电弧引发期间具有受控的焊丝送进速度的焊接系统和相应的焊接方法
【专利摘要】焊接系统（10）包括电源供应器（100）、电气连接到所述电源供应器（100）的炬（70）、提供焊接消耗品（50）至炬（70）的焊丝送进器（30）、与同焊丝送进器和电源供应器（100）相关联的马达（30）通信的控制器（120）。控制器（120）在马达（30）从试运行速度加速至预先设置的速度时获取所述马达（30）的焊丝送进速度并且基于该焊丝送进速度控制供应至所述炬（70）的功率，以减少电弧引发期间的断弧或飞溅。
【专利说明】电弧引发期间具有受控的焊丝送进速度的焊接系统和相应的焊接方法
【技术领域】
[0001]特定实施方案涉及电弧引发期间具有受控的焊丝送进速度以改善焊接的开始的焊接系统。更具体地，特定实施方案涉及对控制器开始焊接工艺的系统、设备和方法，在启动期间，所述控制器控制马达产生已知加速并且基于马达加速和实际焊丝送进速度调节电弧。
【背景技术】
[0002]在弧焊工艺中，存在焊丝送进器马达从试运行速度(run in speed)加速至期望的稳态焊丝送进速度的初始启动段或电弧引发(arc initiation)段。在某些情形下,马达可以从完全停止开始，从而试运行速度为零。在加速至期望的焊丝送进速度时，马达速度从试运行速度朝向期望的焊丝送进速度攀升。一般地，马达将会使期望的焊丝送进速度短时突增(briefly overshoot).因此，对期望的焊丝送进速度来说是关键的电弧通常将在马达攀升时是获得过高功率的(overpowered)或者当马达使焊丝送进速度突增时是获得过低功率的(under powered)。实际影响在于，当电弧是获得过高功率的时，电弧造成焊接材料的飞溅。当相对于焊丝送进速度是过低功率的时，可能出现焊丝断丝。这二者导致电弧引发期间的焊缝的外观和潜在的焊缝质量的缺陷。一旦焊接系统达到稳态并且正以期望的焊丝送进速度操作，则电弧和焊丝送进速度之间的协调基本上被很好地控制，并且引发期间可见的飞溅和断弧(stubbing)的实际问题不太有可能会发生。
[0003]相对于焊接系统的稳态操作，电弧引发段是短暂的，并且可能持续少于14毫秒。这一时间段以实施例的方式被提供，并且不应被认为是限制性的，因为预期的是，电弧引发段的长度可以根据焊接机器和应用而改变。然而，合乎期望的是，尽可能快地创建具有一致外观的高质量焊缝。理想地，电弧和焊丝送进马达在电弧引发期间将被同步来在整个焊接工艺期间产生无瑕焊缝。
【发明内容】
[0004]总的来说，本发明提供焊接系统，所述焊接系统包括电源供应器、由所述电源供应器供电的焊炬(welding torch)以及提供焊接消耗品至炬的焊丝送进器。所述焊接系统还包括连接到焊丝送进器和电源供应器的控制器。控制器在焊丝送进器马达从试运行速度加速至预先设置的速度时从焊丝送进器马达获取焊丝送进速度并且基于该焊丝送进速度控制供应至炬的功率，以减少电弧引发期间的断弧或飞溅。
[0005]本发明进一步提供焊接系统，所述焊接系统包括电源供应器、电气连接到电源供应器的炬以及具有马达的焊丝送进器。焊丝送进器提供焊接消耗品至所述炬并且连接到控制器，所述控制器也连接到电源供应器。该系统的控制器包括用于在马达从试运行速度加速至预先设置的焊丝送进速度时从马达获取焊丝送进速度的装置；以及用于基于焊丝送进速度关联来自电源供应器的功率输出的装置。用于关联的装置从用于获取焊丝送进速度的装置接收焊丝速度信息，从而当马达加速时，用于关联的装置发信号给电源供应器来基于焊丝送进速度生成到所述炬的选择的功率输出。
[0006]根据本发明的一个实施方案，用于在马达加速时获取焊丝送进速度的装置包括从来自马达的反馈确定焊丝送进速度。在一个实施例中，来自马达的反馈可以从监控马达速度或用于送进焊丝的辊子的速度的传感器获取。传感器可以是在本领域中可获得的任何速度传感器，包括，例如编码器。可替换地，如果使用伺服马达，则这一信息可以直接从伺服马达获取。根据本发明的另一实施方案，当马达以公知速率加速时，用于获取焊丝送进速度的装置包括根据时间和加速的已知速率计算焊丝送进速度。为达到这一点，根据本发明的其他实施方案，用于获取的装置可以包括能够执行该计算的处理器或电路。在一个实施方案中，使用积分电路。
[0007]根据本发明的一个实施方案，用于关联的装置包括数据结构，所述数据结构储存针对由控制器获取的给定焊丝送进速度的选择的功率输出，例如电流或电压。根据本发明的另一实施方案，数据结构包括具有多个功率输出的查找表，所述多个功率输出每个对应于一不同的焊丝送进速度，从而控制器基于由控制器获取的焊丝送进速度从查找表生成选择的功率输出。
[0008]本发明还进一步提供在电弧引发期间控制由炬生成的电弧的方法。所述方法包括在电弧引发期间，当焊丝送进器的马达加速时获取焊丝送进速度，并且基于焊丝送进速度关联电源供应器的输出，以在电弧引发期间熔化和施加消耗品而没有断弧或飞溅。
[0009]所要求保护的发明的这些和其他特征以及所要求保护的发明的图示说明的和进一步的实施方案的细节从后面的说明书、权利要求书以及附图将会被更加全面地理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是根据本发明的概念的焊接系统的一个实施方案的示意性框图；
[0011]图2是根据本发明的概念的焊接系统的焊丝送进速度(wire feel speed)相对于时间的曲线图；以及
[0012]图3是根据本发明的概念的系统控制器和马达的示意性框图。
【具体实施方式】
[0013]本文描述的实施方案涉及在电弧引发期间提高焊缝质量的方法、设备和/或系统。电弧引发是焊接消耗品和稳态焊接工艺之间试运行的时间段。一般地，当电弧由焊机建立时开始电弧引发阶段。该阶段由焊接消耗品从可以为零的试运行速度加速至针对给定焊接工艺的期望的稳态焊接速度为特征。针对该工艺的期望的焊丝送进速度可以由使用者或者控制器建立。一般地，试运行速度低于期望的速度，但是马达或许需要减速来获得该期望的速度是可能的，并且因此，加速的速率可以为负的而不是正的。出于简化的缘故，术语“加速”的使用将被理解为是指“加速”或“减速”，并且因此不受限。同样地，尽管电弧引发的实施例被论述，其他阶段可以涉及焊丝送进速度的改变，并且本发明也将会等同地应用到这些阶段。因此，参照电弧引发阶段是一个实施例，不应被认为是限制性的。用于在该阶段期间提高焊缝质量的实施方案将会结合在弧焊工艺中所使用的焊接系统被描述。弧焊系统在焊炬和工件之间施加电流以液化焊接消耗品并且将熔融焊接材料沉积在工件上以形成焊缝。焊接消耗品或焊条可以是任何焊接消耗品，但是出于简化的缘故，在贯穿本篇说明中涉及焊接焊丝，包括将消耗品的速度称为“焊丝送进速度”。然而，这些参考不应被认为是限制性的。
[0014]根据本发明的概念的焊接系统可以与各种各样的焊接工艺结合使用，包括，例如MIG焊接或TIG焊接。这些实施例不被认为是限制性的并且本文将仅进行对焊接系统的一般参考。总的来说，焊接系统可以包括焊接电源供应器，所述焊接电源供应器包括焊丝送进器、电源、炬或枪(gun)、焊丝送进器控制器以及协调这些部件的电源控制器。焊接系统部件可以被提供在单个壳体中或者被围包络(encase)在分开的壳体中。电源供应器可以包括处理和提供焊接电源供应器的输出功率的焊机的功率电路(例如，整流器、开关、变压器、SCR等)。焊接电源供应器的电源控制器可以包括数字和/或模拟电路、分立和/或集成电路、微处理器、DSP等，用来控制焊接工艺的软件、硬件和/或固件，或者诸如电源和/或焊丝送进器的装置。
[0015]为便利操作，针对焊接系统的使用者控制可以被限定为一个针对电弧电压的控制以及另一个针对焊丝送进速度的控制。可以提供附加控制来允许使用者在稳态操作期间更加精确地控制焊接工艺。被提供至使用者的控制水平可以取决于特定应用和对使用者来说几乎是不用双手的自动焊接的期望。由于本发明解决在电弧引发段的焊缝质量，所以稳态焊接工艺期间的控制水平和使用者输入不受限，且在该工艺期间任何水平的使用者控制可以连同本发明的系统一起使用。
[0016]根据本发明的一个实施方案的焊接系统10以示意的方式在图1中被示出并且包括连接到焊炬70的电源供应器100，所述焊炬70被用于朝向工件80递送焊接焊丝50并且生成电弧来熔化焊丝70且将其分布到工件80。焊接焊丝或焊条可以为实心或空心焊条并且可以由适合于给定的焊接应用的任何材料构成。在用于生成图2-图3的示例的焊条中，使用实心低碳焊丝。焊丝的直径可以根据给定的应用而变化。在实施例中，焊丝具有约
0.035英寸的直径。如所指出的，焊接焊丝的成分、类型和直径可以针对特定焊接操作被选择或者被选择来适合特定类型的工件。焊条的特性不限于本发明的上下文环境。
[0017]电源供应器100可以具有在本领域中常用的任何类型并且可以被设计来针对给定的焊接应用生成适合的电压。通常的焊接电源供应器能够生成120或240的电压并且可以根据特定焊接应用供应任何类型的电流波形。电源100可以被提供以通/断(on/off)开关110来激活(activate)和无效(deactivate)弧焊机或炬70的电源供应。电源供应器100可以决定(condition)从市政或引擎驱动的电源供应器供应的功率以产生可被焊接工艺使用的输出功率。为达到这一点，电源供应器100可以包括一个或更多个变压器组件或功率调节器(未示出)并且可以由调整功率调节部件的输出侧的电源供应器控制器90控制。电源供应器100的负端子104可以通过夹子或其他装置连接到工件80，正端子102连接到炬70来在炬70和工件80之间生成电弧。
[0018]系统可以包括焊丝送进器来供应焊接焊丝到炬。焊丝送进器可以是附接到炬70的内部焊丝送进器。可替换地，可以使用没有被附接到炬70的外部焊丝送进器。焊丝供应器40可以被提供在焊丝送进器60中或者焊接焊丝50可以被牵拉(draw)到送进器60中。供应器的类型可以取决于所使用的消耗品的类型。在图1中图示说明的实施例中，焊丝供应器40包括包含焊接焊丝的线轴或卷筒。焊丝送进器60可以包括用来从焊丝供应器40牵拉焊丝50并将其送进至炬70的一对辊子。至少一个辊子通过马达30的操作被转动。
[0019]在所示的实施方案中，焊丝送进器60包括可以推动或拉动焊丝50的马达30，从而在操作期间焊丝50相对于工件80的位置可以被调节。焊丝50的推-拉通过改变辊子中的一个或更多个的转动方向来实现。可以通过齿轮、传送带或类似设备或者通过改变马达30处的转动方向来在这些辊子处实现这一点。在所示的实施例中，马达30是伺服控制的马达。
[0020]焊接系统包括系统控制器120，所述系统控制器120可以为单独的单元(standalone unit)或者与系统的一部件集成为一体的,所述系统的一部件与系统的其他部件一起被安装在壳体内。控制器120可以由与用于焊接系统的电源供应器相同的电源供应器供电，或者具有单独的电源供应器。控制器120与马达30连通来从马达接收表示实际焊丝送进速度的信号。控制器120还可以与马达30通信来控制马达的操作。控制器120和马达30之间的连通可以在有线或无线连接122上来进行。在所示的实施例中，为从试运行速度运动至期望的焊丝送进速度(预先设置的)，控制器120可以发送使得马达30以已知速率加速的信号至马达30。如图3中所描绘的，该速率可以为恒定速率，从而如下面更加完整描述的，从试运行焊丝送进速度至预先设置的焊丝送进速度的焊丝送进速度中的变化是接近线性的。
[0021]预先设置的或期望的稳态焊丝送进速度是已知的并且可以被建立作为控制器120中的工作点(work point)。为获取该预先设置的焊丝送进速度，马达30必须从试运行速度加速至预先设置的焊丝送进速度。这通常导致当马达加速时，马达使得期望的焊丝送进速度产生某种突增。马达的加速特性通常是因马达而异的，从而加速速率和突增的量无法被适当地预测。因此，焊缝的质量可能会受到影响。
[0022]如在图2中最佳地示出的，本发明的焊接系统在电弧引发期间通过建立更接近于电弧引发期间的实际焊丝送进速度的电弧工作点(虚线)而提高焊缝的质量。为获得针对电弧的工作点值和电弧引发期间的实际焊丝送进速度之间的更好的关联，根据本发明的一个实施方案，来自马达30的反馈被用来确定实际焊丝送进速度并且供应该实际焊丝送进速度至控制器120。在电弧引发工艺期间在给定的时刻使用实际焊丝送进速度，针对电弧选择工作点值。针对每个焊丝送进速度的工作点值可以被储存在控制器120中的存储器内。在一个实施方案中，下面更加完整地描述，控制器120中的存储器包括查找表来确定来自控制器120的基于在马达30处所检测的焊丝送进速度建立电弧电压的输出信号。来自马达30的送进速度可以由监控马达速度的速度传感器35提供。速度传感器35可以为任何适合的传感器，包括，例如键合到马达30的驱动轴的解码器。就焊丝的速度不同于马达30的速度来说，成比例的差可以被速度传感器35考虑或者被编程到控制器120中。以这种方式，传感器35提供来自马达30的反馈。
[0023]根据本发明的另一实施方案，控制器120提供信号至马达30来使马达以已知缓变率(ramp rate)从试运行速度加速至预先设置的送进速度。如图2中所示的，控制器120可以提供恒定的缓变率，从而马达30展现出焊丝送进速度从试运行焊丝送进速度至预先设置的焊丝送进速度的线性增加。为在电弧引发期间使电弧与焊丝送进速度关联，该已知缓变率可以被用来针对电弧引发阶段的给定时间确定实际焊丝送进速度。为达到这一点，可以进行已知加速的积分来提供实际焊丝送进速度。如在先前实施方案中的，控制器120可以包括在电弧引发期间针对每个对应焊丝送进速度的电弧电压的工作点值，并且对应于实际焊丝送进速度或已知缓变率的电弧电压信号可以从控制器被发送。
[0024]在这些实施方案的任一个中，为进一步改进电弧引发，控制器120可以建立试运行速度。为达到这一点，控制器120可以建立较慢的试运行速度来允许与所检测的焊丝送进速度关联得更好。可替换地，使用已知试运行速度便利从试运行速度至预先设置的焊丝送进速度的缓变率计算。马达30的加速可以被控制为以低于马达30的完全加速能力的速率进行。
[0025]在一个实施方案中，控制器120包括工作点查找表，所述工作点查找表建立被递送至炬的对应于焊丝送进速度的电流或电压(如所示)。如上面所论述的，来自马达30的反馈可以被用来确定实际焊丝送进速度或者当马达30以给定速率被加速时，可以执行积分来建立焊丝送进速度并且提供该信息来从查找表确定适当的电压。为达到这一点，控制器120可以被提供以处理器125 (图3)或者执行这一计算的其他部件，例如积分电路。控制器120还可以包括存储器130，所述存储器130储存用来针对给定的焊丝送进速度生成选择的电弧的电流或电压值。这些值可以以任一方式来储存。在所示的实施例中，针对给定的焊丝送进速度的选择的功率输出被储存作为工作点。电弧工作点和对应的焊丝送进速度值可以被储存在查找表或其他数据结构135中。一旦从马达30接收实际焊丝送进速度或一旦从马达的加速计算出瞬时焊丝送进速度，则工作点的值被更新且基于焊丝送进速度被控制的电弧电压使这些值实时关联。通过使电弧与实际焊丝送进速度关联，在电弧引发期间实现更好的电弧同步，降低飞溅或断弧的可能性。
[0026]尽管本申请所要求保护的主题内容已经参照特定实施方案被描述，本领域技术人员将理解的是，可以进行各种改变并且可以以等同形式进行替换，而不脱离所要求保护的主题内容的范围。此外，可以对所要求保护的主题内容的教导进行许多变通来适应特定情形或材料而不脱离其范围。因此，意图的是，所要求保护的主题内容不限于所公开的特定实施方案，而所要求保护的主题内容将包括落入所附的权利要求书的范围的所有实施方案。
[0027]参考编号:
[0028]10焊接系统
30马达
35速度传感器
40焊丝供应器
50焊接焊丝
60焊丝送进器
70焊炬
80工件
90电源供应器控制器
100电源供应器
102正端子
104负端子
110开关
120系统控制器
122无线连接
125处理器
130存储器
135数据结构
【权利要求】
1.一种焊接系统(10)，所述焊接系统(10)包括: 电源供应器(100); 电气连接到所述电源供应器(100)的炬(70)； 具有马达(30)的焊丝送进器(60)，所述焊丝送进器(60)提供焊接消耗品(50)，例如焊接焊丝，至所述炬； 控制器，所述控制器与所述马达(30)和所述电源供应器(100)连通； 其中所述控制器在所述马达(30)从试运行速度加速至预先设置的速度时获取所述马达(30)的焊丝送进速度并且基于所述焊丝送进速度控制供应至所述炬(70)的功率。
2.如权利要求1的焊接系统，其中所述控制器从来自所述马达(30)的反馈获取所述焊丝送进速度。
3.如权利要求1的焊接系统，其中所述控制器使所述马达(30)以已知速率从试运行速度加速至预先设置的速度并且在所述马达(30)由所述已知速率从所述试运行速度加速至所述预先设置的速度时计算所述焊丝送进速度。
4.如权利要求1至3中的一项的焊接系统，其中所述控制器以已知的试运行速度操作所述马达(30)，其中所述已知的试运行速度优选地不大于约每分钟30英寸(76.2cm/分钟)。
5.如权利要求1至4中的一项的焊接系统，其中所述马达(30)是伺服马达。
6.如权利要求1至5中的一项的焊接系统，其中所述焊丝送进器(60)被调适来使焊接消耗品(50)前进和缩回。
7.如权利要求1至6中的一项的焊接系统，其中所述预先设置的速度是至少约每分钟300 英寸(76.2cm/分钟)。
8.如权利要求1至7中的一项的焊接系统，其中所述控制器在所述马达(30)加速时实时获取所述马达(30)的所述焊丝送进速度。
9.如权利要求1至8中的一项的焊接系统，其中所述控制器包括储存对应于多个焊丝送进速度的多个电压或电流的存储器(130)，其中所述控制器基于所述马达(30)的所述焊丝送进速度将所述多个电压或电流中的一个输出至所述炬(70 )。
10.如权利要求1至9中的一项的焊接系统，其中所述控制器包括查找表，所述查找表基于由所述控制器从所述马达(30)获取的焊丝送进速度分配要被输出至所述炬(70)的电压或电流。
11.一种焊接系统，在所述焊接系统(10)中，所述焊接系统(10)包括电源供应器(100)、电气连接到所述电源供应器(100)的炬(70)、具有马达(30)焊丝送进器(60)，所述焊丝送进器(60)提供焊接消耗品(50)至所述炬(70)，以及与所述焊丝送进器(60)和所述电源供应器(100)连通的控制器，所述控制器包括: 用于在马达(30)从试运行速度加速至预先设置的焊丝送进速度时从所述马达(30)获取焊丝送进速度的装置；以及 用于关联来自电源供应器(100)的功率输出的装置，所述用于关联的装置与所述电源供应器(100)、所述炬(70)和所述用于获取所述焊丝送进速度的装置连通，其中当所述马达(30)加速时，所述用于关联的装置与所述用于获取的装置和所述电源供应器(100)通信，以基于所述焊丝送进速度生成到所述炬(70)的选择的功率输出。
12.如权利要求11的焊接系统，其中所述用于获取焊丝送进速度的装置包括当所述马达(30)加速时测量实际焊丝送进速度的传感器。
13.如权利要求11或12的焊接系统，其中所述控制器与所述马达(30)连通并且控制所述马达(30)以已知速率从所述试运行速度至所述预先设置的焊丝送进速度的加速；并且其中所述用于获取焊丝送进速度的装置包括用于从所述已知速率计算所述焊丝送进速度的装置，其中所述用于计算的装置优选地包括积分电路。
14.如权利要求11-13中的一项的焊接系统，其中所述用于当所述马达(30)从所述试运行速度加速至所述预先设置的速度时获取所述焊丝送进速度的装置实时获取所述焊丝送进速度。
15.一种方法，在特别地根据前述权利要求中的一项的焊接系统(10)中，所述焊接系统(10)具有电源供应器(100)、炬(70)以及具有马达(30)的焊丝送进器(60)，其中所述焊丝送进器(60)提供焊接消耗品(50)至所述炬(70)，所述方法在电弧引发期间控制由所述炬生成的电弧，所述方法包括: 在电弧引发期间，当所述焊丝送进器(60)的所述马达(30)加速时获取焊丝送进速度； 基于所述焊丝送进速度关联所述电源供应器(100)的输出，以在电弧引发期间熔化和施加所述消耗品而没有断弧或飞溅，其中所述获取的步骤可以包括测量所述马达处的所述焊丝送进速度；和/或 其中所述获取的步骤可以包括在电弧引发期间以已知速率控制所述马达的加速，并且根据时间和所述已知速 率计算所述焊丝送进速度。
【文档编号】B23K9/095GK103764330SQ201280040989
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年6月22日 优先权日:2011年6月23日
【发明者】E·阿什, W·T·梅休斯, J·E·赫恩 申请人:林肯环球股份有限公司