专利名称：熔化极型焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种熔化极型焊接方法(consumable electrode type weldingmethod)，用于在作为熔化电极的焊丝与作为待焊工件的焊接基体金属之间产生电弧，从而控制焊接输出。
背景技术：
现在，为了保证国际竞争能力，焊接工业总是在努力进一步增强其焊接操作的生产率。特别是，日益增加的减少所谓“意外停止”的需求，以及对缩短生产流程时间的需求，所述“意外停止”是一种导致生产线停工的轻微故障。
可以指出的导致意外停止的原因各种各样，其中最大的原因是起弧失败所引起的故障。
考虑到这个原因，在常规的熔化极型焊接方法中，为了增强起弧，已知如下方法即，当从外界输入启动信号时，机械手移动从而将焊炬也移动到预定的焊接起始位置，随后，在焊丝的供给还处于停止时，焊炬被机械手大致地沿着焊丝的供给方向移动，从而允许焊丝的前端接近待焊工件；如果检测到焊丝前端已与待焊工件相接触，焊接电源装置就施加一个预定为较小电流的初始电流，同时，焊炬在与焊丝供给方向相反的方向上移动，从而执行焊炬的后退动作，将焊丝的前端从待焊工件移走；如果焊丝前端与待焊工件由于焊炬的后退动作而相互分离，那么就会产生一个电弧，初始电流施加于其上，在初始起弧状态保持时，焊炬的后退动作允许继续；如果焊炬返回焊接起始位置，后退动作被切换成在预定焊接方向上的运动，同时，开始供给焊丝并且供给稳态的电流，从而初始起弧状态也切换为稳态起弧阶段(例如，参见专利文献1)。
图5为利用机器人的整个焊接系统的示意性简图，用于实施上述熔化极型焊接方法。
在图5中，附图标记101表示作为熔化电极的焊丝；焊丝101能够在送丝马达103的作用下沿着焊炬104的方向从焊丝盘102放出。附图标记105表示焊接电源装置。焊接电源装置105通过焊炬104和焊嘴106在焊丝101和作为待焊工件的基体金属107之间施加给定焊接电流I和给定焊接电压V，从而产生电弧108，并且控制送丝马达103，用于实施焊接操作。
附图标记109表示机械手。机械手109持有焊炬104，将焊炬104置于焊接起始位置(未示出)，并将焊炬104沿焊缝(未示出)移动。
此外，机械手109受机器人控制单元110控制。机器人控制单元110在焊接电源装置105和其自身之间实行双向通讯(two-way communication)S，因而机器人控制单元110发送焊接规范如焊接电流I和焊接电压V，以及指令信号如焊接起始信号和焊接停止信号。
现在，将参考图6所示时间图描述用于上述结构的系统中的熔化极型焊接方法。
具体地参考图6，其垂直方向上分别表示了焊炬移动速度TV、送丝速度WF、短路检测信号A/S、焊接电流I以及焊接电压V的状态，而其水平轴则表示时间。在这幅附图中，对于各个时刻来说，TS0表示焊接起始信号从机器人控制单元110传送到焊接电源装置105的时刻，而TS1-TS5则分别表示TS0之后经过一定时间后的时刻。
首先，机器人控制单元110不仅向焊接电源装置105传输焊接起始信号，还驱动机械手109，以使焊炬104加速向基体金属107移动。并且，当焊炬104的速度达到初始焊炬速度TV0，机器人控制单元110令机械手109停止加速，保持焊炬104以一个固定速度向下移动。
此外，当从机器人控制单元110接收到焊接起始信号时，焊接电源装置105在焊丝101和基体金属107之间施加空载电压V0。
这样，在TS1时刻，如果焊丝101与基体金属107接触，焊接电源装置105内具有的短路检测装置(未示出)就会输出短路信号A/S。
该短路检测信号A/S通过双向通讯S被输送到机器人控制单元110，从而机器人控制单元110使机械手109立即减速并停止，从而，在TS2时刻，机械手109的操作停止，这样，焊炬104的速度变为零。
随后，机器人控制单元110马上逆动机械手109的操作，开始在使焊炬104被拉离基体金属107的方向上的操作，从而将焊炬104升高。
从TS1时刻到TS3时刻的一段时期是短路期，在此期间，直到机械手109的速度为零的TS2时刻，焊丝101一直被压在基体金属107上；但是，从TS2时刻开始，由于机械手109的逆动操作，所以焊丝101的压缩量逐渐减小，并且在TS3时刻，短路解除。
TS3时刻发生的时间就是三角形cde的面积超出三角形abc的面积的时刻，其中在焊炬移动速度TV轴上图示的三角形cde的面积表示焊丝101的升起量，而在焊炬移动速度TV轴上图示的三角形abc的面积表示焊丝101的压缩量。
此时，当初始短路发生在TS1时刻，焊接电源装置105控制焊接电流I为I1，随后在一段时间内将电流增加到I2，直到断开短路。
作为初始短路时期的第一阶段，焊接电流被控制在一个相对较低的电流I1。这是为了避免下述可能，即，由于初始短路，焊丝的前端因为焦耳效应而将焊丝熔化，因而同时产生出的电弧将熔化的焊丝向四周溅落形成飞溅。
此外，将电流从I1改变为I2是为了能够施加足够的能量，以在断开短路的TS3时刻生成电弧。
当电弧在TS3时刻生成，焊接电源装置105驱动送丝马达103向基体金属107加速供给焊丝101，保持加速一直到焊丝101的速度到达用于实际焊接的焊丝速度(welding wire speed for actual welding)(未示出)，并且，在焊丝速度达到用于实际焊接的焊丝速度后，保持焊丝速度为一固定的速度。
此外，在控制焊接电流I到达引弧电流I3’经过一段与送丝马达103的驱动相关的给定时间后，焊接电源装置105控制电流变为第二引弧电流I4，随后，控制电流变为真实焊接的输出电流(未示出)。
然后，下文将参考图7所示时间图描述用于上述焊接系统中的熔化极型焊接方法的焊接终止时间段。
具体地参考图6，在其垂直方向上，分别图示了焊炬移动速度TV、送丝速度WF和焊接输出P的状态，其水平轴表示时间。在本图中，对于各个时刻来说，TE0表示焊接终止信号从机器人控制单元110传送到焊接电源装置105的时刻，TE1-TE4则分别表示TE0之后经过一定时间的时刻。
首先，当从机器人控制单元110接收到焊接终止信号时，焊接电源装置105控制送丝马达103，以减小焊丝101的供给速度。
与送丝速度减小的同时，焊接电源装置105也减少焊接输出，而且，在满足预定条件的TE2’时刻，控制焊接输出为一个固定的焊接输出。
该固定输出P1称为“回烧”(burn-back)。通常，焊接电源装置105在TE3’时刻并从该时刻开始持续回烧，在该时刻焊丝101被停止，这样，保持固定的输出维持电弧108一段给定的时间；随后，在焊丝101烧掉后，焊接电源装置105在TE4’时刻停止固定输出。
这种“回烧”控制方法广泛的应用于防止所谓的粘丝(wire stick)现象的控制方法中，在这种现象中，焊丝101与熔池(未示出)接触，并且在焊接结束后固定于其中。
专利文献JP2002-205169公开。
发明内容
本发明要解决的技术问题然而，常规的熔化极型焊接方法需要机械手109的逆动操作(reversingoperation)。
这样，当其检测到焊丝101的前端与基体金属107接触时，开始减少机械手109的向前移动速度，一旦机械手109的向前运动停止，则开始机械手的逆动，并在向后的方向上加速，就是说，不仅需要机械手109的反应时间，还需要其加速和减速的时间。
此外，由于送丝马达103在起始电弧产生后第一次启动，焊丝101的供给速度不能赶上焊丝101的熔化速度，因而扩大了电弧108的长度，导致不稳定的电弧108。
并且，在焊接终止时，为了防止“粘丝”现象，需要进行“回烧”过程，这需要花费执行该过程的时间，从而延长了生产流程时间。此外，由于焊丝10的过烧，在焊丝101的前端形成球形固体，这将会阻碍下一步的起弧。
因此，本发明的要解决的技术问题是提供一种熔化极型焊接方法，这种方法可以减少常规熔化极型焊接方法中所浪费的时间；能够在产生电弧后保持适当的电弧长度，从而稳定焊接起始部分的电弧；还能够确实的防治粘丝现象，并且保持焊丝前端部分具有正确的形状，从而能够在下一步中实现正确的起弧。
解决技术问题的手段为了达到上述目的，按照本发明，提供一种熔化极型焊接方法，其中，采用的焊接系统包括用于将焊丝向焊炬供给的送丝装置，用于把持焊炬并移动焊炬的执行器(actuator)，用于驱动和控制执行器的控制单元，用于在待焊工件和焊丝之间施加焊接输出的焊接电源装置，焊炬被执行器在该焊炬被拉离待焊工件的方向上移动，同时供给焊丝，从而控制相对于待焊工件的焊丝速度。
按照这种方法，由于执行器能够通过单向操作控制相对于待焊工件的焊丝的速度，相对于常规方法来说就能够减少反应时间和加速/减速时间，而且由于焊丝和待焊工件之间的距离能够通过下述的良好能力而控制，所以电弧可以更早的稳定。
此外，与常规方法相比较，焊接终止时间内的“回烧”过程时间也能够减少。
本发明效果如上文所述，按照本发明，由于，在供给焊丝的同时，执行器使焊炬在被拉离所述焊丝的方向上移动，从而允许起始电弧在焊丝与待焊工件分离时发生，不仅去除了逆动操作，从而减少了浪费的时间进而减少了生产流程时间，而且焊接起始时间内的电弧能够更加稳定，从而有效地减少了“意外停止”。
具体实施例方式
(实施例)现在，将结合图1-4描述按照本发明的熔化极型焊接方法的实施例。
图1为用于实施本发明的焊接系统的轮廓的示意性简图，其中附图标记1表示作为熔化电极的焊丝，它通过送丝马达3沿着焊炬4方向从焊丝盘2放出。
标记5表示焊接电源装置，用于通过焊炬4和焊嘴6在焊丝1和作为待焊工件的基体金属7之间施加给定焊接电流I和给定焊接电压V，以产生电弧，并且控制送丝马达3，从而进行焊接操作。
标记9表示把持焊炬4的机械手，用于将焊炬4定位于焊接起始位置(未示出)，并沿着焊缝(未示出)移动。
此外，机械手9受机器人控制单元10控制。机器人控制单元10在焊接电源装置5和其自身之间执行双向通讯S，用于传输焊接规范如焊接电流I和焊接电压V以及焊接起始及终止指令。
参照图2，其垂直方向上分别表示了焊炬移动速度TV、送丝速度WF、短路检测信号A/S、焊接电流I以及焊接电压的状态，而其水平轴则表示时间。对于各个时刻来说，TS0表示焊接起始信号从机器人控制单元10传送到焊接电源装置5的时刻，而TS1-TS5则分别表示TS0之后的时刻。
如图2所示，按照本实施例，当焊接起始信号从机器人控制单元10传输到焊接电源装置5时(TS0)，焊接电源装置5在焊丝1和基体金属7之间施加空载电压V0，并且开动送丝马达3，从而加速焊丝1向基体金属7的移动。
当焊丝1的供给速度达到初始焊丝速度W0，焊接电源装置5令送丝马达3停止焊丝的加速，但是保持焊丝以一个固定的速度供给。
然后，在TS1时刻，当焊丝1与基体金属7接触时，短路信号A/S从焊接电源装置5所提供的短路检测装置(未示出)发出。
短路检测信号A/S通过双向通讯S传送到机器人控制单元10。机器人控制单元10立即令机械手9开始将焊炬4在焊炬4明显被拉离基体金属7的方向上移动，并还升起焊炬4。
从TS1到TS3为短路期，在这一期间，焊丝1持续地以初始焊丝速度W0供给，并且机械手9持续提升焊炬4。因此，焊丝1前端的速度是焊丝速度WF和焊炬速度TV的合成速度，如图2中虚线所示。
因此，焊丝1的前端，在TS1时刻及该时刻之后，使得焊丝1被压在基体金属7上，直到TS2时刻，在该时刻，图2中虚线所示的合成速度变为零；在TS2时刻及该时刻之后，合成速度转化为一个负数速度，从而压缩量减少；在TS3时刻，短路断开。TS3时刻发生在焊丝升起量，即三角形hji的面积超出焊丝压缩量或者三角形fgh的面积的时刻。
顺便提及，当初始短路发生在TS1时刻，焊接电源装置5控制焊接电流I转化为I1，并且，在一定的给定时间之后，将电流增加到I2直至断开短路。
之所以在初始短路时期的第一阶段将焊接电流控制在I1这个相对较低的水平，是为了防止发生下述现象，即，焊丝被焊丝前端由于初始短路所产生的焦耳热所熔化，因而熔化的焊丝能够在电弧产生的同时向四周飞溅。
此外，将电流从I1改变为I2是为了能够施加足够的能量，以在断开短路的TS3时刻生成电弧。
图3为一个解释性的时间图，其中由虚线所示的按照现有技术的焊丝速度WF与按照本实施例的图2中所示的相同的时间图相重叠，目的是将本发明与现有技术相比较。
从图3中可以清楚地看出，在现有技术中起弧时，在短路断开和电弧产生的TS3时刻焊丝开始第一次加速。因此，例如，如果将本发明和现有技术中焊丝速度达到WF4的时刻相互比较，就会发现现有技术的方法比本发明慢TS4到TS4’的时间。
如上文所述，按照本发明的实施例，当其检测到焊丝1的前端与作为待焊工件的基体金属7接触时，通过使用机械手9提升焊炬4，同时持续向前供给焊丝1，电弧在焊丝1与基体金属7相分开的状态下产生。由于这个原因，不仅去除了机械手逆动操作，从而减少了浪费的时间进而减少了生产流程时间，而且焊接起始时间内的电弧能够更加稳定，从而有效地减少了“意外停止”下面将结合图4所示的时间图描述按照本发明实施例的终止电弧阶段。
顺便提及，图4中，在其垂直方向上分别图示了焊炬移动速度TV、送丝速度WF和焊接输出P的状态，其水平轴表示时间；对于各个时刻来说，焊接终止信号从机器人控制单元10传送到焊接电源装置5的时刻由TE0表示，而TE1-TE4则分别表示TE0经过一定时间后的时刻。
按照本发明的实施例，从机器人控制单元10接收到焊接终止信号时，焊接电源装置5控制送丝马达3，以减少焊丝的速度。
与焊丝的速度减少相关，焊接输出也减少，在满足预定条件的TE1时刻，焊接电源装置5将向机器人控制单元10传送升起焊炬4的开始信号。
一旦从焊接电源装置5接收到升起操作的开始信号，机器人控制单元10就控制机器人手臂9升起焊炬4。
结果，焊丝1的前端速度成为焊丝速度WF和焊炬速度TV的合成速度，也就是说，它成为图4中虚线所表示的速度。
因此，在TE2时刻，焊丝1的速度相对于基体金属7为零，从而能够停止焊接输出P。
从该时刻开始，焊丝1的操作和焊炬4的升起操作继续执行，但是，当代表焊炬4的升起距离的梯形klmn的面积超出代表焊丝1的惯性运行距离的三角形opq的面积时，操作停止，这样就消除了出现粘丝现象的危险，在粘丝现象中，焊丝1与基体金属7的熔池相接触并进而固定于其中。因此，机器人控制单元10立即控制机器人手臂9，使其能够切换到下一操作(例如，将手柄9移动到下一焊接操作的焊接起始时的焊炬位置)。
如上文所述，按照本发明的实施例，由于消除了常规技术中必须的用于“回烧”操作的时间，所以生产流程时间得以彻底有效地缩减；而且，由于防止了在焊丝1顶端由于焊丝烧掉而造成的球形固体的形成，因而，避免了对下一步骤中的焊接起始的不利影响。
顺便提及，在本实施例中，焊炬的升起操作由机械手执行。然而，也可以单独地提供执行器，焊炬的升起操作由该执行器执行。并且，在这种情况下，不使用机器人，例如，使用自动化机器，也可以定位焊炬或者将其沿焊缝移动，这当然不会对本发明产生不利的影响。
工业实用性按照本发明的熔化极型焊接方法不仅去除了逆动操作，使得减少了浪费的时间进而减少了生产流程时间，而且焊接起始时间内的电弧能够更加稳定，使得有效地减少了“意外停止”。因此，本发明作为熔化极型焊接方法在工业上是有益的，例如，在生产设备和施工工程方面。
图1为按照本发明实施例的焊接系统的示意性简图；图2为按照本发明实施例的起弧时的时间图；图3为用于与现有技术相比较的按照本发明实施例的起弧时的时间图；图4为按照本发明实施例的终止电弧时的时间图；图5为现有技术中焊接系统的示意性简图；图6为现有技术起弧时的时间图；图7为现有技术终止电弧时的时间图。
附图标记说明1焊丝图15焊接电源装置10机器人控制单元焊接电流I焊接电压V双向通讯S图2和3焊丝前端和焊炬的移动焊炬速度TV焊丝速度WF短路检测信号A/S焊接电流I焊接电压V图4焊接输出P图5105焊接电源装置110机器人控制单元焊接电流I焊接电压V图6焊丝前端和焊炬的移动焊炬速度TV焊丝速度WF短路检测信号A/S焊接电流I焊接电压V检测到短路检测到短路断开图7焊接输出P
权利要求
1.一种熔化极型焊接方法，其中，采用的焊接系统包括用于将焊丝向焊炬供给的送丝装置，用于把持并移动所述焊炬的执行器，用于驱动和控制所述执行器的控制单元，用于在待焊工件和焊丝之间施加焊接输出的焊接电源装置，该方法包括下述步骤通过所述执行器使所述焊炬在离开所述待焊工件的方向上移动，同时供给焊丝；控制相对于所述待焊工件的焊丝速度。
2.如权利要求1所述的熔化极型焊接方法，其中，在焊接起始时，首先，在所述执行器停止的同时供给焊丝，焊丝与所述待焊工件接触之后，在施加焊接输出的同时，所述焊炬以等于或大于送丝速度的速度被所述执行器拉离待焊工件。
3.如权利要求2所述的熔化极型焊接方法，其中，在焊接起始时，首先，在所述执行器停止的同时，送丝速度被设定为等于或小于在正常焊接时焊丝的供给速度，在所述焊炬被拉离所述待焊工件后，焊丝的供给速度变为上述的正常焊接时的供给速度。
4.如权利要求2或3所述的熔化极型焊接方法，其中，在焊丝与所述待焊工件接触后，在施加焊接输出的同时，所述焊炬以等于或大于送丝速度的速度被所述执行器拉离所述待焊工件至一给定的距离，随后，使所述焊炬在拉离的方向上的运动停止。
5.如权利要求1所述的熔化极型焊接方法，其中，在焊接终止时，在减小焊丝的供给速度也减小焊接输出的同时，所述焊炬以等于或大于送丝速度的速度被所述执行器拉离所述待焊工件，在送丝速度与所述执行器的移动速度大致平衡的时刻，使焊接输出停止。
6.如权利要求5所述的熔化极型焊接方法，其中，至少直到焊丝的供给速度为零时，所述执行器使所述焊炬在被拉离所述待焊工件的方向上移动。
7.如权利要求5或6所述的熔化极型焊接方法，其中，在焊接开始时，直到焊丝的前端部分到达焊丝前端与所述待焊工件之间的一距离，所述焊炬被所述执行器拉离所述待焊工件。
全文摘要
在常规的熔化极型焊接方法中，由于需要机械手的逆动操作，就需要额外的反应时间以及加速和减速的时间，同时，由于焊丝的供给速度不能赶上焊丝的熔化速度，因而扩大了电弧的长度，导致不稳定的电弧。在按照本发明的熔化极型焊接方法中，在供给焊丝(1)时，焊炬(4)被机械手(9)在该焊炬(4)被拉离基体金属(7)的方向上移动，使得初始电弧在焊丝(1)与基体金属(7)分离时产生。这不仅去除了机械手(9)的逆动操作的需要，从而减少了浪费的时间进而减少了生产流程时间，而且稳定了焊接起始部分的电弧，从而有效地减少了“意外停止”。
文档编号B23K9/067GK1839009SQ20058000072
公开日2006年9月27日 申请日期2005年6月27日 优先权日2004年7月8日
发明者向井康士, 川本笃宽, 池田达也, 中田广之, 古和将 申请人:松下电器产业株式会社