以最少掺合物集结、覆盖或硬质焊敷的方法和设备的制作方法

专利名称：以最少掺合物集结、覆盖或硬质焊敷的方法和设备的制作方法
技术领域：
某些实施方案涉及电弧设备和使用电弧设备的方法。更具体地，某些实施方案涉 及这样的电弧设备，所述电弧设备实现用于以最少掺合物将合金化金属集结(build up)、 覆盖(clad)或硬质焊敷(hard face)到母体金属的方法。
背景技术：
弧焊经常被用作对金属物体进行集结、覆盖或硬质焊敷由此将期望合金的焊接金 属置于另一种金属表面上的方法。普遍地，覆盖或者硬质焊敷原料的成分比所述覆盖或者 硬质焊敷原料被置于其上的金属昂贵得多，并且因此使焊接金属的厚度最小化是合乎期望 的。但是，在焊接过程中，覆盖或硬质焊敷的焊接金属可能被基底金属(base metal)稀释， 并且可以添加更多焊接金属来获得期望的属性。在其他情况下，当被直接施加到基底金属时，覆盖或硬质焊敷的焊接金属可能形 成不堪使用的不合乎期望的层。在这样的情况下，可以添加焊接金属中间层来避免该不合 乎期望的层的形成。例如，当铜/镍覆盖被添加到低碳钢基底板时，铜(来自于覆盖)和 铁(来自于钢)的混合物可以组合以形成倾向于为裂敏感的层。为了消除中间层，可以使 用诸如GMAW-短弧过渡(transfer)的低热工艺。铜/铁混合物层(有时被称为掺合物 (admixture))被保持为足够低以防裂，但是该工艺受限于短弧过渡范围，并且因此进行缓 慢。当增加过程来提高产率并且使用传统的GMAW脉冲喷射过渡或GMAW喷射过渡时，热增 加，并且铜和铁的混合物增加到不期望的水平。因此，存在对用于以最少掺合物进行集结、 硬质焊敷或覆盖的高产率、低热输入焊接工艺的需要。通过将常规、传统以及所提出途径的系统和方法与如参照附图在本申请其余部分 中所阐述的本发明相比，本领域技术人员将清楚常规、传统以及所提出的途径另外的限制 和缺点。

发明内容
为了克服至少一项所述缺陷，本发明提出一种根据权利要求1将合金化金属覆盖 或者硬质焊敷到母体金属的方法，以及根据权利要求15用于将合金化金属覆盖或者硬质 焊敷到母体金属的电弧设备。从从属权利要求和以下描述以及从附图将清楚优选实施方 案。根据本发明的第一实施方案，包括一种通过在包括合金化金属的推进焊条和包括母体 金属的工件之间生成一连串电弧脉冲来以最少掺合物将所述合金化金属覆盖或者硬质焊 敷到所述母体金属的方法。所述方法包括在第一时间段增加输出电流水平，同时维持推进 焊条和工件之间的电弧，并且在第二时间段将所述输出电流水平调节到峰值电流水平，同时维持推进焊条和工件之间的电弧。该方法还包括在尝试诱发推进焊条和工件之间熔融金 属的第一短接时，将所述输出电流水平从峰值电流水平朝本底电流水平降低，以及将所述 输出电流水平调节到所述本底电流水平。所述方法还包括确定所述第一短接是否发生，以 及如果已经确定发生了所述短接，则将所述输出电流水平坡升到所述本底电流水平之上， 直到所述短接被清除。所述方法还包括在第三时间段内使所述输出电流水平脉冲化，以防 止在将第一短接清除之后直接发生第二短接。所述方法步骤可以对于所述一连串脉冲以预 定义的脉冲重复率重复。本发明的另一实施方案包括一种用于通过在包括合金化金属的推进焊条和包括 母体金属的工件之间生成一连串电弧脉冲来以最少掺合物将所述合金化金属覆盖或者硬 质焊敷到所述母体金属的电弧设备。所述电弧设备包括用于生成第一电流脉冲的装置，其 中所述第一电流脉冲具有峰值电流水平和脉冲宽度。所述电弧设备还包括用于通过以第一 速率将所述峰值脉冲电流水平降低到大约本底电流水平来诱发所述推进焊条和所述工件 之间熔融金属的第一短接的装置。所述电弧设备还包括用于在所述第一电流脉冲之后生成 短接清除电流段来清除所述第一诱发短接的装置。所述电弧设备还包括用于防止第二短接 在所述第一短接之后发生的装置，以及用于以预定义的重复率连续地重复所述第一脉冲的 所述生成、所述第一短接的所述诱发、所述短接清除电流段的所述生成以及对所述第二短 接的所述防止的装置。优选地，在所述电弧设备中，-还包括用于检测所述第一短接的装置；-所述峰值电流水平约为380安培，并且所述脉冲宽度约为1.5毫秒；-所述本底电流水平约为45安培，并且所述第一速率为至少400安培每毫秒；_所述预定义的重复周期为约8毫秒；-还包括用于以至少200英寸每分钟的速率推进所述焊条的装置。从以下描述和附图将更完整地理解本发明的这些和其他优点和新颖特征，以及本 发明图示的实施方案的细节。


图1是根据现有技术图示用于进行脉冲焊接工艺的电弧焊机的组合框图和接线 图；图2是图示现有技术的脉冲焊接工艺的电压曲线和电流曲线的图；图3是图示出在图1中所图示电弧焊机中各个位置处的信号的图；图4是在本发明的实施方案中所使用的具有芯和外部保护气体的焊条的部分放 大横截面图；图5类似于图4，是图示具有自保护芯并且在本发明实施方案中可用的焊剂芯焊 条(flux cored electrode)的图；图6类似于图4和图5，是示出具有如通常在图1的现有技术电弧焊机中使用的外 部保护气体的实心焊丝的图；图7是具有电压曲线和电流曲线、根据本发明的实施方案图示脉冲焊接工艺的 图，并且包含在焊接工艺各个阶段中焊条和工件的绘图表示；图8是用于进行图7中所图示脉冲焊接工艺的电弧焊机的组合框图和接线图9是示出在图8所示电弧焊机中各个位置处的信号的图；图10是包含脉冲焊接工艺的电压曲线和电流曲线的图，并且包括对本发明图7的 实施方案的添加，以及对该添加所进行的各个阶段的绘图表示；图11是用于进行图10中所图示脉冲焊接工艺的电弧焊机的组合框图和接线图；图12是示出在图11中所图示电弧焊机中各个位置处的信号的图；图13是具有图10-12中所图示脉冲焊接工艺中的修改的电压曲线和电流曲线的 图，其中本底(background)被自适应性调整；图14是用于进行图13中所图示自适应(adaptive)过程的电弧焊机的组合框图 和接线图；图15是类似于图13的图，图示焊接工艺的自适应特征；图16是包括脉冲焊接工艺的电压曲线和电流曲线的图，所述脉冲焊接工艺包括 在脉冲焊接工艺的每个脉冲之间的等离子激发(plasma boost)和本底段(background segment)；图17是示出用于进行图16所图示脉冲焊接工艺的电弧焊机的组合框图和接线 图；图18是图示在图17的电弧焊机中各个位置处的信号的图；图19是用于进行图20和21中所解释的脉冲焊接工艺的电弧焊机的组合框图和 接线图；图20是示出在图19中所图示焊机中各个位置处的信号的图；图21是使用图19中示出焊机以及图20中信号的波形的图示；图22是在对脉冲焊接工艺进行控制以确保短路(short circuit)的情况下通过 使用本发明实施方案获得的波形的图示；图23是示出在使用如图16-18中所示焊机时的实际波形的电流曲线；图24是由电弧设备所产生的周期性脉冲化波形部分的第一示例性实施方案的图 示，所述电弧设备用于通过将所述波形施加到包括合金化金属的推进焊条和包括母体金属 的工件之间而以最少掺合物将合金化金属集结、覆盖或者硬质焊敷到母体金属上；图25是由电弧设备所产生的周期性脉冲化波形部分的第二示例性实施方案的图 示，所述电弧设备用于通过将所述波形施加到包括合金化金属的推进焊条和包括母体金属 的工件之间而以最少掺合物将合金化金属集结、覆盖或者硬质焊敷到母体金属上；图26是在包括合金化金属的推进焊条和包括母体金属的工件之间使用一连串脉 冲来以最少掺合物将合金化金属集结、覆盖或者硬质焊敷到母体金属上的方法的示例性实 施方案的流程图；图27是用于实现图26的方法的电弧设备的示例性实施方案的简化功能框图；以 及图28图示以合金化覆盖金属覆盖的示例性母体材料。
具体实施例方式现在参照附图，其中所述附图仅用于图示本发明实施方案的目的而不是用于限制 本发明实施方案的目的，图1-3图示用于进行如图2中示出的脉冲焊接工艺的现有技术电
6弧焊机A。因为在实践本发明的实施方案时使用的一些部件本质上与电弧焊机中的标准 部件相同，所以图示了现有技术。尽管可以使用其他焊机架构，但是一种架构是如俄亥俄 州克利夫兰的Lincoln Electric公司开创的通过波形技术控制的焊机。与波形技术相 关的很多专利中的两篇在Blankenship的美国专利No. 5，278，390和Fulmer的美国专利 No. 6,498, 321中得以描述，所述两篇美国专利通过引用被并入本文作为背景信息。在该类 焊机中，波形生成器产生在脉冲焊接工艺中使用的波形的轮廓(profile)。动力源(power source)通过使用多个电流脉冲并且以例如超过18千赫兹的高频根据从波形生成器所确 定的形状创建脉冲。该类技术为任何期望的焊接工艺产生精确的脉冲形状。尽管将关于采 用波形技术的焊机的使用来描述本文的实施方案，但是本发明更宽泛，并且可以用在其他 焊机中，例如SCR控制焊机和基于斩波器的焊机。 图1中图示的电弧焊机A被用于使用图1中各个位置处指示并且在图3中通过对 应标号指示的多个操作信号进行如图2中曲线所图示的标准脉冲焊接工艺。在阐述本发明 的实施方案之前，将考虑其与图1-3所示现有技术相关的背景内容。电弧焊机A具有动力 源10，其呈高速开关逆变器形式，具有输出引线12、14，以在焊条E和工件W之间创建脉冲 焊接过程。动力源10由适当的电源16驱动，所述电源16被图示为三相输入。根据标准技 术，构成脉冲焊接工艺的脉冲和分离本底电流的轮廓是由波形输入18上的信号确定的。分 流器22通过线路24将焊接工艺的电弧电流传送到电流传感器26，所述电流传感器26具有 用于反馈控制环路的模拟输出28。以类似的方式，引线30、32将电弧电压传送到具有检测 输出36和电平或幅度输出38的电压传感器34。检测输出指示在焊条E和工件W之间短路 的期间电压水平何时骤降。电平输出38具有代表电极和工件两端电弧电压的信号。电压 检测输出36被引导到具有输出42的短接响应电路40，所述输出42如图3中所示的输出信 号3。当存在短路时，在线路42上存在根据标准技术的检测信号。波形生成器50加载以 该特定波形，以进行焊接工艺。该波形被指示为图3中示出的信号2。定时器52通过线路 54将定时信号引导到波形生成器，用于初始化构成所述焊接工艺的各个脉冲的目的。生成 器50还具有来自线路28、38的反馈信号，用于根据波形生成器的设定轮廓以及在焊条和工 件之间已有的轮廓控制电压和电流。待由动力源10输出的波形是线路56中的信号2。该 信号连接到求和结点或加法器60的输入，所述求和结点或加法器60具有针对信号4的输 出62。在现有技术焊机A中，该信号是引导到动力源10的输入18的实际信号。焊机A所 进行的焊接工艺在图2中图示出，其中电流曲线100具有一连串间隔的电流脉冲102，所述 电流脉冲102通过本底电流部分104隔开。电压曲线120是线路30、32之间的电压，并且 构成与曲线100的电弧电流相关的电弧电压。峰值电压是施加峰值电流102的结果。曲线 120的低平均电压是归因于高瞬时电弧电压与短接(short)或者低于约6.0伏特电压的均 值。当存在短路时，电弧电压120如点122所指示的那样骤降。该电压骤降指示焊条和工 件之间熔融金属的短路。当这种情况发生时，清除(clearing)过程覆写线路56中的波形 形状。一旦在点122检测到短路，沿图2中示出的斜坡(ramp) 106在焊条和工件之间施加 高电流。在实践中，该斜坡是陡峭的，并且随后如部分108指示的那样变得平缓。当短路被 增加的电流清除时，根据标准技术，曲线120的电压立刻变回等离子或电弧条件。这导致电 流沿线110的尖灭(tail out)或恢复。结果，当存在短路时，电弧电流沿斜坡106和斜坡 108增加，直至该短接被清除，如增加的电压所指示的。对短路的去除使得短接响应电路40的输出停止。焊机A的操作通过如图3中示出的信号2、3、4、7和9进行公开。信号7是在 线路36中感测的电压。在正常的环境下，电压120包括多个间隔的脉冲130，其具有波形 生成器50确定的形状，并且具有定时器52确定的间隔。当在点122存在短接时，电压沿线 132骤降。这导致在线路42中生成输出的脉冲140，所述输出为信号142的形式，其一般与 电流曲线100的斜坡106匹配，该输出与信号2相加。波形生成器50的输出为信号2，其构 成图3中示出的波形信号150。求和结点60在线路62中的输出为信号2和3的和，其被示 出为线路62中的信号4。斜坡142与波形150相加，从而焊条E和工件W之间的输出为线 路18中控制逆变器型动力源10的信号。这是对标准的现有技术焊机的陈述，所述现有技 术焊机在本文中被修改，从而提供具有减小的电弧长度以及减少的飞溅的焊条快速移动。
通过使用本发明的实施方案，脉冲焊接工艺可以从电弧电压在高于26-27伏特的 范围的高压工艺变为其中电弧电压低于25伏特并且具体来说在17-22的一般范围的低压 工艺。随着通过使用本发明的实施方案来使得该低电压变得可能，电弧是稳定的，具有小于 约0. 20-0. 30的非常短的电弧长度。在约22伏特和200安培，电弧长度约为0. 15英寸，钢 焊丝连带90%氩和10%二氧化碳。这在仍旧维持良好焊珠轮廓的同时允许更快的行进速 率。可以使用其他焊丝，例如铝或不锈钢。图4-5中图示出在本发明的实施方案中使用的 三种不同焊条。在图4中，带芯焊条200在箭头的方向上推进，并且包括外钢套202和内芯 204，所述内芯由合金剂和其他在焊珠中提供期望焊接金属所必须的化合物形成。因为电弧 或等离子AC是创建在焊条和工件W之间，所以保护气体206被引导为围绕电弧，以保护电 弧不受大气污染物影响。电弧长度x是小于0. 30英寸的长度，并且是由在17-22伏特的一 般范围内的电压创建的。该类焊条良好适应于在本发明的实施方案中使用。另一种带芯焊 条在图5中示出，其中焊条210具有外套212和内芯214。该焊条是自保护焊条，其中芯214 的组合物提供助熔剂和其他组合物，以在熔融金属通过电弧并过渡到工件W时保护所述熔 融金属。同样，该带芯焊条在实践本发明的实施方案时是有用的，其中在过去带芯焊条未曾 被成功地用于脉冲焊接。图6示出具有保护气体222的实心焊丝220。这是目前用于脉冲 焊接的正常焊丝。该类焊条是正常用于MIG焊接并且特别用于脉冲焊接的焊条。通过使用 本发明的实施方案，焊条200、210和220现在可以被用于脉冲焊接。因此，本发明的实施方 案在脉冲焊接中利用了带芯焊条的冶金和物理属性。在Stava的美国专利No. 6，071，810中 讨论了带芯焊条对STT焊接的益处，该美国专利通过引用被并入本文作为背景信息。可以 使用带芯焊条是因为本发明的实施方案提供了低压，从而用于焊接工艺的电压范围通过带 芯焊条得以扩展。当使用如图6中图示的实心焊丝时，低压允许焊丝更快地行进。通过使 用本发明的实施方案，可以根据焊接工艺的要求使用图4-6所示的所有焊条。在过去，高电 弧电压阻止了对所有类型的焊条的有效使用。因为本发明的实施方案允许非常低的电弧电 压，所以电弧长度小并且熔融金属通常通过短路而过渡到工件。该工艺利用了带芯焊条，尤 其是对脉冲焊接来说非常可接受的金属芯焊条。的确，已经证明，在获得本文所描述等离子 激发脉冲概念的一般优点时，在芯中具有约0. 010到0. 030硫的金属芯焊条是极度有效的。 已经证明，俄亥俄州克利夫兰的Lincoln Electric公司所销售的焊丝Metal Shield MC6 和MC 706对于与使用等离子激发脉冲的方法一起使用来说是有益的，在所述方法中，保护 气体为75-95%的氩以及二氧化碳平衡气体。这些焊丝符合E70C-6M命名。其他金属芯焊 条和自保护带芯焊条已经利用了在根据本发明的实施方案进行的工艺中可获得的低压、短
8电弧长度。 在图7-9中图示出本发明的一实施方案，其产生在图7中最佳地示出的脉冲焊接 方法。电压曲线300包括间隔的脉冲302，所述脉冲302通过由波形生成器50的输出确定 的本底部分304隔开，其中脉冲由定时器52的输出间隔。当然，定时可以被内建在波形生 成器的程序中。本底电流304被提供在脉冲302之间，用于在熔融金属M已经形成并且沉 积到工件上熔融金属熔池中之后保持电弧点亮。电压曲线310包括短路检测点312和短路 清除点314。曲线300示出用于生成部分306、308的正常高电流清除例程，所述部分306、 308分别对应于图2所示现有技术的部分106、108。该实施方案涉及在短路清除点314之 后提供等离子激发脉冲320，从而激发脉冲在电弧条件或等离子条件期间发生。在实践中， 该等离子脉冲是在来自于波形生成器50的输出被中断的期间创建的，并且在动力源10的 输入18处替代生成器的输出。等离子激发脉冲320是经调节的功率，在5-20KW的一般范 围内，并且优选地小于约10-15KW。对于铝，该功率可以为低至1.0KW。该脉冲具有峰值部 分322，该峰值部分322具有一般小于5. 0毫秒并且优选在0. 2-5. 0毫秒范围内的时距y。 在本实施中，该时间为0. 3毫秒。脉冲320在峰值部分322的末端终止，以进入电流减小区 段，在该区段中，电弧电流降至本底电流水平304。在实施方案中，该电流减小为长的下降沿 324和一般平缓的尖灭部分326，从而等离子激发脉冲在5. 0毫秒之前终止。等离子激发的 操作在图7顶部的绘图表示中进行描绘。焊条E朝工件W推进，此时熔融金属如所示那样 正在位置I处形成。焊条和工件之间的电流随后增加到脉冲302的峰值，导致焊条E的端 部进一步熔化并产生熔融金属球M。峰值302的操作在位置II。工件W包括熔融金属熔池 P，该熔融金属熔池P是由焊条E和工件W之间的电弧力凹刻成的。在位置II之后，在正常 的脉冲焊接中，焊条E端部的熔融金属M在工艺的本底部分304通过电弧过渡到熔池P。随 后，工艺如所示出的在位置VI重复。由熔融金属M造成的焊条E和熔池P之间的短路并不 形成正常脉冲焊接操作的部分。当短路如示出的那样在位置m发生时，电弧电压在点312 骤降。随后短路起始由部分306、308所代表的高电流清除例程或序列，以掐断(neck off) 并使熔融金属M与焊条E如示出那样在位置IV分离。随后，实现本发明的实施方案。在短 路清除时，输出等离子激发脉冲，所述短路清除是由点314处电压的快速升高表示的。该等 离子激发脉冲迫使熔池M如示出那样在位置V离开焊条E。该高电弧力剧烈凹刻熔池P，以 确保熔融金属M与熔融熔池P之间的分离。这确保在下一脉冲302之前不开始短接或者短 路。在位置V处示出的脉冲320之后，通过波形生成器50实现低本底电流部分304。这允 许工件W的熔池P静止，从而以所图示的方式在位置VI减少所述凹刻。通过如示出的在位 置V使用本发明的实施方案，在焊条E端部和工件W的熔池P之间提供实质更大的间隔或 间隙G。该大的间隙是掐止(neck)并断开(rupture)短路之后的等离子激发脉冲的结果。 本发明的实施方案允许较低的电压、较快的操作以及具有低飞溅的均勻焊珠。随着短路已 经被清除，电弧迫使的间隙的创建直接控制在焊条之下熔池中熔融金属的形状。位置V代 表通过在脉冲焊接操作中紧随短路使用等离子激发脉冲所获得的主要益处。有可能仅使用 等离子激发脉冲既清除短路又迫使熔池进入在位置V示出的大电弧力凹刻。然而，这可能 增加飞溅。所以，短路的清除是合乎期望的。因为短路被清除并且紧随其后为高功率等离 子激发脉冲，所以短路事件不再有害于脉冲焊接工艺。如之后将示出的，周期性短路的存在 可以是有利的，并且被理所当然地提供为不那么有害。
通过图8示出的电弧焊机B进行具有等离子激发脉冲的脉冲焊接工艺。以相同的数字和相同的信号在焊机B中使用了与图1中所示焊机A中所用相同的功能部件。为了 实践本发明的实施方案，焊机B被提供有等离子激发轮廓电路350，该等离子激发轮廓电路 350具有线路352中的开始中断信号，其中短路在图7中的点314被清除。当达到点314 时，线路352中的信号通过线路362传送到定时器360。这使定时器开始创建中断时间。线 路362中的该中断信号继续，直至定时器进展到其设定时间。线路362中来自定时器360 的信号设定中断的持续时间，等离子激发轮廓电路350在所述持续时间期间进行操作。当 线路364中的中断信号使开关370从正常接触372变为中断接触374时，输出354在中断 期间处理激发脉冲轮廓。当定时器360将开关370保持在5接触374的中断位置时，只要 定时器360正定时为在线路364中给出信号，等离子激发电路350在线路354输出轮廓信 号。该轮廓是图7中示出的等离子激发脉冲320。当然，开关370是数字软件开关，用于从 求和结点60的输出62变为中断位置，此时电路350处理被指示为信号5的轮廓。该信号 被引导到动力源10的输入18。各种信号在图9中以与图3中信号对应的数字示出。新的 信号5、6、10和11在图9的下部分中示出，并且在时间上与之前描述的其他信号协调。当 短路已经被清除时，短接响应电路40在线路352中创建信号10，该信号为脉冲380。该脉 冲使定时信号11开始，所述定时信号11是具有超时位置384的斜坡信号382。只要定时器 360正在定时，则维持中断信号390，此时线路354中的等离子激发轮廓被动力源10处理。 在中断以及脉冲390所指示的信号输出期间，输入线路18上的控制电压为被示出为信号6 的脉冲392的形式。在实践中，当以低电流形成短路(图7的点312)时是有利的，这将使 任何创建的飞溅最少化。因为短路的横截面最小化，所以仅需要按照所述短接斜坡的电流 最小增加来清除短路。以相对低的电流清除短接，导致短接释放所造成的最少飞溅。通过使用如图7-9中所示的本发明的实施方案，在已经根据标准实践通过短接响 应电路40进行了正常的短路清除例程之后，提供等离子激发。根据本发明的宽泛方面，等 离子激发脉冲可以替代短接清除例程；然而，这并非合乎期望的实现。来自波形生成器60 的标准脉冲程序可以被修改以改进短接事件并且改进对短路的响应，从而所述事件不是 有害的。这些修改包括在脉冲302上升沿进行的从低本底电流向高峰值电流的快速转变 (transition)。这快速地将输出增加至过渡电流之上的水平，以开始焊条端部焊滴的熔融。 随后，可以提供从脉冲302的高峰值电流向低本底电流304的快速转变。这快速地减小焊 滴和熔池之间的电弧力。随着该电弧力被去除，熔池和焊滴可以容易地短接。从峰值电流 向本底电流302的转变将使短接更频繁，并且如果初始转变约略地越过本底电流，则是有 正面影响的。由此，的脉冲302的下降沿转变到略低于本底电流304的电流。在后面当讨 论图22时更详细地公开了该方面。如图7中图示的，短接响应是多斜坡(multi-ramp)响 应，其使得用于分离起始短接的、对短路的初始响应最小化，并且随后使得用于清除更强硬 (harder)短接事件的电流响应增加。在处理标准CV程序时，该方法在Lincoln Electric 公司所制造的Power Wave 455中已经被使用了多年。可以进行添加，如图10-12中图示的本发明的实施方案，其中等离子激发脉冲或 例程被修改为促进熔融金属的一致脱离。等离子激发在焊条端部创建熔融焊滴，所述焊滴 将在下一脉冲周期过渡。一旦等离子激发脉冲完成，继续标准的脉冲波形。然而，短路将不 会在脉冲焊接工艺的每个脉冲上同时发生。此外，清除短接所需要的时间在一次短接和下一次短接之间是不一致的。结果，与定时器52所确定的下一脉冲有关系的短接清除时间将不是一致的。当使用本发明的实施方案时，等离子激发脉冲完成之后剩余的时间将是不同 的。假设本底电流304在波形生成器50所创建的波形中具有足够的时间来允许焊条在熔 融金属过渡之前行进为更靠近熔池。该时间由于所述陈述的理由而一次短接和下一次短接 之间是非一致的。结果，焊条端部相对于熔池的位置将不是一致的。用于改进该一致性的 方法允许焊条端部在下一脉冲之前行进一致的距离。本发明基本实施的方法中的该改进在 等离子激发本身已经被处理之后使用专用的本底时间和幅度例程。创建等离子激发脉冲的 波形被修改为在脉冲之后包括其自己的本底电流部分。结果，定时器360被用来控制等离 子激发脉冲的持续时间以及本底电流时间和幅度。等离子激发脉冲起到如图10顶部绘图 表示所示那样在距熔池一致距离处在焊条端部上创立一致的焊滴的作用。为了在下一脉冲 之前维持该一致操作，在该实施方案的该修改中对本底段或本底部分使用一致的时间和幅 度。该修改在图10-12中示出。等离子激发脉冲被扩展为包括专用(dedicated)本底幅度 和时间。定时器360被用来设定以出现在线路352上的短路清除信号开始的时间。根据该 修改，图11示出的电弧焊机C被修改为在中断结束时重置定时器52，在该期间线路354控 制输入18。重置信号是线路400上的信号。在中断期间，等离子激发电路350创建信号5 来生成波形410，所述波形410具有等离子激发脉冲部分412和终止于时间416的本底电 流部分414。这是定时器360在线路400上创建重置信号的超时时间。当定时器360开始 其定时序列，存在被示出为图12中脉冲420的中断。这是与之前描述的相同的中断。定时 器52如图12所示那样沿线422定时。在位置424，定时器52重置，导致在时间426时线 路54上的信号，以开始生成器50的信号2中的下一脉冲150。根据本发明的该实施方案， 当定时器360在等离子激发波形410尖灭区段414末端达到其设定时间时，焊机C在线路 400中创建重置信号。该重置信号处于图12中示出的时间430。重置信号1在波形410等 离子激发部分末端处终止信号2的脉冲150，以创建图12中示出的部分脉冲150a。这随后 起始图12中示出的信号4的下一脉冲150b。在中断420期间，波形410由电路350创建 在线路354上。中断期间的波形具有等离子激发脉冲412以及本底电流部分或段414的精 确轮廓。紧接本底电流部分已经被动力源10实现之后，导致下一脉冲150b前进。结果，当 存在短路时，存在精确的脉冲和尖灭或本底电流幅度和时间。这在图10中示出。由开关 370的中断位置造成的线路18上的信号是波形410，其具有脉冲部分412和本底电流部分 414。线路400中的信号发生在时间416。这是中断的预定波形已经完成的时间。结果，单 元(element)412、414和416对于每次短接来说是一致的。之后，定时器52起始新的脉冲 302。图12中示出的信号6被施加到输入18，用于控制焊条E和工件W之间电流或功率的 轮廓。该新的轮廓是图12中的轮廓440。结果，波形生成器50的输出在短接结束时被中 断，并且处理给定的脉冲和本底电流段。该波形的结果在图10的位置I-III中示出。一旦 创建部分412，电弧力推动熔池P，使得熔池P从焊条E的端部移开。这在位置I处示出。 之后，本底电流部分允许熔池P以均勻的方式重构。这在位置II处示出。在轮廓化的波形 410的末端，如位置III示出的，熔融金属M准备好了过渡到工件W。这在每次短路之后创 建一致的操作。这样的修改提高焊接的质量，同时仍旧维持在短路结束时使用等离子激发 脉冲的益处。结果，等离子激发信号包括具有选定幅度和持续时间的专用本底部分304，所 述选定幅度和持续时间处于与图10中水平414不同的水平。中断信号维持通过包括等离子激发脉冲412和专用本底部分或段414的波形410。定时器52在专用本底时间结束时被 重置。在专用本底部分期间，波形生成器被忽略，因为中断已经将输入18的控制切换到等 离子激发控制电路350的输出。波形生成器被定时器52重置。对图10-12中图示的实施方案的些微修改在图13-15中公开。在等离子激发脉冲 之后形成在焊条端部的熔融金属M将根据等离子激发脉冲期间的某些条件而不同。结果， 可以使用在等离子激发脉冲期间感测电弧电压的反馈环路来调整所述专用本底段414。等 离子激发脉冲期间的电弧电压指示脉冲期间的电弧长度。该电弧长度被用于计算本底电路 部分幅度和/或持续时间。因为等离子激发被定义为功率的函数，所以使用电压反馈来计 算相对电弧长度并修改本底幅度和/或持续时间。对本底幅度和持续时间进行调适将更多 地促进在短路之后焊条相对于熔池的放置的一致性。在图14所示的焊机D中使用独立的 自适应控制。该自适应环路根据所感测到在波形410的脉冲部分412期间发生的电弧电压 修改本底部分414。该第二自适应控制环路的增益必须被这样设定，即使得短接等离子激发 将直接影响下一本底电流段。结果，仅调适用于正被处理的中断的本底电流幅度和持续时 间。因此，电弧焊机D允许等离子激发受电弧电压反馈环路的控制。为此，对本底部分414 幅度和持续时间的调整是由具有输入502的电路500实现的，所述输入502代表来自电压 传感器34的电弧电压。输出504与等离子激发电路连通，以调整在开关370处于中断位置 374的时间所确定的中断期间调整本底部分。通过比较图13和图15最好地说明该概念。 在图13中，本底部分414 (通常为电流)如之前描述的那样是固定的轮廓。图14中来自线 路502的电压将部分414调整为图15中的虚线配置，其中波形410新的本底部分414a在 新的点416a处终止。部分414a被脉冲部分412期间的电弧电压调整，该电压基本上对应 于波形410等离子激发脉冲部分期间的电弧长度。除此之外，图14中示出的电弧焊机D与 如之前描述的焊机A、B和C相同。在图16-18中描述对等离子激发脉冲的另一种使用。在如图16中示出的曲线 100、120的每个脉冲302之间插入具有激发脉冲部分602和本底部分604的等离子激发脉 冲600。以这种方式，等离子激发脉冲预热焊条端部，并且为下一脉冲320创建用于过渡到 熔融金属熔池P的焊滴。等离子激发脉冲的第一段为将预热焊条端部并创建焊滴的脉冲。 该预热已经在使用非铁金属(例如镍合金和钛)的GMAW脉冲焊接中被有益地使用。在对 每个标准脉冲之间的激发脉冲的该处理中，已经使用了如图4和5中所示的金属芯焊丝和 焊剂芯焊丝来提供FCAW-G和FCAW-S焊接工艺。该工艺是由电弧焊机F实现的，所述电弧 焊接F通过去除短接响应电路40并提供两路重置线路608而不同于图11中所示的焊机C。 等离子激发轮廓电路350的输出是固定波形410，所述波形410在开关370通过线路364上 的逻辑变为中断位置374时被引导到输入18。该线路为图18中所示的信号11，其中定时 器360沿部分610定时，直至其在点612达到其设定的计数。当开关370保持在中断位置 374时，中断脉冲620存在。该中断在时间612开始，此时定时器360起始。当定时器在时 间612起始时，线路354上的输出是图18中所示的具有谱图600a的波形。定时器52在时 间424起始下一脉冲150，并且在该时刻终止中断620。因此，在中断620期间，波形600a 被弓I导通过线路354到达输入18。因此，信号6在来自于波形生成器50的信号2和与线路 354中波形410对应的固定脉冲轮廓形状600b之间交替。在定时器重置之间的时间期间， 处理中断，以通过来自电路350的输入18驱动动力源。因此，等离子激发脉冲600通过动力源10例常地实现在正常脉冲302之间。在图16上部最佳地图示出使用功率激发脉冲的操作，其中焊条E被熔融，从而熔融金属M在位置I和II之间过渡到工件W。随后，根据标 准的脉冲焊接技术，熔融金属M如位置III所示那样过渡到工件W的熔池P。在位置IV，包 括高功率等离子激发的波形600实现在焊条E和工件W之间。该波形导致位置IV示出的 熔池P的动作。当通过电弧施加等离子激发脉冲波形600a的固定本底部分604时，熔池P 朝熔融金属M回退，并且等待下一过渡脉冲302。这在位置V示出。波形600a的脉冲部分 将加热焊条端部并且创建在下一脉冲期间过渡的熔融焊滴。该方法可以被单独使用或者与 图18中所示的定时序列组合使用。可以使用其他排布来将等离子激发脉冲插入在来自于 波形生成器50的标准电流脉冲302之间。焊机F可以具有如图14中所示焊机D的本底调 整特征作为一种选项。根据本发明的实施方案，波形600a的尖灭是固定的。来自于电压或 电弧长度的自适应反馈是可选的。图23是工艺的实际实现的电流曲线，其中在标准脉冲焊接工艺的每个脉冲之间 创建等离子激发脉冲。点910处的短路发生在每个脉冲900之后。该短路不是在脉冲900 的峰值处，而是在衰减部分902之后。短接通过熔池的节奏性移动而自然清除，以创建电流 丘904。在短路清除例程如至此所解释的那样增加电流之前存在延迟。如果短路在延迟过 期之前自然清除，则不存在清除电流增加。因此，在存在短接清除电流的急流之前，短接通 常在点912被清除。点912处的该第二信号是如图9所示信号9中的下降沿。当第二信 号从电压感测设备34创建时，短接被清除并且创建等离子激发脉冲930。因为电路中的固 有时延，在点912处的第二信号和脉冲930的开始之间存在约略的时延920。之后，本底电 流932继续到下一脉冲。清除电流之前该约略的延迟将在图9的脉冲142的创建之前，但 是在短接期间该延迟可能比自然清除短接的时间长。如果短接是在延迟已经过期之前被清 除的，则焊机直接以其固有延迟920进入等离子激发。在脉冲900期间，存在电流的突然增 力口，以增加电弧能量来形成并挤出从焊条端部延伸的熔融焊滴。在时间R期间，脉冲坡降以 缓和压制熔融熔池的等离子力。这允许熔池朝焊滴上升。当在点910存在短接时，焊滴已 经与熔池接触。短接在点912 —终止，温和的等离子激发脉冲就将熔池推开并调节焊条尖 端。这确保来自尖端的金属与熔池的可靠分离，导致稳定的周期节奏。清除电流之前的延 迟允许通过该节奏而非通过清除电流清除所述短接。如果其在该延迟期间未被清除，则实 现标准的电流清除例程。点912处的第二信号向控制器通知短接已经被自然清除或者通过 清除电流被清除。随后输出等离子激发脉冲。这是图16-18中焊机的实际操作。以不同的短路清除例程对包括等离子激发脉冲部分的波形进行利用，是本发明的 另一方面，并且在图19-21中示出。焊机G类似于图11中公开的焊机C，增加了具有输入 702和输出704的标准预兆电路700。输出上的逻辑指示来自传感器34的电弧电压的dv/ dt何时超过给定水平，所述给定水平指示在针对短路的清除例程期间的妨碍性短路。dv/dt 电路是标准的，并且检测等于或者大于参考值的倾斜，所述参考值表明将要打断(break) 短接。该电路停止短接响应电路40，从而线路325中的信号终止图21所示波形710的电弧 部分712，并且起始等离子激发轮廓电路350输出354上的等离子部分714。预兆电路700 的输出704被示出为信号12中的脉冲720，所述信号12为图20所示焊机G的众多信号之 一。图20中各个编号的信号对应于图19中使用的编号。焊机G生成图20中示出的信号， 所述信号基本上与图11中针对焊机C图示的类似编号的信号相同。焊机G和焊机C之间的基本不同与波形710的短接清除部分712相关。当短接发生在图20所示的点132时，波形 710的波形部分712由短接响应电路40实现。波形的该部分是不同的，并且包括部分730 所代表的短接时刻电流的立刻降低。电路40保持该电流为低达预设时间732，这之后实现 对短路的清除例程。该例程以电流沿倾斜部分734的快速增加开始，之后是更为平缓的第 二倾斜部分736。因为该电流增加是通过短路引导的，所以开始掐止短路，导致dv/dt的增 力口。当该导数达到特定水平时，创建脉冲720。该脉冲立刻使电流骤降至与降低点730处的 水平类似的低水平。该预兆关系可以为dv/dt、di/dt、dp/dt或时间的其他导数。脉冲720 导致的电流减小还开始图21中所图示的一般波形710的波形部分714。在另一实施方案 中，波形710通过短路的打断而开始。波形部分714包括具有尖灭部分742的等离子激发 脉冲740。该尖灭部分在图19中更明显，但是具有多种配置。焊机G使用独特的短路清除 过程，由此清除例程的终止是由临近的短路断开确定的，与焊机C中所采用的电压检测器 相反。除此之外，清除过程一般是相同的。该例外是针对时间732的减小的电流部分。金 属过渡线(metal transfer line)或电流744小于峰值电流，但是大于等离子激发脉冲的 最大电流。当存在短接时，短路被清除，并且起始等离子激发脉冲来在推进焊条正形成用于 下一次过渡的熔融金属球时迫使熔融金属熔池离开该推进焊条。通过使用图21中示出的 波形710，由于短路造成的金属过渡不是有害的，并且甚至可以是有益的。的确，当使用本发 明的实施方案时，已经发现，由在脉冲焊接工艺每个脉冲150之后的短路过程造成的过渡具有一些优点。结果，已经提出了依赖于脉冲焊接工艺中短路造成的金属过渡的修改方案。 该修改方案使用等离子激发脉冲并且在图22中进行描述。图22中图示了在脉冲焊接工艺中为了真正通过短路过渡来过渡金属的目的使用 等离子激发脉冲，而不是使用正常的喷射过渡。该方面使用来自至此详细描述的各种电弧 焊机的元件。正常的脉冲焊接波形被图示为具有脉冲802的曲线800，所述脉冲802被本 底电流部分804分开并且被间隔以产生周期η。每个峰值电流阶段806具有用于如正常情 况那样针对喷射过渡的目的熔融推进焊条的长度或处理时间。通过电弧的该过渡发生在峰 值电流阶段结束时，并且被示出为点810。脉冲802意图具有足够的能量来熔融并且朝工 件推动熔融金属焊滴。如果该动作未发生，则当推进焊丝端部的熔融金属球接触熔池的熔 融金属时将创建短路。该接触创建在点812处指示的短路，以实现并实施至此所描述的方 法，其中短路创建金属清除例程，并且随后提供等离子激发脉冲，具有或不具有受控的辅助 本底电流。对于解释正常脉冲焊接工艺和图22所示方面之间的差别的目的，使用曲线800 的代表性正常脉冲焊接工艺的参数是有帮助的。峰值电流806具有550安培的值和约2. 0毫秒的时长。本底电流804具有90安 培的水平，同时周期η为约8. 3毫秒。这些参数代表已经如之前描述地那样向其添加了本 发明的各个方面的脉冲焊接工艺。在图22中，在使用短路条件来过渡熔融金属的工艺中使 用本发明的实施方案。由于使用所述实施方案的静态熔池动力特性，所以可以使用该工艺。 图22中新的脉冲焊接工艺由曲线820图示，其中电流脉冲830是以这样的频率提供的，所 述频率被增加至曲线800中所使用频率的两倍。使用该高频率，当与正常的脉冲焊接工艺 相比时，脉冲830之间的周期m可以降低到约4. 3毫秒。被描绘为曲线820的工艺的范本 还具有对正常脉冲焊接曲线800的其他修改。例如，峰值电流减小到一水平，例如475安 培，并且具有缩短的时间1.5毫秒。这些是代表性参数，但是表示脉冲830并不打算真正从焊条分离熔融金属，并且如脉冲802所执行的那样将其推向工件。因此，当焊丝向工件推进时，脉冲830只在焊丝端部形成熔融金属球。由于峰值电流下降，推进焊丝端部的熔融金属 球向熔融金属熔池推进。根据图22所示的本发明实施方案，峰值阶段832之后电流的减小 低于本底电流水平834，直至较低的电流点840。这减小了推进熔融金属球和熔融金属熔池 之间的电弧力量。因此，当熔融金属球向熔融金属熔池移动时，熔池向熔融金属球上升。这 导致点842处的短路。如上所述的那样检测该短路。接着本发明的实施方案创建波形850。 该波形包括脉冲部分852和尖灭部分854。该波形在等离子部分期间发生，此时存在电弧来 起始为下一脉冲830作准备的推进焊丝熔融。如之前描述的，在点842激活清除电路，以提 供具有两个倾斜部分862、864的清除例程。通过使用图22所公开的实施方案，曲线820以 更高频率提供脉冲，并且在脉冲中具有较少能量。在脉冲结束时激活的电路使电弧电流骤 降，以确保短路。因此，实现了短路金属过渡。在实际短路终止之后使用等离子激发波形允 许对该脉冲焊接工艺的使用。之前在本文中关于脉冲序列描述的基本原理可以针对将合金化金属集结、覆盖或 硬质焊敷到母体金属上来提供例如耐腐蚀性或者提供耐磨性的特定应用被调整或改进，所 述脉冲序列包括高峰值脉冲，短接清除段，等离子激发脉冲，和通过短路的金属转移。将合 金化金属集结、覆盖或硬质焊敷到母体金属上的标准实践通常导致太多来自母体金属的掺 合物进入焊接金属。即，母体金属被覆盖或硬质焊敷金属稀释，提供较差的耐腐蚀性或较差 的抗磨性。图28图示用合金化覆盖材料2830覆盖的示例性母体材料2810。在覆盖工艺期 间，在母体材料2810和覆盖材料2830之间产生掺合物层2820。所述覆盖材料例如来自于 焊丝。所得掺合物是源于在覆盖工艺期间覆盖材料和母体金属的反应或者稀释。例如，当用铜-镍合金覆盖钢时，当用传统脉冲机进行时，覆盖可能裂开。这是因 为来自焊条焊丝的铜掺合物与来自铜的铁组合，并且形成裂敏感的合金。通过采用本文描 述的原理来提供具有大幅度脉冲、小幅度本底电流以及特殊短接例程的高频波形，可以解 决生成太多掺合物的问题。从峰值电流水平向本底电流水平的快速转变，连同短接响应和等离子激发脉冲， 降低达到良好金属过渡所要求的热输入。较高的频率还减小焊条和工件之间熔融金属的焊 滴尺寸。从峰值电流水平向本底电流水平的快速转变实质上有助于熔融金属的短路发生在 焊条和工件之间，暂时消除了电弧。传统的方法通过电弧来过渡焊滴。根据本发明的实施 方案，焊滴的大多数在短接发生之前通过电弧过渡。然而，当电流快速降低时，在焊滴完全 从焊条尖端夹断之前，熔池触及焊滴并且创建短接。随后表面张力将焊滴拉入熔池。随后 使用等离子激发脉冲来再次向下推熔池，并且还在焊条上向上推动并且开始在焊条端部创 建下一焊滴。这防止第二次短接发生。如果发生第二次短接，则焊条在其尖端上将不再有 熔融区域，这使得操作不稳定。如本文中关于图24-27描述的方法允许焊滴的最后部分通过低功率短路(即没有 电弧)进行过渡。电压在短接期间为零伏特(或者近零伏特)，并且因此功率为零(或者近 零)。结果是，掺合物减少。图24是由电弧设备所产生的周期性脉冲化波形2400的部分的第一示例性实施方 案的图示，所述电弧设备用于通过将所述波形2400施加到包括合金化金属的推进焊条和包括母体金属的工件之间而以最少掺合物将合金化金属集结、覆盖或者硬质焊敷到母体金 属上。图24示出了可能不发生短接的情况，尽管发生短接在减少或最少化掺合物的应用中 是更期望的结果。波形2400是如所图示的电流波形。波形2400包括具有峰值脉冲电流水平2420的第一峰值脉冲2410。第一峰值脉冲2410具有脉冲持续时间2430，例如，脉冲持续时间 2430被定义为从脉冲开始时刻0到对应于峰值电流水平2420结束的时刻。波形2400的周 期2470定义了波形2400的重复部分之间的时间。还示出了更常规的波形2499 (并不适于 减少掺合物)以用于比较的目的。通过相对于低本底电流水平2460提供高峰值脉冲电流水平2420，波形2400被调 整以在将合金化金属集结、覆盖或者硬质焊敷到母体金属上的应用中使掺合物最少化。波 形2400可以以例如700安培每毫秒的速度朝峰值脉冲电流水平2420升高约半毫秒的时 间。低本底电流水平2460可以比高峰值脉冲电流水平2420的15%低。此外，从峰值脉冲 电流水平2420朝本底电流水平2460的转变可以以至少400安培每毫秒的速度发生。还将 与峰值脉冲电流水平2420相对应的电压水平保持为相对低。此外，脉冲持续时间2430是 周期2470相对小的片段。这种相对小的脉冲持续时间使脉冲中的能量保持为相对低，减小 了热输入，从而获得良好的覆盖过渡并减少掺合物。特别地，脉冲持续时间2430可以比周 期2470的20%短。例如，峰值脉冲电流水平2420在峰值电压水平为24伏特时可以为380安培，本底 电流水平2460可以为45安培。脉冲持续时间2430可以是1. 4毫秒，周期可以为8. 0毫秒。 这种相对小的脉冲持续时间2430和朝本底电流水平的快速转变(例如，以500安培每毫秒 的速度转变)获得期望的结果。在这些条件下，使用由铜/镍制成并且直径约为1.2mm的 焊丝，该焊条的推进速度可以例如是200英寸每分钟或更高。图25是由电弧设备所产生的周期性脉冲化波形2500的部分的第二示例性实施方 案的图示，所述电弧设备用于通过将所述波形2500施加到包括合金化金属的推进焊条和 包括母体金属的工件之间而以最少掺合物将合金化金属集结、覆盖或者硬质焊敷到母体金
jM —t ο同样，波形2500是如所图示的电流波形。波形2500图示了更期望的情况，其中， 在焊条和工件之间发生熔融金属的短接。因为焊条和工件之间的电压变为零，并因此在短 接期间所产生的动力或热量变为零，所以引起短接是期望的，以帮助最少化任何产生的掺 合物。如果焊条上向上推的力(由于电弧电流而产生)小于焊条的向下推的力，则将有发 生短接的趋势。波形2500包括具有峰值脉冲电流水平2520的第一峰值脉冲2510。第一峰值脉冲 2510具有脉冲持续时间2530，例如，脉冲持续时间2530被定义为从脉冲开始时刻0到对应 于峰值脉冲电流水平2520结束的时刻。波形2500还包括短接清除斜坡2540和具有峰值 脉冲幅度2551的等离子激发脉冲2550。波形2500的周期2570定义了波形2500的重复部 分之间的时间。再一次通过相对于低本底电流水平提供高峰值脉冲电流水平2520，波形2500被 调整以在将合金化金属集结、覆盖或者硬质焊敷到母体金属上的应用中减少或最少化掺合 物。波形2500可以以例如700安培每毫秒的速度朝峰值脉冲电流水平2520升高约半毫秒的时间。低本底电流水平可以比高峰值脉冲电流水平2520的15%低。此外，从峰值脉冲电 流水平2520朝本底电流水平的转变可以以至少400安培每毫秒的速度发生。这种快速转变速度促进焊条和工件之间熔融金属的短接的发生。还将与峰值脉 冲电流水平2520相对应的电压水平保持为相对低。此外，脉冲持续时间2530是周期2570 相对小的片段。这种相对小的脉冲持续时间使脉冲中的能量保持为相对低，减小了热输入， 从而获得良好的覆盖过渡并减少掺合物。特别地，脉冲持续时间2530可以比周期2570的 20% 短。
例如，峰值脉冲电流水平2520在峰值电压水平为24伏特时可以为380安培，本底 电流水平2460可以为45安培。然而，当发生短接时，在采用短接清除斜坡2540之前，实际 上可以或者可以不达到本底电流水平。脉冲持续时间2530可以是1. 4毫秒，周期可以为 8. 0毫秒。这种相对小的脉冲持续时间2530和朝本底电流水平的快速转变(例如，以500 安培每毫秒的速度转变)获得期望的结果。在这些条件下，焊条的推进速度可以例如是200 英寸每分钟或更高。图26是在包括合金化金属的推进焊条和包括母体金属的工件之间使用一连串脉 冲来以最少掺合物将合金化金属集结、覆盖或者硬质焊敷到母体金属上的方法2600的示 例性实施方案的流程图。在步骤2610，在维持推进焊条和工件之间的电弧的同时，在第一时 间段(time segment)内增加输出电流水平。电流的快速增加使得迅速开始夹断熔融焊滴， 从而迅速开始金属从焊条到工件的过渡，而不会引入过多热量。在步骤2620，在维持推进焊 条和工件之间的电弧的同时，在第二时间段内将输出电流水平调节到峰值电流水平。在步 骤2630，在尝试诱发推进焊条和工件之间熔融金属的第一短接时，将输出电流水平从峰值 电流水平朝本底电流水平降低。在步骤2640，将输出电流水平调节到本底电流水平。在步 骤2650，确定第一短接发生。在步骤2660，如果已经确定发生了短接，则将输出电流水平坡 升到本底电流水平之上，直到短接被清除。在步骤2670，在第三时间段内使输出电流水平脉 冲化，以防止在将第一短接清除之后立即发生第二短接。对于所述一连串脉冲，可以以预定 义的脉冲重复率重复这些步骤。例如，参照图24-26，电弧设备的输出电流以700安培每毫秒的速度在约0. 5毫秒 (第一时间段)内增加到峰值脉冲电流水平2420，峰值脉冲电流水平2420在约1. 0毫秒 (第二时间段)内被调节到约380安培的峰值电流水平。随后，在尝试诱发推进焊条和工 件之间熔融金属的第一短接时，输出电流水平以基本指数方式迅速降低(例如，每0. 1毫秒 输出电流水平减少一半)。如果本底电流水平2460例如是45安培，则输出电流水平可以 在朝本底电流水平2460降低的大部分过程，降低至例如，约50安培(即，正好高于本底电 流水平)。如果未发生短接，则如图24中所示，输出电流水平被简单地调节到本底电流水 平2460，直到下一峰值脉冲2410出现。将波形的电流水平迅速降至正好高于本底电流水平 (例如，降至50安培)，有助于防止将电流水平调至本底电流水平以下(例如，降至45安培 以下)，这可能导致电弧“弹出”并在集结、覆盖或硬质焊敷过程中造成不期望的影响。通过 例如每十分之一毫秒将电流水平减小10%，可以更缓慢地完成电流水平到本底电流水平的 调节(例如，从50安培到45安培)。如果短接发生并被检测到，则输出电流水平向上坡升2540 (见图25)，直到将短接 清除(即，直到熔融焊滴与焊条尖端分离，并被带入工件上的熔池内)。一旦将短接清除，在约为ο. 3毫秒的第三时间段内将输出电流水平脉冲化，生成具有峰值脉冲幅度2551的等离 子激发脉冲2550。等离子激发脉冲2550防止在发生了第一短接之后马上的同一周期内发 生第二短接，并帮助调节用于下一峰值脉冲的焊条尖端(即，开始熔融焊条的尖端)。同样 地，因为焊条和工件之间的电压变为零，并因此在短接期间所产生的动力或热量变为零，所 以引起短接是期望的，以帮助最少化任何产生的掺合物。图8、图11、图14和图19的任何电弧焊机在这里都可以被修改(例如，被编程) 来实现方法2600。根据其他实施方案，也可以使用这些电弧设备的其他变形。
例如，参照图8，用于在重复周期生成具有峰值脉冲电流水平和比重复周期的 20%短的脉冲持续时间的第一脉冲的装置包括波形生成器50、定时器52和动力变换器10 的组合。用于通过以至少400安培每毫秒的速度将峰值脉冲电流水平大约减小到比峰值脉 冲电流水平的15%低的本底电流水平，来诱发推进焊条和工件之间熔融金属的短接的装置 包括波形生成器50、定时器52和动力变换器10的组合。用于在第一脉冲之后生成短接清除段或斜坡以将所诱发的短接清除的装置包括 电压反馈传感器34、求和电路60、短接响应电路40和动力变换器10的组合。用于在短接 清除斜坡之后生成等离子激发脉冲的装置包括等离子激发轮廓电路350、定时器360和动 力变换器10的组合。用于以对应于重复周期的速率依次重复第一脉冲的生成、诱发短接、 生成短接清除斜坡以及生成等离子激发脉冲的装置包括定时器52。产生的波形(例如2400)的某些特性可能例如由于焊接线缆感生的电感而受焊接 线缆的影响。例如，如果所感生的电感太高，则朝本底电流水平的下降时间可能受不利影响 (即，可能变得太长)。长下降时间导致电流从峰值朝本底值变化的速度降低。因此，当配 置焊接动力源、焊接工具(例如，焊炬和推进焊丝)以及工件之间的焊接电路路径时，应该 要谨慎操作。图27是用于实现图26的方法的电弧设备2700的示例性实施方案的简化功能框 图。电弧焊机2700包括周期性脉冲化波形段生成功能性2710，用于以脉冲重复速度生成 并调节高峰值脉冲电流段和本底电流段。周期性脉冲化波形段功能性2710建立从高峰值 脉冲电流水平到低本底电流水平的快速转变速度。电弧焊机2700还包括短接检测功能 性2720，用于检测焊条和工件之间电弧上的短接；和短接清除段生成功能性2730，用于将 所检测到的短接清除。电弧焊机2700还包括信号求和功能性2740，用于对脉冲化波形段生 成功能性2710和短接清除段生成功能性2730生成的信号进行求和。电弧设备2700还包括等离子激发段生成功能性2750，用于响应于短接的清除而 生成等离子激发脉冲。电弧焊机2700还包括信号切换功能性2760，用于允许来自信号求和 功能性2740的信号和来自等离子激发段生成功能性2750的信号之间的切换。信号切换功 能性2760将切换的信号引导到生成最终合成动力波形(S卩，电流波形)的动力生成功能性 2770，所述合成动力波形在集结、覆盖或硬质焊敷操作期间被提供给焊条和工件。合成动力 波形包括高峰值脉冲段、本底段、短接清除段以及等离子激发段，如本文之前所描述。已经描述了数种脉冲设备和集结、覆盖与硬质焊敷方法。根据制造商和/或使用 者需要，可以组合或排除各种设备和方法的特征。应当预见到，在未呈现技术不一致性的其 他实施方案中，将使用来自一个实施方案的某些修改。概括而言，本文公开了电弧设备和使用电弧设备进行以下操作的方法在包括合金化金属和母体金属的推进焊条和工件之间使用一连串脉冲来将合金化金属集结、覆盖或 者硬质焊敷到母体金属上。该电弧设备中采用的方法提供了高频集结、覆盖或者硬质焊敷 波形，所述波形具有高幅度脉冲、低幅度本底电流和特殊的短接例程，以缓解生成太多掺合 物的问题。高频、从峰值电流水平朝本底电流水平的快速转变，连同短接响应和等离子激发 脉冲，减小了焊滴大小，并且减小了获得良好焊接过渡所需的热量输入。尽管已经参照特定实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进 行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多修改来 使特定情形或材料适用于本发明的教导，而不偏离其范围。因此，并不意图将本发明限制于 所公开的特定实施方案，本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。标号2信号102脉冲3信号104部分4信号106斜坡7信号108部分9信号110线路10动力源或变换器120电压曲线11定时信号122点12输出引线130脉冲14输出引线132线路16电源142信号或斜坡18形状输入150波形信号22分流器150a部分脉冲24线路150b下一脉冲26传感器200焊条28模拟输出或线路202钢套30引线204内芯32引线206保护气体34电压传感器210焊条36检测输出或线路212外套38幅度输出或电平输出214内芯40向应电路220焊丝42输出或线路222保护气体50波形生成器300曲线52定时器302间隔的脉冲或峰值54线路304本底部分56线路306生成部分60加法器或求和节点308生成部分62输出或线路310电压曲线100曲线312检测点
314清除点500电路320激发脉冲502输入322峰值部分504输出324下降沿600激发脉冲326尖灭部分600a轮廓350轮廓电路602脉冲部分352线路604本底部分354输出608重置线路360定时器610部分362线路612时间364线路620中断370开关700预兆电路372接触702输入374中断接触704输出380脉冲710波形382斜坡信号712电弧部分384超时位置714等离子部分390脉冲720脉冲392脉冲730部分400线路732此时起始410波形734倾斜部分412脉冲部分736第二倾斜部分414电流部分742尖灭部分416时间744电流416a新的点800曲线420脉冲802脉冲422线路806电流阶段424 位置810 点426 时间812 点430时间820曲线440轮廓830脉冲455功率波832峰值阶段834电流水平2610步骤842 点2620 步骤850 波形2630 步骤852脉冲部分2640步骤854尖灭部分2650步骤862倾斜部分2660步骤864倾斜部分2670步骤
900脉冲2700电弧焊机902部分2710生成功能性904电流丘2720检测功能性910点2730生成功能性912点2740求和功能性920时延2750生成功能性930激发脉冲2760切换功能性932本底电流2770生成功能性2400脉冲化波形2810母体材料2410峰值脉冲2820掺合物层2420电流水平2830覆盖材料2430脉冲持续时间2460电流水平A电弧焊机2470周期B焊机2499常规波形C焊机2500脉冲化波形D焊机2510峰值脉冲E焊条2520电流水平F焊机2530脉冲持续时间 G间隙或焊机2540清除斜坡M熔融金属或金属球2550等离子激发脉冲P熔池2551幅度R时间2570周期V位置2600方法W工件
权利要求
一种通过在包括合金化金属的推进焊条和包括母体金属的工件之间生成一连串电弧脉冲来以最少掺合物将所述合金化金属覆盖或者硬质焊敷到所述母体金属的方法，所述方法包括(a)在第一时间段增加输出电流水平；(b)在第二时间段将所述输出电流水平调节到峰值电流水平；(c)在尝试诱发所述推进焊条和所述工件之间熔融金属的第一短接时，将所述输出电流水平从峰值电流水平朝本底电流水平降低；(d)将所述输出电流水平调节到所述本底电流水平；(e)确定所述第一短接是否发生；(f)如果已经确定发生了所述短接，则将所述输出电流水平坡升到所述本底电流水平之上，直到所述短接被清除；(g)在第三时间段内使所述输出电流水平脉冲化，以防止在将所述第一短接清除之后直接发生第二短接；以及(h)对于所述一连串脉冲，以预定义的脉冲重复率重复步骤(a)到(g)。
2.如权利要求1的方法，其中所述输出电流水平的所述增加以约700安培每毫秒的速 率发生。
3.如权利要求1或2的方法，其中所述第一时间段约为半毫秒。
4.如权利要求1-3中任一的方法，其中所述峰值电流水平约为380安培。
5.如权利要求1-4中任一的方法，其中所述第二时间段约为一毫秒。
6.如权利要求1-5中任一的方法，其中所述输出电流水平的所述降低以至少400安培 每毫秒的速率发生。
7.如权利要求1-6中任一的方法，其中所述本底电流水平约为45安培。
8.如权利要求1-7中任一的方法，其中所述第三时间段约为三分之一毫秒。
9.如权利要求1-8中任一的方法，其中所述预定义的脉冲重复率约为125赫兹。
10.如权利要求1-9中任一的方法，其中所述推进焊条以至少200英寸每分钟的速率推进。
11.如权利要求1-10中任一的方法，其中所述母体金属包括钢，并且所述合金化金属 包括铜和镍。
12.如权利要求1-11中任一的方法，其中所述第一时间段和所述第二时间段的和小于 所述一连串脉冲的脉冲周期的20%。
13.如权利要求1-12中任一的方法，其中所述本底电流水平低于所述峰值电流水平的 15%。
14.如权利要求1-13中任一的方法，其中与所述峰值电流水平相对应的峰值电压水平 约为24伏特。
15.一种用于通过在包括合金化金属的推进焊条和包括母体金属的工件之间生成一连 串电弧脉冲来以最少掺合物(2820)将所述合金化金属(2830)覆盖或者硬质焊敷到所述母 体金属(2810)的电弧设备，所述电弧设备包括用于生成第一电流脉冲的装置，其中所述第一电流脉冲具有峰值电流水平和脉冲宽度；用于通过以第一速率将所述峰值脉冲电流水平降低到大约本底电流水平来诱发所述推进焊条和所述工件之间熔融金属的第一短接的装置；用于在所述第一电流脉冲之后生成短接清除电流段来清除所述第一诱发短接的装置；用于防止第二短接在所述第一短接之后发生的装置；以及用于以预定义的重复率连续地重复所述第一脉冲的所述生成、所述第一短接的所述诱 发、所述短接清除电流段的所述生成以及对所述第二短接的所述防止的装置。
全文摘要
用于以最少掺合物(2820)将合金化金属集结、覆盖(2830)、结合或盖覆到母体金属(2810)的电弧设备和方法。在电弧设备中采用的方法提供具有高幅度脉冲、低幅度本底电流的高频波形以及特殊的短接例程，以缓解生成太多掺合物的问题。从峰值电流水平向本底电流水平的快速转变，连同短接响应和等离子激发脉冲，减小了焊滴的尺寸，并且降低了实现良好焊接性能所需的热输入。
文档编号B23K9/09GK101808772SQ200880109146
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月11日 优先权日2007年9月26日
发明者B·E·富尔默, J·E·赫恩, M·J·莫洛克, S·R·彼得斯 申请人:林肯环球股份有限公司