正接脉冲焊接系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明总体上涉及焊接工艺，并且更具体地讲，涉及在平衡喷射气体保护金属电弧焊接(poised spray gas metal arc welding，GMAW-P)工艺中控制电极过渡的方法和系统。
[0002]焊接已经成为各行业中无所不在的工艺，并且可以用于方便许多金属构造和组装应用。例如，一通常称为气体保护金属电弧焊接(gas metal arc welding, GMAff)的工艺是最普遍的具体焊接工艺，这种焊接工艺使用连续填充金属电极与工件之间的焊接电弧。某些GMAW衍生工艺或过渡模式，例如，喷射过渡和脉冲喷射过渡(例如，GMAW-P)可以包括较高的电压水平、较高的电流水平和较高的送丝速度(wire feed speed, WFS)以使金属电极材料的液滴越过焊接电弧过渡到较薄的金属工件上。遗憾的是，当使用正接极性焊接电弧时，金属电极很难越过焊接电弧过渡材料。
[0003]因此，尽管可能有利的是在许多应用中利用脉冲正接焊接制度，但是常规的技术会给焊缝增加太多能量，造成桥接短路、不一致的金属过渡和不稳定的电弧长度，并且可能导致不期望的飞溅。本领域的改进将允许利用这种波形，同时提高焊接性能，将会是本领域的进步。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，一种焊接系统包括[在初审之后完成]。
【附图说明】
[0005]当结合附图阅读以下详细说明时，会更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:
[0006]图1是根据本公开的示例性GMAW系统的框图；
[0007]图2是在改进的脉冲焊接工艺中使用直流正接(direct current electrodenegative, DCEN)极性的图1的GMAW系统的焊接电极的示例性正视图；
[0008]图3是图2所示的电极的示例性正视图，示出了在脉冲焊接工艺的峰值阶段期间的材料过渡；
[0009]图4是脉冲焊接工艺电压和电流波形的示例性计时图；并且
[0010]图5是脉冲焊接工艺的某些阶段的详细图示。
【具体实施方式】
[0011]焊接工艺已经变得在各行业中无所不在，并且可以用于方便金属构造和组装应用。GMAW是最普遍的具体焊接工艺，这种焊接工艺使用连续填充金属电极与工件之间的焊接电弧。某些GMAW衍生工艺或过渡模式，例如，喷射过渡和脉冲喷射过渡(GMAW-P)可以包括较高的电压水平、较高的电流水平和较高的送丝速度(wire feed speed, WFS)以使金属电极材料的液滴越过焊接电弧以在较薄的金属工件上执行焊接任务。遗憾的是，当使用正接极性焊接电弧时，金属电极很难越过焊接电弧过渡材料。
[0012]因此，本实施例涉及可用于调节电压和电流输出水平的一个或多个特性以改善金属电极越过DCEN脉冲焊接电弧过渡以及电弧稳定性的系统和方法。具体地讲，减小脉冲焊接制度的各峰值脉冲的下降沿过渡在峰值阶段与背底阶段之间建立“稳定阶段”，从而允许在电流闭合回路输出时有充足的时间和缓慢的响应性用于沉积物沉淀，同时避免或减少需要清除的“硬短路”。在现有技术中，在峰值阶段之后有力的电流控制往往造成电压迅速变化、电弧不稳定、飞溅和频繁短路。电压和电流输出水平的其他特性，例如，脉冲频率、背底周期和脉冲宽度，也可以经过调节以改善电弧控制。如本文所用“稳定阶段”可以指的是在过渡到电压(和电流)返回到背底水平的阶段之前在脉冲焊接制度的峰值阶段之后的电流(和电压)控制。稳定阶段通常可以使用并且结合直流正接脉冲焊接技术一起使用，并且其特征在于焊接功率输出中的抛物线型电流闭合回路下降。稳定阶段可以在比常规的脉冲焊接制度更高的编程电流终止。然后，在稳定阶段之后的“返回背底”阶段中，仅成比例的增益用于电压闭合回路控制。然而，应当理解的是，本文所述的技术可以不限于喷射过渡和脉冲喷射过渡GMAW工艺，但是也可以扩展到其他的GMAW工艺。实际上，如以下所述，不是喷射型过渡，稳定阶段往往促进更多填充金属熔滴过渡到熔池，特别是当使用正接极性时。
[0013]由于考虑到上述内容，所以可用于描述例如图1所示的示例性GMAW系统10的焊接系统的实施例。图示的系统通常可以作为自动或半自动(例如，机器人)焊接系统，尽管图示的构造可以以多种方式变化，并且这些技术也可以用于手持式焊接工艺。如图所示，焊接系统10可以包括焊接电源12、焊接送丝机14、气源系统16和焊炬18。焊接电源12通常可以为焊接系统10供应焊接功率。例如，电源12可以通过电源电缆20耦接到焊接送丝机14上，并且通过引线电缆22耦接到工件24上，例如穿过夹钳26。在图示的实施例中，焊接送丝机14通过焊接电缆28耦接到焊炬18上，以便在焊接系统10工作期间供应例如金属芯焊接电极和功率到焊炬18。在一些构造中，送丝机可以整合在电源中。来自气源系统16的气体通常也通过焊接电缆28路由。关于工件，据信本技术可以特别好地适用于包括较薄的镀锌(镀层)钢的工件，尽管可以按照公开的方式焊接其他材料和其他大小的材料。此夕卜，各种行进速度可以适应手工移动(或者更典型，机器人移动)焊炬或工件或焊炬和工件二者，例如行进速度至少30英寸/分钟，尽管也可以利用其他速度。
[0014]焊接电源12通常可以进一步包括功率转换电路(未单独示出)，该功率转换电路接收来自电源30 (例如，交流电网、发动机/发电机组或它们的组合)的输入功率，调节输入功率，并且提供直流或交流输出功率用于焊接。焊接电源12还包括用于提供焊接功率输出的输出端子，并且这些输出端子可以允许根据反接或正接极性焊接制度进行连接。具体地讲，焊接电源12可以根据焊接系统10的需求给焊接送丝机14供电，并且通过延伸，可以给焊炬18供电。在本公开设想到的某些实施例中，焊炬18可以与电源和送丝机耦接上以实施正接焊接制度，并且特别是脉冲焊接工艺。也就是说，电源12可以用于提供直流正接输出，其中电流从负方向流到正方向而流过整个电路，并且因此影响焊接电弧和/或焊接工艺。除直流正接之外，电源12也可以包括能将交流输入功率转换成直流反接(directcurrent electrode positive，DCEP)输出、直流可变极性、脉冲直流或可变平衡(例如，平衡或不平衡)交流输出以执行一种或多种焊接工艺的电路元件(例如，变压器、整流器、开关等)。
[0015]对于GMAW实施例，焊接系统10还包括气源系统16以从一个或多个保护气源供应保护气体或保护气体混合物到焊炬18。保护气体可以是能够提供给焊接电弧和/或熔池以便提供特定的局部气氛(例如，保护焊接电弧，提高电弧的稳定性，限制金属氧化物的形成，改善金属表面的润湿，改变焊缝恪敷的化学成分等)的任何气体或气体的混合物。例如，保护气体可以包括氩气(Ar)、氦气(He)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)和氮气(N2)之一或它们的混合物。
[0016]因此，如上所述，焊炬18通常接收来自焊接送丝机14的金属焊接电极，以及来自气源系统16的保护气流，以便在工件24上执行焊接操作。在操作期间，焊炬18可以带到工件22附近，使得焊接电极32接近工件并且建立焊接电弧34。进一步据信，本技术可以特别结合特定类型的电极焊丝使用。例如，电极34可以是适用于与直流正接焊接极性一起使用的金属芯焊丝。在这种情况下，电极将包括外皮，外皮由围绕一个或多个金属芯的金属构成。焊接电极也可以包括焊剂或合金成分，这些焊剂或合金成分可以充当电弧稳定剂并且可以进一步变成至少部分地整合到焊缝中。可用于根据本技术的直流正接脉冲焊接的一种金属芯焊丝公开于Barhorst等人在2013年I月16日提交的题为“用于焊接电极的系统和方法”的美国专利申请第13/743，178号，该专利申请通过引用的方式由此并入本公开中。
[0017]在某些实施例中，焊接电源12、焊接送丝机14以及气源系统16均可由控制电路36控制并命令。控制电路36将包括一个或多个处理器38并且配合数据处理及感测电路，该数据处理及感测电路可以通信地耦接到存储器40上以执行存储在用于实施当前公开的技术的存储器中的指令。这些指令可以编码成存储在有形的非瞬变计算机可读的介质(例如，存储器40和/或其他存储设备)中的程序或代码。脉冲焊接技术通常可以针对具体的焊丝类型和尺寸进行预编程，并且所需的特定工艺可以由焊接操作员通过界面(未单独示出)进行选择。处理器38可以是通用处理器、片上系统(system-on-chip，SoC)设备、专用集成电路(applicat1n-specific integrated circuit，ASIC)或其他处理配置。处理器38也可以支持操作系统，该操作系统能支持应用，例如，可得自Illinois Tool Works, Inc的 Pro-Pulse?、Accu-Pulse?、Accu-Curve?和 Profile Pulse ?。类似地，存储器 40 可以包括例如随机存取存储器(random-access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory,ROM)、闪存(例如，NAND)等。应当进一步理解的是，在一个实施例中，控制电路36的存储器40可以闪速更新(例如，通过有线和/或无线数据传输、编程等)以包括指令来改变焊接输出功率的一个或多个参数特性，并且通过延伸，改变焊接电弧34的特性。应当指出的是，在许多配置中，可以给电源和送丝机设置单独的处理及控制电路。电源通常执行用于控制产生所需输出的功率电子器件(例如，SCR、IGBT等)的控制信号的处理。在当前设想到实施例中，利用稳定阶段限定直流正接脉冲焊接工艺的代码存储在存储器40中并且由电源中的处理电路来执行。
[0018]如上所述，控制电路36的元件通信地耦接至(或者嵌入)焊接电源12、焊接送丝机14和气源系统16，并且如上所述，提供与上述各元件相关的一个或多个参数(例如，电压和电流输出、送丝速度、自动化应用的行进速度等)的控制。
[0019]图2示出了使用直流正接极性焊接电弧34的焊接工艺的实施例。如上所述，焊接电极32，一旦通电并且位于工件附近，就建立焊接电弧34以执行工件22的焊接。具体地讲，当使用直流正接极性焊接电弧34时，特别在焊丝电极处产生加热，从而得到比直流反接工艺更小的熔深。在这种工艺中，电极被称为“正接”，而工件为“反接”。电子流，由箭头42表示，从电极32到达工件，并且主要到达熔池44。这种技术有时候称为“正极性”。一般而言，电弧长度46维持在电极尖端与熔池44之间。电弧长度可以在一定程度上确定，并