用于控制电弧焊接工艺的系统和方法
【专利说明】用于控制电弧焊接工艺的系统和方法
【背景技术】
[0001] 本发明总体上涉及焊接系统，并且更具体地讲，涉及控制电弧焊接工艺的参数。
[0002] 为了实现各种目的已经实施了各式各样的焊接系统和焊接控制制度。在连续焊接 操作中，气体保护金属电弧焊（GMW)技术通过从焊炬供给由惰性气体或活性气体保护的 填充材料而允许用于形成连续焊珠。电能被施加于焊丝并且回路通过工件来形成以维持熔 化焊丝和工件以形成所期望的焊缝的电弧。某些相关工艺不使用保护气体，并且可以依靠 焊丝中的成分来形成并保护进行的焊接。
[0003] 在其各种形式中，GMAW焊接涉及在形成电极并朝着工件前进的焊丝上施加受控的 电压和电流以在电极与工件之间建立电弧。焊丝电极通常由与焊接电源耦接的送丝机供 给，尽管在一些系统中，送丝机可以集成在电源中，或者焊丝可以由焊炬供给（例如，"拉丝 焊枪"）。一般而言，人类操作者可以握住并控制焊炬，或者焊炬可以是自动化系统的一部 分，通常由机器人设备操作。焊接参数可以设置用于所有的这些工艺，包括电流和电压水 平、送丝速度等。对于手动应用，由操作者调节行进速度（焊炬前进以形成焊缝的速率），而 在自动化应用中，这可以提前设置用于特定的焊缝和工件。
[0004] 在GMW和相关的焊接工艺中，各种焊接参数受到控制以维持电极与工件之间的 焊接电弧所期望的电弧长度。恒定的电弧长度可以提供相对一致的焊珠轮廓和焊缝熔深， 这可以增强焊缝的某些结构质量和美学特征。GMW焊接系统一般利用电压反馈来维持焊接 电弧上均匀的电压降，该电压降与均匀的电弧长度大致对应。不幸的是，难以精确地确定由 于电极在其朝着工件前进时延伸体的变化引起的焊接电弧上的电压降以及难以解释的其 他电压降。
【发明内容】
[0005] 在第一实施例中，一种焊接系统包括电极和电源，所述电极被配置成朝着工件前 进，并且所述电源被配置成提供电力流（交流、直流、脉冲等）到所述电极用于在所述电极 与所述工件之间产生焊接电弧。所述焊接系统还包括第一传感器和第二传感器，所述第一 传感器被配置成感测所述焊接电弧的光强度，并且所述第二传感器被配置成感测通过所述 电源提供到所述电极的电流。此外，所述焊接系统包括控制器，所述控制器与所述第一传感 器和所述第二传感器通信地耦接并且被配置成相关于所述电流修改所述光强度。所述控制 器被配置成基于所述修改的光强度控制所述焊接系统的焊接参数。
[0006] 在另一个实施例中，一种方法包括通过光传感器检测由焊接系统的电极与工件之 间产生的焊接电弧发出的光强度。所述方法还包括通过电流传感器检测从所述焊接系统的 电源提供到所述电极的电力的电流。此外，所述方法包括通过所述焊接系统的控制电路，相 关于所述检测的电流修改所述检测的光强度以确定所述焊接电弧修改的光强度。另外，所 述方法包括基于所述修改的光强度控制所述焊接系统的焊接参数。
[0007] 在另外的实施例中，焊接系统包括控制电路。所述控制电路被配置成接收表示所 述焊接系统的电极与工件之间的焊接电弧的光强度的信号；接收表示供应到所述电极用于 产生所述焊接电弧的电力的电流的信号。此外，所述控制电路被配置成相关于表示所述电 流的所述信号修改表示所述光强度的信号。另外，所述控制电路被配置成基于所述修改的 表示所述光强度的信号提供控制信号到所述焊接系统的电源。
【附图说明】
[0008] 当参考附图阅读以下详细说明时，会更加明白本发明的这些和其他特征、方面和 优点，附图中相似的附图标记代表在整个附图中相似的零件，其中：
[0009] 图1是可以使用弧光控制系统的焊接系统的实施例的框图；
[0010] 图2是用于操作图1的焊接系统的方法的实施例的工艺流程图；
[0011] 图3是安装在焊炬上的光传感器的实施例的透视图；
[0012] 图4是用于检测焊接电弧的光强度的传感器的实施例的前视图；
[0013] 图5是用于操作图1的焊接系统的方法的实施例的工艺流程图；
[0014] 图6是用于说明响应送丝速度的变化自动调节焊接参数的实施例的曲线图；
[0015] 图7是基于图1的焊接系统的感测参数之间的相位变化所确定的有效增益值的实 施例的曲线图；
[0016] 图8是用于提供弧光控制的控制电路的实施例的概略图示；并且
[0017] 图9是安装在用于控制焊接系统参数的焊接头盔上的光传感器的实施例的透视 图。
【具体实施方式】
[0018] 本发明的实施例针对基于焊接系统产生的焊接电弧的感测光强度控制焊接系统 参数的系统和方法。除用于检测光强度的光传感器之外，焊接系统包括用于确定流过焊接 电极以产生电弧的电流的电流传感器。控制电路可以接收与检测的光强度和检测的电流对 应的信号，并且处理信号以确定与焊接电弧的长度成正比的修改的光强度。这可以涉及相 关于检测的电流修改检测的光强度。由于修改的光强度与焊接电弧长度对应，所以焊接系 统可以利用修改的光强度作为主要反馈参数以控制电弧长度。更具体地讲，控制电路可以 发送控制信号到用于调节焊接参数的电力转换电路。因此，电源可以以所期望的电流和/ 或电压提供电力到电极以维持用于所期望的焊缝的合适的电弧长度的焊接电弧。
[0019] 修改的光强度可以是比系统元件上的电压降（一般用于常规焊接系统）更精确的 电弧长度指标。在这种系统中，控制焊接工艺可以通过维持所期望水平的焊接电压来实现。 该电压可以包括许多不同的焊接元件上的电压降，包括焊接引线、电缆连接、焊炬导电嘴的 接触点、电极从接触点的延伸体等。然而，用于确定系统上的电压降的电压引线可能由于接 触点和电极延伸体而无法采集电压降。电极延伸体上的电压降在整个焊接操作期间变化， 使得检测的电压不是电弧长度完全精确的指标。与检测的电压不同，修改的光强度响应朝 着工件供给的焊丝的电极延伸体的变化而变化。以此方式，当前公开的实施例中计算的修 改光强度可以提供比检测的电压更好的电弧长度的指标。然而，在一些实施例中，仍然可以 监测电压作为附加的反馈参数。例如，电压信号可以用于检测光强度信号的劣化或者提供 焊接参数控制的精细调节。
[0020] 现在转到附图，图1是根据本技术的焊接系统10的实施例的框图。焊接系统10 被设计成用于在工件14上产生焊接电弧12。焊接电弧12可以是任何焊接类型，并且可以 按照任何所期望的方式定向，包括MIG、金属极活性气体（MAG)、各种波形、串联设置等。焊 接系统10包括电源16,该电源可以与例如电力网的电力源18耦接。当然，可以利用其他 电力源，包括发电机、引擎驱动电源组等。在图示的实施例中，送丝机20与气源22和电源 16耦接，并且通过焊接电缆27供应焊丝24到焊炬26。电源16提供电力流到焊丝24上， 该焊丝充当电极。焊丝24通过焊炬26供给以形成焊接电弧12,由焊接电弧12熔化，并且 沉积在工件14上。
[0021] 送丝机20通常包括控制电路，一般图示为附图标记28,该控制电路调节来自线轴 30的焊丝24的供给，并且命令电源16的输出。线轴30包括在焊接操作期间消耗的一定长 度的焊丝24。通常在控制电路28的控制下通过使用电动机由焊丝驱动组件32使焊丝24 前进。此外，工件14通过连接到工作电缆36上的夹具34与电源16耦接，以便当焊丝24 与工件14之间建立焊接电弧12时完成电路。
[0022] 将焊炬26放置在靠近工件14的位置允许由电源16提供的并且送到焊炬26的电 流从焊丝24到工件14形成电弧。如上所述，这种电弧完成了一个电路，该电路包括电源16、 焊炬26、工件14和工作电缆36。特别地，在操作时，电流从电源16流到焊炬26,流到工件 14,该工件通常向后与电源16连接上。电弧产生相对大量的热量，这些热量使工件14的一 部分以及焊丝24的填充金属过渡到熔融状态，从而形成焊缝。
[0023] 为了在焊接期间保护焊接区不被氧化或污染，以增强电弧性能，并且为了改善所 得的焊缝，焊接系统10还可以从气源22供给惰性保护气体到焊炬26。然而，值得注意的 是，除惰性保护气体之外或者替代惰性保护气体，可以使用用于保护焊接位置的各种保护 材料，包括活性气体和固体颗粒。
[0024] 焊接系统10可以被设计成允许由操作者选择数据设置，特别是通过设置在电源 16上的操作界面38。操作界面38可以整合在电源16的前面板中，并且可以允许用于选择 设置，例如焊接工艺的类型、将要使用的焊丝类型、焊接参数设置等。这些焊接设置被通信 到电源16内的控制电路40。应当注意的是，当在本公开中提及"GMAW"焊接时，可以在使用 或不使用惰性气体的情况下，例如，使用药芯焊丝或金属芯焊丝，使用本文描述的焊接、焊 炬26和技术。
[0025] 控制电路40控制焊接系统10的焊接参数。更具体地讲，控制电路40操作以控制 施加于焊丝24用