专利名称：电弧焊启动系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及电弧焊应用。
背景技术：
—些电弧焊系统使用通过焊枪供入的焊丝和保护(焊接) 气体。当电流流过电极与工件之间的电弧时，保护气体导入焊接区中。 利用保护气体提高电弧的性能并且保护熔池免遭环境空气氧化。电弧 的稳定性很大程度上受到所用的保护气体的类型的影响。因此，通常 使用特殊的保护气体混合物来提高焊接质量。气体混合物装在预混合 罐中或者装在采用了气体混合器的散装系统中。在任何一种情况中， 各种气体组分的比例是固定的，并且因此不能在焊接过程中调整，即 使渗透量、飞溅生成和物理性质是有些受到所选择的保护气体混合物 所影响的属性。而且，在焊接开始时电弧的不稳定性对整个焊接有巨 大影响，因为高达百分之八十的焊接飞溅是在开始出现电弧时形成 的。因此，在焊接开始时电弧的适当启动对于整个焊接过程以及由此 得到的焊接质量非常重要。有些尝试是通过将焊丝的靠近速度调整为能出现相对稳定 的电弧启动的速度来克服电弧启动顾虑。但是这需要高响应性、可重 复的焊丝进给装置，而这些要求都未必能嵌入电弧焊系统内。如果这 种工艺的焊丝进给不平稳，就可以能引起电弧启动失败以及过多的飞 賊生成。另 一种用来克服电弧启动顾虑的尝试是用到检测焊丝与工件 接触的电子控制、焊丝进给电机的快速反向以及打开焊接电源电流以 启动电弧。但是这也需要高标准的焊丝进给控制，并且需要一种能立 即检测出焊丝与工件接触的控制。其它尝试是通过在前次焊接操作的 末期形成锥形焊丝末梢来改善电弧启动，所用到的技术包括按程序从 熔池收回焊丝或者在焊接周期的末期施加高压。但是这些方法都需要 特殊操作，这些操作在很多电弧焊系统中都没有。
发明内容
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—个实施例是设想一种用于电弧焊装置的电弧焊和焊接启 动系统。该系统包括保护气体源和控制组件。保护气体源包括具有第 一气体混合物的电弧启动气体源、具有与第 一 气体混合物不同的第二 气体混合物的主保护气体源、混合腔、选择性地将电弧启动气体源连 接到混合腔的第一 自动可控阀、选择性地将主保护气体源连接到混合 腔的第二自动可控阀、和构造成将气体从混合腔引导到焊枪的保护气 体输送管。控制组件包括可操作地作用于第一、第二自动可控阀以控 制第一、第二自动可控阀动作的控制器。 —个实施例是设想一种用于在电弧焊操作期间控制电弧保 护气体的方法，该方法包括以下步骤驱动连接电弧启动气体源的第 一阀以选4奪性地使电弧启动气体从电弧启动气体源流出，流过混合腔 和焊枪；启动电弧；在电弧启动后，驱动连接主保护气体源的第二阀 以选择性地使主保护气体从主保护气体源流出，流过混合腔和焊枪； 在电弧启动后，驱动第一阀以减少从电弧启动气体源流出的电弧启动 气体；以及，在驱动第二阀后，继续电弧焊操作。 —个实施例是设想一种用于在电弧焊操作期间控制电弧保 护气体的方法，该方法包括以下步骤启动电弧焊操作；在启动后， 驱动连接主保护气体源的主阀以选择性地使主保护气体从主保护气 体源流出，流过混合腔和焊枪；在驱动主阀后，确定电弧焊操作是否 接近完成；以及，如果电弧焊操作是接近完成，就驱动连接电弧启动
混合;空和焊枪，口从而使电弧焊^作在飞賊过渡^接模式(进行，由此 形成锥形焊丝末梢。实施例的 一 个优点是，通过实时控制与电弧启动相关的气 体混合物，在焊接周期的末期获得高可靠性的电弧启动。有了改善的 电弧启动，就减少了飞溅量，由此提高了焊接质量。实施例的 一个优点是，获得了立即响应式的焊接模式控制， 可以在飞溅模式与其它模式之间转换。这有利于联合构造并且有助于 控制飞溅。还获得了在焊接周期的末期对焊丝末梢形状的控制。
图1是电弧焊系统的一个部分的原理图；[OOIO]图2是流程图，示出了为电弧焊过程提供可靠电弧启动的步骤。
具体实施例方式参照图1,示出了电弧焊装置，整体上用附图标记20表示。 电弧焊装置20包括用来在工件24上执行焊接过程的焊枪22、焊丝进 给器26、电源28和保护气体供给组件30。气体供给组件30具有气体控制器38，该控制器包括第一阀 40、第二阀42和混合腔44。第一、第二阀40、 42可以是伺服阀或其 它合适类型的自控可控阀，用于控制保护气体流动。第一阀40接在 从第一气体源48伸出的气体输入管46与通向混合腔44的输出管50 上。在图1中用虛线表示输气管。第二阀42接在从第二气体源54伸 出的气体输入管52与通向混合腔44的输出管56上。保护气体输送 管58从混合腔44伸向焊枪22。当然，第一、第二气体源48、 54可以是不同的类型或者是 各种气体的混合物。由焊接用途和工件材料成分来确定特定气体混合 物。这些气体可以是，例如氮气、氧气、氩气、氦气、二氧化碳、氢 气或这些气体的混合物。例如，如果将二氧化碳(co2)用作焊接操 作的主保护气体，那么，所用的电弧启动气体可以是氩气(Ar)，因 为氩气具有较低的电离能。较低的电离能对电弧启动创造更有利的条 件。因此，对于特定电弧焊操作，第一气体源48可以是氩气，用作 电弧启动气体，而第二气体源54可以是二氧化碳，用作主保护气体。 因此，驱动第一阀40向混合腔44提供启动气体，驱动第二阀42向 混合腔44提供主气体。电弧焊装置20包括控制器62,其可以包括输入/输出(I/O) 接口和计时器。可选地，这些可以是独立的部件。控制器62控制第 一、第二阀40、 42的驱动，由此控制从第一、第二气体源48、 54流 出的气体流速以及它们之间的比值。图2是电弧启动和焊接过程的流程图，其适用于图1所示 的组件。在方框100处，设置从气体源48、 54流出的初始混合物以 便电弧启动。控制器62确定所需混合物，并且确定获得该混合物所 需要的从每个源48、 54流出的量。对于上文所述气体的例子，驱动第一阀40使基本上为氩气的气体从气体控制器38流入焊枪22。在方 框102处，通过启动电弧来开始焊接过程。这些气体在混合腔44中 混合并且经由保护气体输送管58导入焊枪22。还开启电源28和焊丝 进给器26。在达到了预定参数也就是认定形成了持续弧后，在方框 104处，控制器62驱动阀40、 42以获得从每个源48、 54流出的适当 气体量以便焊接过程继续。该参数可以是，例如预定时间值。这些阀 40、 42的驱动可以是第一阀关闭(或者基本全闭，或者如果特定焊接 需要就甚至保持打开)，第二阀42打开。于是，对于上述例子，在氩 气用于电弧启动后，从第二源54流出的二氧化碳就用作焊接操作期 间的主保护气体。在焊接期间，如果需要的话，就在步骤106处监控特定焊 接参数或多个参数。如果监控了并且在方框108处发现需要电弧启动 气体，控制器62就在方框110处调整从气体源48、 54流出的混合物。 如果在方框112处，焊接没有接近完成，就继续焊接过程。如果焊接 接近完成，就在方框114处改变气体混合物用于促成焊接末梢成形， 并且在方框116处结束焊接过程。通过增多加入气体混合物的电弧启 动气体(如氩气或其它的电离能低于主气体的气体)来进行焊接末梢 成形，其从短路或球状过渡型焊接模式变为飞賊过渡焊接模式。而短 路或球型焊接模式易于形成球形的焊丝末梢，飞溅模式易于形成锥形 的焊丝末梢。球形焊丝末梢使电弧启动更难，因为与工件接合的区域 更大并且更不规律，这会引起电弧启动失败或过多飞溅。相反地，锥 形提供了与工件接合的规律区域并且使电弧启动容易，通过在电弧启 动期间产生所需电流密度并且具有从焊丝末梢向电子的热电子释放 的快速转化。尽管详细描述了本发明的特定实施例，但是本发明相关领 域的技术人员将得到各种替换设计和实施例以实施由下列权利要求 所限定的发明。
权利要求
1、一种用于电弧焊装置的电弧焊和焊接启动系统，包括保护气体源，所述保护气体源包括具有第一气体混合物的电弧启动气体源、具有与第一气体混合物不同的第二气体混合物的主保护气体源、混合腔、选择性地将电弧启动气体源连接到混合腔的第一自动可控阀、选择性地将主保护气体源连接到混合腔的第二自动可控阀、和构造成将气体从混合腔引导到焊枪的保护气体输送管；以及控制组件，所述控制组件包括可操作地作用于第一、第二自动可控阀以控制第一、第二自动可控阀的动作的控制器。
2、 如权利要求1所述的焊接稳定系统，其特征在于，第一气体 混合物的电离能低于第二气体混合物的电离能。
3、 如权利要求1所述的焊接稳定系统，其特征在于，第一、第 二自动可控阀是伺服阀。
4、 如权利要求1所述的焊接稳定系统，其特征在于，第一气体 混合物是氩气，第二气体混合物是二氧化碳。
5、 如权利要求1所述的焊接稳定系统，其特征在于，控制器包 括预定特征操作器，在达到预定特征阈值后，所述操作器驱动第一、 第二自动可控阀将流入混合腔的气体从来自电弧启动气体源切换到 主保护气体源。
6、 如权利要求5所述的焊接稳定系统，其特征在于，预定特征 阈值是预定时间值。
7、 如权利要求1所述的焊接稳定系统，其特征在于还包括焊枪、 可操作地作用于焊枪的电源、以及可操作地作用于焊枪的焊丝进给器。
8、 一种用于在电弧焊操作期间控制电弧保护气体的方法，该方 法包括以下步骤a )驱动连接电弧启动气体源的第 一 阀，以选^^性地4吏电弧启动气 体从电弧启动气体源流出，流过混合腔和焊枪；b) 启动电《瓜；c) 在步骤b)后，驱动连接主保护气体源的第二阀，以选择性地 使主保护气体从主保护气体源流出，流过混合腔和焊枪；d) 在步骤b)后，驱动第一阀以减少从电弧启动气体源流出的电弧启动气体；以及(e) 在步骤c)后，继续电弧焊操作。
9、 如权利要求8所述的方法，其特征在于还包括以下步骤(f) 在步骤e)后，确定电弧焊操作是否接近完成；以及(g) 如果电弧焊操作接近完成，那么就驱动第一阀以使电弧焊操 作在飞溅过渡焊接模式下进行，由此形成锥形焊丝末梢。
10、 如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤e)由以下特 征进一步限定监控焊接参数；以及如果确定了需要更多的电弧启动气体，就调整从电弧启动气体源 和主保护气体源流出的气流。
11、 如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤a)由以下特 征进一步限定电弧启动气体是氩气。
12、 如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤c)由以下特 征进一步限定主保护气体为二氧化碳。
13、 如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤a)和c)由以 下特征进一步限定电弧启动气体的电离能低于主保护气体。
14、 如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤b)由以下特 征进一步限定在预定时段后认为电弧启动。
15、 一种用于在电弧焊操作期间控制电弧保护气体的方法，该方 法包括以下步骤(a) 启动电弧焊操作；b) 在步骤a)后，驱动连接主保护气体源的主阀以选择性地使主 保护气体从主保护气体源流出，流过混合腔和焊枪；c) 在步骤b)后，确定电弧焊操作是否接近完成；以及d) 如果电弧焊操作接近完成，就驱动连接电弧启动气体源的电 弧启动阀以使电弧启动气体从电弧启动气体源流出，流过混合腔和焊 枪，从而使电弧焊操作在飞溅过渡焊接模式下进行，由此形成锥形焊 丝末梢。
16、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤a)由以下特 征进一步限定驱动电弧启动阀以使电弧启动气体流经混合腔和焊枪；以及 启动电歹瓜。
17、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤d)由以下特 征进一步限定电弧启动气体是氩气。
18、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤b)由以下特 征进一步限定主保护气体为二氧化碳。
19、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤a)由以下特 征进一步限定在预定时段后认为电弧启动。
20、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤b)和d)由 以下特征进一步限定电弧启动气体的电离能低于主保护气体。
全文摘要
本发明涉及电弧焊启动系统和方法。具体地，提供了一种用于在电弧焊操作期间控制电弧保护气体的方法和装置。该方法包括以下步骤驱动连接电弧启动气体源的第一阀以选择性地使电弧启动气体从电弧启动气体源流出，流过混合腔和焊枪；启动电弧；驱动连接主保护气体源的第二阀以选择性地使主保护气体从主保护气体源流出，流过混合腔和焊枪；若需要，则驱动第一阀以减少从电弧启动气体源流出的电弧启动气体；以及，继续电弧焊操作。电弧焊操作还包括，在需要时或者在电弧焊操作接近完成时，驱动第一阀使电弧焊操作在不同的金属过渡模式下进行。
文档编号B23K9/06GK101422840SQ200810173878
公开日2009年5月6日 申请日期2008年10月29日 优先权日2007年10月29日
发明者A·D·哈哈列夫, J·汉普顿 申请人:通用汽车环球科技运作公司