用于自动化根部焊道焊接的系统和方法与流程

本公开总体涉及焊接系统领域，并且更具体地，涉及用于执行根部焊道焊接操作的自动化系统。

背景技术：

焊接是对于各种应用而言在各种行业均已变得普遍存在的工艺。例如，焊接经常被使用在如造船、海上平台、建设、轧管机等的应用中。弧焊接系统一般向电极施加电流以在电极和工件之间形成电弧，由此在工件上形成焊缝沉积物。一般，电极可以是由焊接系统推进来到达工件的连续的焊丝。而且，基于焊炬和电极相对于工件的焊接位置，焊缝沉积物上的力(例如，重力)可以不同地影响焊缝沉积物的形状和结构。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种自动化根部焊道焊接系统包括焊接机械手和控制电路。焊接小车机械手包括焊炬。所述焊接小车机械手被配置以在第一工件的表面周围移动，并且在第一工件和第二工件之间的接合处执行根部焊道焊接操作。所述控制电路被配置以控制所述焊接机械手和所述第一焊接工件相对于彼此的移动，经由焊炬施加高能焊接相位以建立第一根部条件，并且经由焊炬施加低能焊接相位以建立第二根部条件。

在另一个实施例中，一种系统包括焊接机械手、传感器和控制电路。所述焊接机械手包括焊炬。焊接小车机械手被配置以在第一管子的圆周周围移动，并且在第一管子和第二管子之间的接合处执行根部焊道焊接操作。所述传感器被配置以检测指示第一和第二根部条件的一个或更多个参数，并且输出根部条件信号。所述控制电路被配置以：从所述传感器接收所述根部条件信号；至少部分地基于所接收的根部条件信号，控制所述焊接小车机械手和所述第一管子相对于彼此的移动；至少部分地基于所接收的根部条件信号，控制送丝器向所述焊接机械手供应焊丝的速率；至少部分地基于所接收的根部条件信号，控制电源供应装置向所述焊接机械手供应的焊接电源的量；施加所述焊接电源的高能焊接相位，直到所述根部条件信号指示所述第一根部条件成立；并且施加所述焊接电源的低能焊接相位，直到所述根部条件信号指示所述第二根部条件成立。

在第三实施例中，一种焊接方法包括：使用被附接到焊接机械手的焊炬，向在第一管段和第二管段之间形成的接合处施加焊接电源的高能焊接相位，直到第一根部条件成立；向所述接合处施加所述焊接电源的低能焊接相位，直到第二根部条件成立；以及使所述焊接机械手和所述第一管段相对于彼此移动。

附图说明

当参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在所述附图中同样的字符在所有附图中表示同样的部件，在附图中：

图1是根据本公开的方面的自动化根部焊道焊接系统的实施例；

图2是根据本公开的方面的图1中示出的执行根部焊道焊接操作的焊接小车的实施例的示意图；

图3示出根据本公开的方面的要由图1中示出的自动化根部焊道焊接系统连接的两个管段；

图4a示出根据本公开的方面的焊接开始之前的接合处；

图4b示出根据本公开的方面的具有孔眼(keyhole)的接合处；

图4c示出根据本公开的方面的接合处中根部焊道焊缝(weld)的形成；

图4d示出根据本公开的方面的填充有焊接材料的孔眼；

图5是根据本公开的方面的第一管段的横截面视图；

图6是根据本公开的方面的在执行焊接操作时的焊接电流的标绘图；以及

图7是根据本公开的方面的用于执行根部焊道焊接操作的工艺的流程图。

具体实施方式

下文将描述一个或更多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，说明书中可能不会描述实际实行方案的所有特征。应该领会到，在任何这样的实际实行方案的开发中，例如在任何工程或设计项目中，必须做出许多针对实行方案的决策以实现开发者的特定目标，这些特定目标对于不同的实行方案是不同的，例如遵守系统相关的和商业相关的约束条件。而且，应该领会到，虽然这样的开发工作可能是复杂并且耗时的，但是对于从本公开受益的本领域技术人员而言将会是日常的设计、制造和生产工作。

当介绍本公开的各种实施例的要素时，冠词“一(a)”、“一个(an)”、“该(the)”和“所述(said)”旨在表示有一个或更多个的所述要素。术语“由……构成(comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”旨在为包括性的并且意为除了所列出的要素之外可以有附加要素。此外，以下讨论中任何数值示例意为非限制性的，并且因此额外的数值、范围和百分比落在所公开的实施例的范围之内。

当将多个管段焊接在一起(例如，根部焊道焊接操作)时，基于当焊炬和电极中的一个在所述多个管段的圆周周围移动时所述焊炬和电极的位置，焊缝沉积物上的力(例如，重力)可以对焊缝沉积物具有不同的影响。此外，对于所述多个管段容许的制造公差内的差异可能导致几个管段配合(fittingtogether)得比其他管段更好。尽管有经验的操作者可能能够考虑到当炬在管子的圆周周围移动时的这些差异(例如，改变炬的电压或电流，或者在特定焊接位置花费更多时间)，但是对于自动化焊接系统来说，考虑这些变量可能是有难度的。尽管所示出的具体实施例是针对两个管段，但是应该理解，可以将所公开的技术应用到具有任何形状或尺寸的工件。尽管在下文中可能将工件称为管子，但是应该理解，可以使用具有任何尺寸或形状的工件。

本实施例包括基于根部条件在执行焊接操作期间在高能(脉冲、一系列脉冲，或者高能过程)和低能(脉冲、一系列脉冲，或者通过电流辅助转移金属的低能过程)焊接相位之间循环的自动化焊接系统。自动化焊接系统可以包括焊炬和一个或更多个控制系统，所述焊炬被安装到在管子的圆周周围行进的焊接自动装置(例如，机械手或“焊接小车(weldingbug)”)，所述一个或更多个控制系统被配置以向焊炬提供电源和自耗焊接电极或焊丝并且控制焊接机械手。自动化焊接系统还可以包括被设置在管子内侧或外侧的传感器，其被配置以感测根部条件。自动化焊接系统可以被配置以使用高能(例如，300安培)焊接相位来形成孔眼，并且随后转换到低能(例如，100安培)焊接相位来通过沉积焊接材料填充接合处。这样的能量水平可以与机械手行进速度和/或送丝速度对应。本文所描述的系统和技术可以提高自动化根部焊道焊缝的质量。

现在转向附图，图1图示说明自动化焊接系统10的实施例，所述自动化焊接系统10具有电源供应装置12、送丝器14，以及经由导线管18彼此连接的协调控制系统16。在图示说明的实施例中，电源供应装置12、送丝器14和协调控制系统16是彼此分离的，由此电源供应装置12、送丝器14和协调控制系统16可以彼此一定隔开距离地被安置。然而，应该理解，在一些实施例中，电源供应装置12、送丝器14和协调控制系统16可以是与彼此一体的。在这种情况下，导线管18将是与系统一体的。在电源供应装置12、送丝器14和协调控制系统16彼此分离的实施例中，可以在电源供应装置12、送丝器14和协调控制系统16上提供端子以允许导线管18连接到系统12、14和16，以便允许在所述三个系统12、14、16之间交换电源、气体和数据。

焊接系统10被设计来向焊接机械手20(例如，小车，或者任何其他固定的或灵活的自动装置)提供控制、电源和保护气体。焊接机械手20被配置以：在第一管段22的圆周周围移动，并且在沿所述第一管段抵接第二管段26的接合处24执行焊接操作。在一些实施例中，送丝器14向焊接机械手20提供焊丝28(例如，电极)。应该领会到，目前所公开的方法可以被使用在许多不同范围的系统中，所述系统使用任何弧焊接工艺(例如，fcaw-o(自保护)、fcaw-g、gmaw、mcaw、gtaw(即，tig)，或者类似的弧焊接工艺)，这些弧焊接工艺可以使用气体管线或者不那样。如将由本领域技术人员领会的，焊接机械手20可以是许多不同的类型的，并且典型地允许焊丝28和气体向邻近接合处24的位置进给，在所述接合处24形成焊缝以连接两个或更多个管段22、26。第二导体(例如，夹具58)典型地被连接到多个管段22、26，以便通过焊接机械手20使电源供应装置12和多个管段22、26之间的电路完整。

焊接系统10的操作者可以经由设置在电源供应装置12上的操作者界面32选择数据设定(例如，焊接参数、气体流动参数、弧长)。操作者界面32将数据设定通信至电源供应装置12内的控制电路34。控制电路34可以至少部分地基于所述焊接参数控制电源转换电路36，并且控制电路34可以至少部分地基于所述气体流动参数控制电源供应装置12或送丝器14的气体控制阀38。应该注意到，一些实施例(例如，fcaw焊接系统)可以不使用保护气体，并且因此可以没有气体控制阀38。在一些实施例中，操作者界面32被合并到电源供应装置12的前面板中。在一些实施例中，焊接系统10可以被配置以允许使用通过焊接机械手20输送的各种钢(例如，高合金钢、低合金钢)焊丝、铝焊丝或其他焊丝的mig焊接。气体控制阀38可以经由焊接机械手20将保护气体40引导到多个管段22、26的接合处24。然而，在一些实施例中，自动化焊接系统10可以被配置用于药芯弧焊接(fcaw)或者可以允许自保护的其他类型焊接。这样的实施例可以不包括气体控制阀38。

控制电路34运转以控制来自转换电路36的焊接电源输出电源的产生，所述焊接电源输出被施加到焊丝28，用于实施期望的焊接操作。该电源转换电路36适合于形成输出电源，所述输出电源最终将被施加到焊接机械手20处的焊丝28，所述输出电源可以包括交流变极性、脉冲功率等。在电源转换电路36内可以采用各种电源转换部件，包括但不被限制于斩波器、升压电路、降压电路、逆变器、变流器、变压器等。这样的电源转换电路36的配置可以是本领域通常已知或其本身已知的类型。电源转换电路36被连接到电源41。施加到电源转换电路36的电源可以来源于电网，尽管也可以使用其他的功率源，如由发动机驱动的发电机、电池、燃料电池或其他可替换的源产生的电力。最后，图1中图示说明的电源供应装置12包括接口电路42(例如，通信电路)，所述接口电路42被设计以允许控制电路34与送丝器14或协调控制系统16经由有线或无线信号来交换信号。

送丝器14包括经由有线或无线连接被结合到接口电路42的互补接口电路44(例如，通信电路)。在一些实施例中，可以在接口电路部件42、44两者上提供多引脚接口，并且在相应的接口电路部件之间行进的多导体线缆使得能够在电源供应装置12、送丝器14、协调控制系统16或其任意组合上设定信息，例如送丝速度、工艺、所选择的电流、电压、弧长、功率水平，或气体流量水平等。送丝器14可以被配置用于普通的单向送丝，和/或用于往复的、受控制的短路(csc)焊丝运动循环，借此焊丝28向前移动到熔池中并且被撤回，或者也被称为焊丝缝合运动(wirestitchingmotion)。

送丝器14还包括被连接到接口电路44的控制电路46。控制电路46允许根据操作者的选择控制送丝速度，并且允许经由接口电路44将这些设定反馈给电源供应装置12和/或协调控制系统16。控制电路46被连接到送丝器14上的操作者界面48，所述操作者界面48允许对一个或更多个焊接参数(具体地是送丝速度)的选择。操作者界面48还可以允许对这样的焊接参数的选择，例如工艺、所使用的丝的类型、电流、电压、弧长、电源设定，或气体流量水平等。在一些实施例中，控制电路46还可以被连接到气体控制阀38，所述气体控制阀38调节保护气体到焊接机械手20和/或到接合处24的后表面的流量。一般，在焊接的时候提供这样的气体，并且可以就在焊接之前和/或在焊接之后短暂的时间启动。

送丝器14包括用于在控制电路46的控制下将焊丝28进给到焊接机械手20并且由此进给到焊接应用的部件。例如，焊丝的一个或更多个线轴50可以容纳在送丝器14中。焊丝28从线轴50上退绕，并且逐步进给到焊接机械手20。在某些实施例中，线轴40可以与离合器(clutch)52相联，当将焊丝28进给到焊接机械手20时，所述离合器52将线轴40脱开。离合器52还可以被调节以维持最小摩擦水平，从而避免线轴50的自旋。提供进给电机54，所述进给电机54与进给辊56接合，以从送丝器14朝焊接机械手20推动焊丝28。在实践中，辊56中的一个被机械地连接到进给电机54，并且通过进给电机54旋转以驱动来自送丝器14的焊丝28，同时配对的辊58朝焊丝28偏移以维持两个辊56、58和焊丝28之间的接触。一些系统可以包括多个这种类型的辊56。最后，在某些实施例中，可以提供转速计60，用于检测电机54，辊56、58，或者任何其他相关联的部件的速度，以便提供对实际送丝速度的指示。来自转速计60的信号被反馈给控制电路46，例如用于校准。

应该注意到，也可以实施其他的系统布置和输入方案。例如，在某些实施例中，可以从大体积储存容器(例如，鼓状容器(drum))或者从送丝器14外侧的一个或更多个线轴50进给焊丝28。类似地，在某些实施例中，可以从安装在焊接机械手20上或附近的线轴50进给焊丝28。在一些实施例中，被结合到或者并入到焊接机械手20中的机械手系统62控制焊接机械手20相对于接合处24的移动。如本文详细讨论的，焊接机械手20可以被配置以沿轨道64或其他导引件移动。轨道64可以被暂时地或永久性地连接(例如，夹紧、粘附、铆接、螺接)到第一和第二管段22、26，并且邻近于接合处24。焊接机械手20可以被配置以在焊接期间沿轨道64移动，使焊炬66沿两个管段22、26的接合处24经过。

典型地以常规的方式借助于焊接线缆68，将来自电源供应装置12的电源供应到焊丝28。类似地，保护气体可以被进给穿过送丝器14和焊接线缆68。在焊接操作期间，焊丝28穿过焊接线缆包套朝着焊炬66行进。在焊炬66内，附加的牵引电机(图2中示出的)可以被提供有相关联的驱动辊，特别是针对铝合金焊丝。这些过程还在下文被更详细地描述。工件线缆和夹具30可以允许闭合从电源供应装置经过焊炬66、电极(焊丝28)和多个管段22、26的电路，以在焊接操作期间维持焊接电弧。

协调控制系统16被配置以控制焊接机械手20。在一些实施例中，协调控制系统16可以被配置以控制电源供应装置12、送丝器14和机械手系统62，以使协调控制系统16能够控制焊接机械手20在轨道64周围的移动以及焊接机械手20的焊接操作的性能。机械手系统62可以控制焊接机械手20和焊炬66，由此所述焊炬66可以在三维空间中移动。例如，焊炬66在焊接操作期间的移动可以基本上平行或垂直(例如，在真实的平行或垂直的2度误差范围内)于焊接机械手20的行进方向(例如，交织(weaving))。

在其他实施例中，焊炬66可以执行旋转电弧焊接。即，焊炬66可以被配置以通过运动控制组件(例如，电机和凸轮)使焊丝28相对于焊炬66的中心轴线以期望的图案移动。来自焊丝28的材料随着焊丝28以期望的运动图案(例如，圆形图案)移动而被沉积。送丝速度和接触尖端到工件的距离(ctwd)参数在本文中可以被定义为相对于焊炬66轴线的轴向移动，而焊丝28在垂直于焊炬66轴线的平面中的移动可以被定义为径向移动。焊丝28的径向移动可以包括在垂直于炬66轴线的平面中以一图案(例如，圆形图案)的移动，以及焊丝28在垂直于焊炬66轴线的平面中的旋转(rotational)(例如，自旋(spinning))移动。在一些实施例中，可以独立于焊丝28的轴向移动来控制径向移动。因此，焊丝28的沉积速率可以基本上独立于焊丝28的径向移动。

径向移动的速率可以至少部分地基于保护气体，焊丝直径、焊丝材料、工件材料、焊接工艺、移动图案，或者熔融电极球的表面张力，或其任意组合。径向移动速率的范围可以对应于某些类型的转移过程和/或移动图案。例如，对于saw焊接工艺，径向移动速率可以小于mig焊接工艺(例如，5hz至30hz)，所述mig焊接工艺可以使用大约50hz至100hz之间的径向移动速率。在一些实施例中，8字形图案或圆形移动图案可以具有比之字形移动图案更低的径向移动速率。而且，径向移动的直径目前被预期为大约1.0mm至1.5mm的级别，但是可以期望更高的直径，例如大约4.0mm的级别。还可能符合期望的是，提供与气体流量同步或协调的电极移动。这些各种参数可以辅助到基底材料中的渗透，电极材料的沉积，电弧的维持，以及其他焊接参数。在2014年9月9日递交的、题目为“同步旋转电弧焊接方法和系统(synchronizedrotatingarcweldingmethodandsystem)”的美国专利申请s/n14/481,507中陈述了对自旋弧焊接技术的公开和更详细的描述，在本文中所述美国专利申请以其全部被并入本公开。

在一些实施例中，协调控制系统16可以与电源供应装置12和送丝器14通信，但是可以仅具有对机械手系统62的控制。协调控制系统16可以包括接口电路70，所述接口电路70经由有线或无线连接被分别连接到电源供应装置12和送丝器14的接口电路42、44。在一些实施例中，可以在接口电路部件42、44、70上提供多引脚接口，并且被连接在相应的接口电路部件之间的多导体线缆使得能够经由电源供应装置12、送丝器14、协调控制系统16或其任意组合设定信息，例如送丝速度、工艺、所选择的电流、电压、弧长、功率水平，气体流量水平，或焊接机械手20的速度和位置等。

协调控制系统16还可以包括被连接到接口电路70的协调控制电路72。协调控制电路72控制焊接机械手20。在一些实施例中，协调控制电路可以根据操作者的选择来控制送丝速度、焊接电源以及焊接机械手20的位置。在其他实施例中，协调控制电路72可以通过机械手系统62仅控制焊接机械手20的位置。协调控制电路72可以包括处理器74和存储部件76。处理器74可以被配置以执行指令、运行程序、分析数据等。存储部件76可以被配置以储存指令、程序、数据等。存储部件76可以是任何非临时计算机可读介质。

协调控制电路72可以被连接到操作者界面78，所述操作者界面78可以允许对一个或更多个参数(例如，焊接机械手20的位置、焊接操作例程、焊接工艺、送丝速度、焊丝类型、电流、电压、弧长、功率设定、气体流量水平等)进行选择。操作者界面78还可以包括端口80，所述端口80可以允许操作者连接输入装置(例如，鼠标、键盘、触摸屏、智能装置)或者外部存储部件(usb或其他闪存驱动器等)。

在一些实施例中，协调控制电路72可以被配置以从传感器82接收信号，所述传感器82通过导线管84连接到协调控制系统16，并且被配置以感测正被焊接的接合处24的参数。例如，在一些实施例中，传感器82可以是被配置以感测接合处24中的温度或热量的红外传感器。在其他实施例中，传感器82可以是被配置以感测接合处24中的孔(例如，孔眼)的存在或其尺寸的光学传感器(例如，光学照相机)。在进一步的实施例中，传感器82可以是紫外传感器、音频传感器、电压传感器、电流传感器、功率传感器、声音传感器、视频传感器、焊丝位置传感器(例如，被配置以检测经编码的焊丝)，或其组合。然而，应该理解，这些是非限制性示例，并且传感器82可以被配置以感测与正在接合处24上执行的焊接操作相关的任何参数。传感器82阈值或者可以是机械地限定的。由传感器82收集的数据可以经由导线管84被通信返回到协调控制系统16的协调控制电路72。基于从传感器82接收的数据，协调控制电路72可以根据正在执行的例程或程序，或者根据从操作者界面32、48、78中的一个或更多个接收的输入，改变焊接操作的参数(例如，送丝速度、焊接电源、焊接相位、焊接机械手20的位置等)。

协调控制系统16还可以包括电源转换电路86，所述电源转换电路86可以被连接到功率源88。功率源88可以是向电源供应装置12提供电力的相同的功率源41，或者它可以是不同的功率源。电源转换电路86可以被配置以从功率源88接收功率，如果需要的话，转换所述功率，并且随后向焊接机械手20和/或传感器82提供功率。

图2是在接合处24上执行焊接操作的焊接机械手20的示意图。如针对图1讨论的，两个管段22、26被贴近彼此设置以形成接合处24。由焊接机械手20执行焊接操作，以连接两个管段22、26。轨道64可以被安装(例如，夹紧、紧固、铆接、用胶水粘附等)到一个管段22，以充当焊接机械手20的导引件。焊接机械手20可以被配置以沿轨道64在管子22的圆周周围行进，以便执行焊接操作。焊接机械手20可以包括机械手系统62，以利于焊接机械手20沿轨道64的移动。机械手系统62可以是制动器，或者下述部件的一些组合(制动器、控制电路、处理器90，和/或存储器92，或其一些组合)，所述部件被配置以从协调控制电路72接收控制信号，并且根据该信号使焊接机械手20沿轨道64移动。

保护气体、焊丝28和/或电源可以通过焊接线缆68被供应到焊接机械手20。在焊接操作期间，焊丝28可以前进穿过焊接线缆68并朝向焊接机械手20前进。在焊接机械手20内，附加的牵引电机93可以被提供有驱动辊94。当焊接机械手20执行焊接操作时，保护气体可以流动到、焊丝28可以前进到、电源可以被施加到焊接线缆68，并且穿过焊炬66到前进中的焊丝28。

与协调控制电路72通信的传感器82可以被设置在管子22、26内侧(例如，在管子22、26相对于焊接机械手20的一侧上)，并且被配置以感测与焊接操作相关联的一个或更多个参数。在一些实施例中，传感器82可以是任何非接触型传感器。例如，在一些实施例中，传感器82可以是红外照相机，其被配置以感测接合处24的能量、热量或温度。在其他实施例中，传感器82可以是光学传感器，其被配置以在“孔眼”已被打开或闭合时感测孔眼的尺寸，或者感测焊丝何时通过孔眼。基于被通信返回到协调控制电路72的测量信号，系统10可以使用来自一个或更多个传感器82的数据执行一些计算(例如，di/dt和/或dv/dt)，并且可改变各种焊接操作参数(例如，焊接相位、电流、电压、送丝速度、焊接机械手位置等)。

图3图示说明可以通过上文描述的自动化焊接系统连接的两个管段22、26的实施例。图3的多个管段22、26包括第一管段22的第一端96，所述第一端96要被焊接到第二管段26的第二端98。第一端96的第一面100要被焊接到相对的第二端98的第二面102。在如下文讨论的一些实施例中，第一面100和/或第二面102可以是有斜面的(为清楚起见没有示出于图3中)，以使得焊炬66能够容易地连接第一和第二管段22、26的根部表面104(例如，内表面)。自动化焊接系统10可以被配置以沿第一和第二管段22、26之间的整个根部提供基本上均匀的根部焊珠。在一些实施例中，第一和第二管段22、26的外径也可以被焊接在一起，从而所得到的管段的外径在第一和第二管段22、26之间的整个根部上是基本上均匀的。

图4a-4d示出在使用所公开的系统和技术的根部焊道焊接操作的各个阶段期间，接合处24的横截面。图4a示出焊接开始之前，在第一和第二端96、98之间的图3的接合处24的横截面。在一些实施例中，第一和第二端96、98的第一和第二面100、102可以与彼此平接，并且在所述第一和第二面100、102之间没有根部开口110。在其他实施例中，由于管段22、26在制造公差内的制造差异，沿管段22、26的圆周周围的一部分或直至全部，在第一和第二面100、102之间可以有小的根部开口110。图4a的接合处24图示说明第一和第二管段22、26，所述第一和第二管段22、26具有在相对的面100、102之间形成接合角112的有斜面的边缘。外部开口114大于根部开口110，以增加焊接根部面116的可访问性。

使用高能焊接相位(例如，300安培)来形成孔眼118，所述孔眼118加热(例如，熔化)接合处24附近的第一和第二端96、98，以便打开根部开口110。高能焊接相位的示例包括高能直流电源脉冲、cdc高能半循环相、可变极性等。图4b示出具有孔眼118的接合处24。传感器82可以远离焊炬66地位于接合处24的相反侧(即多个管段22、26内侧，或者构建到材料夹具内)，并且被配置以感测焊接操作的一个或更多个参数。例如，传感器82可以是红外照相机，其被配置来感测指示第一和第二端96、98在接合处24附近的温度的参数。在其他实施例中，传感器82可以是光学传感器，其被配置来检测第一和第二端96、98之间何时有孔眼118(例如，第一和第二端96、98之间具有足够大以至于能够被光学传感器82检测到的面积的开口，其中所检测到的小孔118的面积超过预定的阈值面积)。在又一些其他实施例中，传感器82可以被设置在管段22、26的外侧(例如，在焊接机械手上)。

当传感器82检测到第一和第二端96、98已经达到设定温度或者已形成孔眼118时，自动化焊接系统10转变为低能焊接相位(例如，100安培)。低能焊接相位的示例包括rmd、rmd脉冲、csc、csc脉冲、短路、热丝、可变极性、具有或没有等离子体转移材料的电阻式热丝等。自动化焊接系统10使用低能焊接相位来在孔眼118中沉积焊接材料120，以便形成焊缝122。图4c示出使用低能焊接相位以闭合根部开口110的根部焊道焊缝122的形成。根部焊道焊缝122在多个管段22、26内侧的根部面116处提供从第一管段22到第二管段26的平滑过渡。

根部焊道焊缝122形成可以支撑由随后的焊接焊道提供的填充剂焊接材料120的基础(图4d)。用焊接材料120填充孔眼118以封闭孔眼118可以使用低能焊接相位来完成。然而，在一些实施例中，如果焊接材料120开始冷却(例如，由传感器82感测到的温度降低到设定阈值温度以下)，自动化焊接系统10可以切换回高能焊接相位。在其他实施例中，光学传感器、孔眼118的尺寸、声音或一些其他特征可以被使用来确定焊接系统10何时切换回高能焊接相位。例如，传感器82可以是被配置来检测根部的热量和温度的红外照相机。在另一个实施例中，传感器82可以是光学传感器，其被配置来检测孔眼118何时已被形成，或者在其他方面多个管段22、26之间何时有根部开口110。如图4d中示出的，一旦孔眼118被填充有焊接材料120来密封根部开口110，自动化的焊接系统10可以持续使用低能焊接相位来将焊接材料120沉积到外部开口114中。如先前讨论的，自动化焊接系统10可以偶尔地循环回高能焊接相位以按照需要加热所沉积的焊接材料120。自动化焊接系统10可以持续沉积焊接材料120，直到根部焊道焊缝122填满外部开口114，或者满足一些其他条件(例如，根部焊道焊缝122的厚度、所沉积的焊接材料的质量或体积等)。在本实施例中，一旦已在给定位置执行焊接操作，焊接机械手20移动到管段22、26的圆周周围的新位置。然而，在其他实施例中，在执行图4a-4d中描绘的多个焊道焊接操作的同时，焊接机械手20可以在多个管段22、26的圆周周围连续不断地移动。在其他实施例中，焊接机械手20可以以可变速度移动、停止，并且在一些情况中甚至反向移动、停止。在一些实施例中，焊接机械手20可以在管子22、26的圆周周围的一个焊道上执行图4a-4d中示出的步骤中的一些(例如，形成并且随后填充孔眼118)，并且随后补足在管子22、26的圆周周围的一个或更多个后续焊道上的根部焊道焊缝122。

图5是第一管段22和焊接机械手20的实施例的横截面视图。如图5中图示说明的，第一弧长124的实施例可以沿管子22低于上部分128的下部分126延伸，其中相对于竖直方向130，下部分126低于上部分128。第一弧长124可以，如沿下部分126或者下部分126的大约一半延伸根部面116的大约25％或50％。如可以领会到的，用于接合处24沿下部分126的焊接操作对应于竖直焊接位置和/或仰焊接位置，从而在方向130上的重力背离根部面116地在焊接材料120上施加力。

焊接机械手20沿轨道64移动，以将焊接材料120沉积在接合处24中。焊接机械手可以沿轨道64移动，由此控制焊炬66沿接合处24的移动(例如，圆周移动)以沉积焊接材料120。安装到管段22的构件132支撑轨道64。在一些实施例中，机械手系统62可以利用连接到轨道64的多个机械手驱动器。在一些实施例中，焊接机械手20在圆周方向134上从管子22的上部分128移动到下部分126。焊接机械手20可以包括机械手系统62，以控制和/或驱使焊接机械手20沿轨道64的移动。机械手系统62可以使得焊接机械手20以恒定速度或者以可变速度沿轨道64移动。此外，机械手系统可以使得焊接机械手停止，并且在一些情况中基于预定的工艺或所感测到的参数/条件(例如，孔眼条件)沿轨道逆向运动。协调控制系统16可以被连接到焊接机械手20并且被配置以控制焊接机械手20的位置。在一些实施例中，协调控制系统16还可以被配置以控制焊接参数(例如，送丝速度、电流、电压、保护气体等)。

图6是当在执行焊接操作期间使用不同的焊接相位时的焊接电流的标绘图136。x-轴表示时间。y-轴表示焊接电流(以安培为单位)。然而，应该理解，可以创建具有y-轴的类似的标绘图，所述y-轴线为电压、功率，或者指示在焊接相位期间由焊炬66使用的能量的任何其他参数。曲线142对应于当自动化焊接系统10利用不同的焊接相位以便完成焊接操作时，焊炬66使用的电流。如图6中示出的，自动化焊接系统10开始于使用高能焊接相位144以形成孔眼118。一旦已经形成孔眼118，自动化焊接系统10转变为低能焊接相位146。按照需要，自动化焊接系统10可以在高能焊接相位144和低能焊接相位146之间来回振荡，直到焊接操作完成。在一些实施例中，自动化焊接系统10可以利用一个或更多个中间焊接相位148，所述中间焊接相位148可以具有在低能相位146和高能相位144之间某处的能量。

图7是使用自动化焊接系统10执行根部焊道焊接操作的过程150的流程图。在方框152中，过程150使用高能(例如，300安培)焊接相位以在第一管段22的第一端96和第二管段26的第二端98之间形成孔眼118。高能相位的示例包括高能直流电源脉冲、cdc高能半循环相位、可变极性、喷射、脉冲喷射、由csc辅助的脉冲、改进的短路等，或者用以形成高能孔眼118的其他过程。高能相位可以是一个或更多个高能脉冲，这些高能脉冲具有用于形成孔眼的较低电流。高能焊接相位可以利用比低能焊接相位更高的送丝速度。高能焊接相位可以包括生成大于100安培、大于125安培、大于150安培、大于175安培、大于200安培、大于225安培、大于250安培、大于275安培、大于300安培、大于325安培、大于350安培、大于375安培、大于400安培的电流，或者任何其他电流。

在方框154中，可以检测根部的条件。在一些实施例中，通过位于多个管段22、26内侧并且朝向根部面116的传感器82来检测根部条件。在一个实施例中，传感器82可以是被配置以检测根部的热量或温度的红外照相机。在另一个实施例中，传感器82可以是光学传感器，其被配置以检测孔眼118何时被形成，小孔尺寸，或者在其他方面多个管段22、26之间何时有根部开口110(例如，在从红外到紫外到可见光以及它们之间的各种光谱范围内并穿过孔眼118的光)。

在判决156中，过程150确定是否满足第一根部条件。在一些实施例中，根部条件可以是根部温度超过指定的温度，或者根部温度落在温度的某一设定(例如，相对较高的)范围内。在其他实施例中，根部条件可以是孔眼118的形成。根部条件可以是指示使用高能焊接相位执行的任务已经完成的任何条件。如果尚未满足根部条件，过程150返回到方框152，并且继续施加高能焊接相位。如果已经满足根部条件，过程150移动到方框158并且转变为低能焊接相位。

在方框158中，过程150使用低能焊接相位以将焊接材料120沉积在第一管段22的第一端96和第二管段26的第二端98之间的接合处24中。过程150可以首先在两个管段22、26的根部面116之间执行根部焊道焊缝122。过程150随后可以将附加的焊接材料120沉积在根部焊道焊缝122的顶部上，以填充接合处24。低能相位可以是rmd、rmd脉冲、csc、csc脉冲、短路、热丝等，或其组合。低能焊接相位可以利用比高能焊接相位更低的送丝速度。低能焊接相位可以包括产生小于275安培、小于250安培、小于225安培、小于200安培、小于175安培、小于150安培、小于125安培、小于100安培、小于75安培、小于50安培的电流，或者任何其他电流。

在方框160中，过程150确定是否满足第二根部条件。在一些实施例中，根部条件可以是根部温度已降到指定的温度以下，或者根部温度落在温度的某一设定(例如，相对较低的)范围内。在其他实施例中，第二根部条件可以是孔眼118的封闭，或者自从孔眼118的封闭开始经过了的时间的设定量，或者沉积了的焊接材料的设定量(例如，使用送丝速度确定的)。第二根部条件可以是指示使用低能焊接相位执行的任务已经完成的任何条件。如果尚未满足第二根部条件，过程150返回到方框158，并且继续施加低能焊接相位。如果已经满足第二根部条件，过程150移动到方框164并且将焊接机械手20移动到下一个位置。

在方框164中，焊接机械手20被移动到下一个位置。可替换地，在一些实施例中，在执行焊接操作的同时，焊接机械手20可以在管子22的圆周周围连续不断地移动。在这样的实施例中，可以省略方框164，因为协调控制电路72在焊接操作期间不断地监测和/或控制焊接机械手20的移动。协调控制电路72可以将信号发送到机械手系统62，所述机械手系统62则可利于焊接机械手20在第一和第二管段22、26的圆周周围在圆周方向134上移动。在其他实施例中，焊接机械手可以保持固定，并且多个管段可以旋转。一旦焊接机械手20已被移动到下一个位置，过程150就返回到方框152，并且使用高能焊接相位来在新的位置形成孔眼118。

目前所公开的实施例的技术效果包括可以被使用来通过自动化焊接系统提高根部焊道焊缝的焊接质量的根部焊道焊接技术。所描述的技术可以被实施以通过提高根部焊道焊缝合格质量检查的速率来节省时间并且降低成本。所公开的技术的实施方式可以减少下述例程的数目，在所述实例中焊缝必须被重做修复以便通过检查。

尽管本公开的仅某些特征已被本文图示说明和描述，但是许多修改和变化会被本领域技术人员想到。因此，要理解的是，所附的权利要求书旨在覆盖落在本公开的真实精神内的所有这样的修饰和变化。