本专利要求2016年11月4日提交的标题为“用于预热焊丝的系统、方法和设备(systems，methods，andapparatustopreheatweldingwire)”的第15/343,992号美国专利申请、2015年12月10日提交的标题为“用于电阻式预热焊丝的焊枪(weldingtorchforresistivelypreheatingweldingwire)”的第62/265,712号美国专利申请以及2016年4月29日提交的标题为“用于电阻式预热焊丝的焊枪(weldingtorchforresistivelypreheatingweldingwire)”的第62/329,378号美国专利申请的优先权。第15/343,992号美国专利申请、第62/265,712号美国临时专利申请以及第62/329,378号美国临时专利申请的全部内容通过引用方式并入本文。
背景技术：
焊接是在所有行业中越来越普遍的工艺。焊接的核心仅仅是结合两块金属的一种方式。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目的。在连续焊接操作中，金属惰性气体(mig)焊接和埋弧焊接(saw)技术允许通过进给受焊枪中的惰性气体保护的焊丝来形成连续焊珠。这种送丝系统可用于其它焊接系统，诸如钨惰性气体(tig)焊接。将功率施加到焊丝并且通过工件完成电路以维持熔化电极丝和工件以形成期望焊接的焊弧。
虽然在许多应用中非常有效，但是这些焊接技术可基于焊接是否以电极“冷”或“热”开始而经历不同的初始焊接性能。通常，冷电极开始可被认为是电极尖端和相邻金属处于或相对接近环境温度的开始。相比之下，热电极启动通常是其中电极尖端和相邻金属大幅升温但低于电极丝熔点的那些电极启动。在一些应用中，认为当电极很热时，促进焊弧和焊接的发起。然而，现有技术并未提供被设计用于确保电极在发起焊接操作之前被加热的方案。
电极预热工艺已经取得了某些进展。例如，授予peters的第2014/0021183a1号美国专利公开案描述了一种具有接触尖端的焊枪，该接触尖端具有电隔离的上部和下部，每个部分提供聚集的焊接电流波形的一部分。类似地，第4,447,703、4,547,654和4,667,083号美国专利以及第wo/2005/030422号pct公开案描述了使用双接触尖端的各种预热技术。尽管存在前述情况，仍然需要改进焊接策略，其允许以加热后电极丝来进行焊接发起以改进焊接性能。
技术实现要素：
本发明涉及一种与焊枪一起使用的焊丝预热系统、方法和设备，更具体地，本发明涉及一种使得能够连续供给电极丝被预热以用于各种形式的电焊的焊枪。
根据第一方面，一种焊接系统包括：接触尖端组件，其具有第一接触尖端部分和第二接触尖端部分，其中所述第一接触尖端部分和所述第二接触尖端部分彼此电隔离(除了通过在第一和第二接触尖端部分之间延伸的电极丝)，并且在焊接操作期间，所述第一接触尖端部分和所述第二接触尖端部分中的每一个与同一电极丝电接触；第一电源，其可操作地联接到所述第一接触尖端部分，所述第一电源在所述焊接操作期间向所述第一接触尖端部分提供焊接电流；以及可操作地联接到所述第二接触尖端部分的第二电源，所述第二电源在所述焊接操作期间提供预热电流，其中所述预热电流在所述第二接触尖端部分处进入所述电极丝并且在所述第一接触尖端部分处离开，并且其中所述焊接电流在所述第一接触尖端部分处进入所述电极丝并且在所述焊接操作期间经由焊件处的焊弧离开。
根据第二方面，一种接触尖端组件包括：第一接触尖端部分，其中所述第一接触尖端部分在焊接操作期间传导由第一电源提供的焊接电流；和第二接触尖端部分，其中所述第二接触尖端部分在所述焊接操作期间传导由第二电源提供的预热电流，其中所述第一接触尖端部分和所述第二接触尖端部分彼此电隔离(除了通过在所述第一和第二接触尖端部分之间延伸的电极丝)，并且所述第一接触尖端部分和所述第二接触尖端部分中的每一个在所述焊接操作期间与同一电极丝电接触，其中所述预热电流在所述第二接触尖端部分处进入所述电极丝并且在所述第一接触尖端部分处退出，并且其中所述焊接电流在所述第一接触尖端部分处进入所述电极丝并且在所述焊接操作期间经由焊件处的焊弧离开。
根据第三方面，一种焊接方法包括：在焊接操作期间经由第一接触尖端部分传导由第一电源提供的焊接电流；在所述焊接操作期间经由第二接触尖端部分传导由第二电源提供的预热电流；将所述第一接触尖端部分与所述第二接触尖端部分电隔离；以及在所述焊接操作期间使所述第一接触尖端部分和所述第二接触尖端部分与同一电极丝建立电接触，其中所述预热电流在所述第二接触尖端部分处进入所述电极丝并且在所述第一接触尖端部分处退出，并且其中所述焊接电流在所述第一接触尖端部分处进入所述电极丝并且在所述焊接操作期间经由焊件处的焊弧离开。在某些方面中，该方法可进一步包括：确定位于所述第一接触尖端部分与所述第二接触尖端部分之间的电极丝的一部分的预热温度，限定确定的预热温度；将确定的预热温度与目标预定预热温度进行比较；以及当确定的预热温度超过与目标预定预热温度的预定偏差时，禁止所述第一电源向所述第一接触尖端部分提供所述焊接电流。在某些方面中，该方法可进一步包括：计算跨所述第一接触尖端部分和所述第二接触尖端部分的电压降。
在某些方面中，焊枪是鹅颈焊枪。
在某些方面中，焊枪是水冷式的。
在某些方面中，预热电流和焊接电流由公共电源提供。
在某些方面中，焊接系统计算跨所述第一接触尖端部分和所述第二接触尖端部分的电压降。
在某些方面中，介质波导管位于所述第一接触尖端部分与所述第二接触尖端部分之间。
在某些方面中，温度确定装置确定位于所述第一接触尖端部分与所述第二接触尖端部分之间的电极丝的一部分的预热温度，从而限定确定的预热温度。
在某些方面中，温度确定装置是温度计。
在某些方面中，温度确定装置是非接触式红外温度传感器。
在某些方面中，焊接系统将确定的预热温度与目标预定预热温度进行比较，并且当确定的预热温度超过与目标预定预热温度的预定偏差时，禁止所述第一电源向第一接触尖端部分提供焊接电流。
在某些方面中，焊接系统将指示焊丝温度的预热电压与指示目标温度的目标预定预热电压进行比较，并且防止第一电源向第一接触端提供超过预定电流的焊接电流部分。
在某些方面中，焊接系统具有基于指定电压的上限电流，并且可具有对应于不同指定电压的多个上限电流。当对于特定选定电压达到上限电流时，焊接系统关闭焊接或将电流限制为上限电流。
在某些方面中，送丝器被配置为向前驱动电极丝以进给电极丝并且反向缩回电极丝。
在某些方面中，送丝器反向驱动电极丝以缩回电极丝，使得电极丝的远端大致上在所述第一接触尖端部分处作为起弧算法的一部分。
在某些方面中，在作为脱弧例程的一部分而熄灭焊弧之后，送丝器向前进给电极丝持续预定时间段。
附图说明
本发明的特征将根据本发明的详细描述以及其优选实施例来最佳地理解，该优选实施例为了说明目的而选择并且在附图中示出，在附图中：
图1说明了示例机器人焊接系统。
图2a说明了具有空冷式预热器部分的示例机器人鹅颈焊枪的侧视图。
图2b说明了具有空冷式预热器部分的示例机器人鹅颈焊枪的横截面侧视图。
图2c说明了具有液体冷却焊接电缆的示例机器人鹅颈焊枪的透视图。
图2d说明了具有液体冷却焊接电缆的示例机器人鹅颈焊枪的横截面透视图。
图3说明了示例性接触尖端组件的功能图。
图4说明了用于基于电极丝的预热温度来提供焊接电流的示例过程的流程图。
图5说明了用于监测和调整电极丝的预热温度的示例过程的流程图。
图6a说明了用于示例焊接启动序列的时序图。
图6b说明了示例焊接启动序列的流程图。
图6c说明了用于另一个示例焊接启动序列的时序图。
图6d说明了另一个示例焊接启动序列的流程图。
图6e说明了图6b的示例焊接启动序列的另一个示例时序图。
图6f说明了另一个示例焊接启动序列的流程图。
图7说明了示例焊接控制方案的流程图。
图8a到8d说明了可在焊丝上产生预热热点的图案的示例脉冲预热电源。
图9a到图9c说明了各种焊丝配置的预热焊枪。
图10a和10b说明了堆积测试数据。
图11说明了另一个示例接触尖端组件的功能图，其中电源向电极丝提供焊接功率。
图12说明了另一个示例接触尖端组件的功能图，其中预热电源与接触尖端之间的电连接相对于图11中的连接反向。
图13说明了另一个示例接触尖端组件的功能图，其中电源向电极丝提供焊接功率。
图14说明了另一个示例接触尖端组件的功能图，其中单个电源经由第一接触尖端和/或第二接触尖端向电极提供预热功率和焊接功率。
图15是说明使用电阻式预热来改进用于焊接的引弧的示例方法的流程图。
图16说明使用抛物面反射镜作为气体喷嘴的一部分以反射弧光以预热电极丝延伸部的示例焊接组件。
图17说明包括电压感测领弧用于测量用于预热电极丝的跨两个接触尖端的电压降的示例焊接组件。
图18说明包括焓测量电路的示例焊接组件。
图19说明向工件提供电阻式预热焊丝并且提供单独的电弧源(诸如钨电极)以熔化焊丝的示例实施方案。
图20说明向工件提供电阻式预热焊丝并且提供单独的电弧源(诸如一个或多个激光源)以熔化焊丝的示例实施方案。
图21说明示例焊丝预热电流和/或电压命令波形，其用于减少或防止软的预热焊丝被压缩并导致第一接触尖端与第二接触尖端之间阻塞。
图22是说明使用电阻式预热来改进用于焊接的引弧的示例方法的流程图。
图23说明可用于实施焊接设备的用户界面的示例用户界面装置。
图24a、24b和24c说明用于不同预热水平的示例平均热量输入。
图25说明使用或包括用户界面和实施预热控制循环的焊接控制电路的示例焊接组件。
图26是图25的预热控制循环的示例实施方案的框图。
图27是用于监测电极丝中的氢气含量并且预热电极丝的一部分以在焊接之前减少氢气的示例组件的框图。
图28是图2、11、12、13、14、17、18、25和/或27的电源的示例实施方案的框图。
图式不一定按比例绘制。在适当情况下，在附图中使用相同或类似的附图标记来表示类似或相同的元件。
具体实施方式
本发明涉及一种用于预热焊丝电极的系统、方法和设备。本文参考以下附图详细地描述本发明的优选实施例。贯穿附图使用相同的附图标记来描绘相似或类似的元件。在以下描述中，没有详细描述公知的功能或结构，因为这样的描述会使本发明模糊不清。
为了促进对所要求保护的技术的原理的理解并且呈现其当前理解的最佳操作模式，现在将参考附图中所说明的实施例并且将使用特定的语言来描述相同该实施例。然而应当理解的是，由此不打算限制所要求保护的技术的范围，在所说明的装置中进行这样的变更和进一步修改，并且如本文所说明的所要求保护的技术的原理的这种其它应用被预期为所要求保护的技术所涉及的领域的技术人员通常将想到的。
如本文所使用，单词“示例性”意味着“用作示例、范例或说明”。本文描述的实施例不是限制性的，而是仅仅是示例性的。应当理解的是，所描述的实施例不一定被解释为比其它实施例优选或有利。另外，术语“本发明的实施例”、“实施例”或“本发明”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。
如本文所使用，术语“电路(circuits)”和“电路(circuitry)”是指物理电子部件(即，硬件)以及可配置硬件、由硬件执行和或以其它方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(代码)。如本文所使用，例如，当执行一行或多行代码的第一集合时，特定处理器和存储器可包括第一“电路”，并且当执行一行或多行代码的第二集合时可包括第二“电路”。如本文所利用，“和/或”意味着以“和/或”连接的列表中的任何一个或多个项目。作为示例，“x和/或y”意味着三元素集{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。换言之，“x和/或y”意味着“x和y中的一个或两个”。作为另一个示例，“x、y和/或z”意味着七元素集{(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”意味着“x、y和z中的一个或多个”。如本文所利用，单词“示例性”意味着用作非限制性示例、范例或说明。如本文所利用，术语“例如(e.g.)”和“例如(forexample)”阐述一个或多个非限制性示例、范例或说明的列表。如本文所利用，无论功能的执行被禁用还是未被启用(例如，通过操作员可配置的设置、工厂微调等)，无论该电路何时包括用于执行该功能的必要硬件和代码(如果有必要的话)，该电路都“可操作地”执行该功能。
如本文所使用，送丝焊接型系统是指能够执行焊接(例如，气体金属电弧焊接(gmaw)、钨极气体保护焊接(gtaw)等)、钎焊、熔覆、表面硬化和/或其它工艺的系统，其中填充金属由被进给到工作位置(诸如电弧或焊接熔池)的焊丝提供。
如本文所使用，焊接型电源是指能够在被供电时供应焊接、熔覆、等离子体切割、感应加热、激光(包括激光焊接和激光熔覆)、碳弧切割或熔刮和/或电阻式预热(包括但不限于变压器整流器、逆变器、转换器、谐振电源、准谐振电源、开关模式电源等)的任何装置以及控制电路和与其相关联的其它辅助电路。
如本文所使用，预热是指在焊弧和/或堆积在电极丝的行进路径中之前加热电极丝。
所公开的送丝焊接型系统包括焊接型电源，其被配置为向焊接型电路提供焊接型电流，该焊接型电路包括焊接型电极和焊枪的第一接触尖端；电极预热电路，其被配置为经由焊枪的第二接触尖端提供预热电流通过焊接型电极的一部分；以及电压感测电路，其用于监测焊接型电极处的电压并且基于该电压来确定跨焊接型电极的一部分上的电压降，该电极预热电路基于该电压降来调整第一电流。
在一些示例中，电极预热电路被配置为经由第一接触尖端提供预热电流，并且焊接型电极的一部分位于焊枪的第一接触尖端与第二接触尖端之间。在一些示例中，第一接触尖端被定位成比第二接触尖端更靠近焊接型电极的弧形端部。在一些示例中，第二接触尖端被定位成比第一接触尖端更靠近焊接型电极的弧形端部。在一些示例中，电极预热电路被配置为经由焊枪的第三接触尖端提供预热电流。在一些示例中，第三接触尖端接触焊接型电极，使得焊接型电流和预热电流叠加在焊接型电极的一部分上。在一些示例中，第三接触尖端接触焊接型电极，使得焊接型电流不会流过传导预热电流的焊接型电极的一部分。
在一些示例系统中，电极预热电路被配置为选择性地减去焊接型电流的一部分以减少焊接型电极的一部分的预热并且选择性地减少被减去的焊接型电流的一部分以增加焊接型电极的一部分的预热。一些示例进一步包括伸出感测电路用于确定焊接型电极的电极伸出距离，该电极预热电路用于基于电极伸出距离来控制通过焊接型电极的一部分的预热电流。在一些示例中，伸出感测电路包括焊接型电流传感器用于测量焊接型电流，该伸出感测电路基于焊接型电流的测量值来确定电极伸出距离。
一些示例系统进一步包括焓测量电路用于基于测量的电弧电压、测量的焊接型电流或测量的预热电流或跨该电极的一部分的所述电压降中的至少一个来确定施加于电极的焓，该电极预热电路基于确定的焓和待施加于工件的目标焓来控制预热电流。一些示例进一步包括短路检测器，其用于在焊接型电源的恒定电压模式、脉冲模式和/或任何其它波形模式期间检测焊接型电极处的短路状况。一些示例进一步包括电源控制器，其用于：当短路检测器检测到短路状况时，控制焊接型电源以使用恒定电流模式来清除短路状况；并且当短路检测器检测到短路状态被清除时，控制焊接型电源以使用恒定电压模式、脉冲模式和/或任何其它波形模式。一些示例进一步包括电动机控制器，其用于：当短路检测器检测到短路状况时，控制送丝电动机以暂停和/或缩回焊接型电极；并且当短路检测器检测到短路状态被清除时，控制送丝电动机以使焊接型电极前进。
所公开的示例方法包括以喷射转移焊接模式执行焊接操作，并且减小焊接操作的电流，同时加速焊接操作的送丝速率以使送丝到焊接熔池中。
所公开的示例焊接型系统包括填充堆积装置以加热填充材料并且在一个或多个堆积道次中将加热后填充材料堆积在工件上而无需电弧和焊接型装置来用电弧对工件执行一个或多个道次。在一些示例中，预热电路关闭以增加(例如，最大化)用于多道焊接操作的根部焊道中的根部捕获的热量输入，并且接通以增加(例如，最大化)多道焊接操作的填充和/或盖焊道中的堆积。
所公开的示例焊接型系统包括焊接型电源，其用于在焊枪处向电极丝提供焊接型功率；电极丝预热器，其用于预热电极丝；送丝电动机，其用于将电极丝进给到电极丝预热器；传感器，其用于检测焊枪处的短路事件，其中传感器包括电动机转矩传感器或电弧电压传感器中的至少一个；以及预热控制器，其用于控制电极丝预热器以响应于在焊枪处检测到短路事件、短桩事件、焊丝挂起事件和/或进给异常事件而减慢和/或停止预热电极丝。一些示例系统进一步包括电动机控制器以响应于短路而使电动机将电极丝缩回至少预定距离。
所公开的示例焊接型系统包括焊接型电源，其用于在焊枪处向电极丝提供焊接型功率；电极丝预热器，其用于预热电极丝；预热监测器，其用于监测由电极丝预热器产生的预热信号，并且基于预热信号以基于阈值信号水平、预热信号的时间导数、预热信号的积分、预热信号的统计分析或预热信号的一段时间内的稳定性中的至少一个来识别预热信号和/或电弧信号中的异常，该预热信号包括预热电压、预热电流、预热功率、预热焓或预热电路阻抗中的至少一个，该统计分析包括预热信号的平均值、预热信号的标准偏差或预热信号的均方根值中的至少一个。
所公开的示例焊接型系统包括焊接型电源，其用于在焊枪处向电极丝提供焊接型功率；以及电极丝预热器，其用于通过向电极丝辐射热量来预热电极丝。在一些示例中，电极丝预热器包括用于电极丝的焊丝衬里，该电极丝通过焊丝衬里向焊枪行进；以及预热电源，其用于加热焊丝衬里的至少一部分，用于在电极丝处预热电极丝的焊丝衬里的至少部分行进穿过焊丝衬里的至少部分。
所公开的示例焊接型系统包括焊接型电源，其用于在焊枪处向电极丝提供焊接型功率以支持电弧；以及电极丝预热器，其用于通过将由电弧产生的光朝电极丝改向或聚焦中的至少一项来预热电极丝。
所公开的示例焊接型系统包括焊接型电源，其用于在焊枪处向电极丝提供焊接型功率；以及电极丝预热器，其用于预热电极丝。示例电极丝预热器包括位于焊枪内的一个或多个红外加热灯。
所公开的示例焊接型系统包括焊接型电源，其用于在焊枪处向电极丝提供焊接型功率；电极丝预热器，其用于预热电极丝；以及钳位二极管，其用于将电极丝预热器与电极丝之间的电压钳位为小于引弧电压。
所公开的示例焊接型系统包括焊接型电源，其用于在焊枪处向电极丝提供焊接型功率，该焊接型电源在熔覆操作期间向电极丝提供小于阈值电流；电极丝预热器，其用于将电极丝预热接近电极丝的熔点，使得由焊接型电源提供的电流足以熔化电极丝；以及电动机控制器，其用于控制送丝电动机使电极丝振荡，该电极丝的振荡使电极丝的已熔化部分从电极丝朝工件喷出。电极丝的已熔化部分由焊接型电源提供的电流熔化。
所公开的示例焊接类型系统包括：焊接型电源，其用于在焊枪处向电极丝提供焊接型电源和预热电源中的至少一个；第一电路，其用于将焊接型功率引导到焊枪中的第一接触尖端；第二电路，其用于将焊接型功率和预热功率引导到焊枪中的第二接触尖端，其中第一接触尖端比第二接触尖端更靠近电极丝的尖端；以及开关电路。开关电路控制第一电路以在引弧之前将焊接型功率引导到第一接触尖端，同时控制第二电路不将焊接型功率和预热功率引导到第二接触尖端并且控制第二电路以在引弧之后将焊接型功率和预热功率引导到第二接触尖端，同时控制第一电路不将焊接型功率引导到第一接触尖端。
所公开的示例焊接型系统包括焊接型电源，其用于在埋弧焊枪处向电极丝提供焊接型功率；电极丝预热装置，其用于预热电极丝；以及电极丝电动机，其用于将电极丝的尖端在埋弧焊枪的堆积管壳内移动。
所公开的示例焊接类型系统包括电极丝预热装置，其用于在焊枪处预热电极丝；焊接型电源，其用于在焊枪处向电极丝提供焊接型功率；以及预热控制器，其用于响应于检测到焊枪处的触发器力：使电极丝预热装置在焊枪处预热电极丝；检测电极丝具有至少阈值电压；并且使得焊接型电源能够向电极丝提供焊接型功率以使得能够启动焊接操作。
一些所公开的示例描述了“从”电路和/或电源中的位置和/或向电路和/或电源中的位置传导电流。类似地，一些所公开的示例描述了经由一个或多个路径“提供”电流，该路径可包括一个或多个导电或部分导电元件。如用于描述电流传导的术语“从”、“向”和“提供”不需要电流的方向或极性。相反，即使提供或说明了示例电流极性或方向，这些电流仍然可在任一方向上传导，或者对于给定电路具有任一极性。
参考图1，示出了示例焊接系统100，其中机器人102用于使用焊接工具108(诸如所说明的弯曲颈部(即，鹅颈管设计)焊枪(或者当处于手动控制下时，手持式焊枪))来焊接工件106，焊接设备110经由导管118向该焊接工具输送功率并且借助于接地导管120返回功率。焊接设备110尤其可包括一个或多个电源(在本文中各自通常称为“电源”)、保护气体源、送丝器和其它装置。其它装置可包括例如水冷却器、排烟装置、一个或多个控制器、传感器、用户界面、通信装置(有线和/或无线)等。
图1的焊接系统100可通过任何已知的电焊技术在焊件中的两个部件之间形成焊接(例如，在焊接接头112处)。已知的电焊技术尤其包括保护金属极电弧焊(smaw)、mig、药芯焊丝电弧焊(fcaw)、tig、激光焊接、子弧焊(saw)、柱焊、搅拌摩擦焊和电阻焊接。mig、tig、热丝熔覆、热丝tig、热丝钎焊、多弧应用和saw焊接技术尤其可涉及自动化或半自动化的外部金属填料(例如，经由送丝器)。在多弧应用(例如，明弧或子弧)中，预热器可用焊丝与熔池之间的电弧将焊丝预热到熔池。可选地，在任何实施例中，焊接设备110可为具有一个或多个电源和相关电路的电弧焊设备，其向焊接工具(例如，焊接工具108)的电极丝114提供直流(dc)、交流(ac)或其组合。焊接工具108可为例如tig焊枪、mig焊枪或药芯焊枪(通常称为mig“焊枪”)。电极丝114可为管状电极、实心型焊丝、药芯焊丝、无缝金属芯焊丝和/或任何其它类型的电极丝。
如下面将要讨论的，焊接工具108可采用接触尖端组件206，其在使用电极丝114形成焊弧320之前加热电极丝114。合适的电极丝114类型包括例如管状焊丝、金属芯焊丝、铝丝、固体气体金属电弧焊(gmaw)丝、复合gmaw丝、气体保护fcaw丝，saw丝、自保护焊丝等。在一个方面中，电极丝114可采用管状焊丝和反向极性电流的组合，该组合通过将其从球形转移改变为流动喷射来增加金属转移稳定性。通过在焊丝离开第一尖端并进给到电弧(材料转移发生的地方)之前进行预热，管状电极丝114更像是实心焊丝，因为材料转移是更均匀的喷射或流动喷射。另外，可减少放气事件和非常细小的飞溅事件，这些事件在用金属芯焊丝进行焊接时通常会看到。这种配置使得管状焊丝能够以类似于实心焊丝型流动喷射的方式起作用。预热的另一个好处是减轻了由于焊丝制造中的不良线焊丝铸造和螺旋控制而导致的焊丝翻转(在管状焊丝中比在实心焊丝中更为明显)，因为非期望的焊丝扭转在预热部分中会减小。
如将参考图2a到2d讨论，焊接工具108可为鹅颈焊枪，诸如与机器人焊接一起使用的鹅颈焊枪，但是也可考虑其它形状，包括大于零的几乎任何颈部弯曲角、用于低氢fcaw焊接的手持版本、用于gmaw的手持式设备、直颈硬自动化喷枪、直颈saw喷枪等。图2a说明具有空冷式预热器部分的示例机器人鹅颈焊枪的侧视图。图2b说明了具有空冷式预热器部分的示例机器人鹅颈焊枪的横截面侧视图。图2c说明了具有液体冷却焊接电缆的示例机器人鹅颈焊枪的透视图。图2d说明了具有液体冷却焊接电缆的示例机器人鹅颈焊枪的横截面透视图，其中部分示出了铜导体。在某些方面中，可使用多个陶瓷引导件或辊子来在预热器中提供弯曲，从而可具有与接触尖端接触并且允许独特的外观规格的优势。在其它方面中，颈部可为直的并且机器人安装支架具有弯曲部。
然而，鹅颈焊枪设计有许多优势。例如，鹅颈焊枪设计允许更好地接近焊接接头112，以及重型设备应用中的自动化能力。与例如串联式焊枪设计相比，鹅颈式焊枪设计还允许在更紧密的空间中进行密集的堆焊。因此，在操作中，电极丝114将焊接电流输送到工件106(例如，焊件)上的焊接点(例如，焊接接头112)以形成焊弧320。
在焊接系统100中，经由导管118和接地导管120可操作地联接到焊接设备110的机器人102通过操纵焊接工具108并且通过例如向焊接设备110发送触发信号来触发对电极丝114的电流流动(无论是预热电流和/或焊接电流)的开始和停止来控制焊接工具108的位置和电极丝114的操作(例如，经由送丝器)。当焊接电流流动时，在电极丝114与工件106之间形成焊弧320，其最终产生焊件。因此导管118和电极丝114输送足以在电极丝114与工件106之间形成电弧320的焊接电流和电压。在电极丝114与工件106之间的焊接点处，焊弧320局部熔化被供应到焊接接头112的工件106和电极丝114，由此在金属冷却时形成焊接接头112。
在某些方面中，代替机器人102的机器人手臂，操作人员可控制电极丝114的位置和操作。例如，操作员佩戴焊接头饰并使用手持式焊枪来焊接工件106，焊接设备110经由导管118向该手持式焊枪输送功率。在操作中，如同图1的系统100一样，电极丝114将电流输送到工件106(例如，焊件)上的焊接点。然而，操作者可通过操纵手持式焊枪并且例如经由触发器触发电流的开始和停止来控制电极丝114的位置和操作。手持式喷枪通常包括手柄、触发器、导体管、位于导体管远端的喷嘴以及如本文所公开的接触尖端组件206。向触发器施加压力(即，致动触发器)通过向焊接设备110发送触发信号来发起焊接工艺，从而提供焊接电流，并且根据需要激活送丝器(例如，驱动电极丝114向前进给电极丝114并且反向缩回电极丝114)。例如，授予craigs.konoener的共同拥有的第6,858,818号美国专利描述了一种控制焊接型系统的送丝器的示例系统和方法。本发明可与旋转电弧和往复式送丝一起实施。在一个示例中，可移动底部尖端以使预热焊丝旋转。在另一个示例中，焊丝可在被上游的反向送丝电动机预热之前轴向地向前和向后移动。旋转和反向送丝本身都可能对焊丝熔化速率和堆积产生积极影响。当它们结合时，对堆积速率的影响可能会加剧。
图2a说明了示例机器人鹅颈焊枪108的透视图。所说明的鹅颈焊枪108通常包括焊枪主体202、从焊枪主体202的前端延伸的鹅颈管204，以及鹅颈管204的远端处或鹅颈管204的整个半径中的接触尖端组件206。焊接系统100的导管118可操作地联接到焊枪主体202的后端，该后端进一步可操作地联接到机器人102和焊接设备110。导管118向焊枪主体202尤其供应电流、保护气体和自熔电极(例如，电极丝114)。电流、保护气体和自熔电极通过焊枪主体202行进到鹅颈管204，并且通过在最终形成焊弧320的接触尖端组件206的远端处的孔口最终离开。在某些方面中，鹅颈焊枪108可为流体冷却的，诸如空冷式和/或液体冷却的(例如，水冷式)。在一个实施例中，液体冷却机构围绕预热接触尖端并且转移额外的热量远离焊枪主体内部的预热器。
为了促进维护，鹅颈焊枪108可被配置有可互换部分和自熔品。例如，鹅颈焊枪108可包括快速更换附加装置和/或第二接触尖端，其允许适应现有的水冷/空冷式式焊枪。例如，共同拥有的第2010/0012637号美国专利公开案公开了一种适用于机器人焊枪的鹅颈锁定机构，该机器人焊枪具有焊枪主体和鹅颈管，该鹅颈管包括被设置在焊枪主体中的连接器接收器。
用于预热的电源的封装可采取多种形式中的一种。在优选方面中，预热电源可与焊接电源成一体或在同一壳体内部。在同一个箱内部，预热电源可为辅助电源，其自己的独立变压器从电源进给；然而预热电源也可通过从专用次级绕组进给来共享用于焊接电流的变压器的相同主芯和铁芯。集成箱提供了简单互连、安装和服务。另一个实施例是，预热电源单独封装在其自身的壳体中，有益于改装到现有装置中，并且允许与诸如适用于明弧焊接和子弧焊接的其它电源配对的“混合搭配”灵活性。单独封装也需要焊接电源内部的控制器与预热电源之间进行通信。可通过数字联网或更具体的工业串行总线、canbus或以太网/ip来提供通信。单独封装也可能导致预热电源的功率输出和焊接电源的输出(可能在进给器中或者在焊枪之前的接线盒中或在焊枪本身中)结合。
在明弧焊接中，存在两种衍生物：在造船和重型设备制造中常见的高堆焊(通常为凹槽，对接接头和角焊缝接头，15ipm到40ipm的导入速度)；和汽车中常见的高速焊接(通常为搭接接头，70ipm到120ipm的导入速度)。在这两种情况下，预热都会改进堆积和/或导入速度。在明弧中，可使用带有实芯或金属芯焊丝的gmaw；或者可使用带有药芯焊丝的fcaw作为工艺。在子弧焊接中，可使用实芯或金属芯焊丝。在明弧和子弧中，多焊丝和/或多电弧组合都是可能的。例如，领弧具有预热和电弧，但是从弧只有预热而没有电弧。另一个示例是领弧和从弧都具有预热和电弧。又一个示例是存在3根焊丝，其中第一根和第三根焊丝都具有预热和电弧，但是中间焊丝只有预热而没有电弧。许多置换是可能的。第三组应用是用另一种非自熔热源(诸如激光、等离子体或tig)进行电阻式预热，以用于焊接、钎焊、熔覆和表面硬化。焊丝通过电阻式预热进行预热并且被进给到由激光、等离子体或tig熔化的液体熔池中。
在一些示例中，第二接触尖端(例如，远离电弧)是弹簧加载的(一种尺寸适合所有接触尖端)。尽管接触尖端上存在电蚀和/或机械磨损，第二接触尖端中的弹簧压力改进了电接触。常规的弹簧加载接触尖端相对昂贵并且容易因暴露于电弧和/或回烧而受损。然而，使用不暴露于电弧并且不暴露于回烧的弹簧加载的第二接触尖端会延长弹簧加载的接触尖端的寿命。因为焊枪适应不同的焊丝尺寸并且多尺寸或通用的第二尖端通过减少与焊丝直径匹配的尖端(例如，第一接触尖端)的数量而提高焊接操作者的便利性。弹簧加载的接触尖端的构造可为单件(例如，具有狭槽的管状结构，使得尖齿适应于不同的焊丝直径并且施加压力和可靠的接触)或者两个或更多个件。对于习惯了常规喷枪且仅具有单个接触尖端(例如，尖端更接近电弧)的焊接操作者，焊接操作者很少或从不需要更换第二接触尖端，由此提高焊接操作者使用多个接触尖端的体验。
图3说明了示例性接触尖端组件206的功能图，该接触尖端组件可与焊接系统100一起使用，无论是机器人还是手动操作。如所说明，接触尖端组件206可包括第一主体部分304、气体保护入口306、第一接触尖端318、第二主体部分310、第三主体部分312、陶瓷引导件314、气体喷嘴316，以及第二接触尖端308。虽然第一主体部分304、第二主体部分310和第三主体部分312被说明为单独的部件，但是本领域技术人员在阅读本发明后将认识到，所述主体部分304、310、312中的一个或多个可被制造成单个部件。在某些方面中，接触尖端组件206可被添加到现有的焊枪。例如，接触尖端组件206可附接到标准焊接装置的远端，然后用于电阻式预热。类似地，接触尖端组件206可被提供定制软件作为plc改造，由此使得能够与已经具有电源和进给器的现有系统集成。
在一些示例中，第一接触尖端318和/或第二接触尖端308是模块化的和/或可移除的，以便于焊接系统100的用户维修。例如，第一接触尖端318和/或第二接触尖端308可被实施为可更换盒。在一些示例中，焊接设备110监测并识别第一接触尖端318和/或第二接触尖端308应当被更换的一个或多个指示器，诸如第一接触尖端318和/或第二接触尖端318的使用时间的测量值、第一接触尖端318和/或第二接触尖端308的温度、第一接触尖端318和/或第二接触尖端308和/或焊丝中的电流强度、第一接触尖端318和/或第二接触尖端308和/或焊丝之间的电压、焊丝中的焓和/或任何其它数据。
在操作中，电极丝114从鹅颈管204穿过第一接触尖端318和第二接触尖端308，在第一接触尖端318与第二接触尖端308之间，第二电源302b产生预热电流以加热电极丝114。具体地，预热电流经由第二接触尖端308进入电极丝114并且经由第一接触尖端318离开。在第一接触尖端318处，焊接电流也可进入电极丝114。焊接电流由第一电源302a产生或以其它方式提供。焊接电流经由工件106离开电极丝114，继而产生焊弧320。即，电极丝114在经由焊接电流激励以进行焊接时具有高电势。当电极丝114与目标金属工件106接触时，完成电路并且焊接电流流过电极丝114，穿过金属工件106并接地。焊接电流使电极丝114和工件106的母体金属与电极丝114接触而熔化，由此在熔体固化时接合工件。通过预热电极丝114，可在电弧能量急剧降低的情况下产生焊弧320。当电极之间的距离是5.5英寸时，预热电流可在从例如75a到400a的范围中。一般而言，预热电流与这两个接触尖端之间的距离以及电极丝114尺寸成比例。即，距离越小，需要的电流就越多。预热电流可沿着任一方向上在电极之间流动。
为了避免电极丝114的非期望扭结、屈曲或阻塞，可提供引导件314以在电极丝114从第二接触尖端308行进到第一接触尖端318时引导电极丝114。引导件314可由陶瓷、电介质材料、玻璃陶瓷多晶材料和/或另一种非导电材料制成。接触尖端组件206可进一步包括弹簧加载装置或等效装置，其通过保持电极丝114被教导和/或笔直而减少焊丝扭结、屈曲和堵塞并同时提高焊丝接触效率。
在某些方面中，第二接触尖端可定位在送丝器处(例如，在焊接设备110处)或另一个延伸距离处以引入预热电流，在这种情况下，预热电流可离开鹅颈焊枪108中的接触尖端。鹅颈喷枪108中的接触尖端可与将焊接电流引入电极丝114的接触尖端相同或不同。预热接触尖端可进一步沿着电极丝114定位，以促进与诸如可从威斯康星州appleton的millerelectric获得的推拉式喷枪一起使用。衬里可由陶瓷辊子制成，因此预热电流可在进给器处被回注并且由于衬里的长度而具有非常低的值。
焊接电流由第一电源302a产生或以其它方式提供，而预热电流由第二电源302b产生或以其它方式提供。第一电源302a和第二电源302b可最终共享公共电源(例如，公共发电机或线路电流连接)，但是来自公共电源的电流被转换、反相和/或调节以产生两个单独的电流-预热电流和焊接电流。例如，预热操作可利用单个电源和相关转换器电路来促进。在这种情况下，三根领弧可从焊接设备110或焊机中的辅助电源线延伸，这可消除对第二电源302b的需要。
在某些方面中，代替独特的接触尖端组件206，第一接触尖端318和第二接触尖端308可定位在鹅颈弯曲部的每一侧上。例如，如图2b中所说明，预热部分可为弯曲的(例如，非直立的)。即，焊丝通过弯曲大于0度的焊枪的一部分或被认为是“鹅颈管”的颈部进给。第二接触尖端308可定位在初始弯曲之前，并且第一接触尖端318定位在弯曲完成之后。这样的布置可增加加热后焊丝移动通过两个接触尖端之间的颈部部分的连接性的益处。这样的布置导致两个接触尖端之间具有更可靠的连接，在连接之前需要离轴加工的电介质插入物。
预热电流和焊接电流可为dc、ac或其组合。例如，焊接电流可为ac，而预热电流可为dc，或反之亦然。类似地，焊接电流可为dc电极反接(dcen)或各种其它功率方案。在某些方面中，可进一步控制焊接电流波形，包括恒定电压、恒定电流和/或脉冲(例如，accupulse)。在某些方面中，可使用恒定电压和/或恒定功率、恒定熔深和/或恒定焓而不是恒定电流来促进预热。例如，可能需要控制进入工件的熔深量。在某些方面中，接触尖端与工件距离可能存在变化，在恒定电压焊接工艺下，该距离将会增加或减少焊接电流以维持电压处于或接近目标电压命令，并且因此改变进入焊接件的熔深/热量输入的量。通过响应于接触尖端与工件距离变化的变化而调整预热电流的量，可有利地控制熔深/热量输入。另外，可改变熔深以反映期望的焊珠/熔深轮廓。例如，预热电流可被改变成多个波形，诸如但不限于脉冲型波形，以实现期望的焊珠/熔深轮廓。
电流可为在主相位控制下从简单变压器输送的线频ac。使用cc、cv或恒定功率控制被输送到预热部分的电流和电压可能会更简单，这取决于控制所实施的方案以及进行控制实施的电源配置。在另一个方面中，用于自熔电弧焊接(gmaw和saw)的焊接电源可包括调节恒定的焊接电流输出并且调整焊丝速度以维持电弧长度或电弧电压设置点(例如，cc+v工艺控制)。在又一个方面中，焊接电源可包括调节恒定的焊接电压输出(或电弧长度)并且调整焊丝速度以维持电弧电流设置点(例如，cv+c工艺控制)。cc+v和cv+c工艺控制允许通过调整送丝速度(或可变堆积)来适应焊丝伸出变化和预热电流/温度变化。在又一方面中，电源可包括调节恒定的焊接电流输出、进给器维持恒定的堆积，并且预热电源调整预热电流(或预热功率)以维持恒定的电弧电压(或电弧长度)。应当明白的是，预热电流/功率的增加为焊丝焊工艺(gmaw和saw)增加了新的自由度，其允许具有维持恒定的焊接熔深和焊接宽度(电弧电流)、堆积(焊丝速度)和工艺稳定性(电弧长度或电压)方面的灵活性和可控制性。这些控制方案可在焊接工艺期间进行切换(例如，仅用于起弧的cv+c，以及用于主焊接的其它控制方案)。
使用超前受控焊接波形允许在高堆积速率下减少热量输入、扭曲和焊珠几何形状的改进。因此，扩大了脉冲焊接的工作范围，减少了高堆积速率下的旋转转移，并减少了由旋转喷射引起的飞溅。通过预热电极丝114，脉冲程序的操作范围可扩大到更高的堆积。这是可能的，因为以那样的堆积速率转移材料所需的功率较低。之前，在较高的堆积速率下，脉冲宽度/频率/峰值电流强度太高以致于脉动的益处不再存在。通过预热电极丝114，操作者能够使用类似的脉冲程序以获得更高的速率(例如，600英寸每分钟(ipm))，其以前仅以较低速率(诸如300ipm)可用。预热电极丝114还使以低背景电流进行脉冲焊接的益处最大化。另外，使用具有定制脉冲配置的金属芯结合接触尖端组件206允许以较高质量进行较密集的堆焊。预热电极丝114的表现类似于实心焊丝及其转移风格。
另外或替代地，预热电极丝114使得脉冲波形的背景电流能够大幅减小，因为其主要功能可从生长球变为仅维持电极丝114与工件106之间的电弧。常规上，脉冲波形的背景电流用于生长随后堆积到工件106上的液滴或球。示例电源302a可基于由预热电源302b施加到电极丝114的预热功率来实施脉冲波形。
焊接系统100可被配置为监测预热接触尖端之间(如所说明，第一接触尖端318与第二接触尖端308之间)的电极丝114的出口温度(例如，预热温度)。预热温度可使用一个或多个温度确定装置(诸如温度计)来监测，该温度确定装置位于电极丝114附近，或以其它方式可操作地定位成促进周期性或实时焊接反馈。示例温度计可包括接触传感器和非接触式传感器，诸如非接触式红外温度传感器、热敏电阻和/或热电偶。红外温度计根据由电极丝114发射以产生测量的预热温度的热辐射的一部分来确定温度。除温度计之外或代替温度计，温度确定装置可包括计算电极丝114的预热温度的一个或多个传感器和/或算法。例如，该系统可基于例如电流或电压来动态地计算温度。在某些方面中，温度计可测量介质波导或第一接触尖端的温度以推断焊丝温度。
在操作中，操作者可设定目标预定预热温度，由此焊接系统100动态监测电极丝114的预热温度并且经由第二电源102b调整预热电流以补偿测量的预热温度与目标预定预热温度的任何偏差(或其它差)。类似地，可设定控制使得直到电极丝114已经被预热到预定预热温度才能执行焊接操作。
图4说明了用于基于电极丝114的预热温度来提供焊接电流的示例过程的流程图400。该过程响应于例如激活焊接系统100或接收请求焊接系统100向电极丝114提供焊接电流的触发信号而开始于框402。
在框404处，焊接系统100接收请求焊接系统100向焊接工具108(例如，经由第一接触尖端318向电极丝114)供应焊接电流的触发信号。触发信号可为数字或模拟的，并且响应于机器人102的输出或操作者对触发器的致动而提供。
在框406处，焊接系统100使用温度确定装置的一个或多个传感器和/或算法来确定电极丝114的预热温度，从而定义所确定的预热温度。所确定的预热温度可为测量的预热温度或所计算的预热温度。例如，如参考图3所讨论的，温度计可被定位成确定第一接触尖端318与第二接触尖端308之间的电极丝114部分的温度。焊接系统100还可被配置为使用一个或多个装置和/或算法来计算电极丝114的预热温度，由此避免需要温度计(或除了温度计之外提供)。例如，除了由电阻加热在伸出处产生的热量之外，焊接系统100可采用内部循环来基于供应给电极丝的预热电流、电压和/或功率来计算电极丝114的预热温度(例如，电极丝114的延伸超过引入焊接电流的接触尖端的部分，如图中所说明，第一接触尖端318)。如果还存在温度计，则可将测量的预热温度与所计算的预热温度进行比较，并且将测量的预热温度可选地用于训练算法。
焊接系统100可以预定间隔(例如，在约1秒到60秒之间，更优选地在约1到10秒之间)或者动态地(例如，实时地)确定电极丝114的预热温度。焊接系统100可进一步将所确定的预热温度存储到数据库，由此使得操作者能够在给定的时间周期内跟踪、查看和分析所确定的预热温度，这在识别缺陷的潜在原因方面证明是有用的。
在框408处，焊接系统100确定所确定的预热温度是否落入目标预定预热温度的预定可操作范围内。即，预定可操作范围可允许与目标预定预热温度的预定偏差。例如，如果预定偏差被设定为10％并且目标预定预热温度可为x度，则预定可操作范围将在从0.9x到1.1x的范围内。虽然提供10％的预定偏差作为示例，但是预定偏差可为操作者期望的任何偏差，并且因此不应当被限制为10％。在某些方面中，如果所确定的预热温度始终位于预定可操作范围的上限或下限，则可向操作者提供警报，指示可能需要调整。例如，如果所确定的预热温度处于预定可操作范围的高上限或下限持续预定时间周期(例如，约1分钟到60秒，更优选地约15到60秒)，则可提供警告。焊接系统100确定所确定的预热温度落入目标预定预热温度的预定可操作范围内，则该过程进行到框412。如果焊接系统100确定所确定的预热温度落入目标预定预热温度的预定可操作范围之外，则该过程进行到框410。
在框410处，焊接系统100可调整电极丝114的预热温度。可通过增加或减少由焊接系统100供应给待预热的电极丝114的部分的预热电流、功率和/或电压来调整预热温度。关于图5更详细地描述用于监测和调整电极丝114的预热温度的示例过程。
在框412处，焊接系统100向焊接工具108供应焊接电流以促进焊接操作。然而，温度监测循环可重复，直到通过返回到框404不再接收到触发信号。
可使用电流脉冲来计算跨第一接触尖端318和第二接触尖端308的任何电压降，过程可被集成为校准例程的一部分。焊接系统100可被配置为解决跨接触尖端的电压降(例如，将其减去)。例如，可使用1毫秒的电流脉冲(或能量脉冲)来测定电压降。另外，可通过测量两个脉冲来确定电压降以将接触电阻与焊丝电阻隔离。该初始电压测量值可通过接触尖端和焊丝的冷部分来确定，这建立了恒定的接触电阻和跨触头的所得电压降，该电压降可从随着焊丝加热而测量的跨预热部分的电压降中减去。然后这确定了跨加热后焊丝的电阻降。已知焊丝电阻的温度系数，然后就可确定平均焊丝温度。已知焊丝的速度和被输送到焊丝的功率，可确定峰值焊丝温度。
图5说明了用于监测和调整电极丝114的预热温度的示例过程的流程图500。该过程响应于例如接收请求焊接系统100向电极丝114提供焊接电流的信号而开始于框502。
在框504处，焊接系统100使用大致上如关于图4的框406讨论的一个或多个传感器和/或算法来确定电极丝114的预热温度。
在框506处，焊接系统100确定所确定的预热温度是否落入大致上如关于图4的框408讨论的目标预定预热温度的预定可操作范围内。焊接系统100确定所确定的预热温度落入目标预定预热温度的预定可操作范围内，则该过程返回到框504，由此有效地进入循环。如果焊接系统100确定所确定的预热温度落入目标预定预热温度的预定可操作范围之外，则该过程进行到框508。
在框508处，焊接系统100确定所确定的预热温度是否大于预定可操作范围内。预定可操作范围可包括与预定预热温度的指定偏差。如果焊接系统100确定所确定的预热温度大于预定可操作范围，则该过程进行到框512。如果焊接系统100确定所确定的预热温度不大于预定可操作范围，则该过程进行到框510。
在框510处，焊接系统100确定所确定的预热温度是否小于预定可操作范围。如果焊接系统100确定所确定的预热温度小于预定可操作范围，则该过程进行到框514。如果焊接系统100确定所确定的预热温度不小于预定可操作范围，则该过程进行到框516并且可选地向操作者警告存在故障错误。
在框512处，焊接系统100可提高电极丝114的预热温度。可通过增加由焊接系统100供应给待预热的电极丝114的部分的预热电流、功率和/或电压来提高预热温度。预定电流、功率和/或电压可以预定间隔(即，x安培、x瓦特、x伏特等等)增加，直到电极丝114的预热温度被确定为处于预定可操作范围内或在可在框504处确定的目标预定预热温度处。实际上，在框504和508之间建立内部循环，直到在框506处发现预热温度在目标预定预热温度的预定偏差内。
在框514处，焊接系统100可降低电极丝114的预热温度。可通过降低由焊接系统100供应给待预热的电极丝114的部分的预热电流、功率和/或电压来降低预热温度。预定电流、功率和/或电压可类似以预定间隔(即，x安培、x瓦特、x伏特等等)降低，直到电极丝114的预热温度被确定为处于预定可操作范围内或在可在框504处确定的目标预定预热温度处。实际上，在框504和510之间建立内部循环，直到在框506处发现预热温度在目标预定预热温度的预定偏差内。
在框516处，焊接系统100结束该过程。该过程可能由于例如中止信号、错误信号或焊接操作的中止(例如，焊接系统100被关闭、进入空闲模式等)而结束。
确定电极伸出也可用于对电极丝114进行加热调整。为了确保电极丝114的远端被加热到预定的预热温度，焊接系统100可被配置为具有起弧算法，由此送丝器反向拉动电极丝114，使得电极丝114的远端大致上位于第一接触尖端318处，由此加热电极丝114的远端。这可通过监测接触尖端之间的电压降来实现直到焊丝缩回，使得其不与第一接触尖端接触。然后，焊丝可缓慢地向前进给直到接触。在开始时以及以本文公开的其它起弧算法预热电极丝114是有益的，因为它们产生高质量的起弧并减轻传统的起弧不足，诸如线棒、多个硬短路事件、缺乏融合/熔深等，这可发生在未预热开始时。
图6a和6b分别说明了示例焊接启动序列的时序图600a和流程图600b，换言之，用于在形成电弧开始之前的同步焊丝加热和进给的例程。当触发器被致动时，产生低水平的预热电流并且将其引导到电极丝114以开始加热电极丝114。当电极丝114达到其期望的导入速度时，预热然后增加到更高的预热水平以适应移动电极丝114的速度。如本领域技术人员所理解的，导入速度是电极丝114在其接触工件之前首先被进给的速度。一般而言，导入速度比送丝速度(wfs)更慢，这有助于起弧并缓解回烧。一旦检测到电弧，预热电流就会以预定速率增加，这与wfs的斜率达到指定速度相当。一旦达到期望的wfs，就会进行稳态加热。为了清楚起见，增加或降低的电流通过预热电源而不是焊接电源发生。该开始例程可结合接触尖端与工件距离预测过程一起执行。一旦焊接设备110已确定当前的接触尖端与工件距离，电极丝114就可缩回，使得电极丝114的远端与接触尖端的端部齐平。这将允许完全预热电极伸出部。在脉冲焊接期间或者在cv-喷射转移模式下完成每个焊接结束时快速脉动，可预测该接触尖端与工件距离。焊接电流反馈也可用于确定触点尖端与工件距离的变化。例如，焊接电流可与对应于一个或多个接触尖端与工件距离的已知焊接电流进行比较。然后可基于在给定送丝速度下测量的焊接电流反馈来增加或减少预热量。电压降反馈尤其可用于预测性维护(例如，接触尖端磨损)、捕获焊接异常、向操作者提供警告、产生初始电极丝114温度估计，和/或调整焊接设备110的配置或算法。在某些方面中，焊枪可用于预热部分之后没有电弧的电阻式预热应用。另外，焊枪的手持式版本可用于烧毁药芯焊丝电弧焊应用中的氢气，以及需要超低氢气的其它情况。因此，可将氢气传感器添加到焊枪以监测电极丝114烧毁的氢气的量或进入焊件的量。
参考图6b，可在框602处通过致动焊枪的触发器来发起示例焊接开始过程600b。在框603处，焊接设备110确定焊丝是否接触两个预热接触尖端。例如，如果焊丝被更换，则焊丝无法接触两个预热尖端。如果焊丝接触两个预热接触尖端(框603)，则在框604处，焊接设备110可将电极丝114缩回预定距离。如果焊丝不接触两个预热接触尖端(框603)，则在框614处，焊接设备110向前送丝直到首次检测到接触。
如果焊接设备110检测到焊丝驱动电动机电流中的尖峰，则在框616处焊接设备110可停止缩回电极丝114，否则过程继续到框608。在框608处，焊接设备110确定关于第一接触尖端是否存在连接性损失。如果连接性没有损失，则该过程返回到框602。如果连接性有损失，则过程进行到框610，其中电极丝114停止缩回。在框610处停止焊丝缩回之后，或者在框614处向前送丝之后，在框612处，焊接设备确定焊丝是否接触两个预热接触尖端。如果焊丝不接触两个接触尖端(框612)，则控制返回到框614以继续向前送丝。通过缩回和/或进给焊丝，焊接设备110可确保电极丝114的远端处于第一电极处(缓解伸出)。一旦与第一电极的连接重新建立，在框618处就将低温预热施加到固定在两个接触尖端之间的电极丝114。在框620处，焊接设备110开始以导入速度驱动电极丝114，同时为其进给预热电流。在框622处，焊接设备110检测电极丝114与焊件之间的电弧的发起，此后焊接设备110达到稳态焊接条件和wfs。该过程可在框626处终止(例如，在释放触发器时)。
在一些示例中，在框612处开始低电流预热之后，焊接设备110暂停送丝以允许低电流预热的加热效果熔透焊丝并且减小有效低温的焊丝的长度(例如，低于阈值温度)。在一些示例中，在框612处开始低电流预热之后，焊接设备以较慢的向前进给速度(例如，比标称的导入速度慢)和缓慢缩回速度而重复框604、606、608和610，使得延伸超出第一接触尖端的冷焊丝的长度减小(例如，最小化)。框604、606、608和610的第一次迭代可以更高的速度完成，第二次迭代以较慢的送丝速度执行以提高精度。在预热焊丝之前，送丝暂停也可更快地停止送丝。
在利用电阻式预热(例如，没有电弧)的激光焊接和/或利用电阻式预热的钎焊焊接的背景下，减少或最小化“冷焊丝”部分和/或减少或最小化在工艺开始时的循环时间可能是所期望的。冷焊丝是指延伸超出底部(第一)接触尖端的未预热焊丝。
在一些示例中，框604、610和612可用于在起弧之前预设焊丝延伸部。该序列可在机器人焊接周期之间或在机器人未焊接时执行。通过在两个尖端之间来回移动焊丝以确定确切的焊丝终端位置，焊接设备使送丝到底部尖端之外一段距离，该距离稍微低于准备进行下一次起弧的起弧机器人教导位置的接触尖端与工件距离(ctwd)。由于用于起弧的短距离焊丝行程，实际的焊丝导入速度和导入时间(或循环时间)可减少(例如，最小化)。
图6c是说明在开始形成电弧之前用于同步焊丝加热和进给的另一个示例例程的时序图600c。在时序图600c中，焊丝不前进，直到达到目标焊丝预热温度和/或指示焊丝预热温度的焊丝预热电压。当满足预热目标时，预热控制循环(例如，电压控制焊接控制循环(例如，恒定电压)和/或电流控制焊接控制循环(例如，恒定电流))控制预热电压和/或预热电流。当满足预热目标时，使用导入焊丝速度开始焊丝前进。
参考图6d，可在框632处通过致动焊枪的触发器来发起对应于图6c的时序图的示例焊接开始过程600d。在框634处，焊接设备110执行低温焊丝预热。如果焊接设备110在框636处检测到未达到目标焊丝预热温度和/或目标预热电压，则控制返回到框634。当在框636处达到目标焊丝预热温度和/或目标预热电压时，焊接设备110在框638处开始导入送丝。在框640处，焊接设备110使用电压控制焊接控制循环(例如，恒定电压)和/或电流控制焊接控制循环(例如，恒定电流)来控制预热电流。在框642处，焊接设备110检测电极丝114与焊件之间的电弧发起。在框644处，焊接设备110达到稳态焊接条件和wfs。该过程可在框646处终止(例如，在释放触发器时)。
图6e说明了另一个示例焊接启动序列的示例时序图600e。图6e的时序图600e和焊接启动序列类似于图6a中描绘的时序图600a和启动序列，除了时序图600e说明了在焊丝预热之前缩回的同时该焊丝与第一接触尖端的接触损失，然后焊丝前进以重新建立焊丝与第一导电尖端之间的接触。
参考图6f，可在框650处通过致动焊枪的触发器来发起示例焊接开始过程600f。在框652处，焊接设备110确定是否检测到预热接触尖端之间的连接性。如果检测到预热接触尖端之间的连接性(框652)，则在框654处，焊接设备110以第一缩回速度(例如，速度1)缩回焊丝。在框656处，焊接设备110确定是否感测到焊丝驱动电动机电流的阈值增加。如果没有感测到焊丝驱动电动机电流的阈值增加(框656)，则在框658处，焊接设备确定是否感测到预热接触尖端之间的连接性损失。虽然未检测到预热接触尖端之间的连接性损失(框658)，但是控制返回到框654以继续缩回焊丝。另一方面，当检测到预热接触尖端之间的连接性损失时(框658)，焊接设备110在框660停止缩回焊丝。
在焊丝停止缩回(框660)之后，或者如果没有检测到预热接触尖端之间的连接性(框652)，则在框662处，焊接设备以第一前进速度(例如，速度1)向前送丝。在框664处，焊接设备110确定是否检测到预热接触尖端之间的连接性。如果未检测到预热接触尖端之间的连接性损失(框664)，则控制返回到框662以继续送丝。
当检测到预热接触尖端之间的连接性时(框664)，在框666处，焊接设备以第一缩回速度(例如，比第一缩回速度更慢)缩回焊丝。在框668处，焊接设备确定是否感测到预热接触尖端之间的连接性损失。虽然未检测到预热接触尖端之间的连接性损失(框668)，但是控制返回到框664以继续缩回焊丝。另一方面，当感测到预热接触尖端之间的连接性损失时(框668)，焊接设备在框670停止焊丝缩回。
在框672处，焊接设备以第二进给速度(例如，比第一进给速度更慢)向前送丝。在框674处，焊接设备110确定是否检测到预热接触尖端之间的连接性。如果未检测到预热接触尖端之间的连接性损失(框674)，则控制返回到框672以继续送丝。
当焊接设备感测到焊丝驱动电动机电流的阈值增加(例如，焊丝驱动电动机电流的至少阈值增加)时(框656)，在框676处，焊接设备110确定电流尖峰是即时还是迅速的尖峰。例如，如果电流以高于阈值转换速率增加，和/或如果电流在小于阈值时间内增加到阈值电流以上，则可识别即时或快速尖峰。如果电流尖峰是即时或快速尖峰(框676)，则焊接设备在框690处识别错误。该过程可在框692处终止(例如，在释放触发器时或在框690处识别出错误时)。
如果电流增加不是即时或快速尖峰(框676)，则在框678处，焊接设备110停止焊丝缩回。
在焊丝停止缩回(框678)之后和/或在检测到接触尖端之间的连接性(框674)之后，在框680处将低温预热(例如，低电流预热)施加到固定在两个接触尖端之间的电极丝114。在框682处，焊接设备110暂停焊丝114的向前进给，直到达到目标参数(例如，温度、电压等)。在框684处，焊接设备110开始以导入速度驱动电极丝114，同时为其进给预热电流。在框686处，焊接设备110在688处检测电极丝114与焊件之间的电弧的发起，此后焊接设备110达到稳态焊接条件和wfs。
图7说明了示例焊接控制方案700的流程图。监测电阻式预热焊接过程以允许恒定的热量输入过程。在该焊接过程中，如果电弧路径中有某物导致焊接电流超过预定的设定电流，则焊接设备110将会调整预热设定以保持预定的设定电流，由此维持来自焊弧中的恒定热量输出。可进行类似的过程来解决焊接电流下降。该过程可针对恒定的熔深模式进行调整，由此在调整预热电流的同时可维持焊接电流，从而允许恒定的熔深深度。在一个方面中，可采用协同模式，其中操作者不必决定普通焊接参数以外的任何其它参数，并且预热条件将完全协同和自调。在其它示例模式中，最终用户可对发生预热条件进行一定的控制。在操作中，操作者可设定例如期望的预热量、期望的熔深水平、期望的热量输入水平等。
参考图7，可在框702处通过致动焊枪的触发器来发起示例焊接开始过程700。在框704处，焊接设备110开始稳态焊接(例如，图6b的框624)，这可能在结束启动序列之后发生。在框706处，焊接设备110以预定的预热温度、电流、电压、阻抗、功率和/或焓进行焊接。例如，预定的预热温度为800摄氏度。在框708处，焊接设备110监测焊接电流反馈以维持预定的预热温度和/或电流。如果焊接电流和/或电压太低，则焊接设备110在框712处降低预热电流。相反地，如果焊接电流和/或电压太高，则焊接设备110在框710处增加预热电流。该过程继续，直到它例如在释放触发器时终止。
焊接系统100可被配置有脱弧例程，其允许消除从接触尖端到电极丝114的微焊。脱弧例程可包括一个或多个步骤，包括例如在焊弧320熄灭之后继续向前和/或向后的焊丝移动。因此，在作为脱弧例程的一部分的焊弧320熄灭之后，送丝器向前和/或反向驱动电极丝以将电极丝进给预定时间周期或预定距离。另外，预热电流也可以较慢的速率斜降(即，降低)以避免导电尖端内部的快速固化。
基于焊接反馈和/或伸出距离(诸如在起弧和脱弧例程中使用的那些)形成预热控制减少了可能由过度预热的送丝和焊接问题导致的总体停机时间，以及使系统更容易为最终用户进行有效的校准和使用。
最后，焊接系统100可被配置有紧急关机例程(或程序)。在紧急关机例程中，可在紧急功率损失时管理能量以避免由于过度预热而导致电极丝114断裂。例如，预热电流可被关闭，或者降低到预定的紧急预热电流值以下。管理电弧中断例程(例如，尤其是在紧急关闭例程期间)避免了电极丝114在最外面的接触尖端中发生堵塞和微焊形成，因此导致焊接系统100的整体停机时间降低，并且一般产生更宽容的过程(例如，允许增加偏差)。
参考图8a到8d，预热电源302b可为低成本电容器放电类型，并且预热被设置为热脉冲序列，用于在电极丝114进入接触尖端318之前在电极丝中提供一系列热点。在另一个实施例中，电源可为能够输送高窄脉冲(例如1000a，持续1ms)的开关模式电源。目的是在焊丝延伸部中形成一系列预热热点使得热点在它前面的焊丝部分之前在达到液相温度。实心焊丝块可能在热点处分离。这可在相同的平均焊接电流下显著提高熔化率。在实施方案中，电容器中存储的能量可能放电到具有很小电路电感的负载中，诸如使电容器位于两个接触尖端附近。电容器充电电路可位于远离接触尖端的位置，诸如例如封装在送丝器或主焊接电源内部，其中电缆在焊枪复合电缆内部以完成对预热能量存储装置的电路。一种实施方案是使接触尖端308和318之间间隔1mm。这会产生非常高但很短的脉冲电流以在一捆焊丝(例如，1mm长)刚好进入底部尖端之前使它过热，因此焊丝完全被支撑以避免屈曲。在热点离开底部尖端之后，它将通过延伸电阻焦耳加热而进一步加热，并且最终累积焓并达到熔点，而前面的焊丝则不会如此。在一个实施例中，焊丝以恒定速度进给。在另一个实施例中，当发生电容器放电时暂时停止送丝以防止焊丝在与接触尖端308和318的滑动物理接触处从接触电阻开始熔化。
以下段落与使用电容器放电电路来形成瞬时高电流尖峰(例如，超过500a、通常超过1,000a或超过5000a)但非常快(例如，小于1毫秒，通常数十微秒)放电有关。参考图6a，电容器组被定位成非常靠近焊枪主体，可能定位在焊枪主体本身的后端处，使得触点尖端的寄生电感最小化。电容器通过充电电路进行充电以保持能量。半导体开关(例如，scr)将存储的能量释放到接触尖端中，使得尖端之间的焊丝“过热”并形成热点。由于预热后热点穿过底部尖端并且在它们接近电弧时继续通过扩展焦耳加热进行加热。最靠近电弧的热点可能在其前方的实心焊丝之前熔化，并且液体被焊接电流的洛伦兹力挤压，并且未熔化的焊丝的“块”可能会掉落到熔池中。这将大幅增加堆积速率。
参考图8b。电源连接到底部尖端而不是顶部尖端。这可使焊接电路与电容器放电电路之间的干扰最小化。参考图8c，预热电源可为供应有cv、cc或恒定功率输出的dc或ac电源，从而本质上将焊丝升温到接近但低于熔化温度的百分比。参考图8c和图8d，电容器放电电路用作脉冲焊接电源，但是在高得多的峰值电流水平下会产生非常大的洛伦兹力，以在焊丝延伸部的终点刚好接触到电弧之前挤压液体。对电容器放电的时间很重要，理想的是在其下摆期间(振荡时)在焊丝延伸部的终点处捕捉液体。参考图8d，它仅需要一个尖端，并且两个电源都连接到同一个尖端。这可能会简化设计。焊接电源可为恒定电流、恒定电压或dc脉冲输出。在来自焊接电源的脉冲输出的情况下，电容器放电电路在脉冲结束时放电。在焊接脉冲期间，焊丝延伸部终点处的液体的尺寸增大，使得在焊接脉冲结束时，施加具有大的洛伦兹力的非常高的电流峰值用于液体分离。另一种情况是焊接脉冲是一系列小脉冲，但是最后一个脉冲结合电容器放电超脉冲以便于分离。
再次参考图8c和8d，电容器放电电路可促进起弧。在起弧序列期间，预热能量存储电容器可被预充电并且开关被接通，因为焊丝以导入速度被进给到工件。在焊丝与工件之间首次接触时，电容器可通过不完全接触和其高接触电阻而放电。电流从放电时快速上升导致起弧比焊接电源克服焊接电缆电感要求的高电流的起弧更快和更可靠。
在另一个实施例中，接触尖端可位于鹅颈管之前，而高温但电绝缘的衬里可嵌入鹅颈管内部以将焊丝引向焊枪前端。这可能会形成非常长的焊丝延伸部(本质上是整个线性鹅颈管长度)以便于焊丝延伸部加热，而没有与常规的长延伸焊接相关联的气体保护损失、焊丝翻转等问题。又一个实施例可使用鹅颈管的铜滑块形内部来传递焊接电流，而不是像常规接触管(孔)那样在单个点上传递焊接电流，而是逐渐在滑动弯曲表面上传递焊接电流，使得焊接电流从铜滑块逐渐传递到焊丝(具有无限的点)。
在一些其它示例中，第二接触尖端308定位在焊枪的电源引脚之前的送丝器内部，从而将焊接电流传导到电弧附近的第一接触尖端318，使得以预热电流为焊枪在进给器与第一接触尖端318之间的整个长度进行预热。随着焊丝从进给器传送到焊枪前部，焊丝逐渐变热。
如图9a到9c中所说明，预热喷枪可与单个预热焊丝、串联预热焊丝(两个电源)和/或双预热焊丝配置(一个电源)中的埋弧焊电源组合使用。例如，图9a说明单个预热焊丝配置中的埋弧(saw)电源。焊丝可用cvac、cvep、cven、cv+cac、cv+cep、cv+cen、ccac、ccep、ccen、cc+vac、cc+vep和/或cc+ven预热。图9b说明串联预热焊丝配置中的埋弧电源。焊丝可用于标准saw配置或前面提到的任何变体。焊丝可用cvac、cvep、cven、cv+cac、cv+cep、cv+cen、ccac、ccep、ccen、cc+vac、cc+vep和/或cc+ven预热。在某些方面中，1根焊丝可被预热并且一根焊丝(前后焊丝)正常。另外，对于每根焊丝可采用不同的极性组合(ep、en、ac、cv+c、cc+v)。对于某些应用，图9b中的一个示例串联saw配置是领弧在未加热实心焊丝上进行dcep以便熔透，并且从弧在电阻式预热的金属芯焊丝上进行dcen以便于堆积。最后，图9c说明单个预热焊丝配置中的埋弧电源。焊丝可用cvac、cvep、cven、cv+cac、cv+cep、cv+cen、ccac、ccep、ccen、cc+vac、cc+vep和/或cc+ven预热。
cvep、en和ac中的测试结果总结于图10a和10b中。结果表明在大多数情况下热量输入减少和/或堆积增加大概20％到30％。结果还表明随着热量输入降低，熔深减小(如图10a中所示)。在cv+c模式下，测试ep、en和ac的结果显示，随着送丝速度增加以维持理想的电流强度，堆积增加20％到25％。在这种情况下的熔深几乎与相同电流强度的非预热焊接相同(即，图10b)。所有情况下的测试都使用金属芯和实心焊丝进行。焊接测试还显示所公开的示例电阻式预热系统可产生相当于5英寸或更大的通电伸出的热量输入减少/堆积增加的效果。
图11说明了另一个示例接触尖端组件1100的功能图。接触尖端组件1100类似于图3中所说明的组件206。组件1100包括电源302a以向电极丝114提供焊接功率(例如，用于产生焊弧320或其它焊接功率转移)。组件1100还包括电源302b以产生预热电流来加热电极丝114。
该组件包括第一接触尖端318和第二接触尖端308。如上面参考图3所述，预热电源302b与第二接触尖端308和第一接触尖端318进行相同的电连接。代替焊接电源302a与上述图3中所说明的第一接触尖端318(例如，经由正极性连接)和工件106(例如，经由负极性连接)电连接，焊接电源302a经由正极性连接电连接到第二接触尖端308并且经由负极性连接电连接到工件106。
在图11的示例组件中，预热电源302b向焊接之前和/或焊接期间可能发生的接触尖端308、318之间的电极丝114的部分提供预热电流。在操作中，焊接电源302a提供焊接电流以支持电弧320。在图11的配置中，由焊接电源302a提供的能量还预热第二接触尖端308与电弧320之间的电极丝114。在一些示例中，预热电源302b供电以结合由焊接电源302a提供的能量来预热电极丝114，由此降低由焊接电源302a输送的功率。
图12说明了另一个示例接触尖端组件1200的功能图。组件1200类似于图11的组件1100。然而，预热电源302b与接触尖端308、318之间的电连接相对于图11中的连接反向。换言之，预热电源302b经由负极性连接而电连接到第二接触尖端308并且经由正极性连接而电连接到第一接触尖端318。
在示例组件1200中，电源302b可向接触尖端308、318之间的焊丝部分提供预热功率，而焊接电源302a不供电(例如，在未焊接时)。当焊接电源302a向组件1200提供焊接功率时，预热电源302b关闭和/或用于减少由焊接电源302a提供的焊接功率的一部分以控制电极丝114通过焊接电源302a的预热。
图13说明了另一个示例接触尖端组件1300的功能图。组件1300包括电源302a以向电极丝114提供焊接功率(例如，用于产生焊弧320或其它焊接功率转移)。组件1300还包括电源302b以产生预热电流来加热电极丝114。焊接电源302a电连接到第一接触尖端318(例如，经由正极性连接)和工件106(例如，经由负极性连接)。
在图13的组件1300中，预热电源302b电连接到电极丝114，使得由电源302a提供的焊接电流不与由预热电源302b提供的预热电流叠加在焊丝上。为此，示例组件1300包括第三接触尖端1302，预热电源302b电连接到该第三接触尖端1302。虽然图13说明了其中预热电源302b经由正极性连接电连接到第三接触尖端1302并且经由负极性连接电连接到第二接触尖端308的示例，但是在其它示例中，连接极性相反。
图14说明了另一个示例接触尖端组件1400的功能图。组件1400包括单个电源，其经由第一接触尖端318和/或第二接触尖端308向电极丝114提供预热功率和焊接功率两者。为了控制对接触尖端308、318的预热和/或焊接功率的方向，组件1400包括预热/焊接开关1402。预热/焊接开关1402切换焊接电源302a与第一接触尖端318、第二接触尖端308和/或工件106之间的电连接。
焊接电源302a通过例如控制预热/焊接开关1402将焊接电源302a的正极端子连接到接触尖端308、318中的一个并且将焊接电源302a的负极端子连接到接触尖端308、318中的另一个来向电极丝114提供预热。焊接电源302a通过例如控制预热/焊接开关1402将焊接电源302a的正极端子连接到工件106或接触尖端308、318中的一个并且将焊接电源302a的负极端子连接到工件116或接触尖端308、318中的一个中的另一个(例如，基于使用dcen还是dcep)来向电极丝114提供预热。
如果预热/焊接开关1402将焊接电源302a的一个端子连接到第二接触尖端308并且将焊接电源302a的另一个端子连接到工件106，则由焊接电源302a供应的焊接电流也向电极丝114提供预热。在一些示例中，预热/焊接开关1402在将焊接电源302a连接到第一组电连接用于预热电极丝114(例如，连接到接触尖端308、318)、连接到第二组电连接用于焊接(例如，连接到工件106和第一接触尖端318)和/或连接到第三组电连接用于同时预热电极丝114和焊接(例如，连接到工件106和第二接触尖端308)之间交替。
图15是说明使用电阻式预热来改进用于焊接的引弧的示例方法1500的流程图。方法1500可与图2、11、12、13或14的示例组件206、1100、1200、1300、1400中的任一个一起使用。通常，示例方法1500预热电极丝114并且验证电极丝114在接触工件以发起电弧(例如，经由操作者、自动化系统等)之前处于高温。当电极丝114具有较高温度时，因为初始接触电阻通常较高，所以引弧可能更容易。
方法1500响应于例如激活焊接系统100或接收请求焊接系统100向电极丝114提供焊接电流的触发信号而开始于框1502。在框1504处，焊接系统1000确定目标起弧电压阈值(例如，对应于在引弧之前电极丝114将被预热的温度)。在框1506处，焊接系统100(例如，经由焊接电源302a和/或预热电源302b)向电极丝114施加预热电流。
在框1508处，焊接系统100确定电极丝电压是否在目标起弧预热温度的阈值偏差内。例如，焊接系统100可使用传感器和/或热模型来测量或推断电极丝温度。如果电极丝温度不在目标起弧电压的阈值偏差内(框1508)，则方法1500返回到框1506以继续向电极丝114施加预热电流。另外，方法1500不允许焊丝前进。焊丝电压指示焊丝中的电阻，其也指示焊丝的预热温度。当电极丝温度在目标起弧电压的阈值偏差内时(框1508)，系统100使得焊接电流能够流向电极丝114(例如，使得能够焊接)。在框1512处，方法1500结束。
一些示例涉及使用预热电极丝来执行一个或多个预焊道次，以将填充材料铺设在待焊接的接头中(例如，在没有电弧的情况下首先将金属铺设在接头中作为“预堆积”)。在预堆积道次之后，示例包括用电弧(例如，tig和/或mig)、等离子体和/或激光执行一个或多个道次以将预堆积材料熔化到接头中来执行焊接。换言之，预堆积材料可像热的和软的“胶水”一样铺设且透入深度与工件有关，这可在具有或不具有编织图案的情况下执行。接头可为方形接头、对接接头、凹槽接头、角焊缝接头或任何其它类型的接头。预堆积道次和焊道可交替以用于多道焊接。另外或替代地，预堆积道次和/或焊道可具有不均匀的数量(例如，铺设2次预堆积道次，然后是1次焊道)。预堆积道次可使用预堆积道次之间的不同编织图案来执行(例如，左侧一个预堆积道次，右侧一个，然后是焊道的大型编织以熔化预堆积道次)。焊道可使用或不使用填充金属来执行。如果在没有填充金属(例如，tig、等离子体和/或激光)的情况下执行焊道，则预堆积和焊接操作可在堆积步骤与焊接步骤之间具有物理间距的不同站处完成，这使得能够改进工艺控制、生产灵活性、更少扭曲和/或更少的贱金属稀释。在一些示例中，由两个相邻定位的接触尖端电阻式预热的电极丝用于将预热填充金属直接堆积到工件上由激光、电子束或等离子弧形成的熔池中。
在一些示例中，本文公开的电极丝预热方法和系统与埋弧应用的旋转电弧组合使用以改进材料堆积和/或焊接速度。另外，通常与旋转电弧技术相关联的飞溅包含在用于埋弧焊的助焊剂之下，从而使得能够改进焊珠外观和充分的焊接熔深。
图16说明使用抛物面反射镜1602作为气体喷嘴316的一部分以反射弧光以预热电极丝114延伸部的示例焊接组件1600。示例抛物面反射镜1602被配置为将由焊弧320产生的光引导到焊弧320附近的电极丝114的小区域。在图16的示例中，预热电源302b被省略，但是在焊弧不存在时可包括预热电源302b以提供附加预热。
在一些示例中，在焊接系统100检测到电弧焊接工艺结束(例如，焊枪触发器的释放)之后并且在电弧功率和预热功率停止之后，焊接系统100控制送丝电动机以将电极丝114缩回至少两个接触尖端之间的距离的量，以使电极丝114的预热部分缩回经过第二接触尖端318。电极丝114的预热和软化部分的缩回使操作者更容易将该焊丝部分从焊枪中的潜在阻塞中拔出，而不是迫使操作者通过压缩来移动焊丝。
图17说明包括用于测量用于预热电极丝114的跨两个接触尖端308、318的电压降的电压感测领弧1702、1704的示例焊接组件1700。预热监测器1706通过将测量的电压与阈值电压电平进行比较、通过评估测量的电压的时间导数和/或积分和/或通过统计分析(例如，平均值、标准偏差、均方根值(rms)值等来监测加热异常)。另外或替代地，预热监测器1706监测长期历史(例如，超过几分钟和/或几小时)的电压的稳定性。另外或替代地，预热监测器1706经由预热电源302b监测预热电流、预热功率和/或预热电路阻抗。
一些示例焊接系统100使用辐射加热来经由焊丝衬里加热电极丝114。示例包括使用镍铬合金、铂和/或另一种合适的材料来构造卷绕的焊丝衬里，以同时物理地支持和/或引导电极丝114从焊丝电源到焊枪并且同时将电极丝114加热。焊丝衬里由示例预热电源302b加热。可使用较高的加热电流来加热焊丝衬里的较短部分，和/或可使用减少的加热电流来加热焊丝衬里的较长部分(例如，从送丝器延伸到焊枪的大部分焊丝衬里)。电极丝114通过焊丝衬里使用辐射加热被逐渐加热，使得在电极丝114到达焊枪和/或第一接触尖端318之前电极丝114具有高温。
另外或替代地，焊接系统100可使用安装在焊枪主体内的红外加热灯来预热电极丝114。红外加热灯由预热电源302b供电。
所公开的示例可用于以降低基材稀释来执行熔覆操作。在这样的示例中，预热电源302b提供高的预热功率以将焊丝预热到接近熔化。焊接电源302a然后提供相对较低的电弧电流(例如15a到20a)以使焊丝尖端达到实际熔点。然而，因为相对较低的电流(例如，15a到20a)可能不足以导致熔断的焊丝夹紧以将液态金属转移穿过电弧，所以一些这样的示例使用快速响应电动机来振荡焊丝。焊丝的振荡颠簸或摇动焊丝尖端的液态金属。这种振荡技术的示例由y.wu和r.kovacevic在proceedingsoftheinstitutionofmechanicalengineersvol216partb：jengineeringmanufacture,p.555,2002中的“气体金属电弧焊接中的机械辅助液滴转移过程(mechanicallyassisteddroplettransferprocessingasmetalarcwelding)”描述，该文献通过引用方式并入本文。通过使用低电弧电流，示例熔覆方法减少了贱金属稀释和/或降低了诸如激光熔覆等方法的成本。
在一些其它示例中，熔覆系统使用电极丝的电阻式预热和激光能量源来铺设熔覆。激光束可散焦，并且在熔覆操作期间不存在焊弧(例如，电弧)。在一些情况下，经由电压钳位系统防止焊弧，该电压钳位系统将焊丝与工件之间的电压钳位到小于引弧电压。这种钳位系统可包括二极管和/或晶体管。
在一些示例中，焊接型设备可用于执行金属增材制造和/或增材金属涂覆。例如，涂覆系统或增材制造系统使用如上所述的焊丝预热和电压钳位，但是省略了激光器。在其它一些示例中，熔覆系统使用焊丝预热并且省略了钳位和激光器。在任一种情况下，金属可能不一定结合到工件，但可形成涂层和/或铺设在基底上，金属可随后从该基底移除。
在一些示例中，熔覆系统使用电阻式预热来预热焊丝。使用tig焊弧熔化预热后焊丝。
一些示例熔覆系统使用预热系统来执行先导预热(例如，在领弧接触工件之前，其中焊枪中的两个尖端进行预热)和转移预热(例如，一旦电流开始在工件领弧中流动，就露出工件附近的尖端)。熔覆系统将预热系统在先导预热模式与转移预热模式之间切换。
在一些情况下，以延长的伸出长度预热电极会受到不稳定性的影响，这是由埋弧焊接和/或gmaw方法中的短路控制响应引起的。常规的短路控制响应是增加电流以清除检测到的短路。然而，电流增加会使延伸的伸出部过热到极高温度，从而导致焊丝降低刚度和/或机械稳定性下降。结果，超热焊丝部分以比正常更高的速率熔化并且可能引入电弧长度摆动或振荡，同时焊接系统100试图获得稳定的电弧长度或接触尖端与工件距离。一些示例通过在长时间短路事件(例如，持续超过5ms的短路)期间使用电流控制(例如，恒定电流)模式控制焊接电源302a来解决这种不稳定性。电流控制模式不包括短路清除方法所特有的鲨鱼鳍响应或高仿真电感。例如，电流控制模式可使用与喷射模式中用于该送丝速率的电流(例如，高电流)相同的平均电流或固定低电流(例如，50a或更低)。焊接系统100还发起焊丝缩回以清除短路。在短路被清除之后，焊接系统100将模式恢复为电压控制(例如，恒定电压)喷射和/或脉冲喷射模式。在这样的示例中，焊丝驱动电动机响应性很强(例如，类似于在受控短路(csc)模式中使用的电动机)，但是占空比相对csc模式中使用的占空比而言有所减小。在这样的示例中，电动机不像csc模式那样用于快速清除短路。
一些示例增加了焊接的堆积速率，同时使用喷射模式减少了对工件的热量输入。焊接系统100在低焊丝速度模式下的喷射模式与高焊丝速度模式下的冷送丝之间切换。在该背景下，冷焊丝是指未熔化的焊丝，无论是预热还是未预热。在一些这样的示例中，焊接系统100预热电极丝114并且以喷射模式(例如，电压控制的和/或脉冲)执行焊接，然后将电流降低到较低的电流水平(例如，50a或更小)。在以喷射模式操作一段时间之后，焊接系统加速送丝速率(例如，加速到最大电动机进给速率)以将冷(例如，未熔化的)电极丝114输入焊接熔池。冷焊丝的输入既添加了填充金属，又冷却了焊接熔池。在焊接熔池冷却得太多而不能进一步熔化焊丝之前，使用预热焊丝增加了焊丝到焊接熔池中的堆积，但是可省略焊丝的预热。焊接系统100然后缩回焊丝，同时维持较低的焊接电流以重启焊弧。当电弧重启时，焊接系统100以较高的电流返回到喷射模式，并且以较低的送丝速率进给电极丝114。在一些示例中，焊接系统100在将冷焊丝进给到焊接熔池中时维持较高的电流以增加堆积，但是在缩回焊丝之前减小电流(例如，减小到50a或更小)以减少电弧重启期间的飞溅。在这样的示例中，焊丝驱动电动机响应性很强(例如，类似于在受控短路(csc)模式中使用的电动机)，但是占空比相对csc模式中使用的占空比而言有所减小。在这样的示例中，电动机不像csc模式那样用于快速清除短路。
在一些情况下，电极丝114与接触尖端318之间的不良物理接触可导致电极丝114与接触尖端318之间的电弧效应，这可能损坏接触尖端318。所公开的示例包括钳位二极管(例如，齐纳二极管)以钳位预热电源302b的输出电压以将输出电压钳位到小于阈值(例如，小于14v)。使用钳位二极管减少或消除了在接触尖端308、318与电极丝114之间发起电弧的可能性。另外，钳位二极管降低了主焊接电流在第一接触尖端318中产生电弧效应的可能性。当电极丝114与第一接触尖端318之间的物理接触不良时，电弧电流可通过钳位电路和第二接触尖端308传导或改向到电极丝114，以防止尖端回烧并延长第一接触尖端318的寿命。钳位二极管被选择为具有传导预热电流和焊接电流的电流容量(例如，导通几百纳秒)。在一些示例中，钳位二极管是碳化硅整流二极管。
在一些示例中，第二接触尖端318用作用于检测第一接触尖端308处的电弧效果的状况(例如，不需要预热电极丝114)的传感器。当检测到在第一接触尖端308处产生电弧效果的这种状况时，焊接系统100如上所述钳位尖端-焊丝接触电压。
虽然上面公开的示例包括同轴对齐的接触尖端308、318，但是在其它示例中，接触尖端308、318的轴线偏移(例如，平行但不对齐)和/或倾斜(例如，不平行)。在一些其它示例中，在两个接触尖端308、318之间设置弯曲或弯折焊丝支持(例如，陶瓷)以改进第一接触尖端308处的接触。在一些其它示例中，第一接触尖端318被设置有弹簧加载接触以接触电极丝114，由此确保第一接触尖端318与电极丝114之间的接触。
图18说明包括焓测量电路1802的示例焊接组件1800。焓测量电路1802确定被施加到工件106的焓。由电源302a、302b施加到工件106的焓是由预热电源302b引入到电极丝114的焓和由焊接电源302a引入的焓之和。示例测量电路1802可基于测量的电弧电压、测量的焊接型电流和/或测量的预热电流或跨电极部分的电压降来确定焓。电极预热电路1802基于确定的焓和待施加到工件106的目标焓来控制预热电流。例如，电极预热电路1802可基于由焊接电源302a施加的焊接功率来减小由预热电源302b提供的预热电流，以维持施加于工件106的恒定焓。焊接电源302a可基于例如接触尖端与工件距离和/或电弧长度的变化来提供可变功率。
在一些示例中，焊接系统100包括伸出感测电路，其确定电极丝114的电极伸出距离。预热电源302b基于电极伸出距离来控制预热电流。示例伸出感测电路包括用于测量由焊接电源302a供应的焊接电流的电流传感器，并且基于焊接型电流的测量值来确定电极伸出距离。
图19说明向工件1904提供电阻式预热焊丝1902并且提供单独的电弧源(诸如钨电极1906)以熔化焊丝1902和/或工件1904的示例实施方案。焊丝1902使用接触尖端1908和1910来预热，该接触尖端1908和1910电联接到预热电源1912。示例接触尖端1908、1910和预热电源1912可如参考图3、11、12、13、17和/或18中的任何示例所描述般来实施。
钨电极1906产生电弧1914。气体喷嘴1916与钨电极1906配置在相同喷枪中并且提供保护气体1918。往复式送丝器1920使得焊丝1902能够向前和/或向后双向行进。往复式预热焊丝1902增加焊接或熔覆行进速度，并且在使用某些往复频率时产生晶粒细化效应。
为了焊接，示例预热电源1912经由接触尖端1908、1910预热焊丝1902，并且钨电极1906提供将焊丝1902和/或工件1904的一部分熔化成焊接熔池1922所需的附加热量。预热焊丝1902在埋入焊接熔池1922中之后熔化，被电弧1914熔化，和/或这两种情况。本文描述的任何示例控制过程可用于执行焊接、钎焊、熔覆、表面硬化、金属添加和/或任何其它焊接型操作。
图20说明向工件2004提供电阻式预热焊丝2002并且提供单独的电弧源(诸如一个或多个激光头2006)以熔化焊丝2002的示例实施方案。图20的示例包括图19的接触尖端1908和1910、预热电源1912和往复式送丝器1920。示例接触尖端1908、1910和预热电源1912可如参考图3、11、12、13、17和/或18中的任何示例所描述般来实施。
类似于图19的钨电极1906，图20的激光头2006提供足够的功率以熔化工件2004以产生焊接熔池1922，预热焊丝2002被埋入该熔池中以熔化预热焊丝2002用于金属堆积。预热焊丝2002的使用涉及经由激光头2006向工件2004施加的能量要少于使用冷焊丝时所需要的能量。在一些情况下，在没有来自激光器的附加热量下，预热焊丝1902在埋入工件1904和/或焊接熔池1922中之后熔化。在其它情况下，激光器将更多的热量添加到要熔化到熔池1922中的焊丝。降低的激光功率和热量有助于减少工件1904在耐腐蚀堆焊层中的基体金属稀释。结果，图19和/或20的示例可实现与常规的冷焊丝焊接工艺相比增加的堆积速率，其中烧穿工件1904、2004的可能性较小。
在一些示例中，焊接系统100对焊丝短路事件作出反应。示例焊接系统100使用反馈立即关闭预热功率，以防止柔软的预加热焊丝被压缩并导致第一接触尖端318与第二接触尖端308之间阻塞。焊接系统100使用诸如来自送丝电动机的反馈(例如，电动机电流、电动机转矩等)和/或来自两个尖端电动机电流之间的另一个送丝力传感器或其它进给力传感器来提供快速检测。另外或替代地，焊接系统100使用诸如短路测量值(例如，电弧电压)的持续时间等反馈来检测焊丝短桩事件(例如，通过使电极丝114接触工件106来熄灭电弧所引起的)。响应于检测到该事件，焊接系统100关闭或禁用预热电源以防止接触尖端之间的焊丝损坏。
另外或替代地，焊接系统100可实施受控的预热响应以检测焊丝短路事件。图21说明示例焊丝预热电流和/或电压命令波形2102到2112，其用于减少或防止软的预热焊丝被压缩并导致第一接触尖端318与第二接触尖端308之间阻塞。在图21中，焊接电压反馈2114(由波形表示)由焊接系统100感测。
在第一时间2116，发生焊丝短桩事件，导致焊接电压反馈2114减小。在所说明的示例中，示例系统100的控制循环在电压下降时未立即识别出短桩事件。结果，示例波形2102到2108在第一时间2116不响应初始下降。相反，示例波形2110、2112通过以第一速率减小预热命令来响应感测到的电压降。
在第二时间2118，焊接系统100中的控制循环认识到已发生焊丝短桩事件。响应于控制循环认识到焊丝短桩事件，示例波形2102、2104降低到减小的值，波形2106、2108开始斜降到减小的值，并且波形2110、2122以比第一速率更高的第二速率降低预热命令。
在第三时间2120，焊丝短桩事件被清除并且焊接电压反馈2114增加到标称值。响应于清除焊丝短桩事件，波形2102、2106、2110大致上立即增加到标称值。相反，示例波形2104、2108、2122斜升到标称值。
虽然图21中说明了示例波形2102到2112，但是可使用任何其它波形，包括但不限于波形2102到2112的分量的组合。示例波形可包括可为线性和/或非线性的不同斜率。
图22是说明使用电阻式预热来改进用于焊接的引弧的示例方法2200的流程图。方法2200可与图2、11、12、13、14、17或18的示例组件206、1100、1200、1300、1400、1700、1800中的任一个一起使用。
方法2200响应于例如激活焊接系统100或接收请求焊接系统100向电极丝114提供焊接电流的触发信号而开始于框2202。在框2204处，焊接系统100使电极丝114中的焊接电流能够流动并且能够送丝114。
在框2206处，焊接系统100开始后启动序列稳态焊接。在框2208处，焊接系统以预定的预热命令目标进行焊接。
在框2210处，焊接系统100(例如，通过经由传感器测量电极丝114的温度)确定电极丝114的预热水平是否在目标预热水平(在框2208中确定)的阈值偏差内。如果电极丝114的预热水平在目标预热水平的阈值偏差内(框2210)，则控制返回到框2208以继续焊接。
如果电极丝114的预热水平不在目标预热水平的阈值偏差内(例如，太冷或太热)(框2210)，则在框2212处，焊接系统110调整预热电流并返回控制到框2210以检查预热水平是否在目标预热水平的阈值偏差内。
在一些示例中，焊接设备110包括用户界面装置或与用户界面装置进行通信以使得用户能够调整一个或多个预热效果和/或参数。图23说明可用于实施焊接设备的用户界面的示例用户界面装置2300。示例用户界面2300可单独实施或者作为允许控制焊接设备110的其它方面(诸如电压、电流和/或送丝速度设定点等等)的较大焊接用户界面的一部分来实施。
针对相应的焊丝速度、接头厚度和/或接头几何形状，焊接设备110可对预热电源(例如，电源302a，302b)使用默认电压命令、默认电流命令、默认功率命令和/或默认焓命令。然而，对于所有情况，这样的默认命令可能并不总是用户期望的量。例如，操作者可能希望稍微改变命令以控制熔深量和/或热量输入量，这进而可缓解焊接扭曲。示例用户界面2300使得用户能够微调焊接条件的预热部分以满足特定应用。
示例用户界面2300包括预热调整装置2302和一个或多个预热指示器装置2304、2306。在图23的示例中，预热调整装置2302是刻度盘，其允许用户(例如，通过图2、11、12、13、14、17或18的示例组件206、1100、1200、1300、1400、17000、1800中的任一个)增加和/或降低由焊接设备110实施的预热水平。
图形预热指示器2304装置以图形方式向用户指示经由预热调整装置2302选择的相对于默认预热水平2310并且相对于预热水平的允许范围的预热水平2308。图形预热指示器2304还包括指示调整预热水平对焊接熔深的影响和/或其它影响的指示器。例如，图形预热指示器2304指示，随着预热水平增加，焊接熔深降低，并且相反地，随着预热水平降低，焊接熔深增加。如图24a、24b和24c中所说明，当图形预热指示器2304被调整时，预热水平2308以图形方式被表示为左右移位。
在图23的示例中，数字预热指示器2306指示经由预热调整装置2302改变预热水平2308的焊接的影响的数字表示。例如，数字预热指示器2306基于预热水平2308显示进入焊接的平均热量输入。图24a、24b和24c说明用于不同预热水平的示例平均热量输入。其它示例数字表示包括电压命令、预热电流、系统的总能量和/或效率。
图25说明使用包括用户界面2502和实施预热控制循环2506的焊接控制电路2504的示例焊接组件2500。图26是预热控制循环2506的示例实施方案的框图。用户界面2502包括图23的用户界面2300或另一界面以使得焊接组件2500的用户能够调整预热水平。焊接控制电路2504接收经由用户界面2502选择的预热水平并且控制电源302b改变预热水平。焊接控制电路2504可进一步控制电源302a以基于选定的预热水平来调整焊接功率的一个或多个方面以改进在选定的预热水平下的性能。焊接控制电路2504也可实施电极预热控制电路。
图26的示例预热控制循环2506通过使用来自熔深传感器2606的反馈来自动地控制对焊接过程2604的预热功率2602以保持恒定熔深。示例熔深传感器使用焊接电流作为焊接熔深的量度。金属蒸气压力引起的脉冲电压信号中断可提前指示烧穿。示例预热控制循环2506使用熔深传感器2606作为闭环反馈(例如，来自从用户界面2502输入的期望熔深和/或预热水平2608的负反馈)。预热控制循环2506可通过检测熔深并且然后使用预热功率独立地调整熔深而不引入工艺不稳定性来改进不良的熔深(例如，部分熔深)和/或防止烧穿。可使用的其它示例熔深传感器包括焊弧和焊池外部的红外传感器。
返回到图25，示例组件2500进一步包括电压感测领弧2508、2510以测量跨电极丝114的预热部分的电压。电压感测领弧2508、2510可例如联接到两个接触尖端308、318、焊丝衬里、焊丝驱动电动机、焊枪中的扩散器和/或任何其它大致上电等效的点)。焊接控制电路2504使用预热控制循环2512来控制预热电源302b。预热控制循环2512使用经由领弧2508、2510感测的电压和由电源302b输出的电流来维持对电极丝的部分的命令功率输入、电流输入、电压输入、焓和/或阻抗114。在图25的示例中，预热控制循环2512使用命令的预热电压与经由感测领弧2508、2510感测的电压之间的误差来调整预热电流、预热电压和/或预热功率。
在一些示例中，焊接控制电路2504进一步从工件106接收焊接电压反馈并且确定工件106与接触尖端308、318中的一个或两个之间的电压降。焊接控制电路2504可使用包括接触尖端308、318和工件106的电压反馈来计算由电源302a，302b输入到电极丝114和/或输入到工件106的总热量，和/或控制由电源302a、302b输出的电压和/或电流。
存在于预热电路路径(例如电源302b、接触尖端308、318和接触尖端308、318之间的电极丝114的部分)中的电流以及任何其它连接电路和/或导体)基于(例如，经由电压感测领弧2508、2510)测量电压的电路中(例如，在电极焊丝114的部分中)的电流量和电阻量来产生电压降。如果存在电流但没有测量电压，则常规的电压控制过程将会增加电流命令直到电压误差为零(例如，电压误差＝电压命令-电压反馈)并且满足该命令。在常规的电压控制过程中，电压反馈的任何损失(例如，由于感测领弧2508、2510中的任一个的断开、由于传感领弧2508、2510的短路等所引起的)可能导致预热电流增加到足够高以熔化或蒸发，从而打开正被预热的电极丝的部分。这种事件可能导致许多焊枪组件的故障或损坏。
示例焊接控制电路2504通过减少对预热电源302b的电流命令和/或关闭预热电源302b的输出来检测并缓解到预热控制循环2512的电压反馈的损失。例如，焊接控制电路2504可监测电极丝114的预热部分中的电压和电流，以(例如，基于预热期间的预期最小电压降)确定电压和电流是否大于相应阈值。如果阈值电压和电流都不存在，则焊接控制电路2504暂停或修改预热控制循环2512以减小电流命令(例如，减小到零或预定的安全水平)，导致焊接电源302a关闭焊接功率，和/或使预热电源302b关闭预热功率。焊接控制电路2504还可(例如，经由用户界面2502)向操作者(例如，经由在用户界面2502的显示装置上显示消息)指示感测领弧连接已经丢失。对预热电压反馈损失的响应保护了焊枪和焊枪部件(接触尖端、气体喷嘴等)，并且减少或防止了被焊接部分的损坏。
在一些示例中，焊接控制电路2504使焊接型电流和预热电流同步以减小接触尖端308、318处的净电流(并且因此减小净热量)。例如，焊接型电流和预热电流可为交流电，并且焊接控制电路2504控制预热电流和/或焊接型电流为同步，使得焊接型电流和预热电流的对应极性导致减小或消除接触尖端318处的净电流。
在一些示例中，焊接控制电路2512允许焊接电源302a继续向焊接提供焊接功率而无需预热，但将会以比预热启用时更高的焊接电流进行焊接。取决于诸如焊丝速度、材料厚度和/或行进速度等多种因素，较高的电流可能导致过度的熔深和/或损坏正被焊接的部分。焊接控制电路2504可监测来自焊接电源302a的电流并且与电流限制(例如，比预期平均电流更大的电流)进行比较。如果超过电流限制，则焊接控制电路2504关闭焊接电源302a以避免过度熔深和/或工件损坏。
如上所述，用户界面2502可通过焊接向工件106输出热量输入(例如，基于经由用户界面2502选择的预热水平)。图25的示例焊接控制电路2504基于由电源302a、302b输出的预热电压、预热电流、预热功率、焊接电压、焊接电流和/或焊接功率来计算热量输入。由于在电极丝114被预热的组件2500中的位置与电弧的位置之间的热量损失，示例焊接控制电路2504在热量输入计算中包括损失因子。示例焊接控制电路2504还包括计算中的效率因子，其中效率因子补偿向电极丝114的功率输送中的低效率和/或用于计算热量输入的电压、电流和/或功率。焊接控制电路2504可使用下面的示例等式1来计算热量输入：
∫(αiweld(t)*vweld(t))dt等式1
在等式1中，α表示焊接部分中的效率和/或功率损失。用户界面2502可显示热量输入和/或焊接控制电路2504可使用计算的热量输入来控制预热热量输入和/或焊接热量输入。热量输入可与例如熔深感测结合使用以确定应当增加和/或降低预热和/或焊接功率中的哪一个以实现期望的焊接结果。
如上所述，示例系统100可预热电极丝114的一部分以在焊接之前减少电极丝114中的氢气的存在。图27是用于监测电极丝114中的氢气含量并且预热电极丝114的一部分以在焊接之前减少氢气的示例组件2700的框图。组件2700包括氢气传感器2702和预热控制器2704。预热控制器2704从氢气传感器2702接收氢气测量信号并且调整预热电源302b的预热参数(例如，电流、电压、功率、焓等)和/或焊接电源302a的焊接参数。
通过相对于存在或可允许的氢气的量，以电极丝114从组件2700中向外进给的速度将电极丝114预热到期望的温度，与氢气减少的常规方法相比，组件2700更容易地减少和/或消除过量氢气。
预热控制器2704基于观察到的电极丝类型的烘烤效率降低该类型的电极丝中的湿度并且基于电极丝114的进给速度来控制诸如预热功率、电流、电压和/或焦耳加热等预热参数。例如，电极丝114的较高进给速率可能需要较高的预热功率。对接接头上的管状电极进行焊接可能需要比具有啮合榫接头的管状电极更少的预热功率。具有更多横截面积的大直径管状焊丝可能需要更高的预热功率。示例预热控制器2704可使用查找表或其它存储器结构来基于管状焊丝的类型和输入到预热控制器2704的送丝速率(例如，经由用户界面)或另一种输入方法来检索预热参数。在这样的示例中，预热控制器2704可在没有氢气传感器2702的情况下操作并且依赖于预定的预热参数。
氢气传感器2702监测电极丝114上和/或附近的氢气的水平。例如，氢气传感器2702可为基于钯(pd)的传感器，诸如钯官能化的碳纳米管(cnt)。氢气传感器2702的另一个示例实施方案是作为具有pd合金栅极的基于二极管的肖特基传感器。另外或替代地，高度有序的垂直定向的二氧化钛(tio2)纳米管微机电系统(mems)传感器可被结合到焊枪中以检测电极丝114中或附近的氢气的低水平(例如，百万分之几、十亿分之一等)。预热控制器2704基于从氢气传感器2702接收的氢气测量值来执行对预热电源302b的闭环控制。在将电极丝114堆积到工件106处的焊池中以形成焊接金属之前，氢气传感器2702也可被放置在预热室附近作为氢气水平的量度。可使用湿度传感器代替或作为氢气传感器2702的补充。
示例组件2700允许以低成本生产管状电极并且实现低氢气性能。组件2700还可降低在生产电极丝114期间减少或防止氢气吸收的成本，诸如与带钢质量、拉伸润滑剂、助焊剂来源和存储相关联的成本，和/或其它生产、存储和/或采购成本可降到最低。另外，可降低电极丝114中的湿度吸收的封装和/或存储成本，并且可延长电极丝114的保存期限。
因为氢气减少得到改进，所以制造商可针对机械性能选择更多种类的管状焊丝，其中在焊枪处提供焊丝预热的示例组件提供氢起免疫性。氢气的减少更容易，因为它不像常规技术那样依赖于伸出长度。最终用户通常不能以一致的方式调节伸出长度，因此经由预热执行氢气减少允许固定的、自调节的预热长度，使得焊丝加热将是一致的并且不依赖于伸出长度。较短的伸出长度还改进了ctwd并且改进了焊接电源302a对短路和/或短桩事件的响应。预热氢气减少方法进一步消除了在使用焊丝114之前需要预先烘烤电极丝114很长一段时间。预热氢气减少方法可加热电极丝114，这比使用传统的延伸伸出方法更可能加热电极丝，与常规方法相比进一步降低引入到焊接之前的氢气水平。
在一些示例中，焊接型电极是管状电极，并且电极中的扩散氢气大致上通过预热电极而被回烧，以防止氢气的至少一部分被引入到焊接金属中。因此，示例减少了所得焊接中的氢致裂纹、应力腐蚀裂纹和氢脆的趋势。
图28是图2、11、12、13、14、17、18、25和/或27的电源302a、302b的示例实施方案的框图。示例性电源302a、302b向焊接应用供电、控制和供应自熔品。在一些示例中，电源302a、302b直接向焊枪108供应输入功率。在所说明的示例中，焊接电源302a、302b被配置为向焊接操作和/或预热操作供电。示例焊接电源302a、302b还向送丝器供电，以将电极焊丝114供应给焊枪108用于各种焊接应用(例如，gmaw焊接、药芯焊丝电弧焊(fcaw))。
电源302a、302b(例如，从ac电网、发动机/发电动机组、电池或其它能量产生或存储装置或其组合)接收主电源2808，调节主电源并且根据系统的需求向一个或多个焊接装置和/或预热装置提供输出功率。主电源2808可从非现场位置供应(例如，主电源可源自电网)。焊接电源302a、302b包括功率转换器2810，该功率转换器2810可包括变压器、整流器、开关等等，能够将ac输入功率转换为ac和/或dc输出功率，如由系统的需求(例如，特定的焊接工艺和方案)所规定。功率转换器2810基于焊接电压设定点将输入功率(例如，主电源2808)转换为焊接型功率并且经由焊接电路输出焊接型功率。
在一些示例中，功率转换器2810被配置为将主电源2808转换为焊接型功率输出和辅助功率输出两者。然而，在其它示例中，功率转换器2810适于仅将主电源转换为焊接功率输出，并且提供单独的辅助转换器以将主电源转换为辅助功率。在一些其它示例中，电源302a、302b直接从墙式插座接收转换后的辅助功率输出。电源302a、302b可采用任何合适的功率转换系统或机构来产生和供应焊接功率和辅助功率两者。
电源302a、302b包括控制器2812以控制电源302a、302b的操作。焊接电源302a、302b还包括用户界面2814。控制器2812从用户界面2814接收输入，用户可通过该用户界面选择工艺和/或输入期望的参数(例如，电压、电流、特定的脉冲式或非脉冲式焊接方案等等)。用户界面2814可使用任何输入装置(诸如经由小键盘、键盘、按钮、触摸屏、语音激活系统、无线装置等)来接收输入。另外，控制器2812基于用户的输入以及基于其它当前的操作参数来控制操作参数。具体地，用户界面2814可包括用于向操作者呈现、示出或指示信息的显示器2816。控制器2812还可包括用于将数据传送到系统中的其它装置(诸如送丝器)的接口电路。例如，在一些情况下，电源302a、302b与焊接系统内的其它焊接装置进行无线通信。另外，在一些情况下，电源302a、302b使用有线连接与其它焊接装置进行通信，诸如通过使用网络接口控制器(nic)以经由网络(例如，以太网、10baset、10base100等)传送数据。在图1的示例中，控制器2812经由通信收发器2818经由焊接电路与送丝器进行通信。
控制器2812包括控制焊接电源2802的操作的至少一个控制器或处理器2820。控制器2812接收并处理与系统的性能和需求相关联的多个输入。处理器2820可包括一个或多个微处理器，诸如一个或多个“通用”微处理器、一个或多个专用微处理器和/或asic，和/或任何其它类型的处理装置。例如，处理器2820可包括一个或多个数字信号处理器(dsp)。
示例控制器2812包括一个或多个存储装置2823和一个或多个存储器装置2824。存储装置2823(例如，非易失性存储器)可包括rom、闪速存储器、硬盘驱动器和/或任何其它合适的光学、磁性和/或固态存储介质，和/或其组合。存储装置2823存储数据(例如，对应于焊接应用的数据)、指令(例如，执行焊接工艺的软件或固件)和/或任何其它适当的数据。用于焊接应用的存储数据的示例包括焊枪的姿态(例如，定向)、接触尖端与工件之间的距离、电压、电流、焊接装置设定等等。
存储器装置2824可包括诸如随机存取存储器(ram)等易失性存储器和/或诸如只读存储器(rom)等非易失性存储器。存储器装置2824和/或存储装置2823可存储各种信息并且可用于各种目的。例如，存储器装置2824和/或存储装置2823可存储用于处理器2820执行的处理器可执行指令2825(例如，固件或软件)。另外，用于各种焊接工艺的一个或多个控制方案以及相关设定和参数可连同被配置为提供特定输出(例如，发起送丝、启用气体流量、捕获焊接电流数据、检测短路参数、确定飞溅量)的代码一起存储在存储装置2823和/或存储器装置2824中)。
在一些示例中，焊接功率从功率转换器2810流过焊接电缆2826。示例焊接电缆2826可在焊接电源302a、302b中的每一个处与焊柱附接和分离(例如，使得在磨损或损坏的情况下能够易于更换焊接电缆2826)。另外，在一些示例中，焊接数据与焊接电缆2826一起被设置，使得焊接功率和焊接数据被一起通过焊接电缆2826提供并传输。通信收发器2818通信地联接到焊接电缆2826以通过焊接电缆2826传送(例如，发送/接收)数据。通信收发器2818可基于各种类型的电源线通信方法和技术来实施。例如，通信收发器2818可利用ieee标准p1901.2通过焊接电缆2826提供数据通信。以此方式，焊接电缆2826可用于从焊接电源302a、302b向送丝器和焊枪108提供焊接功率。另外或替代地，焊接电缆2826可用于向送丝器和焊枪108传输数据通信和/或从其中接收数据通信。通信收发器2818例如经由电缆数据联接器2827通信地联接到焊接电缆2826，以将焊接电缆2826特征化，如下面更详细描述的。电缆数据联接器2827可为例如电压或电流传感器。
在一些示例中，电源302a、302b包括送丝器或者在其中实施。
示例通信收发器2818包括接收器电路2821和发射器电路2822。通常，接收器电路2821经由焊接电缆2826接收由送丝器传输的数据，并且发射器电路2822经由焊接电缆2826将数据传输到送丝器。如下面更详细描述，通信收发器2818能够使用由送丝器104传输的焊接电压反馈信息从送丝器的位置远程配置电源302a、302b和/或通过电源302a、302b补偿焊接电压。在一些示例中，接收器电路2821在焊接电流流过焊接电路时(例如，在焊接型操作期间)和/或在焊接电流停止流过焊接器之后(例如，在焊接型操作之后)经由焊接电路接收通信。这种通信的示例包括在焊接电流流过焊接电路时在远离电源302a、302b的装置(例如，送丝器)处测量的焊接电压反馈信息。
第9,012,807号美国专利中描述了通信收发器2818的示例实施方案。第9,012,807号美国专利的全部内容以引用方式并入本文中。然而，可使用通信收发器2818的其它实施方案。
示例送丝器104还包括通信收发器2819，其在构造和/或功能上可与通信收发器2818类似或相同。
在一些示例中，取决于焊接应用，气体供应器2828提供保护气体，诸如氩气、氦气、二氧化碳等等。保护气体流向阀2830，其控制气体流量，并且如果需要，可被选择以允许调整或调节被供应给焊接应用的气体的量。阀2830可被控制器2812打开、关闭或以其它方式操作，以启用、禁止或控制通过阀2830的气流(例如，保护气体)。保护气体离开阀2830并且通过电缆2832(其在一些实施方案中可与焊接功率输出一起被封装)流到送丝器，该送丝器向焊接应用提供保护气体。在一些示例中，焊接系统302a、302b不包括气体供应器2828、阀2830和/或电缆2832。
虽然已经参考某些实施方案描述了本发明的方法和/或系统，但是本领域技术人员将理解，可进行各种改变并且可替换等同物而不背离本方法和/或系统的范围。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。例如，所公开的示例的系统、框和/或其它部件可被组合、划分、重新布置和/或以其它方式修改。因此，本方法和/或系统不限于所公开的特定实施方案。相反，论是字面上还是在等同原则下，本方法和/或系统将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。
本文引用的所有参考文献(包括杂志文章或摘要、公开的或对应的美国或外国专利申请、颁发的美国专利或外国专利或任何其它参考文献)在本文全部作为参考并入，包括所有数据、表格、附图以及在引用的参考文献时描述的原文。