同步磁电弧操控与焊接的制作方法

文档序号:3111437
同步磁电弧操控与焊接的制作方法
【专利摘要】焊接的系统(100)和方法被提供,其中脉冲焊接电源供应器(101)与磁场电源供应器(103)耦合,以使在脉冲焊接期间磁场(109)可以被产生为邻近焊接电弧(115)。在脉冲焊接期间磁场(109)被用来引导焊接电弧(115)以及在电弧中被转移的熔滴(117)。
【专利说明】同步磁电弧操控与焊接
[0001] 发明背景 发明领域
[0002] 与本发明一致的装置、系统和方法涉及焊接,并且更具体地涉及采用与GMW或 GTAW -起操作的同步磁电弧操控的焊接。
[0003] 相关抟术描沭
[0004] 已知的是,在焊接过程期间,由于电流通过焊接电弧以及在工件中的流动磁场被 创建。这些磁场的存在有时可以导致例如电弧偏吹的问题,其中电弧在焊接操作期间变得 不稳定。因此,需要程序和设备来尝试并且使用单独的磁场来稳定或移动焊接电弧。


【发明内容】

[0005] 本发明的示例性实施方案是焊接系统和用于焊接的方法,所述焊接系统具有焊接 电源供应器,所述焊接电源供应器将焊接电流信号输出到焊条,以使焊接电弧在焊条和工 件之间产生,其中焊接电流信号具有多个电流脉冲。同样被提供的是磁场电源供应器,所述 磁场电源供应器将磁场电流信号输出到磁操控装置,所述磁操控装置例如包括磁场探测器 (probe)或者由磁场探测器构成,其中所述磁场电流信号具有多个磁电流脉冲。磁操控装置 被安置为邻近焊接电弧并且磁操控装置使用磁场电流信号来产生磁场,以在焊接期间移动 焊接电弧。进一步地,磁场电流信号与焊接电流信号同步,以使多个磁电流脉冲相对于焊接 信号的多个电流脉冲被同步。本发明的进一步实施方案和特征在随后的说明书、权利要求 书和附图中被提供。
[0006] 附图简要描沭
[0007] 通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案,本发明的上述和/或其他方面 将会更加明显,在所述附图中:
[0008] 图1图示说明依据本发明的示例性实施方案的焊接系统的图示表征;
[0009] 图2A-图2B图示说明依据本发明的示例性实施方案的焊接波形和磁操控波形的 图示表征;
[0010] 图3图示说明依据本发明的另一示例性实施方案的焊接系统的图示表征;
[0011] 图4图示说明依据本发明的另一示例性实施方案的焊接波形和磁操控波形的图 示表征;
[0012] 图5图示说明依据本发明的进一步示例性实施方案的焊接波形和磁操控波形的 图示表征;
[0013] 图6图示说明依据本发明的附加示例性实施方案的焊接波形和磁操控波形的图 示表征;
[0014] 图7图示说明依据本发明的进一步示例性实施方案的焊接系统的图示表征;
[0015] 图8图示说明依据本发明的附加示例性实施方案的焊接波形和磁操控波形的图 示表征;
[0016] 图9图示说明依据本发明的附加示例性实施方案的焊接系统的图示表征;
[0017] 图10图示说明依据本发明的进一步示例性实施方案的焊接波形和磁操控波形的 图示表征;
[0018] 图11图示说明依据出现短路的本发明的附加示例性实施方案的焊接波形和磁操 控波形的图示表征;以及
[0019] 图12图示说明依据出现短路的本发明的进一步示例性实施方案的焊接波形和磁 操控波形的图示表征。
[0020] 示例件实施方案的详细描沭
[0021] 现在将在下面通过参照附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施 方案意图帮助理解本发明,而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编号在通 篇中涉及相似的要素。
[0022] 图1描绘依据本发明实施方案的示例性焊接系统100。系统100包括至少一个焊 接电源供应器101,所述焊接电源供应器101被示出为GMW型电源供应器。电源供应器101 能够利用被脉冲化的焊接波形焊接并且引导焊接电流通过焊炬111到可消耗的焊条113 中,所述焊条113经由熔滴转移或者另外的(特别是类似的)转移操作被沉积到焊接熔池 中。系统100还包括被耦合到磁场产生装置105的磁场电源供应器103,所述磁场产生装置 105具有至少一个磁场探测器107,所述至少一个磁场探测器107在焊接操作期间被安置为 邻近焊接电弧115。
[0023] 如本领域的技术人员所理解的,GMW型焊接操作使用被脉冲化的焊接波形来创建 焊接电弧115并且熔化焊条113的一部分。在波形的一个脉冲期间,焊条115的熔滴117 从焊条被转移--通过电弧115--并且进入焊接熔池中。典型地,熔滴117在焊接电流脉 冲的峰值期间被转移。因为这样的焊接操作是如此众所周知的,本文将不详细来讨论。理 解的是,GMW型焊接或脉冲焊接,如本文所涉及的,涉及使用被脉冲化的焊接波形的任何焊 接,包括但不限于GMAW、MIG、FCAW、MCAW型焊接。
[0024] 注意的是,出于清楚和有效率的目的,如附图所示,本文的许多讨论涉及GMW型 焊接。然而,本发明的实施方案不限于与GMW型焊接系统一起使用。具体地,本发明的实 施方案也可以与TIG/GTAW(气体保护钨极电弧焊)系统一起使用而不脱离本申请的范围和 精神。类似于本文的讨论,磁场被用来在焊接期间控制TIG电弧的移动。已知的是,在TIG/ GTAW焊接中,被用来创建电弧的电极不是(如在GMW工艺中的)消耗品,并且在本发明的 实施方案中,磁场控制这种电弧的移动。因此,虽然本文的许多讨论和附图涉及并且描述 GMW系统和工艺,这意图是示例性的并且未将本发明的实施方案限制为GMW型工艺。例 如,在图1、图3、图7和图9中的每幅中,GMW电源供应器(例如101)和焊炬(例如111) 可以用GTAW电源供应器和GTAW电极代替而不脱离本发明的范围和精神。当然,注意的是, 消耗品的递送将不会通过GTAW焊炬而是经由已知的手段。另外,本文所讨论和示出的电流 波形以及磁场电流和焊接电流之间的关系可类似地应用到GMW和GTAW型焊接操作。当然, 已知的是,在GMW型焊接期间提供熔滴的消耗品也是焊条,而在GTAW型焊接中消耗品与电 极分开。
[0025] 返回到图1,系统100包括磁场电源供应器103和磁场产生装置105。电源供应器 103将电流引导到装置105以使磁场109由探测器107产生。磁场电源供应器103可以是 能够将电流提供到磁场装置来创建磁场的任何类型的电源供应器。电源供应器应该能够提 供高频和磁场产生电流的精确控制,以使它可以适当地作用于(react)脉冲焊接电源供应 器。可替换地,电源供应器103可以是遵循来自焊接电源供应器101的逻辑或控制信号操 作(signaling)的信号的类型,以使电源供应器103可以使用来自焊接电源供应器101的 信号操作来控制它的输出。例如,如下面进一步所讨论的,电源供应器101可以控制电流波 形的同步。示例性实施方案可以包括具有用于提供脉冲焊接信号的类似的拓扑结构的逆变 器型或变压器型电源供应器。当然,对于磁场电源供应器来说,相比于典型的脉冲焊接电源 供应器需要更小的功率输出。
[0026] 在本发明的实施方案中,探测器107被安置为邻近焊接电弧115,以使熔滴117处 于飞行状态(in flight)时磁场109可以影响电弧115和熔滴117。本发明的实施方案将 磁场109的产生和脉冲焊接波形同步,以使最优的焊接操作可以被获得。特别地当试图获 得特殊化的(specialized)焊接接头时,通过将磁场109的产生与电弧115和熔滴转移同 步,最优的焊接操作可以被获得。这种同步将在下面被详细讨论。
[0027] 如图1所示,焊炬111在工件W的焊接接头之上没有被置于中心。这可以针对任 何数量的理由而被需要,例如在焊接接头附近的障碍物。因此,单个磁场产生装置105在焊 接期间被用来将电弧115和熔滴117操控到焊接接头的一侧。就是说,磁场电源供应器103 将电流提供到装置105,所述电流与由焊接电源供应器101产生的焊接波形同步。磁场109 的产生导致电弧移动到该侧并且电弧的移动可以导致熔滴117被置于与直接在导电嘴111 和填充物113之下不同的位置。
[0028] 图2A描绘可以被用在具有单个磁装置105的实施方案中的示例性焊接波形和磁 场波形。如所示出的,电流是具有多个电流峰值1、2和3的被脉冲化的波形。如一般地已 知的,在许多脉冲焊接操作中,熔滴117在峰值电流期间与填充物113分开。如此一来,在 一些实施方案中,磁操控电流与焊接电流同相,以使焊接电流和磁场电流中的每个同时开 始上升并且达到峰值。在这样的实施方案中,磁场109在熔滴117与填充物焊丝113分开 之前将处于全强度(full strength)。同样,如所示出的,在一些示例性实施方案中,磁操 控电流没有与每个焊接电流脉冲一起脉动。在所示出的实施方案中,操控电流将每隔一个 焊接脉冲(以脉冲1和3)被脉冲化。在这样的实施方案中,在焊接期间一些熔滴117将在 第一位置影响(impact)焊接熔池而其他的熔滴117将在另一区域影响熔池。这允许填充 物113被沉积在焊接熔池中的各种位置。当然,本发明的实施方案不限于以每隔一个焊接 脉冲的方式使操控电流脉动,而是不同的脉冲计数可以被使用。例如,考虑的是,操控电流 可以针对10个连续的焊接脉冲被脉冲化并且然后针对接下来的10个焊接脉冲被停止脉冲 化。在其他实施方案中,脉冲的数量可以按照需要来变化。同样,在所示出的实施方案中, 操控电流脉冲的持续时间与焊接脉冲的持续时间相同。然而,在其他实施方案中可以不是 这种情况,因为操控脉冲可以按照需要更长或更短。
[0029] 同样如图2A所示,操控脉冲可以与焊接脉冲异相。具体地,考虑的是,操控脉冲可 以与焊接脉冲是以45°至135°异相的。在电弧焊接的一些实施方案中,熔滴117直到接 近焊接脉冲峰值的结束才与焊丝113分开,并且当电弧电流正在减小时熔滴117仍然处于 飞行状态。在这样的实施方案中,操控电流可以被脉冲化为与焊接脉冲这样异相(图2A中 的虚线)以使磁场109仅在熔滴117已经自由脱离(break)时或者在熔滴117处于它的脱 离点时产生。在这样的实施方案中,场109在脱离发生之前没有干扰电弧115并且在熔滴 处于飞行状态时是在它的峰值。同样,通过具有异相的操控电流,即使当电弧电流正在下降 但烙滴仍然处于飞行状态时,磁场109将在它的峰值。在一些实施方案中,操控电流保持在 它的峰值直到电弧电流达到它的本底水平。
[0030] 在另一示例性实施方案中,操控电流可以与电弧焊接电流是以180度异相的。在 这样的实施方案中,磁场109不被用来在飞行期间移动熔滴117,而被用来控制焊接熔池以 延长(elongate)焊接熔池或预清理工件表面。例如,磁装置105和探测器107可以被安置 在导电嘴111之前或之后(在行进方向)。在这样的实施方案中,磁场109可以按照需要向 前或向后移动电弧来延长焊接熔池。例如,电弧可以被向前偏斜(电弧中没有熔滴)以使 在熔滴117被传递到焊接熔池之前电弧的热量移除任何覆层或表面污染物。类似地,电弧 可以被向后偏斜以使焊接熔池针对合乎期望的冷却或凝固的轮廓来延长。图6是如上面所 描述的示例性清理波形。如所示出的,磁操控电流被这样脉冲化以使它在电弧焊接脉冲之 前开始但在熔滴117从焊丝113释放的时刻之前结束。进一步地,这个实施方案示出操控 电流针对每个焊接电流脉冲被提供。然而,在其他实施方案中,这种清理脉冲可以每隔N个 电弧焊接脉冲或者在给定的持续时间之后被激励。
[0031] 在本发明的进一步示例性实施方案中,在熔滴117已经接触焊接熔池之后并且在 接下来的熔滴117已经被释放之前,操控电流开始或达到它的峰值。在附加的示例性实施 方案中,操控电流脉冲与焊接电流达到本底水平同时或者在焊接电流达到本底水平之后被 开始。进一步地,操控电流脉冲可以在下一焊接电流脉冲开始之前被停止或达到本底水平。
[0032] 图2B描绘与图2A中所示出的焊接波形类似的焊接波形,除了在这个实施方案中 磁操控电流是交流。在实施方案中,例如这种电源供应器103是AC电源供应器,并且在 电流极性方面的改变改变磁场的方向,磁场方向的改变又改变电弧移动的方向。因此,场 109可以是交替的,以使单个探测器107可以导致电弧115在焊接期间横贯焊接接头扫掠 (sweep)。例如,在示例性实施方案中,焊丝113被安置在焊接接头的中心之上并且磁场109 可以通过使用交流被改变来按照需要将电弧从接头的一侧移动到另一侧。针对磁操控电流 使用AC信号的本发明的实施方案的控制和操作类似于本文所描述的关于其他所讨论的实 施方案的控制和操作。当然,如本文所描述的,AC磁操控波形的频率、峰值幅度和形状可以 按照需要来变化以执行所期望的焊接操作。当操作沿焊接接头行进时,这样的实施方案可 以导致焊接电弧沿焊道的长度遵循曲折的或蜿蜒的样式(pattern)。
[0033] 图3描绘本发明的焊接系统300的另一示例性实施方案。在这个实施方案中,存在 至少两个磁装置305和105。磁装置305也具有它自己的探测器307。装置105/305中的 每个被安置在导电嘴111附近以使它们各自的磁场可以影响焊接电弧115。装置105/305 可以如所期望的被安置在导电嘴111周围。在示例性实施方案呢中,装置105/305是共线 的并且可以(在行进方向)被安置为与焊接操作(从前到后的定向)一致,或者垂直于行 进方向(侧并侧(side by side)的定向-如图3所示)。在图3所示出的实施方案中, 装置处于侧并侧的配置以使它们各自的磁场可以横贯焊接接头移动电弧115。如上面所描 述的,来自各自装置105/305的磁场可以被用来在焊接操作期间控制电弧115的位置和/ 或熔滴117的飞行。因此,在这样的实施方案中,电弧115可以被移动到至少三个不同的位 置以将熔滴117引导到那些位置。例如,在焊接的一些部分期间,熔滴117可以被引导到焊 接接头的左侧,然后对于焊接的另一部分,熔滴可以被引导到接头的中心(没有磁场被激 发(activated)),并且然后对于焊接的又一部分,熔滴117可以被引导到接头的右侧。
[0034] 在所示出的系统中,磁场电源供应器103具有切换电路301,所述切换电路301将 磁操控电流切换到不同的磁装置105/305以使适当的磁场被激励。例如,切换电路301可 以被这样控制以使操控电流针对每一焊接电流脉冲在每个装置105/305之间是交替的。当 然,在其他实施方案中,切换电路301可以被这样控制以使操控电流针对一设定的持续时 间或者针对N个焊接电流脉冲被引导到一个装置105。例如,开关301可以针对10个焊接 电流脉冲将操控电流引导到装置105,并且然后针对接下来的10个脉冲将操控电流引导到 装置305等等。切换电路301可以经由各种手段控制。例如,磁操控电源供应器103可以 被耦合到焊接电源供应器101以使被用来控制焊接电弧波形的定时或控制信号还可以被 用来控制磁场电源供应器301。在一些实施方案中,焊接波形定时电路可以被用来控制开关 301。
[0035] 图4示出针对可以与如图3所示出的系统一起使用的焊接电流和磁操控电流二 者的示例性波形。如所示出的,如磁操控电弧所具有的,焊接电流也具有一系列脉冲1、2、 3……。然而,磁操控脉冲中的一些可以被引导到装置305/105中的一个(被安置在左方或 前方)并且然后次操控脉冲中的其他脉冲被引导到装置305/105中的另一个(被安置在右 方或后方)。在图4中,磁操控脉冲针对每个焊接电弧脉冲被提供,然而其他实施方案可以 采用一些电弧焊接脉冲被跳过的控制方式,所述控制方式类似于图2A中所示出的控制方 式。同样,图4中所示出的实施方案示出操控电流与电弧焊接电流同相。当然,在其他实施 方案中,操控电流可以如相对于图2A所描述的是异相的,和/或可以是AC波形。
[0036] 图5描绘可以与图3中所示出的系统300 -起使用的电流波形的另一示例性实施 方案,其中不同的装置105/305可以在焊接电流脉冲期间在不同的时刻被激活。如所示出 的,左方或前方的磁装置105/305可以在电弧焊接脉冲开始时被激活,而右方/后方的磁装 置105/305在脉冲结束时被激活来将熔滴117引导到所期望的位置。进一步地,与图2B - 样,磁操控电流中的任一个或两个可以是AC。
[0037] 图7描绘依据本发明的示例性实施方案的另一焊接系统700。在这个示例性实施 方案中,具有磁探测器的磁操控装置708被安置为邻近两个焊炬702/704 (并且在所示出的 实施方案中为在两个焊炬702/704之间),所述两个焊炬702/704正在以GMW焊接工艺焊 接。前(lead)焊炬702通过前电源供应器701供电并且后(trailing)焊炬704通过后电 源供应器703供电。在所示出的实施方案中,两个电源供应器是GMW型电源供应器。然 而,其他示例性实施方案可以使用不同类型的脉冲焊接电源供应器,例如GTAW型电源供应 器。磁装置708通过磁场电源供应器707供电,所述磁场电源供应器707将磁操控电流提 供到装置708来从探测器709创建磁场711。焊接电源供应器701、703以及磁场电源供应 器707中的每个被耦合到系统控制器705,所述系统控制器705控制电源供应器中的每个的 操作。
[0038] 在这样前后排列的电弧焊接配置中,已知的是,前波形和后波形的焊接电弧电流 脉冲是交替的以使来自各自焊炬702/704的电弧和熔滴转移没有彼此干扰。然而,同样已 知的是,在这样的焊接配置中,电弧干扰可以经常发生在前电弧和后电弧之间以致电弧偏 吹和类似的问题可能发生。为了减轻这种情况,本发明的实施方案采用磁装置708来在前 焊接操作和后焊接操作的各自的焊接脉冲之间产生磁场711。
[0039] 这在图8中被描绘,其中磁操控电流在前焊接脉冲和后焊接脉冲之间被脉冲化。 在这个实施方案中,磁场711在前焊接脉冲和后焊接脉冲1、2、3、4、5、6......中的每个之间 产生。焊接脉冲之间的磁场117的存在帮助稳定焊接脉冲之间的电弧等离子。在所示出的 实施方案中,磁场脉冲中的每个发生在电弧焊接脉冲之间的本底电流期间。然而,在其他示 例性实施方案中,磁场脉冲可以按照需要与电弧焊接脉冲的部分重叠来稳定焊接操作以及 减轻电弧偏吹。
[0040] 在系统700的其他示例性实施方案中,系统控制器705可以使用来自焊接操作的 反馈来打开或关闭装置708,所述反馈可以包括来自焊接电源供应器701/703的反馈。例 如,在一些焊接操作中,具有产生在每个交替的焊接脉冲之间的磁场可以不是必需的。然 而,控制器705确定在焊接期间何时电弧偏吹状况或电弧稳定状况出现,并且使用这种反 馈激活磁场电源供应器707,以利用磁场711来重新获得焊接操作的稳定。例如,系统控制 器可以使用来自前焊接电源供应器和后焊接电源供应器中的任何一个或两个的电流反馈 信息来确定磁场711对于稳定性的需要。进一步地,在电源供应器中的任何一个或两个中 的焊接状态逻辑可以作用于电弧的不稳定性并且可以基于被检测到的不稳定性导致磁场 被使能(enable)和/或被改变。
[0041] 图9描绘依据本发明的实施方案的焊接系统900的另一示例性实施方案。系 统900示出这样的示例性实施方案,其中焊炬111可以在焊接期间相对于焊道被移位 (translate)。当然,在本发明的实施方案中,焊炬111或工件W被移动来创建焊道。这样的 移动与焊接接头共线。然而,在系统900中焊炬111还在焊接操作期间横贯焊接接头被移 位。就是说,焊炬111垂直于焊接接头的中心线或者相对于焊接接头的中心线以对角的方 式被移动。这样的实施方案可以允许特殊化的焊接接头被创建或者允许焊接更宽的接头。 图9示出焊炬111在焊接期间相对于工件W被移动的实施方案,然而,在其他示例性实施方 案中,工件可以在焊接期间被移动。
[0042] 如图9所示,该实施方案使用马达/小车装置905来在焊接期间提供焊炬111的 移动。所述移动可以与焊接接头是纵向的或者相对于焊接接头是横向的。当然,马达/小 车装置905还可以被耦合到工件来在焊接期间移动工件。马达/小车装置905被耦合到系 统控制器901,所述系统控制器901在焊接期间控制所述移动。在这个实施方案中,在焊炬 111的两侧上存在两个磁装置907和909。(装置907/909还可以从前到后的方式被安置 或者按照需要被安置。)磁装置907/909中的每个被耦合到如上面所描述的磁场电源供应 器103,类似于关于图3所讨论的,以使磁场908可以通过任一磁装置产生。进一步地,装置 907/909可以被固定到焊炬以使它们各自的探测器在焊接期间相对于填充物焊丝113保持 等间距,或者装置907/909可以被这样固定以使焊炬111在装置907/909之间移位以致填 充物焊丝和装置907/909之间的距离在焊接期间改变。
[0043] 在焊接期间,焊炬111相对于焊接接头被移位以使填充物焊丝113横贯焊接接头 被移动。系统控制器901使用焊炬111相对于焊接接头的位置信息来控制磁场电源供应器 103和/或焊接电源供应器101的输出。就是说,电源供应器101/103的输出可以基于焊炬 相对于焊接接头的位置来变化。具体地,基于焊炬111相对于接头的横向位置,磁场电源供 应器103的输出电流可以变化,以基于焊接位置创建具有可变强度的磁场。
[0044] 这样的输出的实施例在图10中被示出,其中五个焊接脉冲的系列被示出。出于简 单的目的,假定图10中所示出的焊接电流脉冲中的每个在焊接过程中是在不同的横向位 置。当然,认识到的是,由于在应用中多个焊接电流脉冲可以并且将经常出现在相同的横向 位置,这可以不是这种情况。例如,在每个横向焊接位置可以存在任何数量的N个脉冲,并 且本发明的实施方案在这方面不受限制。转回到图10,看到的是,在第一焊接脉冲1,焊炬 111是在第一焊接位置并且来自电源103的磁操控电流以第一量值A被引导到左方磁装置 909来创建具有第一强度的磁场。注意的是,图10描绘这样的波形关系,其中在焊接电流达 到它的峰值之后的一段时间T时,磁操控脉冲开始。如之前所说明的,在一些实施方案中, 具有这样的磁场可以是有利的,所述磁场在接近峰值焊接电流脉冲结束时达到它的最大强 度,以将其作用汇聚在熔滴的飞行上。当然,如之前所描述的,其他实施方案可以针对峰值 磁场使用不同的定时而不脱离本发明的精神和范围。
[0045] 跟随第一脉冲1,在第二横向位置,第二焊接脉冲2被提供。在这个位置,相同的 左方磁装置909被使用但创建具有不同量值的磁场,因为操控电流是在不同的水平B。在 所示出的实施方案中,这可以是这样的情况,其中第二脉冲2发生在比第一脉冲1更靠近焊 接接头的中心的横向位置。因此,当焊炬移动更靠近接头的中心时,磁场强度减小来将熔 滴置于所期望的位置。当然,在其他实施方案中,当焊炬移动更靠近接头的中心时,磁场可 以是更强的。在第三焊接脉冲3,焊炬111被安置在接头的中心,并且在这个位置没有由装 置907/909中的任一个产生的磁场,因此允许熔滴被置于接头的中心。然后当焊炬111移 动到接头的右方时,右侧(right-hand)装置907将在脉冲4和5(两个不同的位置)产生 磁场,并且如上面所讨论的磁场强度将基于位置而变化。因此,本发明的实施方案可以控制 磁场的强度和定向,所述磁场被用来基于焊炬111相对于焊接接头的相对位置操控焊接电 弧。进一步地,如上面所描述的,操控波形可以是AC或者可以具有相反极性部分,所述相反 极性部分被用来在焊接期间控制熔滴飞行。例如,在一些示例性实施方案中,操控波形可以 不是恒定AC波形,但可以使用相反极性电流部分来在某些事件(例如短路)被检测到时控 制熔滴的飞行或者控制电弧。因此,在一些实施方案中,磁场电流可以针对每个接下来的脉 冲具有相反极性,或者一系列脉冲可以第一极性(方向)被提供,所述一系列脉冲被具有相 反极性(方向)的一系列脉冲跟随。这种控制方法的示例性实施方案将在下面被更详细地 讨论。
[0046] 现转到图11和图12,不仅本发明的实施方案可以被用来在焊接期间控制熔滴的 飞行和/或电弧定位,而且实施方案还可以被用来在焊接期间帮助短路的清除。图11和图 12描绘要被用在短路清除操作的波形并且每个将被依次讨论。注意的是,尽管这些实施方 案被示出为使用单极性磁操控电流,AC或改变极性的电流也可以在本发明的示例性实施方 案中被使用。如本文所描述的,电流的方向将影响电弧的移动,并且如此一来,如本文所描 述的,电流的极性和量值可以被用来控制电弧/熔滴飞行。本发明的实施方案不被限制为 使用单极性磁操控电流。
[0047] 图11描绘这样的实施方案,其中磁操控电流从焊接电弧的左侧被用来控制熔滴 的飞行。再次,如所示出的,在焊接电流脉冲达到它的峰值之后的时间T磁操控电流达到它 的峰值。在焊接期间,焊接电流峰值A被达到并且然后磁操控电流被激发来如所期望地操 控熔滴。然而,在这个实施方案中,在焊接期间短路发生而导致填充物焊丝113与工件W接 触,这在点B被一般地示出,在点B处电流下降低于本底水平。一旦短路被检测到,系统控 制器(例如901)引导由右侧磁场装置(例如907)创建的磁场。来自这个磁场的力将帮助 "推动"焊接电弧和熔滴或填充物113远离与工件W接触,以帮助快速地清除短路。在短路 期间,通过脉冲S产生的磁场被保持直到当短路被清除时(在点C)或者在电路已经被清除 之后的某个时刻(在点D)。然后焊接电流可以返回到它的本底水平E并且开始下一焊接脉 冲A。当然,本发明的其他实施方案可以使用不同持续时间和量值的短路清除磁脉冲S而仍 保持在本发明的范围内。在图11所示出的实施方案中,第一磁场产生装置产生磁场脉冲1 和2用于引导熔滴,同时相对的磁场产生装置(右)被用来帮助清除短路。图12描绘类似 的磁场使用来清除短路,更确切地说,相同的磁场产生装置被用来清除短路。在与图9中所 不出的实施方案相似的一些实施方案中,关于焊炬111的位置信息可以被用来确定哪一磁 场产生装置907/909将被用来清除短路。例如,如果焊炬111被安置在焊接接头的左侧上, 左方装置909可以被用来清除短路,因为它将趋向于驱使电弧到工件的中心而远离可能已 经引起短路的工件W的侧壁。类似地,如果焊炬111被安置到焊接接头的中心的右方,右方 装置907可以被用来产生短路清除磁场以移动电弧远离焊接接头的右侧。当然,其他实施 方案可以按照需要被预期和控制。
[0048] 如图12所示,同样考虑的是,磁短路清除脉冲S可以具有不同于被用来在焊接期 间引导熔滴的行进的磁脉冲1、2的磁峰值量值和/或持续时间。在图12中短路峰值S高 于并且长于操控峰值1、2。在其他实施方案中,不同的关系可以被使用。当然,应该注意的 是,峰值磁电流越高,导致的磁场越强,以使短路清除脉冲S的磁场可以高于并且长于操控 磁脉冲的磁场。
[0049] 各种控制方法现在将被讨论。示例性实施方案的以下讨论意图是代表性的,因为 其他控制方法也可以被采用而不脱离本发明的精神和范围。本发明的示例性实施方案可以 使用各种控制和/或同步磁场的产生的方法,以操控电弧和/或控制熔滴传递通过电弧的 飞行。一些示例性方法可以使用焊接波形和磁场电流之间的同步,而其他方法可以使用发 生在焊接操作期间的事件(event)的实时检测,所述方法中的每个将在下面被讨论。注意 的是,因为对于焊接电源供应器中的电流信号的控制来说,控制信号电路、定时电路、短路 检测电路、焊接反馈电路的结构和操作以及控制一般地是已知的,这些电路的详细讨论将 不在本文被提供。然而,这些类似的电路和控制方法可以在本文所讨论的系统控制器和/ 或磁场电源供应器中被实施,如下面所描述的,以控制磁操控电流的产生。
[0050] 在第一示例性实施方案中,当焊接电源供应器(例如101)使用由焊接电源供应器 使用的相同或类似的控制信号时,磁场电源供应器(例如103)可以同时被激励。例如,当 信号由焊接电源供应器101产生来产生焊接脉冲时,所述信号与磁场电源供应器共享,所 述磁场电源供应器同时导致磁场电流被供应到磁装置105。在这样的实施方案中,开/关信 号可以被产生来控制磁操控电流。因此,磁场的产生将与焊接脉冲同相。在(如上面所讨 论的)其他实施方案中,具有与焊接脉冲异相的磁场产生可以是合乎期望的。在这样的实 施方案中,磁场电源供应器103和/或焊接电源供应器101可以具有定时电路,所述定时电 路在焊接脉冲被产生之后延迟磁操控电流(并且因此延迟磁场)的创建达时间T。例如,在 一些示例性实施方案中,在焊接脉冲开始之后,磁操控电流可以被延迟5ms至20ms。当然, 其他实施方案可以使用不同的定时延迟。
[0051] 在其他示例性实施方案中,如上面所说明的,焊接电源供应器中的控制电路以一 时间T在焊接脉冲产生之前来产生磁场电流。再次,定时电路可以在焊接电源供应器、磁场 电源供应器和系统控制器中的任何中被采用,以确保磁场相对于焊接脉冲的合适的定时。
[0052] 在本发明的另一示例性实施方案中,基于波形控制系统的共享的状态表可以被使 用。控制焊接波形的状态表的使用一般地是已知的,例如由美国俄亥俄州克里夫兰市的林 肯电气公司制造的Power Wavd焊接电源供应器使用这样的控制方法。在示例性实施方 案中,磁场电流信号的控制和同步被整合到焊接波形状态表中,以使状态表控制焊接电源 供应器和磁场电源供应器二者的操作。例如,当实时焊接反馈(包括例如电弧电压、电弧电 流、电弧功率、输出电压、输出电流、焊丝送进速度等等)被焊接电源供应器接收到时,共同 的状态表基于实时反馈将操作指令提供到焊接电源供应器和磁场电源供应器二者。
[0053] 在进一步的示例性实施方案中,并行的状态表被针对磁场电源供应器103的操作 创建,以使焊接状态表控制焊接电源供应器101的操作,同时并行的磁场状态表控制磁场 电源供应器103的操作。如上面所描述的,在这样的实施方案中,磁场电源供应器103可以 共享来自焊接操作的焊接反馈和控制信号,例如电弧电流、电弧电压、电弧功率、输出电压、 输出电流、焊丝送进速度、输出功率等等。基于这种实时反馈信息,针对磁场电源供应器103 的并行的状态表确定磁场电流信号的适当的磁场强度、相位、频率、定时、峰值、持续时间等 等,并且磁场电源供应器103产生适当的磁场电流。
[0054] 在进一步的示例性实施方案中,并行的状态表在确定针对磁场电流信号或磁场的 适当参数方面可以将焊炬111在焊接操作期间的横向定位考虑在内。如上面所陈述的,本 发明的实施方案可以基于焊炬相对于焊接接头的移动来变化磁场。因此,磁场电源供应器 103的控制状态表还可以将焊炬111在焊接期间的定位考虑在内。就是说,磁场电源供应 器的控制状态表可以将焊炬相对于工件的x、y和z坐标考虑在内,以确定所期望的磁场强 度、持续时间、频率和相位。
[0055] 在进一步的示例性实施方案中,针对磁场电源供应器的控制状态表包含控制参 数,所述控制参数在短路被检测到时被触发。在这样的实施方案中,当短路被焊接电源供应 器101检测到时,这种反馈也被提供到磁场电源供应器103。基于被检测到的短路,磁场电 源供应器103将磁场电流提供到磁场装置(例如105)来帮助清除短路。例如,在本发明的 示例性实施方案中,在从焊接电源供应器101 (或类似的并行反馈电路)检测到短路时,针 对磁场电源供应器103的控制状态表接收反馈,并且基于所述被检测到的短路确定磁场的 强度、持续时间和定时。所述磁场电流然后被提供到适当的磁操控装置来帮助清除短路。如 果存在多个磁场产生装置,状态表还可以确定哪一装置应该被激励。另外,状态表还可以将 焊炬111在短路时的定位考虑在内来确定适当的磁场参数。
[0056] 如附图中所示出的,焊接系统的示例性实施方案将焊接电源供应器、磁场电源供 应器和系统控制器描绘为分开的部件。然而,这不需要是这种情况,因为这些部件可以被集 成为单个单元。另外,针对磁场的控制硬件和软件(例如控制状态表)可以在焊接电源供 应器、系统控制器和/或磁场电源供应器中的任何一个中得到。本发明的实施方案在这方 面不受限制,并且还可以具有模块化的构造,其中系统的部件以分开的而不是可组合的模 块被提供。
[0057] 尽管本发明已经参照其示例性实施方案被具体地示出和描述,但本发明不限于这 些实施方案。本领域的普通技术人员将理解的是,其中可以进行形式和细节上的各种改变 而不脱离如由随后的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
[0058] 参考标号:
[0059] 100 焊接系统 900 焊接系统
[0060] 101 焊接电源供应器 901 系统控制器
[0061] 103 磁场电源供应器 905 马达/小车装置
[0062] 105 磁场产生装置 907 磁装置
[0063] 107 磁场探测器 908 磁场
[0064] 109 磁场 909 磁装置
[0065] 111 焊炬
[0066] 113 焊条 A 电流
[0067] 115 焊接电弧 B 水平/点
[0068] 117 熔滴 C 点
[0069] 300 焊接系统 D 点
[0070] 301 切换电路 E 本底水平
[0071] 305 磁装置 N 数量
[0072] 307 探测器 S 脉冲
[0073] 700 焊接系统 T 时间
[0074] 701 前电源供应器 W 工件
[0075] 702 焊炬 X 坐标
[0076] 703 后电源供应器 1 坐标
[0077] 704 焊炬 z 坐标
[0078] 705 控制器
[0079] 707 磁场电源供应器
[0080] 708 磁操控装置
[0081] 709 探测器
[0082] 711 磁场
【权利要求】
1. 一种焊接系统(1〇〇),所述焊接系统(100)包括: 焊接电源供应器(101),所述焊接电源供应器(101)将焊接电流信号输出到焊条 (113),以使焊接电弧(115)在所述焊条(113)和工件(W)之间产生,所述焊接电流信号包 括多个电流脉冲;以及 磁场电源供应器(103),所述磁场电源供应器(103)将磁场电流信号输出到磁操控装 置(105, 107),所述磁场电流信号包括多个磁电流脉冲; 其中所述磁操控装置(105, 107)被安置为邻近所述焊接电弧(115)并且所述磁操控装 置(105, 107)使用所述磁场电流信号来产生磁场(109),以在焊接期间移动所述焊接电弧 (115);并且 其中所述多个所述磁电流脉冲相对于所述焊接信号的所述多个电流脉冲中的至少一 些被同步。
2. 如权利要求1所述的系统,其中所述电流脉冲中的所述至少一些中的每个导致熔滴 (117)与消耗品分开,并且其中所述多个磁电流脉冲与所述焊接信号的所述多个电流脉冲 中的所述至少一些同步,以使所述磁电流脉冲至少紧接在每个所述熔滴(117)与所述消耗 品分开之前是在峰值水平。
3. 如权利要求1所述的系统,其中所述电流脉冲中的所述至少一些中的每个导致熔滴 (117)与消耗品分开,并且其中所述多个磁电流脉冲与所述焊接信号的所述多个电流脉冲 中的所述至少一些同步,以使所述磁电流脉冲至少紧接在每个所述熔滴(117)与所述消耗 品分开之后是在峰值水平。
4. 如权利要求2或3所述的系统,其中所述消耗品是所述焊条。
5. 如权利要求1至4中的一项所述的系统,其中所述焊接电源供应器将所述多个磁电 流脉冲与所述多个焊接电流脉冲中的所述至少一些同步。
6. 如权利要求1至5中的一项所述的系统,其中所述多个磁电流脉冲中的至少一些具 有与所述多个磁电流脉冲中的其他脉冲不同的峰值水平。
7. 如权利要求1至6中的一项所述的系统,其中所述多个磁电流脉冲中的至少一些具 有与所述多个磁电流脉冲中的其他脉冲不同的极性。
8. 如权利要求1至7中的一项所述的系统,其中所述多个磁电流脉冲中的至少一些与 所述焊接电流脉冲中的所述至少一些是以45°至135°异相的。
9. 如权利要求1至8中的一项所述的系统,其中所述焊接电流信号在所述多个电流脉 冲中的所述至少一些之间提供至少一个附加电流脉冲。
10. 如权利要求1至9中的一项所述的系统,还包括第二磁场电源供应器,所述第二磁 场电源供应器将第二磁场电流信号输出到第二磁操控装置(305, 909),所述第二磁场电流 信号包括第二多个磁电流脉冲; 其中所述第二磁操控装置被安置为邻近所述焊接电弧并且所述第二磁操控装置使用 所述第二磁场电流信号来产生附加磁场,以在焊接期间移动所述焊接电弧;并且 其中所述第二多个所述磁电流脉冲相对于所述焊接信号的所述多个电流脉冲中的其 他脉冲中的至少一些被同步。
11. 如权利要求1至10中的一项所述的系统,其中当在所述焊条(113)和所述工件(W) 之间的短路被所述焊接电源供应器(101)检测到时,所述磁场电源供应器(103)提供与所 述多个磁电流脉冲不同的附加磁电流脉冲。
12. 如权利要求1至11中的一项所述的系统,其中所述多个磁电流脉冲中的至少一些 与所述焊接电流脉冲中的所述至少一些是以90°或180°异相的。
13. -种焊接方法,所述焊接方法包括: 将焊接电流信号提供到焊条(113)以使焊接电弧(115)在所述焊条(113)和工件(W) 之间产生,其中所述焊接电流信号包括多个电流脉冲; 将磁场电流信号提供到磁操控装置(105),其中所述磁场电流信号包括多个磁电流脉 冲; 将所述磁操控装置(105)安置为邻近所述焊接电弧(115)并且使用所述磁场电流信号 来通过所述磁操控装置(105)产生磁场,以在焊接期间移动所述焊接电弧(115);以及 在焊接期间相对于所述焊接信号的所述多个电流脉冲中的至少一些同步所述多个所 述磁电流脉冲。
【文档编号】B23K9/073GK104334304SQ201380029351
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年4月3日 优先权日:2012年4月3日
【发明者】W·T·梅休斯, S·R·彼得斯, S·R·科尔 申请人:林肯环球股份有限公司
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