专利名称：焊接系统及方法
技术领域：
本发明涉及大致而言本发明涉及金属焊接装置及方法，特别是一种焊接系统及方法，其可供迅速、容易且准确地作垂直焊接且使用重量轻的便携型焊接夹具及分布式控制系统因而允许操作员控制焊接过程的电弧电压、电极摆动、焊丝供给速率、焊缝跟踪及其它功能。
背景技术：
说明当使用电弧或气体焊接技术将金属零件焊接在一起时，传统上水平焊接比垂直焊接较容易进行且较廉价。当使用已知焊接方法或焊接板共同于水平位置焊接金属基材时，重力有助于保持焊接熔池定位且辅助形成高品质焊缝。金属基材的垂直焊接较难以控制焊接熔池，相对地焊接较为昂贵且执行上较为费时。由于这些理由，因此结构钢制造商在焊接期间将金属基材水平放置以避免垂直焊接。
在制造垂直焊接时将板焊接于钢制工字梁或工字柱用于建筑物时，问题特别显著。这些加强板用于当水平柱焊接于其上时通过垂直柱移转负载力矩。加强板焊接至结构梁为最常见的焊接操作之一，对典型结构钢制造商而言，每年消耗数千人工小时。加强板被焊接至柱的腹板及凸缘，焊接位置为柱的腹板及凸缘的法线位置。如此焊接连结加强板至腹板与加强板接合凸缘的焊缝成直角，如欲完成全部焊接，焊接工人必须连续重新定位相当重的钢梁来维持各焊缝的水平位置或者必须进行困难的垂直焊接。
至目前为止最常见的焊接加强板至梁或柱的方法通过使用已知“焊剂中心”焊接方法。焊剂中心焊接通常涉及使用焊剂中心的焊丝将焊接接头填补以焊接金属。焊丝由扁平金属条制成其被拉伸成为中空管，内部填补粉状焊剂材料并卷于卷轴上。焊接过程中，焊丝由卷轴解卷并靠由软式缆线或导管利用焊丝供给装置供给至焊枪。当操作员扣下焊枪的扳机时，焊丝由焊枪送出并撞击待焊接的母材上的电弧。电弧能熔化焊丝及母材而形成熔合焊丝与母材的均质焊缝。
为了使用焊剂中心焊接来将加强板焊接至柱上，加强板及焊接接合头必须适当准备而使焊接满足AWS(美国焊接学会)规定要求。通常首先由标准钢板切下加强板，然后于三边作斜向切割与研磨清洁而去除任何钢屑。支持杆在焊接过程固定熔融金属随后准备用于嵌合作业，其中加强板仔细地相对于柱定位。进行嵌合作业的操作员必须焊接加强及支持杆至柱，故介于加强板与柱母材间恒常保持于3/8英寸间隙。若间隙过窄则加强板必须研磨至可达适当间隙为止。若间隙过宽，则焊接需要填补更多金属(如此需要更多次焊接回合)。许多焊接或建筑法规要求支持杆于加强板已经焊接定位之后去除。但此种去除困难且昂贵，通常要求使用碳弧凿开支持杆，接着作额外多次焊接来填补被凿开区。
小型结构钢制造商通常使用焊剂中心焊丝将加强板焊接于柱，同时柱水平置于二直立支持件间，柱于各次焊接时连续轻拍或重新定位以防垂直焊接。因柱通常相当重故需要吊车来举高柱重新定位。此种过程极为耗时且昂贵。此外需要多次焊接才能填补各焊接接合头，若加强板较厚则需要更多次焊接回合。于各次焊接后操作员于下次焊接之前须暂停而去除覆盖于焊接处的熔渣。若有任何缺陷，则缺陷必须使用碳弧凿开重新焊接。
较大型结构钢制造商偶尔使用“凹坑焊接”或“平台焊接”用于安装加强板，其中柱垂直定位，焊接接头的全部三边皆为水平或平坦“猪食槽”位置。由于柱为垂直，加强板为水平故三边的焊接皆于水平位置进行。此种配置也允许于焊接过程有更大的熔池，填补各焊接头需要的焊接次数减少。但垂直取向柱的处理及定位困难且需要吊车及使用凹坑及/或平台，如此要求更大的工作空间。进一步由于使用凹坑或平台焊接技术时，焊接操作位置通常并非于地面或地板高度，故焊接操作员于焊接操作期间需要不变或危险地站在平台或梯阶上。
曾经开发称作“电渣”焊接(ESW)的垂直焊接技术来克服重新定位柱或其它重型基材以便允许水平焊接的相关困难。电渣方法通常涉及将二垂直定向板或基材两端拉在一起，而板两端间保持3/4英寸至1英寸间隙。然后铜焊靴置于间隙各边形成板与焊靴间的垂直通道或腔穴。腔穴内部经由将钢导管置于腔穴内而把焊丝供给到通道内使腔穴内由焊接金属填补。当焊丝供给超出导管底端之外时，电弧作用于母材形成焊接熔池。焊接过程粒状焊剂材料喷洒于通道内部且熔化形成导电熔渣。电弧由导电熔渣熄灭，由于电流通过焊丝与基材产生电阻故导电熔渣保持熔融。由熔融熔渣电阻产生的热熔化焊丝及熔合熔融金属至基材而形成焊缝。焊丝连续供给焊接处，同时导管在腔穴内部摆动或往复，腔穴内部以熔融金属填补而将板接合在一起。导管为消耗品可促成焊接金属。铜靴将焊接熔池固定定位而于焊接完成时移开铜靴。电渣焊接的完整说明可参考美国焊接学会《焊接手册》第八版，并述于此以供参考。
虽然电渣方法允许垂直焊接，但由于焊接前需要相当长架设时间故过去无法获得相当成功。特别是铜靴环绕待焊接的基材中间间隙定位及牢固固定困难且费时。以电渣焊接加强板于柱为例，通常必须切割L型架并焊接于凸缘与加强板间的定位以便支持铜靴，且每个焊接处需要两个L型架。于L型架焊接定位后，钢楔形件敲入L型架与铜靴间定位以便保持铜靴定位。当焊接结束时又须移开L型架。
已知电渣焊接的另一缺点为导管必须小心定位于待焊接间隙内部，需要审慎对正焊接头及焊接摆动器机构。导管未准确对正可能导致于焊接过程导管接触铜靴，造成500安培的短路，通常摧毁(昂贵的)铜焊靴且使焊接过程中断。任何电渣焊接操作的中断皆极为不便，通常需要挖出不完整的焊缝而重新开始整个作业。
已知电渣焊接的另一缺点为焊接腔穴的熔融焊剂熔池造成焊丝于焊接过程熔合于导管底部，妨碍焊丝供给入焊接处。需要中断焊接过程移开铜靴，清洁焊接区或研磨来重新开始焊接。如前述电渣焊接的中断需要昂贵且费时的清除未完成的焊接接着整个重新开始焊接过程。
曾经开发焊接控制器或控制系统来辅助通过控制焊丝供给速率及摆动来辅助电渣焊接，但许多控制器体积庞大笨重，且典型只能提供一型焊接条件。若于焊接过程中焊接条件改变则焊接发生瑕疵或对其中一铜焊靴造成灾难性短路。因此理由故证实用电渣焊接加强板于柱不经济，焊接业仍然持续使用焊剂中心的焊丝焊接方法。进一步，先前已知的焊接控制系统系基于具有星形拓朴学的集中控制架构。此种控制系统通常无法扩充或不适合焊接操作的变化需求或不同类型。通常必须重新设计及修改中央处理器板来满足此种系统的需求。
因此，需要有一种焊接系统及方法，其可克服目前使用的焊剂中心焊丝焊接及电渣焊接方法的相关缺点，可免除于焊接操作期间需要频繁重新定位笨重的钢柱或其它基材，因此允许最少的架设时间快速且容易地作垂直焊接，可使用轻的便携型设备，可避免非期望的焊接操作中断，以及可提供分布式控制系统来允许于多种不同焊接条件下无瑕疵的焊接。本发明可满足这些及其它需求，且大致而言可克服已知电渣焊接及焊剂中心焊丝焊接方法的缺陷以及先前技术的缺点。
发明概述本发明为一种焊接系统及方法，其允许于各种条件下快速且容易地进行高品质垂直焊接而无需昂贵的架设时间或使用笨重的设备。大致而言，本发明的系统包含一便携型焊接夹具，具有可调节式定位一对焊靴使之环绕焊接中心点的装置，一可更换式焊炬及一摆动器可拆式联接于焊接夹具，一旋转式焊丝供给器及矫直器，一焊剂配桨器，及一分布式控制系统，该系统允许操作员控制电弧供电、电极摆动、焊丝供给速率、焊剂分配速率、焊缝跟踪及其它功能。焊接系统优选包括一有活接头的多节吊杆或杆其允许快速容易地相对于大型工件或基材定位焊接夹具。焊接夹具通常结合活接头吊杆末端，焊丝供给器/矫直器、焊剂分配器及焊丝来源例如焊丝卷轴优选位于活接头吊杆上。
举例言之但非限制性，焊接夹具包括一对活动式相对的焊靴，定位焊靴环绕一中心点或中心线的装置，支持摆动器及焊炬的装置，及可拆式联接夹具于工件的装置。定位装置优选包含一对活动杆，其螺纹连接安装于左/右带螺纹的定位螺杆上。焊靴以相对关系安装于活动杆上，借助转动一钮结旋转定位螺杆使杆及焊接靴随旋转方向结合或分离。焊靴及活动杆优选以中心线为轴对称移动，故于位置调节期间焊靴保持距离中心线等距。工件联接装置优选包含一或多个手动螺丝夹或锁紧螺丝，其可拆式附接或夹钳于工件，且于焊接操作期间牢固夹持焊接夹具于工件上。设置多架螺杆允许调节夹具相对于工件的接触压及对正。摆动器支持装置优选包含一托架其容纳可拆式且可更换的摆动器装置。焊炬联接至摆动器且大致至正介于两相对焊靴与活动杆间的中心线。焊炬支持一导管及焊丝其大致毗邻焊靴与活动杆间的中心线。焊炬及摆动器定位于焊接夹具上，故导管及焊丝大致位于两相对焊靴间的中心线或中轴。优选焊靴由同等金属或金属合金制成。焊靴优选为水冷式或气冷式，且包括绝缘陶瓷涂层于各焊靴的一或多面上。焊靴另可未含绝缘涂层。焊接夹具轻薄短小，优选为50磅以下且易由单人操控。
本发明的焊炬包括防止焊丝粘合或熔合于导管末端因而必须中断焊接操作的装置。焊炬优选包含中心管，它滑动式安装于外管内，弹簧施加向上偏压于中心管，及一夹头可松开式夹持导管套于中心管上。中心管利用一或多个直线轴承滑动式安装于外管内部。弹簧提供向上方向的偏压给中心管。软导线电连接中心管至焊接电源电缆。焊丝由焊丝供给器供给，向下通过柔性导管经由焊炬进入导管内部。焊炬的构造及配置可容纳双重导管，且允许二焊丝同时被导引通过焊炬。
用于焊炬的导管可为圆形导管或翼形导管，其构造及配置可使焊弧能量展开于焊接的宽度。翼形导管包含一对相对的细长板，各板有一纵通道介于板末端间伸展。板与彼此相对的通道接合在一起而使通道构成焊丝的导管，及板边缘界定翼部。
本发明的摆动器优选包含一对细长平行轴，旋转式安装于壳体内部，有一对线性致动器或滑块，活动式安装于轴上，且还有使致动器于轴旋转时沿着轴作纵向方向移动的装置。设置马达等驱动装置来旋转轴及驱动线性致动器。监测线性致动器移动的装置包括在摆动器，且优选包含一编码器，其可计数轴或马达的旋转且通讯编码器计数脉冲至本发明的控制系统。摆动器的第一实施例中，转轴光滑，各线性致动器包括多个倾斜滚轴，其于轴旋转时沿轴推进线性致动器。线性或正交编码器优选包含在线性致动器的一或二者来监测倾斜滚轴的旋转并矫正倾斜滚轴与转轴间的滑脱。摆动方式以选定的转速旋转式驱动主轴，且于选定期间后定期逆旋转方向而提供摆动运动给线性致动器。控制摆动幅度及时间的装置以可拆式控制模块结合本发明的控制系统提供。板联接至线性致动器，随同线性致动器移动。焊炬联接至板且连同线性致动器及板的运动而摆动。摆动器借助托架可拆式联接至焊接夹具。
摆动器的替代实施例中，转轴螺纹连接而提供引导螺杆，线性致动器各自包括一内螺纹塑胶螺母，其允许线性致动器于旋转期间沿着轴或引导螺杆前进。滚针轴承定位于内螺纹塑胶螺母任一边。引导螺杆经过精密研磨而于引导螺杆之外座圈提供平坦面。引导螺杆的精密研磨进一步提供轴承嵌合因此滚针轴承可跨骑于各引导螺杆的外表面上。此种配置允许滚针轴承承载比塑胶承载螺母本身更重的负载。编码器跟踪驱动马达的转动。
本发明的焊丝供给器及矫直器为旋转式直线供给器，包括当焊丝由卷轴或线圈上解卷时由焊丝去除“浇铸”(cast)及“螺旋”的装置且将焊丝供给至焊炬。旋转式直线供给器包括两组斜置轴承，安装于转子壳体或本体。各组轴承包括三根轴承，其于横向方向隔开环绕沿转子本体纵轴伸展的一孔，各轴承各自相对于该纵轴倾斜或歪斜45度角。焊丝穿过转子本体的孔，焊丝接触两组轴承的轴承。当转子本体旋转时，轴承施力于焊丝而推动焊丝前进。调节式偏置轴承设置于转子壳体中，介于两组转子间。当转子本体转动时，偏置轴承于斜置轴承的作用下前进，通过转子本体且弯曲与拉直焊丝。
本发明的分布式控制系统优选包含多个控制模块，各自有一操作员界面及多个模块有一总线。控制模块优选与通讯缆线及电源电缆串联成为网络。各控制模块包括一局部微控制器其控制模块功能。操作员界面包括数据登录模块或操作员控制面板带有一或多个旋转控制钮，它们由数字编码器监控。控制钮附接于人工定位编码器轴，且执行相当于电位计在模拟控制系统中的功能。编码器优选成形、安装且类似电位计般转动。操作员控制面板允许设定“最初”，“程序化”及“最终”焊接条件，下文详述。其它控制模块包含摆动器控制器，旋转式直线供给器的伺服放大或线供给控制器，及焊接电源控制器。
控制系统包括网络软件，可供系统的不同模块间通讯。软件提供一主从系统带有通讯错误检测。操作员界面作为系统的主单元，而其他模块作为从单元，其可于特定模块需要来自另一模块的控制信息时接收通讯。网络通讯使用EIA RS-485信号及标准8位NRZ ASCⅡ码集合。每一位都以单一开始位及单一中止位编码而无例外。来自各控制模块的特征信息可通讯回操作员控制模块并于LCD等显示器上显示给操作员。使用如本发明提供的多控制模块允许操作员控制模块变得相当小型而可携带，原因为各个模块即可进行各分开功能的控制作业。
控制系统包括对使用本发明的焊接系统进行各焊接关联的全部焊接参数产生数字数据记录的装置。优选操作员控制面板包括一串行口其允许个人电脑或简单数据储存装置例如快闪存储卡或软磁盘机作界面。操作员输入的全部焊接参数可由控制系统监督及控制并显示于操作员面板上，这些焊接参数可下载至外部个人电脑或储存于快闪存储卡或软盘供未来评估。靠此方式可迅速容易地对利用本发明进行的各次焊接进行详细记录且方便供未来使用。
焊接夹具优选结合可伸展的活接头吊杆末端或活接头吊杆，其允许伸展式相对于大型工件如建筑物的钢梁或钢柱活接头式定位夹具。活接头吊杆以枢接式安装于底部，优选包含多个枢接式接合段其可视需要枢转及伸缩或折叠而定位杆末端。柔性电弧缆线及冷却水供给软管沿着活接头吊杆前进提供电源给焊炬及冷却水给焊靴。夹具优选借助链绳或缆绳附接于活接头吊杆末端，当夹具未附接于或停靠于工件上时链绳或缆绳可支撑夹具重量。
本发明系统优选包括焊剂分配器，以提供焊剂给焊接位置。焊剂分配器优选包含焊剂料斗及输入滴管，其可借助重力供给焊剂粉末至大致水平取向的传动带。传动带位于带壳体的凹部或腔穴内。当带于马达作用下转动时，焊剂由带输送并滴落入带壳体的凹部及移动至凹部底部。一或多根输出滴管与凹部底部连通且利用重力将焊剂输送至焊接位置。焊剂分配速率可视需要靠增减驱动马达的转速而增减，如此改变传动带移动速率。焊剂分配器可安装于本发明的活接头吊杆上，可拆地结合焊接夹具，或可由靠近焊接操作的外部支持件夹持。
本发明使用的焊丝包含约0.0001％至约0.05％硼，及/或约0.001至约0.08％镍。焊丝所含硼比已知焊丝组合物制成的焊接具有更高焊接强度。
使用本发明的焊接系统的方法通常包含下列步骤相对于工件定位可伸展杆，定位焊接夹具于工件上，牢固固定焊接夹具于工件，相对于中心点调节两相对焊靴位置而毗邻工件界定一焊穴，拉直焊丝及供给焊丝至焊炬，通过导管，提供摆动运动给焊炬，撞击电弧引发焊接，焊接期间添加焊剂至焊穴。使用本发明方法也优选包含下列步骤由操作员界面控制模块控制弧电压及弧电流，由操作员控制模块控制摆动周期及幅度，及由操作员控制模块控制焊丝供给速率。
使用本发明的系统及方法焊接加强板至工字梁时，工字梁水平跨至地板高度的支持件上，梁的腹板大致平行地面，梁的凸缘大致垂直地面。加强板切割而嵌合于二凸缘间，介于加强板侧缘与工字梁的凸缘问保留适当间隙如3/4英寸至1英寸，毗邻工字梁腹板的板下缘倾斜，加强板使用已知焊剂中心焊丝焊接技术焊接至腹板，原因为加强板及腹板为水平取向。
水平焊接加强板至腹板后，焊接操作员将焊接夹具定位于工字梁上，二焊靴间的中心线大致定位于接近加强板边缘之一与毗邻梁凸缘间的间隙中央。其次焊接夹具用手工致动夹紧或锁紧螺丝牢固固定于梁。然后定位螺杆借转动钮或轮而使焊靴毗邻间隙因而界定一垂直焊穴，导管及焊丝大致位于焊穴的沿中心线中心。焊靴的绝缘面面对焊穴，冷却水或冷却空气循环通过焊靴。来自焊剂分配器的滴管位于焊穴上方。操作员预设电弧电压、电弧电流、焊丝供给速率及摆动器设定值于操作员控制面板。焊接程序变量或参数已经输入操作员控制面板后，操作员激发一个“周期开始”钮而激活初始焊接条件，持续至熔融焊剂形成于焊接处为止。于激发“周期开始”钮后，焊丝前进接触基底金属并撞击电弧，同时焊炬及导管随焊穴内部的预定设定值摆动。焊接操作期间焊剂以预定速率由焊剂分配器分配至焊穴。然后控制系统切换至主焊接或程序化焊接条件直至操作员激发操作员控制面板上的“周期中止”按钮为止。在程序化焊接条件下，焊丝及导管大致被消耗且填补于焊穴形成焊缝，连结凸缘与加强板边缘或边。“周期停止”钮引发最终焊接条件。结合控制系统的定时器维持预设参数于最终焊接条件直到电源接触器下降而终止电弧以及焊丝供给停止为止。如此完成焊接时，铜焊靴被拉离，夹具脱离且移至加强板的相反端，重复前述过程将加强板的相反端焊接于相反凸缘。焊接操作员记录焊接周期的全部细节于快闪存储卡或软盘或其它记录媒体以供未来使用。
当加强板的二缘或二边已经如前述焊接至梁的两相对凸缘时，夹具移动至梁的另一位置将另一片加强板焊接其上，或梁可旋转180度而将加强板焊接至梁另一侧。无需支持杆或撑杆于垂直焊接过程将加强板或焊靴夹持定位，各次焊接的整个组装过程通常需时少于二一分钟。无须重新定位笨重的工字梁来作焊接。原因为焊接夹具及操作员控制模块重量轻且可携带，单一操作员即可操作本发明的焊接系统并在相当短时间内架设多片加强板于工字梁。铜焊靴上的绝缘涂层可防止如先前使用的电渣焊接技术发生导管对铜靴的灾难性短路。本发明的焊炬可防止焊丝意外熔合于导管末端，原因为由线矫直/供给器施加到焊丝上的向下力压迫导管的末端进入焊接的熔融焊剂内，使焊丝熔化且不会熔合导管。控制系统允许记录各次焊接涉及的全部焊接参数。
前述程序用于安装加强板至工字梁的变化例中，首先于工字梁腹板切一开槽，准备一加强板其尺寸为当对中放置于开槽时，加强板由工字梁两边的腹板向外伸展。如此单一板对腹板两边提供加强，梁本身于整个焊接操作期间仅须移动一次。使用此种方法，板使用两次加强板至凸缘焊接及两次加强板至腹板焊接而接合至梁。当无法接受加强板至腹板焊接时，腹板可单一倾斜任一边，而由第一或第二边使用焊剂中心焊丝水平焊接。垂直加强板至凸缘焊接可使用本发明的系统进行，进行方式大致如前述。
本发明系统也优选包括一焊靴加强件夹紧总成用于前述加强板的安装，其中于工字梁的腹板切一开槽。焊靴加强件夹紧总成大致包含第一对及第二对焊靴，相对于彼此定位调节第一对焊靴的装置，相对于彼此定位调节第二对焊靴的装置，定位调节第一对焊靴相对于第二对焊靴的装置。各例的定位装置优选包含右/左外螺纹定位螺杆连同对应的右/左内螺纹套筒。定位螺杆枢接于第一对焊靴的各焊靴，一定位螺杆以类似方式枢接至第二对焊靴的各焊靴。一对定位螺杆枢接第一对焊靴至第二对焊靴。套筒相对于对应定位螺杆转动将增减(随转动方向而定)与定位螺杆关联的焊靴间距。
焊靴加强件夹紧总成一般使用方式为首先以预定方式定位加强板于工字腹板的开槽内部，介于加强板各边或各缘与毗邻工字梁凸缘间有一间隙。然后加强板点焊定位。焊靴加强件夹紧总成随后毗邻加强板定位，第一对焊靴环绕加强板一缘定位，并靠转动适当套筒于对应定位螺杆而拉在一起，至第一对焊靴环绕加强板结合并介于第一对焊靴间界定第一下焊穴为止。然后第二对焊靴环绕加强板的另一缘定位并靠旋转套于对应定位螺杆上的适当套筒拉向彼此，直到第二对焊靴与加强板接触而介于第二对焊靴间形成第二下焊穴为止。贮槽段置于第一对焊靴间且靠定位焊接固定于其间而对住或密封第一下焊穴末端，同样地一贮槽段置于第二对焊靴间且靠定位焊接牢固固定于其间而对住或密封第二下焊穴末端。
当焊靴加强件夹紧总成如此安放定位时，加强板使用四次加强板至腹板焊接而焊接至腹板，其中两次焊接在腹板上侧而两次焊接在下侧。四次加强板至腹板焊接使用已知焊剂中心焊接技术进行，例如用“焊枪”进行而无须重新定位梁。工字梁定位成焊靴加强件夹紧总成位于工字梁下侧下方，然后焊接夹具以前述方式附接至凸缘下缘毗邻加强板边缘而位于第一下焊穴下方。夹具的焊靴环绕加强板共同定位而界定第一上焊穴，其与位于正下方的第一下焊穴连通。焊炬的导管长度适当，故导管可延伸上与下焊穴组合长度。靠此方式上及下焊穴可于单次焊接填补焊接金属，接合加强板至梁上侧及下侧的凸缘，如此免除旋转工字梁以及进行两次分开垂直焊接来接合加强板至凸缘的需求。然后焊接夹具重新定位且牢固固定于相对凸缘，夹具的焊靴定位形成毗邻且与第二下焊穴连通的第二上焊穴，组合上与下焊穴如前述于单次焊接填满。
如此本发明的焊接夹具及焊靴加强件夹紧总成可用于安装加强板伸展至工字梁两边而无须重新定位工字梁。且整个操作可由单人进行，无须使用吊车来移动工字梁或任何其它笨重设备。使用已知焊接技术架设两片加强板于工字梁两边通常需要使用吊车重新定位工字梁至少6次。如此本发明可大为缩减架设加强板于工字梁所需时间及人力。
本发明的目的是提供一种允许快速容易地形成高品质垂直焊接的焊接系统及方法。
本发明的另一目的是提供对垂直焊接所需设定时间极短的焊接系统及方法。
本发明的另一目的是提供可利用质量轻的便携型设备且可由单人使用的焊接系统及方法。
本发明的另一目的是提供焊接系统及方法，其允许焊接在地板或地面高度上在大型工件例如结构梁及柱上进行。
本发明的另一目的是提供可减少焊接作业期间重新定位笨重工件需求的焊接系统及方法。
本发明的另一目的是提供可消除由于焊丝导管接触焊靴造成短路的焊接系统及方法。
本发明的另一目的是提供焊接系统及方法，其可防止由于焊丝熔合于导管末端而须中断焊接作业。
本发明的另一目的是提供可免除已经由卷轴上解卷的焊丝黏铸及螺线盘旋的焊接系统及方法。
本发明的另一目的是提供可提供矫正供给焊丝的焊接系统及方法。
本发明的另一目的是提供允许单一加强板伸展通过工字梁腹板开槽而使加强板伸出至腹板两边的焊接系统及方法。
本发明的另一目的是提供焊接系统及方法，其中单一加强板伸展通过工字梁的开槽腹板可焊接至工字梁而无须工字梁的重新定位。
本发明的另一目的是提供包括一分布式控制系统具有多个控制模块的焊接系统及方法。
本发明的另一目的是提供焊接系统及方法，其允许于焊接前由便携型重量轻的操作员控制面板预先对电弧电压、电弧电流、焊丝供给速率、焊炬摆动及其它功能预设控制参数。
本发明的另一目的是提供焊接系统及方法，其允许焊接操作期间改变预设条件。
本发明的另一目的是提供允许对各次进行的焊接数字记录全部焊接参数的焊接系统及方法。
本发明的其它目的及优点由后文说明部分将显然易明，其中详细说明是为了更完整揭示本发明的优选实施例而绝非限制性。
附图的简单说明本发明将参照附图更完整说明如后，附图仅为举例说明目的。
图1为根据本发明的焊接系统的透视图，显示了工字梁及支持件；图2为图1的焊接夹具、焊炬及摆动器的透视图；图3为图2的装配侧视平面图；图4为图2装配的前视图；图5为图2装配的透视图连同工字梁一起显示；图6为显示套于中心线的焊接夹具的焊靴的示意顶视图连同显示导管、工字梁凸缘及加强板；图7为图2的焊炬的侧视图，显示沿线7-7的部分剖面图；图8为图7的焊炬的剖面分解图但未含软导线；图9为根据本发明的摆动器的透视图，显示壳体顶板及部分去除；图10为图9的摆动器的顶视图；图11为摆动器的替代实施例的透视图，显示顶板去除；图12为图11的摆动器的侧视图，显示沿线12-12的部分剖面图；图13为根据本发明的双重线供给器/矫直器总成的透视图；图14为图13的旋转式直线供给器之一的透视图；图15为图14的旋转式直线供给器的部分透视图且显示沿线15-15的部分剖面图；图16为图15所示部分剖面图的端视图；图17为图14的旋转式直线供给器的侧视平面图且显示沿线17-17的剖面图；图18为图14的旋转式直线供给器的部分分解图19为图14的旋转式直线供给器输入与输出轴承组及可调节偏置轴承的示意图，显示带有一根焊丝；图20为根据本发明的翼形导管的前视图；图21为图16的翼形导管沿线21-21所取的剖面图；图22为根据本发明的焊剂分配器的剖面图；图23为图19的焊剂分配器的前视图且显示沿线23-23的剖面图；图24A及图24B为本发明的分布式控制系统的功能方框图；图25为分布式控制系统的操作员控制面板的顶视平面图；图26为根据图24A及图24B的分布式控制系统的电压输出及线供给速率相对于自动化焊接周期时间的代表曲线图；图27为用于本发明的具有开槽腹板的工字梁及可延伸贯穿腹板开槽的加强板的透视图；图28为根据本发明用于图27所示加强板及开槽腹板的焊靴底夹紧总成的透视图；图29为图28的焊靴总成、工字梁及加强板的底视平面图；图30为图28的焊靴总成、工字梁及加强板的端视图；图31为用于本发明于“毗连”焊接操作的替代实施例的焊靴配置；图32为根据本发明的导管的替代实施例其同时用于两根焊丝；图33为流程图，大致说明本发明的方法。
优选实施例的详细说明特别参照供举例说明的附图，本发明由图1至图32所示系统及方法及图33大致说明的方法具体实现。须了解，系统可就配置及部件细节作改变，系统使用方法也随细节及步骤顺序改变但不背离此处揭示的基本构想。大致而言，本发明就焊接加强板于结构工字梁作揭示，因为此种特定类型的焊接操作使用最为广泛。但如业界人士易知，本发明可用于多种焊接操作。
首先参照图1，概括显示的是根据本发明的焊接系统10。焊接系统10通常包含焊接夹具12，焊炬14，摆动器16及旋转式直线供给器总成18。系统10优选装有可伸展的活接头吊杆20，吊杆20包括多个杆段22a,22b,22c，它们通过多个枢接接头或铰链24a,24b彼此可相对运动地互连在一起。活接头吊杆20安装于底座柱26上。杆段22a-22c优选由穿孔金属梁制成以提供高承载能力及重量轻。接头24a-b优选包括枕块轴承(图中未显示)以及可调式阻力制动(图中未显示)以防止不希望有的浮动。焊丝源如卷轴28优选通过支持件30定位于活接头吊杆20上。旋转式直线供给器总成18也优选位于吊杆20上。焊接操作期间，焊丝由卷轴28解卷并供给旋转式直线供给器总成18。活接头吊杆20也可在其自由端34附近设拉线器或线供给器32，用作旋转式直线供给器总成18的替换件。焊丝导引软管36将焊丝由供给器32或旋转式直线供给器总成18导引至焊炬14。弹性杆38可用于支持导引软管36。光源40优选包含在活接头吊杆20以便于焊接作业。系统10具有电弧焊接电源42，电源42通过大体上沿活接头吊杆20伸展至夹具12及焊炬14的电缆(图中未显示)给焊炬14供电。电缆也可延伸跨越使用焊接系统10的工作区地板44或以其它传统方式布置。焊接系统10还可另外包括焊缝跟踪、移动控制及焊剂分配装置(图中未显示)，这些装置一般与活接头吊杆20的末端34或结合焊接夹具12有关。
焊接系统10优选包括如图1的分布式控制系统，显示为操作者界面模块46，摆动器控制模块48，用于旋转式直线供给器18的线供给控制模块50，焊接电源控制器52，及连结模块46-52的总线电缆54。摆动器控制模块48优选靠近摆动器16，线供给控制模块50优选位于活接头吊杆20接近末端34及旋转式直线供给器18处。焊接电源控制模块52优选连接焊接电源42且可位于焊接电源42的内部或外部。如果本发明采用焊缝跟踪，移动控制或焊剂分配装置(图中未显示)，则用于该装置的另外控制模块(图中未显示)可包括进来。
焊接系统10显示带有工字梁56及加强板58，工字梁56水平架在一对钢结构制作者常用的支架或“锯木架”60a,60b上。因本发明允许极为快速地将加强件58接于工字梁60(下文详述)，故通常更多的水平支持的工字梁(图中未显示)就可定位于靠近活接头吊杆20以便快速焊接。
如图1所示，卷轴28相对较小，适合小型焊接操作。卷轴28也可大得多，但定位于车间地面44上，线由卷轴、轮或转鼓上解卷且通过多个孔眼或线导管(图中未显示)沿活接头吊杆导引。借此方式操作者无须于卷轴28的焊丝用尽时经常更换吊杆20上的卷轴28。当卷轴28位于吊杆20外侧时，来自卷轴28的焊丝通常顺着吊杆20的长度向焊接夹具12及焊炬14导引。焊接系统10可额外包括以防由于吊杆20的运动造成焊丝弯曲的装置。防弯曲装置优选包括设置于沿吊杆的靠近各枢接点24a,24b的联结件的活接头总成(图中未显示)。活接头总成限定延伸贯穿各联结件中心的焊丝通道。活接头联结总成本身仅可承受有限的弯曲，因此限制焊丝的运动且防止由于吊杆20的节段22a,22b以枢接点24a,24b为轴转动造成的焊丝弯曲。借此方式来自外部卷轴的焊丝沿吊杆前进时不会扭结或受损。
现在参照图2至图5以及图1，本发明的焊接夹具12大致包含一对活动且相对的焊靴62a,62b，其以中心线或中轴线64为轴定位。焊接夹具12包括相互及对中心线64定位调节焊靴62a,62b的装置，这些装置还优选包括一对活动杆66a,66b，通过螺杆壳体70可旋转地装于焊接夹具12的右/左定位螺杆68(图4)，及连接于定位螺杆68的手动轮72。活动杆66a由螺杆段75a螺纹连接定位螺杆68的左螺纹部74a，而活动杆66b以同样方式由螺杆段75b螺纹连接至定位螺杆68的右螺纹部74b。活动杆66a,66b延伸通过螺杆壳体70底部的开槽(图中未显示)。轮72及定位螺杆68向一个方向旋转，使活动杆66a,66b及焊靴62a,62b相对于中心线64对称分开或拉开；轮72及定位螺杆68的反向旋转导致活动杆66a,66b及焊靴62a,62b相对于中心线64对称靠近或拉近。如此，焊靴62a可于经由轮72及定位螺杆68旋转作焊靴62a,62b的位置调节期间保持距中心线64与焊靴62b距中心线64等距。旋钮76优选枢接于轮72以利于操作员转动轮72。螺杆壳体70内部的固定导杆77滑动延伸通过螺杆段77a,77b且于位置调节期间保持活动杆66a,66b基本平行。
焊靴62a,62b的其它位置调节装置也可用于本发明。例如传统的气或油缸可用于替代定位螺杆68及轮72将焊靴62a,62b相对于中心线64定位。优选用于调节焊靴62a,62b位置的定位装置可提供焊靴62a,62b以中心线64为轴的对称运动，故两相对焊靴62a,62b于位置调节期间保持距中心线64基本等距。
焊接夹具12包括联接或牢固固定于工件如工字梁56的装置。联接装置优选包含一或多根夹紧螺丝或锁紧螺丝78a,78b，其分别螺纹连接前撑杆80a,80b。一对后撑杆82a,82b大致平行前撑杆且与前撑杆80a,80b隔开，如此提供介于前与后撑杆80a,80b的开口84b及介于前与后撑杆80b,82b的开口84b。开口84a,84b的结构及配置可容纳工件或工件的部分例如工字梁56的凸缘86a(图5)。当凸缘86或其它工件定位于开口84a,84b内部时，锁紧螺丝78a,78b通过旋钮88a,88b旋转而锁紧或牢固固定凸缘86a，使之介于前撑杆80a,80b与后撑杆82a,82b间，如此牢固固定焊接夹具12至工件，而撑杆80a,80b,82a,82b大致平行工字梁凸缘86a及大致垂直工字梁腹板89。
优选多个矫平或调平螺丝90包含在后撑杆82a,82b而允许焊接夹具12相对于附接工件审慎定位。优选有4根调平螺丝90，两根螺丝90在后撑杆82a,82b上彼此隔开。此种配置允许调节焊接夹具12相对于附接工件的垂直定向或夹角，以及焊接夹具12于大致前进及后退方向相对于附接工件作位置调节。调平螺丝90连同锁紧螺丝78a,78b允许夹具12相对于凸缘86a的接触压及对正作精密调节。通过向内伸展调平螺丝90贯穿后撑杆82a,82b，铜焊靴62,62b移动远离凸缘86a。若上调平螺丝90向内旋转比下调平螺丝90更多，则铜靴62a,62b上端将倾斜而较为接近凸缘86a。同理，若下调平螺丝90向内旋转比上调平螺丝90更远，则铜焊靴62a,62b的下端将朝凸缘86a倾斜。如此调平螺丝90允许操作员对个别工字梁或其它工件考虑研磨公差变化并提供焊接夹具12的准确定位。
其它已知联接装置可用于替代锁紧螺丝78a,78b及撑杆80a,80b,82a,82b，包括气压、油压或弹簧启动夹具或联接件。焊接夹具12的联接装置显示为结构化且配置成牢固固定于已知工字梁56的凸缘86a或86b。虽然显示两根锁紧螺丝78a,78b，但应理解，另外可使用单一锁紧螺丝或更多锁紧螺丝作为焊接夹具12的联接装置。多种其它具有变化结构及配置的标准化联接装置对本领域技术人员显而易见且意欲包括在本公开的范围内。
支持摆动器14的装置包含在焊接夹具12中，且优选包含托架92，该托架接合至背件94。摆动器16靠螺丝(图中未显示)可松开式接合于托架92，或靠其它已知联接装置接合。摆动器控制模块48优选靠螺丝(图中未显示)等已知硬件附接于托架94。焊炬14靠摆动器16支持于焊接夹具12，导管96由焊炬14支持，下文详述。导管96大致平行且毗邻焊靴62a,62b间的中心线64，且优选毗邻设置于中心线64，中心线64大致向下通过导管96中心。手柄98a,98b优选包含在焊接夹具12而辅助操作员操作。一对步进吊环或制爪100a,100b优选包含在焊接夹具12而使夹具12可于非使用时以方便方式暂时“吊挂”或支持于凸缘86a,86b等工件上。吊环制爪100a,100b的步进构型可配合不同厚度的多种工件。
焊接夹具12优选重量轻、可携带且容易由单人运输。优选撑杆80a,80b,82a,82b，托架92，背件94，手柄98a,98b及吊环制爪100a，100b彼此集成且由铝或其它重量轻的耐热耐久防蚀材料制成。螺杆壳体70及活动杆66a,66b同样优选由铝或其它重量轻的耐久材料制成。焊接夹具可靠适当长度的链绳或缆绳(图中未显示)由活接头吊杆末端34悬吊而容易操控焊接夹具12。
特别参照图6以及图2至图5，焊靴62a,62b示意显示为以中心线64为轴对称定位，导管96及焊丝102沿中心线64伸展贯穿导管96。焊接夹具12附接至凸缘86由图6删除以求清晰，但焊靴62a,62b例外。如前文说明，焊靴62a,62b优选于位置调节期间保持距中心线64等距。当焊靴62a,62b如图6所示毗邻加强板58及凸缘86a定位时，大致界定垂直焊穴或通道104，中心线64及导管96大致接近焊穴104中央。使用本发明的焊接操作期间，焊穴104以焊丝102及导管96于焊接过程消耗而提供的熔融金属填补。当焊接完成时，焊靴62a及62b靠转动轮72及定位螺杆68拉开而留下已经完成的焊接接合加强板58于凸缘86a。焊靴62a,62b的开启或拉开位置以虚线显示。
焊靴62a,62b的结构及配置可容纳冷却水(或空气)，通常包括冷却水入口及出口(图中示显示)以及冷却水的内部循环通道(图中未显示)。冷却水由供水软管(图中未显示)输送，且带有适当硬件附接于焊靴62a,62b入口。同理，出口软管(图中未显示)连结至焊靴62a,62b的出口而于循环通过焊靴62a,62b后去除冷却水。
焊靴62a,62b及活动杆66a,66b显示为结构化及配置供T字形焊接操作，例如焊接加强板58至凸缘86。焊靴62a,62b及活动杆66a,66b另外可结构化及配置用于“对焊”或其它型焊接操作，下文详述。
焊靴62,62b优选为铜等金属制成且可压铸或机制成为特定焊接作业的预定形状或构型。优选焊靴62a,62b为水冷式或气冷式，且包括内部通道(图中未显示)用于导引冷却空气或冷却水，包括适当硬件(图中未显示)用于附接供水或供气管线。电绝缘及/或热绝缘涂层106优选包含在各焊靴62a,62b的毗邻导管96的至少一面上以确保导管96不会与焊靴62a,62b作电接触。
背景技术：
的电渣焊接方法容易发生导管与焊靴于焊接过程中不慎接触造成电短路的风险，其中断焊接作业且损坏接触的焊靴。本发明通过提供绝缘涂层106于焊靴62,62b而防止此问题。绝缘涂层106优选由陶瓷材料制成，焊接温度下具有电抗性及热稳定性。多种绝缘涂层包括硅酸盐或二氧化硅可用作绝缘涂层106，涂层106可靠多种已知手段包括溅散涂布或溶胶-凝胶技术置于焊靴62a,62b上。绝缘涂层106也防止加强板58a及凸缘86的焊接母材过度冷却，提供焊接过程中焊珠与母材间的优选搀混。
用于焊接系统的焊丝102优选包含约0.0001％至约0.05％硼及/或约0.001％至约0.10％镍。焊丝102含括硼及/或镍系以本领域技术人员周知的标准冶金技术进行。含于焊丝102组成成分的硼比使用已知焊丝组成成分作成的焊接可提高焊接强度。
现在参照图7及图8，粗略显示本发明的优选焊炬14。焊炬14包括防止于焊接过程因焊丝熔合于导管末端造成的焊接操作中断。焊炬14大致包括一中心管108，其滑动安装于外管110内部。优选一或多个线性轴承112包含在焊炬14来辅助中心管108于外管110内部的滑动运动。提供偏压给中心管108的装置由弹簧114提供。优选弹簧114及线性轴承112利用卡环116、垫圈118及螺母120,122螺纹连接中心管108的螺纹端部124(图8)，可固定于中心管108上定位。外管110包括环形内切槽126，用于夹持卡环116。外管110也包括一对开口或开槽128，其各自具有下肩130及上肩132。外管110也包括螺纹管套134。
内焊丝输入适配器136包括一螺纹凸部138，可接合套于外管110的管套134。内焊丝输入适配器136包括螺纹管套140(图8)，其容纳于外焊丝输入适配器144的螺纹凸部142。垫圈146包含在内与外焊丝输入适配器136,144间。外焊丝输入适配器144的螺纹管套148可容纳焊丝输入管(图中未显示)的螺纹端，该管与旋转式直线供给器总成18或已知焊丝供给器32连通(图1)。软U字形导线15包括第一孔眼152，其容纳外焊丝输入适配器的凸部142，及其夹持于毗邻垫圈146的外与内焊丝输入适配器136,144间。软导线150也包括第二孔眼154，其联接至介于螺母120,122间的中心管108的螺纹端124。软导线150的绝缘涂层155可防止焊接作业期间意外接触时短路。外管110的开槽128滑动容纳孔眼152。夹持导管的装置包含在中心管108上，优选呈已知夹头156形式，该装置可以标准方式夹紧与松脱而配合导管96。为求清晰导管96显示为具有已知圆柱形结构及构型。但“翼形”导管优选用于本发明，下文详述。
中心管108连同已经组装的线性轴承112，弹簧114，垫圈118及螺母120,122嵌合于外管110的中空内部158，而线性轴承112、弹簧114大致夹持于止动环116与垫圈118间。焊丝输入适配器136,144分别包括内孔160,162，焊丝102嵌合贯穿孔。焊丝向下延伸通过中心管的孔164，及通过夹头156及导管96至焊接接触点(图中未显示)。弹簧114相对于外管110对中心管108施加大致向上偏压，因此中心管108上端124由弹簧114大致夹持抵住输入适配器136末端130。当足够向下力施加于导管96时，如此通过夹头156施加于中心管108时，弹簧114的偏压可被克服，然后中心管108于外管110内部向下滑动直到软导线150(靠螺母120,122联接至中心管末端124)的孔眼152变成接触外管110之下肩130为止。此种内管或中心管108的向下运动结果导致导管95末端浸泡于焊接熔池内。焊接熔池产生的热熔化导管末端且将焊丝102由导管96末端释放出。当焊丝102被熔化释放出时继续供给至焊接处。当向下力被移开时，弹簧114朝松弛位置反弹，使导管96及中心管108向上移而使焊接继续进行。软导线150可于中心管108的滑动过程全程保持与中心管108为电接触。
焊接操作期间，焊接电源缆线(图中未显示)联接至焊炬14，优选利用缆线末端夹紧于内与外焊丝输入适配器136,144间达成。电源经由中心管108及软导线150导引至导管96。焊丝102优选靠焊丝供给器(图中未显示)供给通过焊炬14，且之后以大致恒定速率于焊接位置消耗。焊丝供给器于焊丝102移动通过焊炬14时提供向下力给焊丝102。焊接操作期间，焊丝102因焊接熔池(图中未显示)的热量而沾粘或熔合于导管96内部，则焊丝供给器施加于焊丝102的向下力移转到导管96，且由该处移转到中心管108，中心管108靠夹头156联接至导管96。因中心管108滑动安装于外管110内部，中心管108于焊丝供给器的力量作用下向下滑动于外管110内部，允许导管96下滑至焊接熔池，此处熔池的热量使焊丝与导管96的熔合解开。解除熔合时，焊丝供给器的向下力再度传送返回焊丝102，允许导管96及中心管108于弹簧114的作用下向上弹回，使导管96末端高于熔池，焊丝102可继续供给，通过焊炬14至焊接位置。软导线150可维持输入适配器136,114与中心管108及导管96间的电接触。如此本发明的焊炬14允许焊接动作持续进行，不因焊丝102熔合于导管96而中断。
已知电渣焊接法中，当焊接熔池使焊丝熔合于导管底时，整个焊接作业必须中断，停止焊接，清洁焊接区或研磨，重新设定开始新焊接。如此电渣焊接的中断需要昂贵耗时的清除不完全焊接接头，以重新设定及启动焊接操作。本发明的焊炬14可克服此项问题，因弹簧114及中心管108与外管110间的滑动关系提供防止因焊丝102保持熔合或沾粘于导管96造成焊接中断的手段。靠焊丝供给器施力于焊丝102将导管96下推入前述熔池，焊丝102与导管96快速熔化分开，可避免焊接作业的中断。
其它手段可用于本发明防止焊丝102保持熔合于导管96而中断焊接操作。气压或油压装置或其它偏压装置可用于取代弹簧114给中心管108提供偏压。替代实施例中，中心管108保持固定，外管110向上偏移且相对于中心管108滑动。防止焊丝102沾粘于导管96的重要手段为导管96活动安装于焊炬14且适当施加偏压，因此于前述焊丝102沾粘或熔合于导管96内侧的情况下，焊丝供给器施加于焊丝102的向下力传递至导管96，且使导管96向下移入焊接熔池，于此处热量解除焊丝102与导管96的熔合且允许导管96向上弹回，故焊丝102可经由焊炬14继续供给至焊接位置而无显著中断情形。
也参考图2至图5以及图7及图8，焊炬14包括一联轴节166，其以可松开式接合焊炬14。联轴节附接至活节段168，活节段允许焊炬以活节方式作位置调节。活节段168联接至底板170，底板又靠螺栓174联接至摆动器16的前板或顶板72。导管96显示为大致平行于或与中心线64共线。焊炬14通过活节段168远离所示取向作位置调节，结果导致导管移动至非平行中心线64的位置。此种焊炬14及导管96的取向于某些焊接作业为优选。
下文详述，本发明的旋转式焊丝供给器/矫直器总成18允许两根焊丝同时被矫直且供给焊炬14。如此焊炬14另外可经结构化及构型而进行双重焊接，其中二焊丝102同时容纳于焊炬14。就此方面而言，中心管108及焊丝输入适配器136,144可分叉而容纳两根焊丝102，及夹头156的构造与构型可固定两根焊丝102的导管96。此种配置比使用单一焊丝及导管可实现更高速沉积焊接金属。
现在参照图9及10及图2至5，粗略显示根据本发明的摆动器16。摆动器16用于焊接作业期间摆动或往复焊炬14及导管96。摆动器16大致包含一对细长平行轴176a,176b，其旋转式安装于壳体178内，及一对线性致动器180a,180b，活动式安装于转轴176a,176b上，当转轴旋转时线性致动器沿轴176a,176b前进。旋转驱动轴176a,176b的装置上可设置摆动器16，且优选包含马达182，齿轮带184及多个齿轮或齿轮滑车186,188a,188b。马达182由外部电源(图中未显示)供电驱动，马达182转动齿轮186，其驱动带184，其又驱动齿轮188a,188b。转轴176a,176b延伸贯穿壳体178，分别接合于齿轮188a,188b。滑车189a,189b旋转安装于壳体178且提供张力给齿轮带184。无数其它带184及齿轮186,188a,188b的驱动装置与配置可选择用于摆动器16。齿轮186,188a,188b及带184的构造与配置使马达182可以大致等速旋转转轴176a,176b。
线性致动器180a优选包括一上部190及一下部192，二部靠螺栓194接合套至转轴176a，使线性致动器180滑动安装于轴176a上。同理，线性致动器180b优选包括上部及下部196,198，其利用螺栓200套入转轴176b，故线性致动器180b滑动安装套于轴176b上。各线性致动器180a,180b包括多个倾斜或夹角轴承202，轴承旋转安装于线性致动器180a,180b上。优选各线性致动器180a,180b包括多个倾斜或夹角轴承202，轴承旋转安装于线性致动器180a,180b上。优选各线性致动器180a,180b上有8个斜置轴承202，上部190有四个斜置轴承202，驱动段180a下部192有四个斜置轴承202。同理，四个斜置轴承202分别位于驱动段180b的各半部196,198。斜置轴承202如图9最明白显示，大致隔开环绕于线性致动器180a,180b末端的转轴176a,176b周边。斜置轴承202紧密接触转轴176a,176b，故当转轴176a,176b旋转时，斜置轴承202也将于转轴176a,176b的作用下旋转。斜置轴承202的构造、配置及位置使其可相对于转轴176a,176b夹角或倾斜。如图9最明白显示，转轴176a,176b的旋转将分别造成线性致动器180a,180b于斜置轴承202的作用下顺转轴176a,176b的纵向前进或爬行。当转轴176a,176b的转向逆转时，线性致动器180a,180b的行进方向也逆转。各斜置轴承202相对于转轴176a,176b旋转轴线的补角优选相等。斜置轴承202的旋转轴线204相对于转轴176a,176b的旋转轴线206a,206b的补角优选为约1度至45度的范围。但补角可视需要改变。当斜置轴承202的旋转轴线204补角比转轴176a,176b的旋转轴线206a,206b增加时，转轴176a,176b每次旋转时线性致动器180a,180b的行进距离较大，斜置轴承202的补角缩小相对地减少线性致动器180a,180b的行进距离。
测量当转轴176a,176b旋转时线性致动器180a,180b行进距离的装置配备有摆动器16。特别参照图10，测量装置优选包含感光器208a,208b，分别安装于线性致动器180a,180b之下表面。测量装置也优选包括一对线性编码器长条209a,209b，其位于转轴176a,176b及线性致动器180a,180b下方且设置成感光器208a,208b可检测线性编码器长条209a,209b上的位置指标(图中未显示)。感光器208a,208b以光学方式监视线性编码器长条209a,209b而检测线性致动器180a,180b的位置，然后将位置数据通过电线或其它通讯界面(图中未显示)传输至摆动器控制器48(图2)。虽然摆动器16显示为有双感光器208a,208b及双线性编码器长条209a,209b，但若有所需，摆动器16可仅使用一感光器208a或208b及一线性编码器209a或209b，利用单一感光器及线性编码器用于线性致动器180a,180b的任一个。
测量线性致动器180a,180b行进距离的装置也优选包含一旋转编码器210，其结合马达182而测量马达182的转数。因转轴176a,176b的旋转通过带184及齿轮186,188a,188b而与马达182的旋转有直接关联，以及线性致动器180a,180b在转轴176a,176b每转时行进距离固定，故编码器提供的转数可用于跟踪线性致动器180a,180b的运动。编码器210的转数脉冲通过电线等通讯链(图中未显示)传输至摆动器控制器48(图2)，可能由于机器的瑕疵、部件的磨耗或其它因素使线性致动器180a,180b的运动最终变成相对于马达182的旋转为“异步”或非同步。此种案例中，编码器210产生的转数无法正确反映转轴176a,176b旋转时线性致动器180a,180b的行进动作或距离。本发明的控制系统的关联软件可用于解决马达编码器210与感光器208a,208b及编码器长条209a,209b间的差异。如此，感光器208a,208b及编码器长条209a,209b提供数据给控制系统，用来更新马达编码器210提供的信息。
壳体178优选包含耐久而质轻的材料如铝，壳体178的构造及配置可保护马达182，转轴176a,176b，线性致动器180a,180b及其它摆动器组件不受焊接作业关联的热及腐蚀之害。为求清晰起见图9及图10删除壳体178上方的金属顶盖或盖(图中未显示)。摆动器16也包括一顶板172(图2)，其优选利用线性致动器180a,180b上的脊212a,212b联接至线性致动器180a,180b，脊接合顶板172的对应开槽(图中未显示)且靠螺栓或螺丝(图中未显示)牢固固定于顶板。此种配置允许摆动器16的全部活动组件皆封在保护壳体178内部以防焊接过程的污染。焊炬14靠底板170及活节段168支撑于摆动器16的顶板172上。这样，焊炬14随线性致动器180a,180b的移动对应移动。摆动器优选靠托架92及螺栓或螺丝(图中未显示)安装或牢固固定于焊接夹具12。
使用中，摆动器16如图6所示联接至焊炬14，转轴176a,176b通过顶板172大致垂直取向于焊炬14，摆动器16靠定期逆转马达182的转向提供摆动运动给焊炬14，如此逆转转轴176a,176b转向，线性致动器180a,180b沿转轴176a,176b的行进方向并附接顶板172及焊炬14。摆动器16供给焊炬14及导管96的摆动可辅助制造高品质垂直焊接。摆动以选定转速旋转驱动转轴176a,176b以及于一段选定时间后定期逆转旋转方向达成，如此提供摆动运动给线性致动器180a,180b，如此提供给附接的顶板172及焊炬14。特定焊接工作所需摆动运动时间、幅度及停顿时间由焊接操作员决定并输入本发明的分布式控制系统的操作员控制面板46，下文详述。控制系统将摆动器时间、幅度及停顿时间等信息供给摆动器控制模块48，其后通过线性编码器208a,208b或旋转编码器210的输出控制或指导马达182的启动及监视线性致动器180a,180b的运动。当线性编码器208a,208b指示控制模块48，线性致动器180a,180b已经根据预定摆动幅度于单向行进预定距离时，控制器48逆转马达182方向如此逆转线性致动器180a,180b的方向。线性致动器180a,180b的行进速度由马达182的转速控制，马达转速由控制模块48根据操作员指令控制。
现在参考图11及图12，粗略显示本发明的另一摆动器214实施例，其中类似的标号表示类似的部件。摆动器214中，转轴有螺纹而提供一对导螺杆216a,216b，其大致细长且平行，各导螺杆216a,216b包含外螺纹218。摆动器进一步包括一对线性致动器220a,220b。特别参考图12，线性致动器220b包括一具有内螺纹的塑胶螺母221，它位于滚针轴承222间。线性致动器220a包括一对应塑胶螺母(图中未显示)其也夹持于滚针轴承222间的线性致动器220a内部。塑胶螺母221的内螺纹大致匹配导螺杆216a,216b的外螺纹218。导螺杆216a,216b与线性致动器220a,220b内部的塑胶螺母221的螺纹关系造成当导螺杆216a,216b旋转时线性致动器220a,220b沿导螺杆216a,216b的纵向方向前进，如此当导螺杆216a,216b的转向逆转时线性致动器220a,220b逆转其前进方向。导螺杆216a,216b经过精密研磨而于导螺杆216a,216b的外环圈提供平坦面，如此允许轴承嵌合因而滚针轴承222可跨骑于各导螺杆216a、216b外表面上。此种配置允许滚针轴承载荷比塑胶螺母221本身的负载更重。
导螺杆216a,216b与线性致动器220a,220b的螺纹塑胶螺母221的螺纹关系大致可保持线性致动器220a,220b与马达182的转动同步前进，如此单独旋转编码器210其可充分跟踪线性致动器220a,220b的运动，通常无需光学编码器来提供位置更新信息。就其它方面而言，摆动器214的作业大致同前述摆动器16。
现在参照图13至19，这些图显示根据本发明的旋转焊丝供给矫直器总成18。总成18包括一对相同的旋转式直线供给器224a,224b,其旋转式安装于壳体225。驱动马达226其包含在壳体225内部，且定位于旋转式直线供给器224a,224b间。驱动马达226转动齿轮227，其通过有齿带230a,230b驱动齿轮230a,230b。齿轮228a,228b分别联接至旋转式直线供给器224a,224b而旋转驱动旋转式直线供给器224a，224b。马达226上的连接器231可连接至界面缆线(图中未显示)，该缆线与焊丝供给器控制模块50通讯(图1)。旋转编码器(图中未显示)包括有马达226可监控马达226的转数，且将马达转数通讯至本发明的控制系统。旋转式直线供给器224a,224b各自包括一旋转本体232及一输入轴234及一接合至本体232的输出轴236。输入及输出轴234,236旋转安装于壳体225内部，齿轮227联接至输出轴234末端。
特别参照图15至19以及图13及14，纵向孔238延伸贯穿本体232及转轴234,236且与毗邻本体232中心的腔室240连通(图17)。孔238包括一颈或缩窄段241(图17)邻近腔室240。第一输入轴承组242及第二输出轴承组244包含在旋转本体232内部，其各自包括多个经过精密研磨的可旋转斜置轴承246。优选有三根轴承246各自于轴承组242,244，轴承246以延伸贯穿孔238的纵转轴248为轴于横向方向隔开。各轴承组242,244的轴承246各自倾斜或歪斜，故各轴承转轴(图中未显示)相对于纵轴248夹角，优选与纵轴248夹角1度至约45度的范围内。各轴承246靠一销252旋转固定于轴承支持架250。轴承支持架250各自支持于轴承座254。各轴承246(及轴承支持架250)利用弹簧256弹性承载，弹簧嵌合于轴承支持架250的柱258上且夹持于轴承座254与轴承支持架250的一凸缘260间，以及夹持于止动销262间(图18)。轴承座254包括孔264，其配合调节螺杆265而控制弹簧256的张力。旋转本体232的多个横向隔开的孔266与中孔238连通故可观察到本体232内部的轴承246。
调节式径向偏置轴承或轮268靠销或螺丝272旋转安装于轴承壳体270，径向偏置轴承268的转轴大致垂直旋转本体232的纵转轴。轴承壳体270通过一对调节螺丝273固定于腔室232内部，调节螺丝嵌合贯穿本体232且螺纹连接于轴承壳体270上。
制造后焊丝通常储存于卷轴上或以盘卷状储存，典型地由商业来源于卷轴或线圈上供给焊接操作员。随后焊丝由卷轴上解卷供使用时，线保持储存于卷轴上的“铸封”及“螺旋”。焊丝的“铸封”使由卷轴取下的焊丝具有大致圆形的弹簧状形状。焊丝的“螺旋”大致反映焊丝由卷轴解开后各线圈或回圈间距。焊丝的铸封与螺旋通常随焊丝由其中解下的卷轴大小及形状决定。虽然铸封及螺旋为储存焊丝的预定性质，但已知焊丝存在的铸封及螺旋通常为焊接操作所不期望。特别是焊丝的铸封造成焊丝末端非期望的偏转以及当焊丝通过导管供给至熔池时的往复。焊接过程中，当焊丝由导管末端送出且插入焊接熔池时，焊料穿透基质内部或母质金属将在焊丝的倾斜及螺旋补偿方向偏离焊丝中心。如此导致焊接穿透不等或焊丝两端未穿透，结果造成缺陷焊接而须修补或重焊。旋转式直线供给器224a,224b及本发明的总成18经由焊丝由卷轴解开时快速有效地去除铸封及螺旋而克服此项问题。
特别参照图17及图19，来自卷轴28的焊丝102(图1)被导引通过旋转式直线供给器224a及/或224b，故焊丝通过孔238、腔室240及通过输入与输出轴承组242,244中心，因此焊丝102大致与本体232的纵转轴248共线，故各轴承组242,244的斜置轴承246大致紧密接触焊丝102。斜置轴承246施加于焊丝102的力量靠螺杆265的前进或退缩调节，螺杆的前进或退缩对应于压缩或解除轴承座254与轴承支持架250间的弹簧256。通常螺杆265于焊丝102插入孔238前且介于斜置轴承246之间处于回缩位置，一旦焊丝102位在轴承246间的孔238内部时螺杆265就位于前进紧压位置。焊接操作中利用两根焊丝，对二旋转式直线供给器224a,224b皆进行前述程序。
当焊丝102如此插入本体232时，焊丝102位置毗领径向偏置轴承268。轴承268包括一横切槽274(图19)，横切槽延伸环绕偏置轴承268周边且容纳焊丝102。偏置轴承268通过调节螺杆273相对于焊丝102调节位置(图18)。偏置轴承268的位置调节将随时由焊丝102去除的铸封及螺纹改变。一旦焊丝102已经定位于旋转式直线供给器224a及/或224b内部时，马达226启动而旋转旋转式直线供给器224a,224b。当供给器224a,224b旋转时，输入及输出轴承组242,244的斜置轴承246以焊丝102为轴旋转且施加螺杆力于焊丝102，通过斜置轴承246的作用经由旋转式直线供给器224a,224b驱动焊丝102，并由卷轴28拉扯焊丝(图1)。斜置轴承246可考虑为于焊丝102上画一条假想螺纹，此螺纹状运动将焊丝102通过旋转式直线供给器224a,224b供给。当焊丝102通过旋转式直线供给器224a,224b供给，偏置轴承268施压于焊丝102而由焊丝去除铸封与螺旋的弯曲。如此旋转式直线供给器224a,224b可通过斜置轴承246的作用前进或供给焊丝102，同时靠偏置轴承268的作用去除铸封及螺旋而矫直焊丝102。然后来自供给器/矫直器经过矫直的焊丝被导引至焊炬14以及经由导管96被导引至焊接操作的熔池。焊丝靠旋转式直线供给器224a,224b的供给速率可靠增减旋转式直线供给器224a,224b的转速调节，以及通过调节轴承246的斜度或角度调节。优选轴承246如图所示与纵轴248及焊丝102夹角约45度。
焊丝供给器/矫直器总成18显示为二旋转式直线供给器224a,224b，其由同一马达226旋转。此种配置允许各旋转式直线供给器224a,224b接受调节而配合不同规格的焊丝及/或具有不同铸封及螺旋性质的焊丝，故可由总成18提供两种不同型矫直焊丝用于两次不同焊接操作。另外两种焊丝可被导引至同一次操作。
现在参照图20及21，粗略显示根据本发明的翼形导管274。翼形导管274的大致构造及配置可将焊弧能量展开为此已知圆柱形导管更宽的面积。翼形导管274包含一对相对的细长板276,278，各板有纵通道280,282。板276,278共同放置成纵通道280,282界定一管284及翼286,288。板276,278沿边缘290,292靠焊接294,296接合。
如前文参照图2至图6所述，为清晰起见已知圆柱形导管96显示于焊炬41。为了配合翼形导管274，焊炬14的夹头156通常包括开槽(图中未显示)来容纳导管274的翼286,288。
现在参照图22及图23，大致显示根据本发明的焊剂分配器298。焊剂分配器298通常包含一焊剂料斗300及一带状壳体或带状段302。水平取向的齿轮焊剂分配器带304位于带状壳体302的凹部或腔穴306内部，且安装于一对旋转带的齿轮308a,308b上。其上一(或二)齿轮308a或308b由马达310供电，马达附接至带状壳体302。料斗300靠螺纹套筒312接合至带状壳体302。垂直进入管或通道314通过套筒312连通料斗300及凹部306。输出通道316连通凹部306下端或底部318，及一滴管320附接至带状壳体302，故滴管320连通输出通道316及凹部306。优选可拆式前板322联接于带状壳体302，其允许接近凹部306及分配带304。
工作中料斗300的贮槽324内部填装粒状焊剂(图中未显示)。来自料斗300的粒状焊剂向下倾倒，通过套筒312及进入管到达带304。当马达310驱动带304时，焊剂顺着带输送至溢出带304末端且掉落于凹部306底部318为止。如此靠输送带304输送的粉化焊剂通过输出通道316及滴管320落至焊接位置(图中未显示)。增减马达310的转速及带的运动可对应增减由输送带304输送至滴管320的焊剂速率。
速度或速率控制装置(图中未显示)优选结合马达310，以控制焊剂分配速度。软管(图中未显示)可附接于滴管而辅助输送焊剂至焊接位置。滴管320另外可分叉或分支而允许焊剂分配至二焊接作业，或提供焊剂至单一焊接位置的两边。注意若有所需料斗300可为锥形，包括机械振动装置(图中未显示)来防止焊剂粉末沿料斗300的壁“结网”或收集。焊剂分配器298可结合活接头吊杆末端34，来自滴管320的焊剂经由附接的软管或导管输送。焊剂分配器298另可置于焊接夹具12上，使用夹子固定于其上或由外部支持毗邻于焊接操作。
现在参照图24A及图24B至图26以及图1，大致显示根据本发明的分布式焊接控制系统326。分布式焊接控制系统326大致包含操作员界面模块，显示为操作员控制面板或数据登录模块46，摆动器控制模块48，焊丝供给控制模块50及焊接电源控制模块52，模块46,48,50及52靠一界面总线54连结。本发明的分布式焊接控制系统326可减少缆线复杂度，提高整体系统可靠度，且形成可调节配合且可扩充的互换式模块控制系统。这些优点可靠合并一或多个微处理器于各系统模块达成，微处理器允许各模块执行自行测试的内部监视功能，故障时自动关机，以及作为仅须一操作员界面的孤立模块。操作员界面可简单至一开关集合连结至模块之I/O口，或复杂至分开控制与系统监督模块，其将整个系统结合为网络。可增加额外模块来控制焊接系统10的不同方面例如焊剂分配器298用的焊剂分配控制模块(图中未显示)。
操作员界面模块或控制面板46包括一微控制器或微处理器单元328，一网络界面330用于连结至总线54，一并行I/O口332及一显示界面334。并行I/O口332连结微控制器328与操作员控制336，而显示界面334允许微控制器328与显示器通讯，显示器优选为液晶显示器或LCD338。程序设计装置结合微控制器328用于进行操作员控制336及LCD338关联的操作员界面作业，以及通常通过模块48,50及52的系统监督及网络作业。此种程序设计大致显示为操作员界面程序340，系统监督者程序342及网络界面程序344。操作员控制面板46提供系统326的整体控制，包括摆动器16、焊接电源42及旋转式直线供给器总成18的设定与人工操作员控制。操作员控制面板46也就系统326可能发生的电流焊接情况以及任何错误反馈给操作员。使用本发明焊接操作一旦于操作员控制面板46设定完成即可完全自动化。
摆动器控制模块48包括一微控制器346，它具有控制摆动器16的程序设计装置，粗略显示为摆动器程序348。摆动器控制模块48也包括一网络界面350，一并行I/O口352，一马达控制器界面354及一马达驱动器356。网络界面350允许微控制器346通过网络总线54与系统326的其它控制模块通讯。并行I/O口352与微控制器346界面，带有位置指标357用于决定摆动器16的绝对位置。马达控制器界面354连结马达驱动器356与微控制器346而允许控制摆动器马达182。马达控制器界面354也与正交编码器208界面用于跟踪摆动器位置。
焊丝供给控制模块50包含一微控制器358，其包括焊丝供给控制程序360。网络界面362连结微控制器356与总线54。并行I/O口364界面微控制器358与一或多个编码器366用于旋转监视旋转式直线供给器总成18的驱动马达260。焊丝供给控制模块50额外包括一伺服放大器界面368及马达方向界面370，用于与伺服放大器372及马达260通讯。
焊接电源模块52包括一微控制器，带有焊接电源程序376，及一网络界面378用与总线54通讯。模块52也包括一电压控制界面380，用于与伺服放大器38通讯，及信号输出384及并行I/O口386用于与焊接电源42及水流检测器388通讯。
网络总线54优选包含单一6线电缆，包含三对经过屏蔽及纽结的18号导线。总线54提供公用中枢链路而连结多个分立控制模块成为单一实体，而不是集中控制系统般的控制线与输入线的“蛛网”。如此分布式焊接控制系统326通过免除长而复杂的缆线可减少系统维修，降低系统电磁噪音，原因为单一小缆线比缆线阵列更易屏蔽。通过将自行侦错能力合并入各模块的程序而使修复简化。网络通讯使用单一对纽结导线，带EIA RS-485信号及标准8位NRZ ASCⅡ码集合，每一位以单一开始位及单一中止位编码而无奇偶校验。另两对纽结导线总线54分别载有12V的逻辑功率及24伏的马达驱动功率。此二电源彼此隔离以防接地回路通讯及焊接造成过大EMI。总线54优选包括额外的分开缆线(图中未显示)其供电120伏给控制系统326关联的伺服放大器(下文详述)。
操作员控制面板46的操作员控制器336包含开关形式的输入来选择多种功能，机械编码器用于设定项目值或参数，来自LCD338的控制及位置数据，以及由控制系统36的其它模块48,50及52送返的数据信息包。特别参照图25，输入开关优选包括电线开关390，洗净开关392，速度开关394，宽度开关396，中心线开关398，停顿开关400，摆动器模式开关402，焊接模式开关404，功率开关406，程序开关408，周期起点开关410，周期终点开关412及紧急中止开关414。操作员控制器336也包括由数字编码器监控的旋转控制钮。控制钮附接至人工定位编码器轴且执行类似控制系统的大致相同电位计功能。编码器优选形状、安装及转动皆类似电位计。如图所示，操作员控制面板46包括安培编码器钮416，伏特编码器钮418及一般编码器钮420其可根据选定速度、宽度、中心线及停顿开关394,396,398,400输入各种输入值。操作员控制面板46包括的输出优选包含状态指示器LED(图中未显示)，LCD338以及通过网络总线54发送至系统326其它模块48，50,52的数据信息包。
再度参照图24A及图24B以及图25，操作员控制器336的输入允许操作员作焊接操作的多种参数设定，包括设定值及控制值，作业模式及程序模式。设定及控制值指示控制系统326的不同模块48,50,52,54。一旦数值有任何改变，模块参数即刻跨越控制系统326更新。各模块46,48,50,52的逻辑段由电池供电，允许即使当分布式控制系统326关闭电源时个别模块仍可有选定的参数。
操作员控制面板46优选包括三个分开程序其可介于其间发送数据。这些程序如前述为操作员界面程序340，系统监督者程序342及网络界面程序344。操作员界面程序340包括解码来自开关390-414的输入的装置及操作员控制336的编码器416-420。操作员界面程序340也包括更新LED及LCD338显示的状态信息的装置。当参数值通过操作员控制器336更改时，由操作员界面程序340设定旗标，通知系统监督者程序342新参数值。
控制系统326选定的工作模式决定焊接系统10的多种作用。选定的工作模式优选包括人工模式、自动模式及程序模式。人工模式允许操作员人工设定或定位焊接系统10的多组件，且防止自动化作业期间模块48,50,52跑开。自动化模式允许自动化作业，防止操作员不慎更改组件的设定或位置。
控制系统326的程序模式用于对多个不同自动化焊接周期状态使用本发明的自动化模式设定参数。特别参照图26，以图形显示本发明的优选自动化焊接周期，其中焊接电压输出及焊丝供给速率变化显示跨越一焊接周期的时程。通常自动焊接周期包括循序出现的多个不同条件或状态。如图23所示，优选自动焊接周期包括启动状态(A)，初步焊接状态、时间或期间(B)，渐升焊接状态(C)，程序焊接状态(D)，渐降焊接状态(E)，最终焊接状态(F)及整理状态(G)。三项主要状态为初步状态(B)。程序焊接状态(C)及最终状态(D)，其构成自动焊接周期的大半时间。各种状态或条件持续一段预定或预设时间，初步状态(B)及最终状态(F)通常持续时间相当短，约0.2至30秒。自动焊接周期由周期开始开关366启动而激励开始状态。周期结束开关368开始渐降状态接着为最终及整理状态。启动状态用于建立电弧，一旦有电流流到焊接处则接着为初步状态。整理状态出现于焊丝供给停止后，且允许焊丝由焊接处回烧以防焊丝被捕陷于冷却后的熔池内。焊接状态期间，大半焊接形成的同时焊丝及导管皆被消耗。焊接周期的焊接状态编号及类型以及该等状态的焊接参数可视需要对不同的焊接操作改变。
参照图1及图24A及24B，对前述各状态选定的参数决定焊接条件通常分为两大类焊接参数及摆动参数。焊接参数通常为电压，其控制焊接电源42的输出，及电流或安培，其由旋转式直线供给器总成18的焊丝供给速率控制。摆动参数为速度、宽度、中心线、停顿时间及电压，全部皆随摆动器16的运动方向改变。维持特定焊接条件的时间或期间等多种状态依据使用的焊接容积及焊接供给速率决定。全部参数皆用于自动化焊接周期，由操作员通过操作员控制器336输入程序模式且储存于微控制器328的非挥发性存储器。这些参数由网络界面程序344传递给适当控制模块。
系统监督者程序342负责指导前述自动化焊接周期。系统监督者程序342也监视各控制模块48,50,52，当发生故障时可中断焊接作业。因各控制模块的微控制器包括备用电池来维持预设参数，故系统监督者程序342协调各自动化焊接周期的起点，确认摆动器16、旋转式直线供给器18、与焊接电源42于正确时间于各种状态间切换，发信号通知改变给最终状态，及发出最终关机指令。计时装置例如振荡石英晶体(图中未显示)结合微控制器328。系统监督者程序342依据计时装置每100毫秒发出一个时间单位指令。若错过多于一个预设计时单位，网络54的控制模块48,50,52则将关机。
系统监督者程序342于焊接作业期间要求得自控制模块48,50,52的数据。要求得来的数据用于更新显示于LCD338的信息，确认选定的焊接及摆动参数皆维持不变，以及提供控制模块的操作数据。系统监督者程序342监视控制系统326有关数据请求信息包。若特定控制模块要求控制系统326的其它模块产生数据，则于确认返回的数据是来自适当来源后处理该数据请求信息包。若特定控制模块要求控制系统326的其它模块产生数据，则于确认返回的数据是来自适当来源后处理该数据请求信息包。例如焊接电源控制器52监视网络有关来自摆动器控制器48的信息。焊接电源控制器52可于摆动器16的停顿时间内变更焊接电压参数。来自摆动器控制模块48的数据信息包是由工作旗标组成，包括一指示摆动器16(图1)是否为停顿状态的旗标，靠此通知焊接电源控制器52何时更改电压。
操作员控制面板46的网络界面330与控制模块48,50及52的网络界面350,362及378的差异分别为操作员控制模块46为主控模块，其带有网络界面程序344，可初始化全部跨越控制系统网络的通讯。其它模块的网络界面350,362及378为从属界面，其仅能应答来自操作员界面模块46的请求。网络界面程序344提供网络通讯协定，优选使用EIA RS-485信号及标准8位NRZ ASCⅡ码集合。每一位是以单一开始位及单一结束位编码而无奇偶校验。源自各控制模块48,50,52的特征信息可通讯回操作员控制模块46且显示于LCD338给操作员。网络界面程序344将源自系统监督者程序342的请求转成信息包，将信息包发送给特定控制模块，及等候来自特定控制模块的响应。若在设定时间以内未接受的响应则可再次发送信息包。
网络讯息优选由十六进制ASCⅡ字符信息包组成，其始于特殊开始字符而终于特殊结束字符。各对十六进制字符编码一个信息位。开始字符后的首二字符编码讯息类型及模块地址。接着为0至30字符(实际数目随讯息类型改变)其提供额外控制及数据信息。结束字符之前的最末二字符编码位在检查和前方全部字符(开始字符除外)的8位元模块检查和。信息包包括开始及结束字符的最短可能长度为6字符及最长可能长度为36字符。信息包内若含有非十六进制字符(开始及结束字符除外)则被赐除，或若含有奇数十六进制字符，或若嵌置的检查和不匹配检查和计算值则被赐除。
主控操作员控制面板46可定址多达30个其它从属控制模块，各自由硬件开关指定一个地址。如所示，控制系统326仅包括3个从属模块，亦即摆动器控制器48，焊丝供给控制器50及焊接电源控制器52。如此本发明的控制系统具有高度扩充性及配合性，容易修改而包括焊接系统10其它方面的多种额外控制模块，例如焊剂速率控制，焊缝跟踪及多种焊炬14的平移移动。从属模块具有1至30的地址。主控操作员控制面板模块46被指定一个31的地址。
地址“零”是用于特殊用途信息包。通常有三类型信息包地址零信息包其请求全部模块；地址1至30信息包其请求特定模块；及地址31信息包。地址31信息包为从控制模块对主控操作员界面模块46的响应。地址零信息包为来自操作员控制面板328对网络全部控制模块的请求，例如前述时间单位信息包。其它地址零信息包包括周期开始、周期中止及紧急中止。主控操作员控制面板模块46的网络界面330发送地址零信息包后并未预期响应，因该信息包是由全部控制模块接收。
地址1至30信息包为特定控制模块的指令及请求。这些信息包包括参数更新、数据请求及单一模块开始及结束指令。主控操作员控制面板模块46预期由定址的从属模块接收到应答。若从属模块送返错误应答或根本未应答则将再发送信息包。
地址31信息包是来自地址1至30信息包给主控操作员控制面板模块46的应答。这些信息包包括讯息OK，讯息错误及由数据请求信息包送返的数据。除了含有可由特定从属模块使用的数据的数据应答信息包外，从属模块将忽略全部信息包。
摆动器控制模块48控制及供电给摆动器16的转轴176a,176b及线性致动器180a,180b，摆动器于焊接期间使焊炬14往复。摆动器控制模块48的马达驱动器356包括光学隔离H字形桥(图中未显示)，其提供24伏高达10安培的马达驱动功率而驱动马达182。微控制器346的摆动器程序348监视正交编码器208，提供线性致动器180a,180b定位控制至0.005英寸。线性致动器180a,180b的速度控制在0.5IPM至50.0IPM的范围且利用摆动器程序346控制于0.1IPM。由摆动器程序346提供的安全操作包括过度位置误差检测及热关机控制且具有自动复原能力。并行I/O 352接收来自位置索引指示器357的光学隔离输入，以及可额外接收继电器用于控制由焊剂分配器298或其它焊接系统10相关装置供给焊剂。
摆动器控制模块48的马达控制界面354优选为分开施用至特定集成电路(ASIC)，其是由摆动器控制程序348指导。马达控制功能由微控制器346离开负载至分开的ASIC，允许摆动器控制程序348更为良好地控制整个摆动顺序，也提供于更高滑动速度的更佳准确度。马达控制界面354通过8位并联总线(图中未显示)与微控制器346及摆动器控制程序348通讯。马达控制界面354由正交编码器208读取输入，其提供位置及速度反馈给摆动器控制程序348。若马达控制器界面354检测的有关线性致动器180a,180b的偏位错误时，产生摆动器控制程序348中断。如此允许摆动器控制程序348于安装的马达182及马达驱动器356过热及受损前关闭驱动系统。马达控制器界面354的指令由摆动器控制程序348由接收自操作员控制面板46的参数产生。
摆动器控制程序348跟踪摆动器16(及焊炬14)的线性致动器180a,180b的绝对位置，原因为马达控制界面354相对于零位置启动。摆动器控制程序348保有绝对位置及其它控制参数于微控制器346的电池供电存储器。控制参数是由操作员控制面板46对全部自动化焊接周期的自动焊接状态规定行进方向(右行及左行)。这些参数包括速度、停顿时间及摆动宽度。另一参数为中心线位置，其对全部操作模式皆相同。位置指数357用作参考点，其允许摆动器控制程序348相对于已知固定位置比较线性致动器180a,180b的绝对位置。摆动控制参数是由操作员于程序模式式使用操作员控制面板46上的适当速度、宽度、中心线及停顿开关394、396、398、400设定。
操作员控制面板46的系统监督者程序342每隔100毫秒发出一个数据请求信息包给摆动器控制模块48。这些信息包提供焊接电源控制器52的效果，当摆动器16停顿于行程末端时须了解该效果。当操作员控制面板46是于程序模式式摆动器16被钝化，如此允许操作员安全设定摆动器16的参数而无需担心有关导管96对焊靴62a或62b短路。若马达控制器界面354因使用线性致动器180a,180b检测得偏位错误而中断摆动器控制程序348，则系统监督者控制程序342将在检查来自摆动器控制模块48的数据应答信息包的错误旗标时决定是否出现严重错误。
焊丝供给控制器50驱动旋转式焊丝供给矫直器总成18且带有电压控制伺服放大器372。位置及速度精度随马达260的性质及马达260或总成18驱动系统关联的编码器366的分辨率决定。并行I/O 364接收来自编码器366的输入。其它板上I/O包括来自开关及断电器的光学隔离输入(图中未显示)用于控制焊接系统10关联的其它外部装置。焊丝供给控制模块50无须马达控制界面的单独ASIC，原因为大半焊接操作的焊丝供给速率无需摆动器16所需的高精确度马达控制。
线供给程序360使用正向供给演算法控制旋转式直线供给器总成18的控制马达260，原因为经过控制的参数为焊丝速度或供给速率，而无须摆动器控制模块48定位逻辑。来自标准数/模转换器(图中未显示)的输出用于设定电压控制伺服放大器372的输出水平。马达260的方向通过使用继电器(图中未显示)切换伺服放大器372的输出选择。焊丝速度或供给速率用作控制参数，而非焊接电源42的电流输出(安培)，原因为电流输出与多种其它变量(焊丝供给速率以外的变量)有关而难以控制。使用焊丝供给速率作为控制参数也降低微控制器358对焊丝供给控制模块50的工作负载，原因为微控制器358无须通过焊接电源控制模块52监控来自焊接电源42的电流(安培)数据的网络数据信息包。
电流-焊丝供给速率检查表储存于微控制器358的存储器，其允许焊接操作员将焊接条件安培数输入控制面板46而不是输入焊丝供给速率。电流-焊丝供给速率表在校准焊接过程产生，且将随焊接电源42及焊丝102的规格及类型而定。校准焊接期间，焊丝供给控制器50监视来自焊接电源控制器52的数据请求应答，及提取电流输出数据。来自焊接电源控制器52的电流输出连同来自编码器366的输入和输出至伺服放大器372的电压用于建立电流-焊丝供给速率换算表。
焊丝供给方向可为正向及逆向，但自动化焊接周期期间，焊丝供给方向通常限于正向。当操作员控制面板48处于手动模式时，操作员可于任一方向推杆线而使焊丝定位于焊接或用于维持DWCS。焊丝推进速度储存于微控制器358的存储器作为独立于焊丝供给速率的值且是基于源自伺服放大器372的输出的百分比。
焊接电源控制器52提供焊接电压控制及来自焊接电源42的反馈。焊接电源控制器52的输出是由SPST继电器构成，其控制焊接电源接触及数-模转换器(图中未显示)，数-模转换器(图中未显示)可提供12位±12伏输出，可支持不同焊接电源42的控制电压需求。来自焊接电源42的电压及电流输入通过焊接电源控制模块52传递至操作员控制面板48及网络上其它模块。焊接电源控制模块52也包括来自水流检测器388的水流检测输入。数-模转换器及关联的模拟输入电路是与控制器52电路板的逻辑及通讯区段(微控制器374)作光学隔离及彼此隔离。此种隔离允许各区段于不同电压浮动，且保持来自电源输入的EMI不会干扰焊接电源控制模块52的操作。
在自动化焊接周期期间，操作员控制面板46询问焊接电源控制模块52有关焊接电源42的电压及电源输出电平。此项信息用于监视焊接周期且显示于操作员控制面板46的LCD338上。操作员控制面板46也接收来自电源控制模块52的旗标集合，指示焊接电源42及冷却水流系统状态。焊接电源控制模块52在检测器388指示冷却水流故障时将关闭焊接电源42，若无冷却水流流动则不关闭接触器而激励焊接电源42。操作员控制面板46在未检测到冷却水流时不允许焊接周期开始，且当焊接电源控制模块52通知未检测冷却水流时将关闭焊接周期。操作员也在LCD338上被告知问题。
从焊接操作员观点看来，焊接系统10连同其分散焊接控制系统326进行单一集成系统。此种集成是通过独立微控制器网络于多种控制模块上完成，各个模块控制焊接系统10的单一部分。这些微控制器是由主系统监督者程序342监督，其提供设定信息给各控制模块并询问该模块有关用于监视与控制焊接系统10的数据。系统监督者程序342无须了解各个模块是否执行任务，而仅了解由各模块接收的建立模块所须信息及数据。此种配置提供系统的灵活性及扩充性，分布式焊接控制系统326的配置设计以及具有不同能力的模块可更换而控制焊接系统10的各方面，无须再度程序设计分布式焊接控制系统326。系统监督者程序342甚至依据网络总线54所建各模块可配合控制界面及操作员界面。也允许各模块于严重错误情况下关机，而无论接收自监督者程序342的指令如何皆是如此。
本发明的焊接控制系统326优选提供各焊接周期间记录各方面及参数。数字记录焊接数据的装置是以串行口421形式提供于操作员控制器336上，其允许控制系统326界面至已知快闪存储卡界面或软磁盘机(图中未显示)等已知数字记录装置。如此在焊接周期由操作员输入操作员控制器336的全部数据，以及焊接周期期间由控制系统326各模块48,50,52通讯至操作员控制面板46的全部数据皆可记录于快闪存储卡或软盘或其它存储媒体而存储供未来使用。若未来有特定焊接故障，全部有关该次焊接的数据皆可迅速取得容易查阅。由于电弧焊接产生的电磁场，快闪存储卡上存储数据通常比软盘更佳。
焊剂分配器控制模块(图中未显示)也包括控制系统326且与总线54有一界面。焊剂分配器控制模块优选包括内部微控制器，其含有程序设计化装置用于响应焊接电压及焊接电流控制焊剂分配器298分配焊剂的速率。一般而言，在垂直焊接期间，焊剂熔池深度及焊接稳定性将影响焊接电流及焊接电压。当焊接熔池过深时，焊接极为安静稳定。当焊接熔池太浅时焊接变得不稳定，焊接电压及焊接电流起伏波动或出现波尖。焊接电压及焊接电流靠控制系统326检测并送至焊剂控制模块，其随后以可响应检测到的焊接电压及焊接电流的速率由分配器298分配焊剂。关联焊剂分配器控制模块的程序设计化装置包括预定焊接电压及焊接电流极限，该极限对应于焊剂熔池深度且是用于控制来自焊剂配器298的焊剂分配速率。焊剂分配速率实体上是由带304的速度控制，带速度可由焊剂分配器控制模块改变。
大致参照图1至图26，使用工字梁56及加强板58作为工件说明使用焊接系统10的方法。如前述，焊接系统10用于工字梁56及加强板58单纯为举例说明，焊接系统10依据焊接系统10所预定的特定用途可用于多种不同金属基板、工件或基体金属零件。所以，下述特定步骤及步骤顺序不得视为限制性。
使用焊接系统10时，操作员通常水平设置工字梁56使之跨越地板高度的支持件60a,60b，工字梁56的腹板89大致平行地板44，工字梁56的凸缘86a,86b大致垂直地板44。加强板58经切割及修裁而嵌合于凸缘86间，故当加强板58置于凸缘86a,86b间时，适当间隙如3/4英寸至1英寸保持于加强板58末端与凸缘86a间。加强板58是使用已知焊剂中心焊丝水平焊接技术焊接至腹板89。
水平焊接加强板58至腹板89前，焊接操作员定位焊接夹具12于工字梁56，凸缘86a位于夹具12的开口84a,84b内部，中心线64及导管96大致靠近加强板58边缘与毗邻凸缘86a间的间隙中心，如图6最清晰显示。焊接夹具12是靠手动锁紧螺丝78a,78b牢固固定于凸缘86a，故凸缘86a是牢固夹持于撑杆80a,80b与撑杆82a,82b间。右/左定位螺丝68是靠转动钮76或轮72旋转而将焊靴62a,62b调节至毗邻凸缘86a与加强板58末端间的间隙而界定垂直焊穴104,导管96及焊丝102大致位于焊穴104的沿中心线64中央。焊靴662a,62b的绝缘涂层106是面对焊穴104。冷却水或空气是以已知方式循环通过焊靴62a,62b。定位焊剂分配器298的滴管320，可提供焊剂至焊穴104，及通过启动马达310驱动焊剂分配器带304供给焊剂粉末至焊穴104。
使用操作员控制面板46，焊接操作员将控制系统326使用程序开关408置于程序模式，然后输入或预设焊接参数或条件用于使用操作员控制面板46上的适当开关进行自动化焊接周期。如前述，参数包括电弧电压，电弧电流，焊线供给速率及摆动器设定值。参数的特定值将随加强板58及工字梁56尺寸及焊穴104的大小及形状而异。此外，选定的参数通常对于自动化焊接周期的各种状态不同。焊接参数已经输入后，控制系统326使用程序钮408切换至自动模式。
操作员启动周期开始开关410而启动起始焊接条件或状态，持续至熔融焊剂熔池形成于焊穴104底为止。焊丝102靠旋转式直线供给器总成18前进，故焊丝102末端接触基体金属(腹板89)并撞击电弧而开始初步焊接状态。焊炬14及导管96是根据预定设定值或参数于焊穴104内部靠摆动器16摆动。初步焊接状态或时间结束时，控制系统326随后拉高焊接电压及焊丝供给速率并切换至程序焊接状态。焊接向上进行至凸缘86及板58顶端此时焊穴104填满。当焊接接近凸缘86及板58顶端且接近完成时，操作员启动操作员控制面板46上的周期停止开关412。程序焊接状态期间，焊丝102及导管96被消耗而填补焊穴104，形成焊接连结凸缘86a至加强板58毗邻边缘。周期停止开关412渐降焊接电压及焊丝供给速率而引发最终焊接状态，直至焊接电源42的电源接触器降低而结束电弧并停止焊丝供给为止。焊丝供给停止后的完成状态允许焊丝102由焊接处回烧，防止焊丝102被捕陷于冷却后的焊接熔池中。
如此完成焊接时，控制系统326通过操作员控制面板46上的程序开关408返回手动模。焊接作业细节若有所需可下载至外部个人电脑及/或记录于软盘。焊靴62a,62b靠手启动定位螺杆68拉开，焊接夹具12靠松开锁紧螺丝78a,78b而与凸缘86a脱离。然后焊接夹具12移动毗邻加强板58的反端，适当定位且牢固固定于凸缘86b，重复前述过程焊接加强板58的相对缘至凸缘86b。
当加强板58的二缘如前述皆已经焊接至工字梁56的相对凸缘86a,86b时，焊接夹具12可移动至工字梁56的另一位置用于焊接另一片加强板，或工字梁56可旋转180度而使加强板焊接于工字梁56的相反边。无需后备杆或撑杆来夹持加强板58或焊靴62a,62b定位，每次焊接的整个实体设定时间少于1分钟。对任何工字梁焊接至加强板58无须重新定位工字梁56。因焊接夹具12连同附着的焊炬14及摆动器16以及操作员控制模块46质量轻且可携带，单人可操控本发明的焊接系统10并在相当短时间内铺设多片加强板于工字梁。若焊丝102于焊接周期期间熔合至导管96，旋转式直线供给器224a对焊丝102施加的向下力传递给导管96，将导管96向下移入熔融焊接熔池，此处焊接热解除焊丝102与导管96的熔合，允许焊接周期继续而不会中断。铜焊靴62a,62b上的绝缘涂层106可防止先前使用电渣焊接技术造成灾难性导管96对焊靴62a,62b短路。
使用焊接系统10可以手动模以人工交替进行而非以自动焊接周期进行。至于另外替代例，分布式焊接控制系统326可由焊接系统10删除，操作员可利用与焊接电源42、摆动器16及焊丝供给器矫直器总成18分别关联的控制器以标准方式设定焊接参数。若无需矫直焊丝，则焊丝102可靠已知线供给器32而非旋转式直线供给器总成18供给至焊炬14及导管96。
前述使用焊接系统10铺设加强板于工字梁的方法的变型大致示例说明于图27至图30，其中类似的标号表示类似部件。图27至图30所示方法中，首先于工字梁56的腹板89切割开槽422，准备细长加强板424，其构造及配置为当对中定位于开槽422时，加强板424由工字梁56两边腹板89向外伸展而界定上板部426及下板部428。如此单板424对工字梁56两边提供加强件，工字梁56只需要最少重新定位来铺设加强件于工字梁56两边。
为了使用带有细长加强板424及开槽422于腹板89的焊接系统10，焊接系统10优选也包含焊靴夹紧总成430，其合并焊接夹具12使用。焊接夹紧总成430在焊接进行时大致设置于工字梁56下边，容后详述。但通常焊接操作员较为容易设定焊接，焊接夹紧总成430位于工字梁56顶边或顶部，然后于焊接前旋转工字梁56而使焊接夹紧总成430位于工字梁底侧。如此为求清晰起见，加强板428底部在图27至图30是以面向上以焊接操作员使用本发明时可能观察到的方式呈现。
焊靴夹紧总成430大致包含第一对焊靴432a,432b及第二对焊靴434a,434b，第一及第二对焊靴共同绕枢轴旋转及可调联接，容后详述。焊靴432a,432b,434a,434b优选为铜制，各自包括已知循环冷却水的装置(图中未显示)例如内部循环导管及冷却软管接头。图示焊靴432a,432b,434a,434b的结构及配置为紧密嵌合抵靠工字梁56的腹板98及凸缘86a,86b以及加强板424。
相对于第二对焊靴434a,434b对第一对焊靴432a,432b作位置调节的装置设置有夹紧总成430，优选包含一对定位螺杆总成436a,436b，其各自分别包括内螺纹套筒438a,438b。内螺纹套筒438a,438b各自包括内右螺纹(图中未显示)毗邻一端及内左螺纹(图中未显示)毗邻另一端。定位螺杆总成436a,436b各自包括右螺纹螺杆440a,440b及左螺纹螺杆442a,442b，各自螺纹连接于套筒438a,438b的对应右螺纹部及左螺纹部。右螺纹螺杆440a,440b靠铰链444a,444b枢接联接至焊靴432a,432b，左螺纹螺杆442a,442b靠铰链446a,446b枢接联接至焊靴434a,434b。靠旋转套筒438a,438b，依据套筒438a,438b的转向，第一对焊靴432a,432b可拉向或拉离第二对焊靴434a，434b。借此方式焊靴432a,432b,434a及434b可相对凸缘86a,86b作位置调节。
焊靴夹紧总成430也包括第一对焊靴432a,432b彼此相对作位置调节的装置。位置调节装置优选包含一根定位螺杆总成448，它具有一内螺纹套筒450，带有内右及左螺纹部(图中未显示)，及右螺纹螺杆452及左螺纹螺杆454，它们螺纹连接于套筒450的对应内右及左螺纹部。右螺纹螺杆452靠螺母458枢接联接至焊靴支持件456，及左螺纹螺杆452靠螺母462枢接联接至焊靴支持件460。支持件456靠安装部464联接至焊靴432a，及支持件460靠安装部468联接至焊靴432b。旋转套筒450用于拉近或拉离焊靴432a,432b，随转向而定，且允许焊靴432a，432b相对彼此作位置调节及对加强板424底部428作位置调节。
第二对焊靴434a,434b相对彼此作位置调节的装置也设置有焊靴夹紧总成430，优选包含定位螺杆总成470，它具有内螺纹套筒472，带有内部右及左螺纹部(图中未显示)，及右螺纹螺杆474和左螺纹螺杆476，其是螺纹连接于套筒472的对应内部右及左螺纹部。右螺纹螺杆474靠螺母480枢接联接至焊靴支持件478，及左螺纹螺杆476靠螺母484枢接联接至焊靴支持件482。支持件478靠安装座486联接至焊靴434a，及支持件482靠安装座488联接至焊靴434b。套筒472的旋转用于拉近或拉离焊靴434a,434b，取决于旋转方向以及允许焊靴434a,434b相对于彼此及低于加强板424底部428作位置调节。
焊靴夹紧总成430是用于首先于工字梁56腹板切割适当开槽422，及切割加强板424，故当加强板424定位于开槽422内部时，加强板424的顶部426及底部428由腹板89向外伸展，及一间隙定位于工字梁56的加强板424的边缘与毗邻凸缘86a,86b间。然后加强板424点焊定位。此时，工字梁56及加强板424优选定位成加强板底部428向上而非向下以便辅助设定焊靴夹紧总成430。焊靴夹紧总成430是定位成第一对焊靴432a,432b毗邻凸缘86a或86b，第二对焊靴434a,434b毗邻相对凸缘。如所示焊靴432a,432b毗邻凸缘86a，及焊靴434a,434b毗邻凸缘86b。加强板424底部428是位于焊靴432a,432b间以及焊靴434a,434b间。套筒438a,438b旋转至焊靴432a,432b紧密嵌合抵住凸缘86a，焊靴434a,434b紧密嵌合抵住凸缘86b,如图27至图30所示。套筒450旋转至焊靴432a,432b紧密嵌套于或夹紧于加强板424底部428，及套筒472旋转至焊靴434a,434b紧密嵌套于加强板424底部428。如此焊靴夹紧总成430牢固附着或联接至加强板424底部428。套筒438a,438b旋转使焊靴432a,432b,434a,434b对凸缘86a,86b施加向外压力而辅助夹紧总成430定位。
如此定位焊靴夹紧总成430时，第一下垂直焊穴490大致界定于焊靴432a,432b凸缘86a及加强板424底部428边缘间。同理，第二下垂直焊穴492大致界定于焊靴434a,434b，凸缘86b及加强板424底部428的另一边缘间。一槽段(图中未显示)点焊于凸缘86a及加强板424底部428，槽段紧密嵌合抵住焊靴432a,432b，凸缘86a及加强板424底部428。靠此方式第一下焊穴290底部由槽段密封，且于焊接过程将防止熔融金属由下焊穴泄漏。另一槽段(图中未显示)点焊于凸缘86b及加强板424底部428，使该槽段紧密嵌合抵住焊靴434a,434b，凸缘86b及加强板424底部428以防焊接过程焊接金属由第二下焊穴292损失。
加强板424是使用已知腹板至加强板焊接而焊接至腹板89，该技术是采用已知水平焊接技术，优选使用带有焊剂中心焊丝的焊枪。已知腹板至加强板焊接典型包含四角焊、四双重斜槽焊接、或二单斜槽焊接。经济上考虑通常将使操作员决定使用已知腹板至加强板焊接类型。腹板至加强板角焊可无须重新定位工字梁56进行。
如前述附着槽段且腹板至加强板角焊接后，工字梁56绕其纵轴旋转，使加强板424下部428向下取向，焊靴夹紧总成430是位于工字梁56下方。再度参照图2至图6及图4至图30，焊接操作员随后定位且牢固固定焊接夹具12于工字梁56上毗邻加强板424的上部426，凸缘86a位于夹具12开口84a,84b内部，中心线64及导管96大致靠近加强板424上部426边缘与毗邻凸缘86a间的间隙中心。夹具12上的焊靴62a,62b是以前述方式通过定位螺杆68定位而界定上垂直焊穴(图中未显示)介于加强板424上部426与凸缘86a间。上焊穴通常类似图6所示焊穴104，上焊穴大致接续下焊穴490而界定一细长焊穴，其顺着加强板424的上及下部426,428的整个边缘伸展。导管用于焊炬14，导管长而可在组合上及下焊穴长度上延长。然后以前述方式输入自动化焊接周期的预定程序进行垂直焊接，以及执行自动焊接周期，唯一差异为所形成的焊接的垂直长度或深度。焊接完成时，焊接夹具12移至凸缘86b，重复整个程序而形成第二垂直焊接，顺着上焊穴(图中未显示)及第二下焊穴492的长度方向伸展。当二细长垂直焊接完成时，焊靴夹紧总成430靠着适当旋转套筒438a,438b,450及472而从加强板424及凸缘86a,86b上松开。
若干焊靴夹紧总成430可同时设定于需要多片加强板的工字梁上。于工字梁腹板需要加强板的位置切割多道开槽，细长加强板插入开槽内并靠点焊牢固固定于其中。焊接夹紧总成430随后以前述方式设定于加强板上。一旦全部焊靴夹紧总成皆已经附状定位，焊接操作员可下移工字梁连同焊接夹具12进行全部垂直焊接而无需于各次焊接间重新定位工字梁。此种配置可减少笨重工字梁的重新定位。
焊靴夹紧总成430连同焊接夹具12允许加强板安装于工字梁56两边，且仅有二垂直焊接，一垂直焊接是顺加强板的上及下部426,428边缘连结凸缘86a，而另一垂直焊接是连结凸缘86b至加强板424上及下部426,428的另一边缘。对工字梁56各边需要切割及倾斜两片分工加强板及设定并执行4次垂直焊接，可以前述方式使用细长加强板424贯穿工字梁56腹板89开槽422连同焊靴夹紧总成430及焊接夹具12消除。
现在参照图31，显示焊靴总成494的替代实施例，其中类似的标号表示类似部件。图1的焊靴总成494用于形成对焊，而图6所示的焊靴配置用于形成T字形焊接。焊靴总成494包括一对焊靴496a,496b，其构造及配置是用于介于对相对板端498a,498b间执行对焊作业。焊靴496a,496b界定一介于板端498a,496b间的焊穴500。焊靴496a,496b用于焊接夹具12且联接至焊接夹具12的活动杆66a,66b(图4)，及焊靴496a,496b是以前文对焊靴62a,62b所述方式进行位置调节。调节焊靴496a,496b的回缩位置以虚线表示。焊接夹具12定位成中心线64、焊丝102和导管96位于介于板端498a,498b中间的焊穴500内部。焊靴496a,496b优选为铜制，且优选以前述方式包括热及/或电绝缘涂层或部分502。
其次参照图32，显示根据本发明的导管504的替代实施例的剖面图。如前述，旋转式直线供给器总成18可同时矫直及供给两根焊丝至一焊接处，焊炬14的构造及配置可容纳两根焊丝且导引两根焊丝进入一焊接熔池。导管504为加腹板的导管且包括一片腹板506位于一对容纳焊丝(图中未显示)的导管508,510间。有腹板导管504的构造及配置比使用两根已知导管可将焊接电弧能展开于更宽广区域。加腹板导管504是由一对相对的细长板512,514组成。板512包括一对纵通道516a,516b，而板514包括一对细常通道518a,518b，其是靠金属弯曲或轧制技术制成。板512,514共同设置且沿边缘靠焊缝520，522接合，故通道516a,516b界定管508及通道516b,518b界定管510。
以前述方式使用本发明的方法通过参照图33大致显示的流程图以及图27至图30将更为明了。于步骤600，加强板424设定于工字梁56上，加强板424的位置大致垂直腹板89及凸缘86a,86b，有一间隙位于加强板424与凸缘86a,86b间。优选此步骤包括切割开槽422(图27)于工字梁56的腹板89的步骤，细长加强板424的构造及配置当对中定位于开槽422时，加强板424由腹板89于工字梁56两边向外伸展而界定一上板部426及一下板部428。一加强板设定于工字梁上。当加强板424置于开槽422内时，加强板424上部426(图28)及下部428由腹板89向外伸展，一间隙位于加强板424两边与工字梁56的毗邻凸缘86a,86b间。然后加强板424点焊定位，及随后使用已知腹板至加强板焊接而焊接至腹板89，该种焊接是靠已知水平焊接技术且优选使用带有焊剂中心焊丝的焊枪进行。
如前述，焊接系统10可用于焊接加强板于工字梁包括有或无开槽腹板。若腹板不含开槽，则步骤600大致是靠前述焊接加强板于腹板的方式进行。
于步骤610，焊靴底夹紧总成430(图28)附接于工字梁56。如前述，焊靴夹紧总成430定位成第一对焊靴432a,432b位置毗邻凸缘86a或86b，第二对焊靴434a,434b位置毗邻相反凸缘。加强板424底部428定位于焊靴432a,432b及焊靴434a,434b间。套筒438a,438b旋转至焊靴432a,432b紧密嵌合抵住凸缘86a及焊靴434a,434b紧密嵌合抵住凸缘86b，如图28至图30所示。套筒450旋转至焊靴432a,432b紧密套住及夹紧于加强板424底部428，及套筒472旋转至焊靴434a,434b紧密圈套于加强板424底部428。如此焊靴夹紧总成430牢固附着或联接至加强板424底部428。套筒438a,438b旋转使焊靴432a,432b,434a,434b对凸缘86a,86b施加向外压力而辅助夹紧总成430定位。
如此定位焊靴夹紧总成430时，第一下垂直焊靴490(图29)大致界定于焊靴432a,432b、凸缘86a及加强板424底部428边缘间。第二下垂直焊穴492类似地大致界定于焊靴434a,434b、凸缘86b及加强板424底部428的对缘间。槽段(图中未显示)点焊于凸缘86a及加强板424底部428而密封第一下焊穴290底，另一槽段(图中未显示)是点焊于凸缘86b及加强板424底部428而于焊接过程密封第二下焊穴292。
于步骤620，设置焊接夹具12使之附着于工字梁。如前述，焊靴夹紧总成大致设定于工字梁顶部，然后工字梁56以其纵轴为轴旋转使加强板424底部428向下取向，及焊靴夹紧总成430位于工字梁56下方。也参照图2至图6及图27至图30，焊接夹具12牢固固定于工字梁56，毗邻加强板424上部426，凸缘86a位于夹具12的开口84a，84b内部，中心线64及导管96大致接近间隙中心介于加强板424上部426边缘与毗邻凸缘86a间。
于步骤630，夹具12的焊靴62a,62b通过定位螺杆68以前述方式定位而界定上垂直焊穴(图中未显示)介于加强板424上部426与凸缘86a间。上焊穴大致类似图6所示焊穴104，上焊穴大致连续接至下焊穴490而界定一细长焊穴，其顺着加强板424的上及下部426,428的整个边缘伸展。焊炬14上的导管96优选延伸于上及下焊穴合并后的全长。
于步骤640，组合焊穴以熔融金属填补而形成连结加强板424至工字梁凸缘86a的焊缝。如前述，此步骤优选由焊接操作员以前述方式进行，将预定参数通过操作员控制器336(图25)将自动焊接周期输入控制系统326(图24A及图24B)，并执行自动化焊接周期而填补合并下及上焊穴且形成加强板至凸缘焊缝。步骤640可额外包括矫直焊丝及供给焊丝至焊炬14的步骤，及摆动焊炬14的步骤。
于步骤640完成后，焊接夹具12随后移动至凸缘86b，重复该程序沿上焊穴(图中未显示)及第二下焊穴492的全长形成第二垂直焊缝。细长垂直焊接完成时，焊靴夹紧总成430及焊接夹具12从凸缘56及加强板424移开。
由上可知，本发明提供一种于不同条件下无须长期架设时间或使用笨重设备而允许快速且容易地制造高质量垂直焊接的焊接系统及方法，其特别适用于设定加强板于结构梁或柱。虽然前文说明涉及许多具体条件，但不视为限制本发明的范围而仅供举例说明几个目前优选的本发明的实施例。因此，本发明的范围应由所附的权利要求及其法定等同物限定。
权利要求
1．一种焊接系统，包括(a)一焊接夹具，该焊接夹具包括可松开式联接至工件的装置，一对相对的焊靴，对称于一中心线设置焊靴的装置；及(b)一焊炬，该焊炬联接夹具且靠近所述中心线。
2．如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括一可伸展式铰接活接头吊杆，所述焊接夹具连接于该活接头吊杆之一端。
3．如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括矫直焊丝及把焊丝供给到焊炬的装置。
4．如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括相对于所述中心线摆动焊炬的装置。
5．如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括一翼形导管，该翼形导管可松开式联接至焊炬，包括第一及第二细长板，第一及第二细长板各包括一纵通道，且第一和第二细长板接合在一起，所述通道相对且彼此相邻定位而形成一中心管。
6．如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括一焊丝，该焊丝含约0.0001％至约0.05％硼。
7．如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括焊剂分配装置，用于提供焊剂至焊炬附近的一焊接位置。
8．如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括一分布式控制系统，该分布式控制系统包括多个控制模块及连接多个控制模块中的每一个的公用总线，多个控制模块包括一操作员控制面板模块。
9．如权利要求1所述的焊接系统，其中在所述每个焊靴上进一步具有热及电绝缘涂层。
10．如权利要求1所述的焊接系统，进一步包括一焊靴夹紧总成，该焊靴夹紧总成包括(a)第一及第二对焊靴；(b)第一对焊靴相对于彼此调节位置用装置；(c)第二对焊靴相对于彼此调节位置用装置；及(d)第一对焊靴相对于第二对焊靴调节位置用装置。
11．一种焊接系统，包括；(a)一焊接夹具，该焊接夹具包括可松开式联接至工件的装置，一对相对的焊靴，关于一中心线对称设置焊靴的装置；(b)一焊炬，该焊炬联接至所述焊接夹具且靠近所述中心线；及(c)摆动焊炬的装置。
12．如权利要求11所述的焊接系统，进一步包括矫直焊丝及把焊丝供给至焊炬的装置。
13．如权利要求11所述的焊接系统，进一步包括一活接头吊杆，所述焊接夹具结合于活接头吊杆之一端。
14．如权利要求11所述的焊接系统，进一步包括一翼形导管，该翼形导管联接至焊炬，邻接中心线，且具有第一及第二细长板，第一及第二细长板各包括一纵通道，第一及第二板接合在一起，所述通道彼此相对且相邻定位从而在第一板和第二板间形成一中心管。
15．如权利要求11所述的焊接系统，其中所述焊炬包括防止焊丝在焊接过程中熔合至导管的装置。
16．如权利要求15所述的焊接系统，其中所述焊炬包括(a)一外管；(b)一中心管，该中心管滑动安装于外管内部；(c)施加偏压于中心管的装置；(d)一输入适配器；(e)夹紧装置，用于可松开式夹持一导管；及(f)一软导线，该导线连接输入适配器及中心管。
17．如权利要求11所述的焊接系统，其中所述摆动装置包括(a)第一及第二细长平行的转轴；(b)第一及第二线性致动器，该第一及第二线性致动器活动式安装于第一及第二转轴上；(c)当第一及第二转轴旋转时沿第一及第二转轴纵向平移第一及第二线性致动器的装置；(d)测量线性致动器的移动的装置；及(e)一保护壳体，该保护壳体罩住该第一及第二转轴、第一及第二线性致动器、纵向平移装置及测量装置。
18．如权利要求11所述的焊接系统，其中所述焊线矫直及供给装置包括(a)一输入轴承组，该轴承组包括多个倾斜轴承；(b)一输出轴承组，该输出轴承组包括多个倾斜轴承；及(c)一可调节式补偿径向轴承，位于输入与输出轴承组之间。
19．如权利要求11所述的焊接系统，进一步包括一焊丝，该焊丝包括约0.0001％至约0.05％硼，及约0.01％至约0.10％镍。
20．如权利要求11所述的焊接系统，进一步包括一焊剂分配器，该焊剂分配器包括(a)一料斗；(b)一旋转带，该旋转带位于料斗下方；(c)一带段，该带段包括一凹陷区，传动带位于该凹陷区；及(d)至少一根滴管，该滴管与所述凹陷区下部相联。
21．如权利要求11所述的焊接系统，进一步包括一焊靴底夹紧总成，该焊靴夹紧总成包括(a)第一及第二对焊靴；(b)第一对焊靴相对于彼此调节位置用装置；(c)第二对焊靴相对于彼此调节位置用装置；及(d)第一对焊靴相对于第二对焊靴调节位置用装置。
22．如权利要求11所述的焊接系统，进一步包括一分布式控制系统，该分布式控制系统包括(a)多个控制模块，其中至少一控制模块包括一操作员控制模块；及(b)一总线，该总线连接多个控制模块。
23．如权利要求22所述的焊接系统，其中所述分布式控制系统进一步包括程序设计装置，用于执行下列作业(a)读取由使用人输入的控制参数，该控制参数包括焊接电弧电压、焊接电弧电流、摆动器运动及焊丝供给速率；(b)在自动化焊接周期间控制焊接电弧电压；(c)在自动化焊接周期期间控制焊接电弧电流；(d)在自动化焊接周期期间控制焊炬的摆动器运动；(e)在自动化焊接周期期间响应焊接电弧电压及焊接电弧电流控制焊剂的分配；及(f)在自动化焊接周期期间控制焊丝供给速率。
24．如权利要求11所述的焊接系统，其中所述每个焊靴在其至少一个面上进一步包括热及电绝缘涂层。
25．如权利要求22所述的焊接系统，其中所述分布式控制系统包括一摆动器控制模块，一焊丝供给控制模块及一焊接电源控制模块。
26．一种焊接金属基材的方法，包括下列步骤(a)设置一焊接夹具，该焊接夹具包括可松开地联接至少一基材的装置，一对相对的焊靴，关于一中心线对称定位焊靴的装置，以及一焊炬及导管，该导管靠近所述中心线；(b)定位第一及第二基材使之彼此相邻且在第一与第二基材间有一间隙；(c)附接焊接夹具至至少一基材上，定位焊接夹具使中心线位于靠近二基材间的间隙处；(d)相对于中心线将焊接夹具的两相对焊靴调节位置，使得在焊靴与基材间形成一焊穴，导管及中心线设置于焊穴内部；及(e)以熔融金属填补焊穴而形成一连结所述基材的焊缝。
27．如权利要求26所述的焊接金属基材的方法，进一步包括通过焊炬及导管供给一焊丝的步骤。
28．如权利要求27所述的焊接金属基材的方法，进一步包括在焊穴内部摆动导管及焊丝的步骤。
29．如权利要求26所述的焊接金属基材的方法，其中所述第一基材为工字梁及第二基材为加强板，该工字梁包括一对凸缘及一连结凸缘的腹板，该加强板定位成大致垂直腹板及凸缘，一间隙位于各凸缘与加强板间。
30．如权利要求29所述的焊接金属基材的方法，进一步包括在腹板上切割一开槽及定位加强板于开槽内的步骤。
31．如权利要求30所述的焊接金属基材的方法，进一步包括把一焊靴夹紧总成附设于加强板及工字梁的步骤，该焊靴夹紧总成包括(a)第一及第二对焊靴；(b)第一对焊靴相对于彼此调节位置用装置；(c)第二对焊靴相对于彼此调节位置用装置；及(d)第一封焊靴相对于第二封焊靴调节位置用装置。
全文摘要
一种焊接系统及使用方法,其允许单一焊接操作员执行快速、容易且高品质的垂直焊接。焊接系统包含一焊接夹具,该夹具带有一对相对的可调节位置的焊靴及锁紧螺杆,该螺杆用于连接至一工件如工字梁上。焊接夹具位置邻近活接头吊杆末端,还有一焊炬及摆动器包含在焊接夹具上。一旋转式直线供给器可在焊丝供给焊炬时以倾斜及螺线方式移动。焊炬可防止焊丝熔合至导管而中断焊接作业。本发明包括分布式焊接控制系统,包含多个控制模块与一公用总线界面。控制系统允许焊接操作员对各种焊接操作的自动化焊接周期进行程序设计。本发明的焊接系统特别适用于把加强板安装到结构梁上。
文档编号B23K9/28GK1302244SQ99804947
公开日2001年7月4日 申请日期1999年4月1日 优先权日1998年4月10日
发明者威廉·L·彭, 查尔斯·A·博克, 麦克尔·D·格莱恩－刘易斯 申请人:阿马迪整合系统公司