用于在短路电弧焊接过程中增加对焊接点的热量输入的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种在电弧焊接过程中控制对焊接点的热量输入的方法和系统。使用能够生成电焊波形来产生电弧脉冲同时操控电极的进给速度和/或方向的电弧焊接系统在前进焊接电极与金属工件之间生成一系列电弧脉冲。电弧焊接波形的周期包括提供递增箍缩电流电平的箍缩电流相位、提供峰值电流电平、收尾电流电平的峰值电流相位、以及提供本底电流电平的本底电流相位。在本底电流相位期间，生成该周期中的至少一个增热电流脉冲，从而提供增热电流电平，其中该增热电流电平高于该本底电流电平。具有该至少一个增热电流脉冲的电焊波形的周期可以重复直至电弧焊接过程完成。
【专利说明】用于在短路电弧焊接过程中增加对焊接点的热量输入的方法 和系统 优先权
[0001 ]本申请是2015年1月9日提交的第14/593,307号美国专利申请的部分继续申请并 且要求其优先权，该美国专利申请是2013年2月11日提交的第13/764,203号美国专利申请 的继续申请，该美国专利申请是2008年6月27提交的第12/163,047号美国申请(现在是第8， 373,093号美国专利）的继续申请，并且这些申请通过引用以其全部内容结合在此。 相关申请的交叉引用/援引并入
[0002] 1990年11月20日发布的第4，972,064号美国专利通过引用以其全部内容结合在 此。2000年4月18日发布的第6，051，810号美国专利通过引用以其全部内容结合在此。2002 年12月24日发布的第6,498,321号美国专利通过引用以其全部内容结合在此。2007年9月26 日提交的第11/861，379序列号美国申请(现在是2012年6月19日发布的第8,203,099号美国 专利)通过引用以其全部内容结合在此。
技术领域
[0003] 某些实施例涉及电弧焊接。更具体而言，某些实施例涉及一种在气体保护金属电 弧焊接(GMAW)短路电弧过程中增加对焊接点的热量输入的方法。 背景
[0004] 在阻止从材料的两侧进行焊接的情况下，开根焊接用于管道和单面板焊接。这种 类型的焊接常见于石化和加工管道行业。许多年来，管道制造商一直在寻求更快、更容易的 方法来形成单面开根焊接点。甚至对于技术熟练的焊工而言，难以焊接开根管道。刚性定位 使得管线焊接更加困难、耗时和昂贵。强度更高的管道钢驱使着实现低氢焊接金属熔敷的 要求。钨极气体保护电弧焊接(GTAW) -直是能够实现质量要求的可用工艺，然而GTAW根焊 接点形成起来比较昂贵。因为侧壁熔合和穿透不足的问题，一直避免钨极气体保护电弧焊 接(GMAW)工艺。
[0005] 常规的恒定电压(CV)GMAW焊接工艺产生扁平内部焊珠，或将由于高焊接熔池温度 弓丨起焊珠回缩成根的地方"吸回"。GMAW焊接产生良好的管道焊接点，然而，行进速度可能缓 慢并且热量输入可能较高。纤维素电极的杆焊接提供良好的熔合特点，但留下较深的行车 轨迹(需要更多的劳力来研磨）、非常凸的根焊接点、和高氢熔敷。
[0006] 开发了表面张力过渡(STT)工艺来在例如管道上形成单面根焊接点。STT是一种受 控短路过渡GMAW工艺，该工艺产生低氢焊接点熔敷并且使得在所有位置上更容易实现高质 量根焊接点。STT消除了在使用传统短电弧GMAW工艺时遇到的穿透不足和侧壁熔合差的问 题。
[0007] STT工艺以更容易的操作在开根点产生低氢焊接金属熔敷、更好的背面焊珠、更好 的侧壁熔合、以及比其他工艺更少的飞溅和烟气。STT工艺与传统的GMAW短电弧焊接工艺不 同之处在于电弧电流精确控制而与送丝速度无关。并且，小心地调节电弧电流以减少熔池 扰动并且消除在传统的短电弧GMAW工艺过程中发生的剧烈"爆破"。
[0008] 即使当前的STT工艺显著优于传统的短电弧GMAW工艺，尤其是针对根焊接应用，但 更好地控制对焊接点的热量输入以实现更好的穿透而不增加焊接熔池的流动性的能力是 令人期望的。
[0009] 通过这种方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，常 规、传统和所提出的方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明 显。 简要概述
[0010] 本发明的第一实施例包括一种通过使用一种能够生成电焊波形来产生电弧脉冲 而在前进焊接电极与金属工件之间生成一系列电弧脉冲从而在电弧焊接过程中增加对焊 接点的热量输入的方法。该方法包括：
[0011] (a)调节该波形的输出电流电平至用于维持电极与工件之间的电弧的本底电流电 平，从而在电极的远端上产生熔化的金属球；
[0012] (b)响应于该熔化的金属球短路连接至工件上并且使电弧熄灭而将该输出电流电 平降低到低于该本底电流电平，以允许该熔化的金属球变湿进入工件上的熔池中；
[0013] (c)自动将该输出电流电平增加到高于该本底电流电平从而引起该恪化的金属球 从该电极的远端夹断。
[0014] (d)当该熔化的金属球从该电极的远端夹断进入工件上时，将该输出电流电平减 小到低于该本底电流电平，从而在电极与工件之间重新建立电弧；
[0015] (e)响应于重新建立电弧而将该输出电流电平增加到该波形的峰值电流电平；
[0016] (f)朝着该本底电流电平减小该输出电流电平，从而在电极的远端产生下一个熔 化的金属球。
[0017] (g)使该输出电流电平以预定义的脉冲率在该本底电流电平与介于该本底电流电 平和该峰值电流电平之间的中间电流电平之间跳动，直至在下一个熔化的金属球与工件之 间建立下一个短路;并且
[0018] (h)重复步骤(b)至(g)直至电弧焊接过程完成。
[0019] 本发明的另一个实施例包括一种通过使用一种能够生成电焊波形来产生电弧脉 冲而在前进焊接电极与金属工件之间生成一系列电弧脉冲从而在电弧焊接过程中增加对 焊接点的热量输入的方法。该方法包括：
[0020] (a)生成电焊波形的基本周期，该基本周期具有提供本底电流电平的本底电流相 位、提供峰值电流电平的峰值电流相位、以及提供单调递减的收尾电流电平的收尾电流相 位。
[0021] (b)在本底电流相位与峰值电流相位之间生成电焊波形的箍缩电流相位，从而提 供单调递增的箍缩电流电平;并且
[0022] (c)在本底电流相位期间生成电焊波形的至少一个增热电流脉冲，从而提供介于 本底电流电平与峰值电流电平之间的中间电流电平。
[0023] 该方法可以进一步包括定期依次重复本底电流相位、箍缩电流相位、峰值电流相 位、和收尾电流相位，这样使得本底电流相位包括至少一个增热电流脉冲。该方法还可以包 括在本底电流相位结束时将电焊波形的电流电平减小到低于本底电流电平，并且在箍缩电 流相位结束时将电焊波形的电流电平减小到低于本底电流电平。该方法可以进一步包括在 向焊接电极提供焊接波形的同时操控焊接电极的送丝速度和/进给方向。在一些实施例中， 焊接波形是交流电焊接波形。在一些实施例中，峰值电流相位和箍缩电流相位处于第一极 性，并且本底电流电平处于和该第一极性相反的第二极性。
[0024] 本发明的进一步实施例包括一种用于通过生成电焊波形来在前进焊接电极与金 属工件之间产生一系列电弧脉冲从而在电弧焊接过程中增加对焊接点的热量输入的系统。 该系统包括用于生成电焊波形的本底电流相位、峰值电流相位、和收尾电流相位的第一电 子部件配置，其中，该本底电流相位提供本底电流电平，该峰值电流相位提供峰值电流电 平，而该收尾电流相位提供单调递减的收尾电流电平。该系统还包括用于生成电焊波形的 箍缩电流相位的第二电子部件配置，其中，该箍缩电流相位提供单调递增的箍缩电流电平。 该系统进一步包括用于在本底电流相位期间生成电焊波形的至少一个增热电流脉冲的第 三电子部件配置，其中，该至少一个增热电流脉冲提供介于本底电流电平与峰值电流电平 之间的中间电流电平。该系统可以进一步包括用于响应于电极短路连接至工件上而在本底 电流相位结束时将电焊波形的电流电平减小到低于本底电流电平的第四电子部件配置。该 系统还可以包括用于预期到电极与工件的短路消除而在箍缩电流相位结束时将电焊波形 的电流电平减小到低于本底电流电平的第五电子部件配置。
[0025] 本发明的另一个实施例包括一种用于通过生成电焊波形来在前进焊接电极与金 属工件之间产生一系列电弧脉冲从而在电弧焊接过程中增加对焊接点的热量输入的系统。 该系统包括用于生成电焊波形的本底电流相位、峰值电流相位、和收尾电流相位的装置，其 中，该本底电流相位提供本底电流电平，该峰值电流相位提供峰值电流电平，而该收尾电流 相位提供递减收尾电流电平。该系统进一步包括用于生成电焊波形的箍缩电流相位的装 置，其中，该箍缩电流相位提供递增箍缩电流电平。该系统还包括用于在本底电流相位期间 生成电焊波形的至少一个增热电流脉冲的装置，其中，该至少一个增热电流脉冲提供介于 本底电流电平与峰值电流电平之间的中间电流电平。该方法进一步包括用于定期依次重复 本底电流相位、箍缩电流相位、峰值电流相位、和收尾电流相位，这样使得本底电流相位包 括至少一个增热电流脉冲。该系统还可以包括用于响应于电极短路连接至工件上而在本底 电流相位结束时将电焊波形的电流电平减小到低于本底电流电平的装置。该系统可以进一 步包括用于预期到电极与工件短路消除而在箍缩电流相位结束时将电焊波形的电流电平 减小到低于本底电流电平的装置。
[0026] 根据本发明的实施例，电弧焊接工艺可以是使用例如氩和C02作为保护气体、或使 用C02自己的气体保护金属电弧焊接(GMAW)工艺。焊接电极可以包括钢或不锈钢。根据本发 明的实施例，本底电流电平可以是大约70amp，峰值电流电平可以是大约330amp，并且中间 电流电平可以是大约210amp。根据本发明的实施例，增热电流脉冲的预定义脉冲率可以是 大约333Hz，并且电弧焊接工艺的送丝速度可以是大约每分钟150英寸。
[0027] 在本发明的另一个实施例中，焊接系统可以包括生成输出电流波形并且向电极提 供输出电流波形的电源以及使电极前进至工件的送丝器。该系统还可以包括一个控制器， 该控制器控制该电源，这样使得该输出电流波形具有多个峰值电流脉冲部分和多个本底电 流部分，其中，该多个所述峰值部分中的每个峰值部分被该本底电流部分之一分开，并且该 控制器控制该送丝器，这样使得在控制该电源的同时操控该电极的进给速度和进给方向中 的至少一者。此外，该控制器可以控制该电源，这样使得该电源在位于该峰值电流脉冲部分 之间的该本底电流部分中的每个本底电流部分期间生成多个电流脉冲。在该本底电流部分 期间的该多个电流脉冲具有在该本底电流部分的第一电流电平与该峰值电流部分中的每 个峰值电流部分的电流电平中间的电流电平。该多个电流脉冲中的每个电流脉冲的电流电 平在任一个本底电流部分中可以是相同的。
[0028] 在一些实施例中，该控制器控制该电源，这样使得箍缩电流部分被生成在该本底 电流部分与该峰值电流脉冲部分之间，并且在该波形中生成低于这些本底电流部分的该第 一电流电平的第二电流电平。在一些实施例中，该进给速度被减小到低于在这些本底电流 部分期间设定的本底速度，该进给速度减少发生在该第二电流电平、该箍缩电流部分和该 峰值电流脉冲部分中的至少一者的至少一部分期间。在一些实施例中，该进给方向在该第 二电流电平、该箍缩电流部分和该峰值电流脉冲部分中的至少一者的至少一部分期间被反 转。在一些实施例中，焊接波形是交流电焊接波形。在一些实施例中，峰值电流相位和箍缩 电流相位处于第一极性，并且本底电流电平处于和该第一极性相反的第二极性。
[0029] 所要求保护的本发明的这些和其他特征及其所展示的实施例的细节将从以下描 述和附图中得到全面理解。 附图简要说明
[0030] 图1A展示了在电弧焊接过程中用于增加对焊接点的热量输入的电焊波形的周期 的示例性实施例；
[0031] 图1B展示了在图1A中的周期内使用图1A中的电弧焊接波形的电弧焊接过程的各 个阶段，示出了焊接电极与金属工件之间的关系；
[0032] 图2展示了用于生成图1中的电焊波形的系统的第一示例性实施例的功能框图； [0033]图3A至图3D展示了图2中的系统的不同能力所生成的调制波形的各部分的示例性 实施例；
[0034] 图4展示了用于生成图1中的电焊波形的系统的第二示例性实施例的功能框图；
[0035] 图5展示了使用图1中的电焊波形和图2中的系统或图4中的系统在电弧焊接过程 中增加对焊接点的热量输入的方法的第一示例性实施例的流程图；
[0036]图6A和图6B展示了使用图4中的系统在电弧焊接过程中增加对焊接点的热量输入 的方法的第二示例性实施例的流程图和所得电焊波形；
[0037]图7展示了使用图1中的电焊波形或图6B中的电焊波形和图2中的系统或图4中的 系统在电弧焊接过程中增加对焊接点的热量输入的方法的第三示例性实施例的流程图； [0038]图8展示了与本发明一致的焊接系统的示例性实施例的功能框图；
[0039] 图9展示了图8中的系统所生成的焊接波形和送丝速度的示例性曲线图；并且
[0040] 图10展示了图8中的系统所生成的交流电焊接波形和送丝速度的示例性曲线图。 示例性实施方案的详细说明
[0041] 图1A展示了在电弧焊接过程中用于增加对焊接点的热量输入的电焊波形100的周 期101的示例性实施例。图1B展示了在周期101内使用图1A中的电弧焊接波形的电弧焊接过 程的各个阶段(A-E)，示出了焊接电极191与金属工件199之间的关系。在电弧焊接过程中， 使用能够生成电焊波形100来产生电弧脉冲的电弧焊接的系统在前进电极191与金属工件 199之间生成一系列电弧脉冲。一般而言，周期101在电弧焊接过程中定期重复以产生所得 焊接点。然而，周期101可以在没有相同数量的增热脉冲150的情况下并且如果没有发生短 路情况可能在没有箍缩电流相位120的情况下进行重复。
[0042 ]电焊波形100的周期101包括提供本底电流电平111的本底电流相位110、提供单调 递增的箍缩电流电平121的箍缩电流相位120、提供峰值电流电平131的峰值电流相位130、 以及提供单调递减的收尾电流电平141的收尾电流相位140。
[0043] 在本底电流相位110期间，电弧195维持在电极191与工件199之间，从而在电极191 的远端上产生熔化的金属球192(见图1B中的阶段A)。在阶段B，仍然连接至电极191上的熔 化的金属球192短路连接至工件199。当发生短路时，电弧195熄灭并且波形100的电流电平 下降到处于或低于本底电流电平111，达到电流电平112,从而允许熔化的球192变湿进入工 件199上的熔池中。
[0044] 在箍缩电流相位120期间，波形100的电流电平单调递增(例如，斜坡式上升)到高 于本底电流电平111，从而提供递增箍缩电流电平121，该箍缩电流电平引起短路的熔化的 金属球192开始从电极191的远端夹断进入工件199的熔池中，如图1B中的阶段C所示。当熔 化的金属球192将要从电极191夹断时，波形100的电流电平再次下降到低于本底电流电平 111达到避免飞溅的电流电平112,并且在电极191与工件199之间重新建立电弧196。
[0045] 一旦重新建立电弧196,波形100进入峰值电流相位130。在峰值电流相位130期间， 波形100的电流电平增加到并且保持在峰值电流电平131。根据实施例，峰值电流电平131是 波形100的最高电流电平并且在电极191与工件199之间建立具有足够强度的电弧197从而 开始在电极191的远端形成下一个熔化的金属球198。
[0046] 在峰值电流相位130之后，波形100进入收尾电流相位140。在收尾电流相位140期 间，波形100的电流电平向本底电流电平111单调(例如，按指数地)递减，从而提供递减的收 尾电流电平141。波形100的电流将热量输入到焊接点中。收尾电流相位140充当波形100的 粗糙热量控制相位，而本底电流相位110充当波形100的精细热量控制相位。然而，在某些电 弧焊接应用中，可能令人期望的是提供附加热量输入控制。
[0047] 在收尾电流相位140之后，再次进入本底电流电平110,从而提供本底电流电平111 并在电极191的远端产生下一个基本上均匀的熔化的金属球198(阶段A)。在本底电流相位 110期间，生成至少一个增热电流脉冲150,从而提供介于本底电流电平111与峰值电流电平 131之间的中间电流电平151。增热电流脉冲150可以在本底电流相位110内定期进行重复直 至熔化的金属球198与工件199之间发生下一个短路，此时，电弧195熄灭并且波形100的电 流电平下降到低于本底电流电平111达到电流电平112,从而允许下一个熔化的球198变湿 进入工件199上的熔池中（阶段B)。
[0048] 增热电流脉冲150用于重新加热该熔池和周围区域以增加穿透。增热电流脉冲150 提供的这种热量增加在例如焊接开根点时是令人期望的，以便提供更好的穿透而不增加熔 池的流动性。增热脉冲关于横跨电弧过渡液滴在振幅上没那么大并且关于促使高于短电弧 的焊接系统转变成球状过渡在脉宽上没有那么宽。再次，一般而言，周期101在电弧焊接过 程中定期重复以产生所得焊接点。然而，周期101可以在没有相同数量的增热脉冲151的情 况下并且如果没有发生短路可能在没有箍缩电流相位120的情况下进行重复。如本文中所 使用的，术语"电流电平"是指基本上稳定但由于产生电焊波形的在某种程度上的不正确性 质而可能具有一些变化的电流振幅。
[0049] 举例来讲，根据本发明的实施例，电弧焊接工艺可以是使用氩和二氧化碳作为保 护气体的气体保护金属电弧焊接(GMAW)工艺。本底电流电平111可以是大约70amp，峰值电 流电平131可以是大约330amp，并且中间电流电平151可以是大约210amp。单个增热脉冲150 的脉宽是大约1毫秒并且可以大约每3毫秒重复一次，直到本底电流相位110期间的三到六 个脉冲。周期101的时长是大约15毫秒。
[0050]图2展示了用于生成图1中的电焊波形100的系统200的第一示例性实施例的功能 框图。系统200提供发电能力210和用于创造调制波形100'的调制波形发生和成形能力220。 系统200还提供短路检测和征兆检测（短路消除预期）能力230以检测电极191与工件199之 间何时发生短路状况并且当熔化的金属球(例如，192)夹断进入工件199上的熔池中时预期 短路状况将要何时终止(短路消除状况）。
[0051]调制波形发生和成形能力220所生成的调制波形100'用于调制发电能力210,该发 电能力以电焊波形100的形式向电极191和工件199提供电流。调制波形发生和成形能力220 包括周期性基本波形发生能力221。图3A至图3D展示了图2中的系统200的不同能力所生成 的调制波形100'的各部分的示例性实施例。图3A展示了周期性基本波形发生能力221生成 的周期性基本波形部分310。周期性基本波形发生能力221以周期性方式提供调制波形100' 的本底电流相位11 〇、峰值电流相位130、和收尾电流相位140的发生。
[0052]调制波形发生和成形能力220还包括箍缩电流相位发生能力222。图3B展示了图3A 中的添加了箍缩电流相位120的周期性基本波形部分310。根据本发明的实施例，可以使用 调制波形发生和成形能力220的信号求和能力223来将箍缩电流相位120与周期性基本波形 部分310求和。
[0053]调制波形发生和成形能力220进一步包括增热脉冲发生能力224。图3C展示了图3A 中的具有图3B中的箍缩电流相位120并且具有在本底电流相位110期间切入的增热脉冲150 的周期性基本波形部分310。根据本发明的实施例，可以使用调制波形发生和成形能力220 的信号切换能力225在本底电流相位110期间切入增热电流相位150。
[0054]调制波形发生和成形能力220还包括本底电流电平发生(减流)子能力226。图3D展 示了图3A中的具有图3B中的箍缩电流相位120、具有如图3C中所示的增热电流脉冲150的本 底电流相位110、并且添加了本底电流子部分112'的周期性基本波形部分310。根据本发明 的实施例，可以使用调制波形发生和成形能力220的信号求和能力223在箍缩电流相位120 期间将本底电流子部分112 '与周期性基本波形部分310求和。
[0055]图3D中所得调制波形100'用于将发电能力210调制成向如图1和图2中所示的电极 191和工件199提供电焊波形100的各个部分的实际电流电平（111，112,121，131，141，151)。 [0056]在使用系统200的焊接过程中，短路检测和短路消除预期能力230监测电极191和 工件199处的电流和电压并且检测电极191与工件199之间何时发生短路状况并且还预期短 路状态将要何时终止(短路消除状况）。当发生短路状况时，响应于检测到短路状况，本底电 流电平子能力226立即将波形100的低于本底电流电平110的电流电平拉到电流电平112,从 而如本文中之前所描述的，允许熔化的金属球变湿进入工件199上的熔池中。然后，箍缩电 流相位发生能力222将单调递增的箍缩电流电平121施加于波形100。
[0057]当预期到短路消除状况（即，熔化的金属球将要从电极的远端夹断）时，响应于预 期到短路消除状况，本底电流电平子能力226再次将波形100的电流电平拉到低于本底电流 电平110达到电流电平112,以便避免飞溅。此外，波形发生和成形能力220的定时能力227被 触发。定时能力227对峰值电流相位130和收尾电流相位140占用的时间段进行倒计时，直至 波形100到达本底电流相位110。
[0058] 根据本发明的实施例，用短路消除状况与进入本底电流相位110之间发生的时间 量对定时能力预编程。一旦定时能力227完成倒计时，指示已经进入本底电流相位110,信号 切换能力225就被触发以从增热脉冲发生能力224切入增热脉冲150。增热脉冲150在本底电 流相位110期间切入波形100中直至检测到下一个短路状况。
[0059] 图2中的系统200的各种功能能力可以使用可以包括模拟和/或数字电子部件的电 子部件配置来实现。这种电子部件配置可以包括(例如）脉冲发生器、定时器、计数器、整流 器、晶体管、逆变器、振荡器、开关、变压器、波形成形器、放大器、状态机、数字信号处理器、 微处理器、和微控制器。这种配置的各部分可以是可编程的，以便提供实现方式的灵活性。 这种电子部件配置的各个示例可以在第4,972,064号美国专利、第6,051，810号美国专利、 第6,498,321号美国专利、和第11/861,379序列号美国专利中找到，其中每个专利通过引用 以其全部内容结合于此。
[0060] 根据本发明的实施例，系统200包括用于生成电焊波形100的本底电流相位110、峰 值电流相位130、和收尾电流相位140的第一电子部件配置。系统200进一步包括用于生成电 焊波形100的箍缩电流相位120的第二电子部件配置。系统200还包括用于在本底电流相位 110期间生成电焊波形100的至少一个增热电流脉冲150的第三电子部件配置。
[0061] 根据本发明的实施例，该系统200还包括用于响应于电极短路连接至工件上而在 本底电流相位110结束时将电焊波形100的电流电平减小到低于本底电流电平的第四电子 部件配置。该系统200进一步可以包括用于预期到电极与工件的短路消除而在箍缩电流相 位120结束时将电焊波形100的电流电平减小到低于本底电流电平的第五电子部件配置。
[0062] 第一至第五电子部件配置可能不一定独立于彼此而是可以共享某些电子部件。例 如，根据本发明的示例实施例，第一配置中的电子部件中的许多电子部件可以与第三配置 中的电子部件中的许多电子部件相同。类似地，第四配置中的电子部件中的许多电子部件 可以与第五配置中的电子部件中的许多电子部件相同。根据本发明的各实施例，其他共享 部件也是可以的。
[0063] 图2中的功能实现方式展示了一个示例性实施例。其他实施例也是可以的。例如， 根据另一个实施例，箍缩电流相位120可以经由信号切换能力225被切入调制波形100'中， 而不是经由信号求和能力223被求和。类似地，增热脉冲150可以经由信号求和能力223被求 和到调制波形100'中，而不是经由信号切换能力225被切入。根据另一个实施例，本底电流 电平发生子能力226可以不存在，或者可以是可选的，从而允许生成不包括电流电平部分 112'的调制波形。其他修改后的实施例也是可以的，这些实施例结果是生成图1中的电焊波 形100或在本底电流相位期间具有至少一个增热电流脉冲的类似波形。
[0064] 图4展示了用于生成图1中的电焊波形100的系统400的第二示例性实施例的功能 框图。系统400是如本文中所描述的状态机类型的系统。林肯电气公司功率波@450系统是 状态机类型的焊接系统的示例。
[0065]系统400包括位于基于状态的函数发生器420上的焊接程序410。根据本发明的实 施例，基于状态的函数发生器420包括可编程的微处理器装置。焊接程序410包括用于生成 电焊波形的软件指令。该系统进一步包括操作性地接口连接至基于状态的函数发生器420 上的数字信号处理器(DSP)430。该系统还包括操作性地接口连接至DSP 430上的高速放大 器逆变器440。
[0066] DSP 430从基于状态的函数发生器420取其指令并且控制高速放大器逆变器440。 高速放大器逆变器440根据来自DSP 430的控制信号435使高压输入功率441变换成低压焊 接输出功率。例如，根据本发明的实施例，DSP 430提供控制信号435，这些控制信号确定高 速放大器逆变器440的点火角(开关激活的定时)来产生电焊波形的各个相位。
[0067] 高速放大器逆变器440的输出442和443分别操作性地连接至焊接电极450和工件 460上以提供在电极450和与工件460之间形成电弧的焊接电流。系统400还包括感测电极 450与工件460之间的电压并且感测流过电极450、工件460和高速放大器逆变器440形成的 焊接电路的电流的电压和电流反馈能力470。基于状态的函数发生器420使用所感测到的电 流和电压来检测电极450至工件460的短路（即，短路状况)并且检测熔化的金属球将要何时 从电极450夹断（即，短路消除状况）。
[0068]系统400进一步包括减流器480和二极管490。减流器480和二极管490操作性地连 接在高速放大器逆变器440的输出442与443之间。减流器480还操作性地接口连接至DSP 430上。当电极450与工件460之间发生短路状况时，DSP 430经由控制信号436命令减流器 480将通过焊接电流的电流电平拉到低于预定义的本底电流电平。类似地，当短路消除状况 发生（即，熔化的金属球从电极450的远端夹断）时，DSP 430命令减流器480将通过焊接电路 的电流电平拉到低于预定义的本底电流电平。根据本发明的实施例，减流器480包括达林顿 开关、电阻器和缓冲器。
[0069]图5展示了使用图1中的电焊波形100和图2中的系统200或图4中的系统400在电弧 焊接过程中增加对焊接点的热量输入的方法500的第一示例性实施例的流程图。在步骤 510,将波形100的输出电流电平调节至用于在电极（例如，191或450)与工件（例如，199或 460)之间维持电弧195的本底电流电平111，从而在电极(例如，191或450)的远端产生熔化 的金属球192。在步骤520,响应于该熔化的金属球192短路连接至工件(例如，199或460)上 并且使电弧195熄灭而将输出电流电平降低到低于本底电流电平111，以允许熔化的金属球 192变湿进入工件(例如，199或460)上的熔池中。在步骤530,自动将输出电流电平增加到高 于本底电流电平111从而引起熔化的金属球192从电极(例如，191或450)的远端夹断。
[0070]在步骤540,当熔化的金属球192从电极(例如，191或450)的远端夹断进入工件(例 如，199或460)上时，将输出电流电平减小到低于本底电流电平111，从而在电极(例如，191 或450)与工件（例如，199或460)之间重新建立电弧196。在步骤550,响应于重新建立电弧 196，将输出电流电平增加到波形100的峰值电流电平131。在步骤560，朝着本底电流电平 111减小输出电流电平，从而在电极(例如，191或450)的远端产生下一个恪化的金属球198。 在步骤570,使输出电流电平以预定义的脉冲率在本底电流电平111与介于本底电流电平 111和峰值电流电平131之间的中间电流电平151之间跳动，直至在下一个熔化的金属球198 与工件(例如，199或460)之间建立下一个短路。在步骤580,如果焊接工艺没有完成，则继续 返回至步骤520,否则，结束。
[0071]图6A和图6B展示了使用图4中的系统400在电弧焊接过程中增加对焊接点的热量 输入的方法600的第二示例性实施例的流程图和所得电焊波形650。在步骤601，将电焊波形 650的输出电流电平调节至本底电流电平602。当检测到短路状况时，则在步骤603,通过触 发减流器480来将输出电流电平减小至低于本底电流电平602的子电平604。在步骤605,根 据箍缩电流斜坡606开始使输出电流电平斜升。当检测到短路消除状况(夹断)时，则在步骤 607,通过触发减流器480来再次将输出电流电平减小至子电平604。
[0072]在步骤608,响应于在电极450与工件460之间重新建立电弧而将输出电流电平减 小至峰值电流电平609。在步骤610,根据单调递减收尾电流斜坡611，使输出电流电平从峰 值电流电平609朝着本底电流电平602减小。在步骤612,在形成增热电流脉冲615的第一脉 冲区间614期间将输出电流电平调节至增热电流电平613。
[0073]方法600可以在步骤601与步骤612之间交替（即，输出电流可以在增热电流电平 613与形成后续增热电流脉冲的本底电流电平602之间来回切换)预定次数，或者直至检测 到下一个短路状况。此外，根据本发明的实施例，取决于焊接操作的规范(例如，焊接金属、 保护气体等），连续的增热电流脉冲615 '的脉宽和振幅可以与第一增热电流脉冲615的脉宽 和振幅相同或不同。
[0074]图7展示了使用图1中的电焊波形100或图6B中的电焊波形650和图2中的系统200 或图4中的系统400在电弧焊接过程中增加对焊接点的热量输入的方法700的第三示例性实 施例的流程图。在步骤710,生成电焊波形(例如，100)的基本周期(例如，310)，该基本周期 具有提供本底电流电平(例如，111)的本底电流相位(例如，11 〇 )、提供峰值电流电平(例如， 131)的峰值电流相位(例如，130 )、和提供递减收尾电流电平（例如，141)的收尾电流相位 (例如，140)。在步骤720，在本底电流相位(例如，110)与峰值电流相位(例如，130)之间生成 电焊波形（例如，1 〇〇)的箍缩电流相位（例如，120 )，从而提供递增箍缩电流电平（例如， 121)。在步骤730，在本底电流相位(例如，110)期间生成电焊波形(例如，100)的至少一个增 热电流脉冲（例如，150 )，从而提供介于本底电流电平（例如，111)与峰值电流电平（例如， 131)之间的中间电流电平(例如，151)。
[0075] 总之，本发明披露了一种在电弧焊接过程中增加对焊接点的热量输入的方法和系 统。使用能够生成电焊波形来产生电弧脉冲的电弧焊接系统在前进焊接电极与金属工件之 间生成一系列电弧脉冲。电焊波形的周期包括提供递增箍缩电流电平的箍缩电流相位、提 供峰值电流电平的峰值电流相位、提供递减收尾电流电平的收尾电流相位、以及提供本底 电流电平的本底电流相位。在本底电流相位期间，生成该周期中的至少一个增热电流脉冲， 从而提供增热电流电平，其中该增热电流电平高于该本底电流电平。具有至少一个增热电 流相位的电焊波形周期可以重复直至电弧焊接过程完成。增热电流脉冲用于重新加热熔池 和周围区域以增加穿透。增热电流脉冲提供的这种热量增加在例如焊接开根点时是令人期 望的，以便提供更好的穿透而不增加熔池的流动性。增热脉冲关于横跨电弧过渡液滴在振 幅上没那么大并且关于促使高于短电弧的焊接系统转变成球状过渡在脉宽上没有那么宽。
[0076] 在另一个实施例中，自耗电极/焊丝被操控从而在短电弧焊接过程中提高电弧稳 定性。例如，自耗电极/焊丝的送丝速度和/或方向可以在短电弧焊接波形的预定点变化或 改变。如图8中所展示的，焊接系统800包括输出在例如短路过渡GMAW工艺中使用的焊接波 形的焊接电源870。电源870的输出端连接至喷灯820的导电管860上。自耗电极840经由喷灯 820的导电管860从送丝器850进给至工件815。在操作过程中，来自电源870的焊接波形经由 导电管860被发送至自耗电极840。喷灯820还被配置成用于从气体源890接收保护气体，如 氩和二氧化碳。
[0077] 控制器880可以连接至电源870上，这样使得系统800执行例如以上讨论的实施例 中所描述的STT短路焊接。即，控制器880可以包括以上讨论的调制波形发生和成形能力220 和短路检测和征兆检测(短路消除预期）能力230功能。除了这些功能以外，控制器880可以 控制送丝器850来操控自耗电极840的送丝速度和/或进给方向（例如，前向或倒退）。例如， 控制器880可以被配置成用于使送丝速度和/或方向与波形协调以便(例如）提高电弧稳定 性。在一些实施例中，自耗电极840的进给速度在焊接波形的某些区段被减小和/或倒退。当 然，尽管被展示为独立式控制器，但控制器880可以结合到电源870和/或送丝器850中。
[0078] 在图8中的示例性系统中，与在如以上讨论的短路检测或预测之后将焊接电流减 小至电流电平112(见图9) 一起，自耗电极840的进给速度900(其可以是第一恒定速度)可以 在自耗电极840短路连接至工件815时期间被减小和/或倒退。如在图9中看到的，自耗电极 840在(例如)焊接操作的电弧放电相位期间通常以恒定速度900进给。为了这个示例性实施 例目的，波形的电弧放电相位AP包括峰值电流脉冲130和以下可以包括加热脉冲150的本底 部分。然而，当控制器880在点X检测或预测到短路时，控制器如以上讨论的开始焊接电流减 小（电流电平112)并且在波形的短路连接相位的至少一部分期间还将送丝速度减小至第二 预定值。该预定值可以是小于波形的电弧放电部分AP期间的送丝速度900的速度。例如，该 预定速度的可以被设定成零（即，自耗电极840停止前进)或者被设定成高于零但小于电弧 放电部分期间的速度的减小值。在一些实施例中，如图9中所示，自耗电极840的进给方向可 以被反转并且然后保持在预定倒退速度。
[0079] 如在图9中所展示的示例性实施例中看到的，在于点X检测或预测到短路之后，送 丝速度被减小至零并且然后进给方向被反转直至送丝速度达到预定值a。在本示例性实施 例中，然后，在控制器880(经由电源870)将箍缩电流相位120应用于自耗电极840时期间，保 持自耗电极840的倒退进给速度。在控制器880启动峰值电流相位130(点Y)之后，自耗电极 840的送丝速度被增加直至其达到焊接操作的电弧放电相位的期望值900。在检测到或预测 到短路之后，随着箍缩电流相位120的应用一起，自耗电极840的速度的减小和/或进给方向 的反转帮助促进熔化的金属球192(见图1)过渡到工件。
[0080] 在以上示例性实施例中，送丝器850在检测或预测到短路之后立即开始减小送丝 速度。然而，自耗电极840的速度开始减小可以在检测或预测到短路之后的其他时间段开 始。在在本发明的其他示例性实施例中，速度减小可以在检测或预测到短路之后的预定时 间段开始；可以被同步成与箍缩电流相位120的启动一起开始；或者可以在箍缩电流相位 120启动之后在预定时间段开始。类似地，本发明不局限于在如图9中所展示的启动峰值电 流相位130后立即增加送丝速度。在其他示例性实施例中，送丝速度增加可以与箍缩电流相 位120的终止或者可以在箍缩电流相位120被终止之后的预定时间同步。在还有其他的实施 例中，送丝速度增加可以在启动峰值电流相位130之后的预定时间段开始。因此，在本发明 的示例性实施例中，控制器880可以被配置成用于在减小的电流相位112的任何部分、箍缩 电流相位120、和/或峰值电流相位130期间减小速度和/或反转方向。
[0081] 在以上示例性实施例中，焊接波形是正直流电波形。然而，本发明可以在使用交流 电焊接波形的系统中使用。在使用交流电波形的一些示例性实施例中，本底电流相位的各 部分(包括增热电流脉冲)将如上所述运作。例如，如图10中所展示的，本底电流电平111和 增热电流脉冲150执行以上讨论的示例性实施例中所描述的类似功能。然而，在使用交流电 焊接波形的系统中，焊接波形在波形的某些区段内切换极性。例如，在一些实施例中，减小 的本底电流电平、箍缩电流电平、和峰值电流电平处于和本底电流电平111与增热电流脉冲 150的极性相反的极性。如在图10中看到的，在于点X检测或预测到短路之后，焊接电流从本 底电流电平111被减小到零并且然后极性被切换从而生成112'的减小的本底电流电平。箍 缩电流于是如在以上实施例中所讨论的开始，但在本示例性实施例中，箍缩电流120'（见图 10)的极性与图9中所示的箍缩电流相位120的极性相反。类似地，如以上讨论的，峰值电流 在箍缩电流相位之后开始，但再次，在本示例性实施例中，峰值电流相位130 '的极性与图9 中的峰值电流相位的极性相反。在峰值电流相位130'终止之后，焊接波形重新开始处于正 极性的本底电流111。在本底电流相位期间，如以上讨论的，增热电流脉冲150可以开始以进 一步加热焊接熔池。
[0082]此外，还可以在使用交流电波形的系统中执行焊丝操控。如在以上讨论的实施例 中，自耗电极840的送丝速度可以在自耗电极840短路连接至工件815上时期间被减小和/或 反转。如在图10中看到的，自耗电极840在焊接操作的电弧放电相位期间以预定速度1000进 给。当在点X检测或预测到短路时，送丝速度被减小并且然后进给方向被反转直至送丝速度 达到预定值a。然而，与图9中的送丝仅在大致箍缩电流相位期间被反转的示例性实施例不 同，在图10中的示例性实施例中，送丝速度在大致箍缩电流相位120'和峰值电流相位130' 期间被反转。一旦峰值电流相位130'终止（点Y)，则送丝速度增加至电弧放电相位的预定速 度。与以上讨论的正直流电波形一样，在交流电波形系统的示例性实施例中，控制器880可 以被配置成用于在减小的电流相位112'、箍缩电流相位120'、和/或峰值电流相位130'的任 何部分期间减小速度和/或反转方向。
[0083]虽然已经参照某些实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员将理解的是， 在不脱离本发明的范围的情况下可以做出各种改变并且替换等效物。此外，可以进行许多 修改以使具体的情况或材料适应本发明的传授内容而不背离其范围。因此，本发明不旨在 局限于所披露的具体实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施 例。
【主权项】
1. 一种焊接方法，所述方法包括： 生成一个输出电流波形并且向一个电极提供所述输出电流波形，其中，所述输出电流 波形具有多个峰值电流脉冲部分和多个本底电流部分，其中，所述多个所述峰值部分中的 每个峰值部分被所述本底电流部分之一分开； 在位于所述峰值电流脉冲部分之间的所述本底电流部分中的每个本底电流部分期间 生成多个电流脉冲，其中，在所述本底电流部分期间的所述多个电流脉冲具有在所述本底 电流部分的第一电流电平与所述峰值电流部分中的每个峰值电流部分的电流电平中间的 电流电平，并且其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲的电流电平在任一个本底电流 部分中是相同的;并且 在执行所述将所述输出电流波形提供给所述电极的同时操控所述电极的进给速度和 进给方向中的至少一者。2. 如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述本底电流部分与所述峰值电流脉冲部 分之间生成一个箍缩电流部分，并且 在所述波形中生成低于所述本底电流部分的所述第一电流电平的第二电流电平， 其中，所述进给速度被减小到低于在所述本底电流部分期间设定的本底速度，所述进 给速度减少发生在所述第二电流电平、所述箍缩电流部分和所述峰值电流脉冲部分中的至 少一者的至少一部分期间。3. 如权利要求2所述的方法，其中，所述进给速度被减小到零。4. 如权利要求2所述的方法，其中，所述进给速度被减小到高于零且小于所述本底速度 的一个值。5. 如权利要求2所述的方法，其中，所述进给速度与所述第二电流电平和所述箍缩电流 部分中的至少一者的开始同步地减小。6. 如权利要求5所述的方法，其中，所述进给速度与所述峰值电流脉冲部分的开始同步 地增加至所述本底速度。7. 如权利要求2所述的方法，其中，所述进给速度在所述第二电流电平或所述箍缩电流 部分开始之后减小持续一段第一预定时间段。8. 如权利要求7所述的方法，其中，所述进给速度在所述峰值电流脉冲部分开始之后的 一段第二预定时间段之后增加至所述本底速度。9. 如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述本底电流部分与所述峰值电流脉冲部 分之间生成一个箍缩电流部分，并且 在所述波形中生成低于所述本底电流部分的所述第一电流电平的第二电流电平， 其中，所述进给方向在所述第二电流电平、所述箍缩电流部分和所述峰值电流脉冲部 分中的至少一者的至少一部分期间被反转。10. 如权利要求9所述的方法，其中，所述进给方向反转与所述第二电流电平或所述箍 缩电流部分的开始同步地开始。11. 如权利要求10所述的方法，其中，所述进给方向变化成前向方向与所述峰值电流脉 冲部分的开始同步地开始。12. 如权利要求9所述的方法，其中，所述进给方向反转在所述第二电流电平或所述箍 缩电流部分开始之后开始持续一段第一预定时间段。13. 如权利要求12所述的方法，其中，所述进给方向变化成前向方向在所述峰值电流脉 冲部分开始之后的一段第二预定时间段之后开始。14. 一种焊接方法，所述方法包括： 生成一个输出电流波形并且向一个电极提供所述输出电流波形，其中，所述输出电流 波形具有多个峰值电流脉冲部分和极性与所述多个峰值电流脉冲部分的极性相反的多个 本底电流部分，其中，所述多个所述峰值部分中的每个峰值部分被所述本底电流部分之一 分开； 在位于所述峰值电流脉冲部分之间的所述本底电流部分中的每个本底电流部分期间 生成极性与所述本底电流部分相同的多个电流脉冲，其中，在所述本底电流部分期间的所 述多个电流脉冲具有在所述本底电流部分的第一电流电平与所述峰值电流部分中的每个 峰值电流部分的电流电平的绝对值中间的电流电平，并且其中，所述多个电流脉冲中的每 个电流脉冲的电流电平在任一个本底电流部分中是相同的;并且 在执行所述将所述输出电流波形提供给所述电极的同时操控所述电极的进给速度和 进给方向中的至少一者。15. 如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述本底电流部分与所述峰值电流脉冲 部分之间生成极性与所述峰值电流脉冲部分相同的一个箍缩电流部分，并且 在所述波形中生成低于所述本底电流部分的所述第一电流电平的第二电流电平， 其中，所述进给速度被减小到低于在所述本底电流部分期间设定的本底速度，所述进 给速度减少发生在所述第二电流电平、所述箍缩电流部分和所述峰值电流脉冲部分中的至 少一者的至少一部分期间。16. 如权利要求14所述的方法，进一步包括在所述本底电流部分与所述峰值电流脉冲 部分之间生成极性与所述峰值电流脉冲部分相同的一个箍缩电流部分，并且 在所述波形中生成低于所述本底电流部分的所述第一电流电平的第二电流电平， 其中，所述进给方向在所述第二电流电平、所述箍缩电流部分和所述峰值电流脉冲部 分中的至少一者的至少一部分期间被反转。17. -种焊接系统，所述系统包括： 一个电源，该电源生成一个输出电流波形并且向一个电极提供所述输出电流波形，； 一个送丝器，该送丝器使所述电极前进到一个工件；以及 一个控制器，该控制器控制所述电源，这样使得所述输出电流波形具有多个峰值电流 脉冲部分和多个本底电流部分，其中，所述多个所述峰值部分中的每个峰值部分被所述本 底电流部分之一分开，并且控制所述送丝器，这样使得在控制所述电源的同时操控所述电 极的进给速度和进给方向中的至少一者， 其中，所述控制器控制该电源，这样使得所述电源在位于所述峰值电流脉冲部分之间 的所述本底电流部分中的每个本底电流部分期间生成多个电流脉冲， 其中，在所述本底电流部分期间的所述多个电流脉冲具有在所述本底电流部分的第一 电流电平与所述峰值电流部分中的每个峰值电流部分的电流电平中间的电流电平，并且 其中，所述多个电流脉冲中的每个电流脉冲的电流电平在任一个本底电流部分中是相 同的。18. 如权利要求17所述的系统，其中，所述控制器控制所述电源，这样使得一个箍缩电 流部分被生成在所述本底电流部分与所述峰值电流脉冲部分之间，并且在所述波形中生成 低于所述本底电流部分的所述第一电流电平的一个第二电流电平，并且 其中，所述进给速度被减小到低于在所述本底电流部分期间设定的本底速度，所述进 给速度减少发生在所述第二电流电平、所述箍缩电流部分和所述峰值电流脉冲部分中的至 少一者的至少一部分期间。19. 如权利要求17所述的系统，其中，所述控制器控制所述电源，这样使得一个箍缩电 流部分被生成在所述本底电流部分与所述峰值电流脉冲部分之间，并且在所述波形中生成 低于所述本底电流部分的所述第一电流电平的一个第二电流电平，并且 其中，所述进给方向在所述第二电流电平、所述箍缩电流部分和所述峰值电流脉冲部 分中的至少一者的至少一部分期间被反转。20. 如权利要求11所述的系统，其中，所述多个峰值电流脉冲部分具有第一极性，并且 所述多个本底电流部分具有与所述第一极性相反的第二极性。
【文档编号】B23K9/167GK105880799SQ201610080802
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月4日
【发明人】S·R·彼得斯
【申请人】林肯环球股份有限公司