在焊接接头中用自动操控执行电弧焊接的电弧焊接系统和方法
【专利说明】在焊接接头中用自动操控执行电弧焊接的电弧焊接系统和方法
[0001]本申请是美国专利申请N0.13/438，703的部分继续申请，并且要求对该美国专利申请N0.13/438，703的优先权，该美国专利申请通过引用被整体地并入本申请。
发明领域
[0002]本发明涉及根据权利要求1的电弧焊接系统并且涉及根据权利要求9的用电弧操控执行电弧焊接的方法。某些实施方案涉及电弧焊接应用。更特别地，某些实施方案涉及在电弧焊接/接合应用中在焊接接头中操控电弧和/或炬。
技术背景
[0003]在比如气体保护钨极电弧焊(GTAW)、气体保护金属极电弧焊(GMAW)、等离子电弧焊(plasma arc welding，PAW)等的相关技术电弧焊接系统中，如果炬头关于焊接槽壁没有被恰当地定位，焊缝质量将被不利地影响。例如，因为焊接槽侧壁的铁质材料可以干扰电弧，被不恰当地定位的炬头的电弧可以转移到侧壁而不是焊缝的底部。相反地，如果炬头被定位得太过远离侧壁，填充材料将不会相对于侧壁被恰当地被熔敷。进一步地，甚至在焊接过程的开始已经被恰当地定位的炬头在焊接过程期间可能需要被再调整。这是因为工件侧壁的对准可能不是笔直且准确的，并且炬头关于焊接槽侧壁的相对位置可能改变，即，随着炬头行进焊接槽的长度，焊接头和槽侧壁之间的距离可以变得更小或更大。此外，在一些情形中，由于机械加工焊接槽中的偏差，焊接槽的宽度也可以沿其长度变化。因此，为补偿焊接槽中的不对准和宽度变化，在使用机械振荡、磁振荡和/或接地切换的情况中，炬头的位置和/或电弧振荡的宽度可能需要被调整。因此，甚至在“自动化的”焊接过程中，操作者可能需要密切观察焊接操作并且不断地调整炬头的位置和/或电弧振荡的宽度。
[0004]通过参考附图将常规的、传统的和设想的途径与在本申请的其余部分中提出的本发明的实施方案相比较，对本领域技术人员而言，这样的途径的进一步的限制和缺点将变得明显。
[0005]发明描述
[0006]本发明的目标是克服前述的限制和缺点。通过根据权利要求1的具有自动化电弧操控的电弧焊接系统，以及通过根据权利要求9的用电弧操控执行电弧焊接的方法，这种问题被解决。本发明的进一步的实施方案是从属权利要求的主题。本发明的实施方案包括在用于在针对电弧焊接/接合应用的系统中操控焊接接头中的电弧和/或炬头的方法和系统。本发明的一些示例性实施方案包括自动化电弧操控系统，所述自动化电弧操控系统包括接收焊接槽中的电弧和/或炬头的位置的指示的反馈电路。电弧操控系统还包括将电弧和/或炬头的位置指示与预定值相比较的比较电路。预定值可以是针对焊接槽中给定点用于电弧和/或炬头的期望电压和/或电流值。电弧操控系统进一步包括电弧操控装置，所述电弧操控装置基于电弧/炬头的位置指示与预定值的比较，定位电弧和/或炬头。
[0007]在一些实施方案中，系统包括可操作地连接到炬头的炬电源供应器，所述炬头在形成于至少一个工件中的焊接槽中创建电弧。系统还包括控制单元，所述控制单元包括监测电弧的电压、电弧的电流、炬电源供应器的功率输出以及导电嘴至焊件距离中的至少一个的反馈系统。控制单元输出对应于所述监测的反馈信号。控制单元还包括将反馈信号与至少一个预定值相比较的比较电路，所述预定值对应于电弧和炬头中的至少一个在焊接槽中的位置。控制单元进一步包括输出基于所述比较的操控信号的电弧操控系统。操控信号被使用来控制电弧和炬头中的至少一个在焊接槽中的位置。根据本方法的优选的实施方案，所述反馈信号基于所述电弧的所述电压，并且，所述第一预定值是9伏特并且所述第二预定值是11伏特。
[0008]在一些实施方案中，所述方法包括用炬头在形成于至少一个工件中的焊接槽中创建电弧。所述方法还包括监测电弧的电压、电弧的电流、炬头的功率输出以及导电嘴至焊件距离中的至少一个，并且输出对应于所述监测的反馈信号。所述方法进一步包括将反馈信号与至少一个预定值相比较，所述至少一个预定值对应于电弧和炬头中的至少一个在焊接槽中的位置，并且输出基于所述比较的操控信号。所述方法此外包括基于操控信号控制电弧和炬头中的至少一个在焊接槽中位置。
[0009]从以下描述和附图将更完整地理解所要求保护的本发明的这些和其他特征，以及本发明图示说明的实施方案的细节。
[0010]附图简要说明
[0011]参考附图，通过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，在附图中:
[0012]图1A和图1B图示说明系统的示例性实施方案的功能原理框图的不同视图，所述系统用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合以及焊接应用中的任何一个；
[0013]图2A-2D图示说明可以由图1A和图1B的系统生成的示例性震荡图案；
[0014]图3图示说明系统的示例性实施方案的功能原理框图，所述系统用于管道上的钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合以及焊接应用中的任何一个；
[0015]图4图示说明图3的截面AA的展开图；
[0016]图5图示说明可以使用图3的系统来焊接的示例性焊接接头；以及
[0017]图6图示说明在示例性焊接接头中的电弧摆动的各种点处的示例性电弧电压值。
[0018]详细描沐
[0019]现在通过参考附图，以下将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，并非意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考标号全部指示相似的要素。
[0020]图1A和图1B图示说明用于焊接/接合应用的示例性系统100的不同视图。为了清晰，某些部件在视图中未被示出。系统100包括比如GTAW系统的电弧焊接系统。虽然GTAW系统被图示说明，本发明将与使用电弧用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、接合以及焊接应用的任何自动化系统一起工作。如图1A中示出的，系统100包括可操作地连接到钨电极172的电源供应器170，钨电极172被容置在炬头120中。电源供应器170可以具有创建电弧110的起弧器(未示出)，和/或电源供应器170可以被配置来“接触(touch)”启动电弧110。电源供应器170经由电极172和电弧110向工件115提供焊接电流。电弧110加热工件115以创建焊接熔池145。在一些实施方案中，电源供应器170是脉冲直流电(DC)电源供应器，虽然交流电(AC)或其他类型的电源供应器也是可能的。通用的电弧焊接是已知的，并且将不被详细讨论。
[0021]如图1B中所示出的，系统100还可以包括磁电弧振荡系统130。磁电弧振荡系统130包括磁头137、磁极135以及电源供应器131。磁极135可以被磁头137设置来具有正极性或负极性二者之一。磁极135上的极性确定电弧110被引导到何处，S卩，向着极135或远离极135 二者之一。在一些实施方案中，磁电弧振荡器系统130还可以改变磁场强度以控制电弧110的偏转量。磁电弧振荡系统130可以被配置来振荡电弧110以生成如由箭头132示出的摆动运动(“电弧摆动”)。电弧摆动132可以被使用来通过生成交织图案(weaving patterns)改进焊道(weld-bead)的几何结构。例如，磁电弧振荡系统130可以被使用在比如焊接的“盖面(cap)”行程(pass)的更宽的焊接行程上。由于到焊缝边缘的热量可以被控制，这种技术提供更好的侧壁熔合。磁电弧振荡系统130可以被使用于填角焊接以将咬边(undercutting)最小化。此外，当接合不同厚度的材料时，电弧振荡可以被控制来充分地穿入较厚工件同时防止较薄工件的咬边。图2A至图2D提供可以由磁电弧振荡系统130生成的一些示例性电弧摆动图案。当然，本发明不限于图示说明的电弧摆动图案，并且生成期望焊缝交织图案的任何电弧摆动图案可以被使用。此外，与电弧焊接系统相结合的磁电弧振荡方法和系统在申请N0.13/438，703中被公开，申请N0.13/438，703通过引用被整体地并入本申请。因此，磁电弧振荡技术将不被进一步讨论。
[0022]如图1B中所图示说明的，系统100可以进一步包括机械操控装置180。机械操控装置180经由支架185可操作地连接到炬头120。如由箭头182所示出的，支架185可以被控制以便从焊接槽的一侧到另一侧操控炬头120。当然，只要炬头120可以被移动到焊接槽之内的期望部位，其他操控方法和装置可以被使用。当与磁电弧振荡系统130 —起被使用时，支架185还可以被可操作地连接到振荡系统130，以致极135关于炬头120的相对位置是恒定的。因此，机械操控装置180可以在焊接槽中定位炬头120/磁振荡系统130，以致炬头120和磁振荡系统130在恰当的位置以为磁电弧振荡系统130生成期望的焊缝交织图案。在一些实施方案中，类似于磁电弧振荡系统130，机械操控装置可以被使用来振荡炬头120 (以及电弧110)以生成焊缝交织图案，例如，如上面所讨论的。
[0023]系统100还可以包括接地切换电路195，