来产生用于所述电弧的脉冲能量。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述能量供给装置和/或焊炬构造成使所述电极的循环运动与所述脉冲焊接工艺的脉冲协调。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述运动控制组件构造成使所述电极以大体上圆形模式运动。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述运动控制组件构造成使所述电极以大体上椭圆形模式运动。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述椭圆形模式具有大体上沿着所述焊炬行进方向的长轴。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述椭圆形模式具有大体上垂直于焊炬行进方向的长轴。
19.根据权利要求12所述的系统，其中所述运动控制组件构造成使所述电极以至少50Hz的频率运动。
20.根据权利要求12所述的系统，其中所述运动控制组件构造成使所述电极以50Hz和150Hz之间的频率运动。`
【文档编号】B23K9/073GK103732343SQ201280038979
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年6月27日 优先权日:2011年7月1日
【发明者】凯文·帕加诺, 凯文·萨默 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司