知的，并 且这些技术超出了本发明的范围。金属芯焊丝的特性可被选择用于特定应用，特别是根据 待接合的部件的冶金特性、待使用的保护气体的类型和预计的焊道填充体积等。如果选择 实心焊丝和药芯焊丝两者之一来代替金属芯焊丝，那么这同样适用于两者，如此前所论述。 在所图示的实施例中，金属芯焊丝的某些几何形状可有助于增强电极运动的益处。举例来 说，焊丝通常被选择具有期望的直径52。所述直径包括护套壁厚度54和焊芯直径56。可以改 变并且优化这些参数以提高焊丝的性能并且提供例如以下特性:改进的电弧形成、电弧维 持、材料过渡、所得焊道的冶金特性、焊道熔深等。
[0042]在目前预期的实施例中，可以选择特定的焊丝来与DCEN焊接方法一起使用。如下 文更全面论述，例如，已经发现DCEN工艺中的"旋转电弧"运动与例如包括稳定剂和其他成 分(例如锰）的焊丝(例如，AWS E5 · 18 70C-6;并且更一般地说，E5 · 18XXC-6，其中"XX"表示 拉伸强度）的组合提供了极好的结果。一种这样的焊丝可以以商品名Metan〇y?:x-c el?从 美国俄亥俄州特洛伊(Troy，Ohio)的霍伯特兄弟公司（Hobart Brothers)商购。再者，焊丝 的某些配方据信提供了超出使用其它焊丝能获得的那些益处的益处。此类配方被描述于以 下专利中：2004年4月20日授权给Nikodym等人的名称为"Straight Polarity Metal Cored Wire(正极性金属芯焊丝)"的美国专利No. 6，723，954;于2006年8月8日授权给Nikodym等人 的名称为"Straight Polarity Metal Cored Wire(正极性金属芯焊丝)"的美国专利Νο·7, 087,860;以及于2011年1月4日授权给Barhorst等人的名称为"Metal-Core Gas Metal Arc Welding of Ferrous Steels with Noble Gas Shielding(使用惰性气体保护的铁素体钢 的金属芯气体保护金属极弧焊)"的美国专利No. 7，863，538，这些专利由此全部以引用方式 并入本公开中。此外，可以改变此类焊丝的某些成分以增强它们在电弧被迫运动的DCEN工 艺中的性能，如下文所论述。
[0043]图3示出了典型应用中焊丝的运动。如图3所示，在工件之间形成接头58,并且焊炬 具有从其延伸出来的电极44,所述焊炬安置为紧邻预期的接头附近。随后在电极与待接合 的下层金属之间建立电弧。电极出自接触元件60,所述接触元件可以移动以迫使电极和所 建立的电弧运动。针对接触元件的运动，在焊炬中设置运动控制组件62。尽管可以利用众多 技术来迫使此类运动，但是在以假想线示出的目前预期配置中，电动机66使凸轮64转动，所 述电动机本身受到系统的控制电路的控制并由系统的控制电路供电。
[0044] 应理解的是，在图1中示出的电源供应器16的控制电路28(和/或送丝装置22的控 制电路34)可控制运动控制组件62以引起电极44的期望的运动。在某些实施例中，仅使用运 动控制组件62可能不能够产生与电极44相对于焊接接头58的位置相关的数据。控制电路28 (和/或控制电路34)可将关于焊炬24的数据(包括关于运动控制组件62的数据)考虑在内， 以产生代表电极44相对于焊接接头58或者焊接熔池74的位置的信号。所产生的关于电极44 的位置的信号可由控制电路28(和/或控制电路34)使用以控制焊接工艺的各种参数(例如， 电流、电压、送丝速度、以及本文所描述的其它参数中的任意参数）。此外，在某些实施例中， 控制电路28(和/或控制电路34)可使用所述信号以用于焊缝跟踪目的、热输入控制目的、导 电嘴到工件距离(CTWD)控制目的，和/或标称的电弧长度控制目的。在某些实施例中，信号 可以是至少部分地基于以下数据:来自径向运动控制器的电极44的径向位置数据，来自轴 向运动控制器的电极44的轴向运动数据，或者焊炬角度数据，行进角度数据，或者来自机器 人控制器的焊炬偏移(例如，从接头中心偏移)数据。此外，在某些实施例中，所述信号可至 少部分地基于电极44相对于焊接接头58或者焊接熔池74的径向位置。
[0045]图23示出焊接系统10的控制部件的示意性方框图。如图所示，焊接系统10可包括 主控制电路346 (例如，在某些实施例中所述主控制电路346可包括控制电路28和/或控制电 路34)。在某些实施例中，一般负责控制焊炬24(包括关于图3所描述的所有焊炬元件）的运 动（例如，焊炬角度、行进角度、焊炬偏移等等）的机器人控制器348可将与焊炬24相对于焊 接接头58或者焊接熔池74的位置、速度、行进方向等等相关的数据提供给主控制电路346。 此外，设置在焊接系统10中的焊接工艺传感器350可将关于焊接工艺参数(例如，实际电弧 电压和电流)的数据提供给主控制电路346和/或提供给焊接电源供应器电流控制器352(例 如，图1的电源供应器16的电力转换电路26)。通常，主控制电路346可使用从机器人控制器 348和焊接工艺传感器350接收到的数据来确定关于电极44相对于焊接接头58或者焊接恪 池74的位置的信号，并且将控制信号发送到径向电动机控制器354(例如，径向运动控制 器）、轴向电动机控制器356(例如，轴向运动控制器)和/或焊接电源供应器电流控制器352， 以用于分别控制电极44的径向运动、电极44的轴向运动，以及电弧的焊接参数等等。应理解 的是，本文所描述的所有控制电路和控制器可包括硬件元件(包括某些类型的电路）、软件 元件(包括存储在非临时性计算机可读介质上的计算机代码），或者硬件元件和软件元件两 者的组合。.
[0046]在某些实施例中，接触感测程序可用于校准关于电极44相对于焊接接头58或者焊 接熔池74的位置的数据。此类程序可包括移动焊炬24,直到电极44或者焊炬24的某一部分 接触工件14或某一其它结构，并且控制电路28(和/或控制电路34)记录所述位置。在某些实 施例中，控制电路28(和/或控制电路34)可作出如下假设:焊炬24被保持为某一方式，并且 产品的变化可被忽略，从而消除对接触感测程序的需求。然而，此类接触感测程序可帮助校 准控制电路28 (和/或控制电路34)所期望的位置数据。
[0047]在一些实施例中，运动控制组件62包括耦接至接触元件60的侧面（例如，正交侧 面）的一个或多个螺线管，以将接触元件60和电极44按照期望的图案移动。在某些实施例 中，所述螺线管可包括音圈以按照所期望的图案来移动接触元件60和电极44。如本文所用， 术语"图案"意指在一轮运动循环期间电极44的位置的累进，其中所述循环在与开始位置相 同的位置处结束。换句话说，例如电极44的端部的位置可在相对于焊炬24的轴向和径向位 置处开始图案的一个循环，遍历在所述循环期间相对于焊炬24具有不同轴向和径向位置的 路径，并且一般在与循环开始时相对于焊炬24的相同的轴向和径向位置处结束所述循环。 因而，所述图案可称为闭合形式的图案。
[0048]此外，应注意的是，本文所描述的的电极44的轴向和径向运动图案是站在焊炬24 的静止本体的角度。更具体地说，在操作中，机器人控制器(例如，在图23中示出的机器人控 制器348)将会移动焊炬24的本体，但是此运动与本文所描述的电极44的运动图案无关。换 句话说，如本文所描述的电极44的运动图案是相对于焊炬24的本体，焊炬24的本体从电极 44的角度出发被假设为静止的（尽管如此，再次，焊炬24的本体实际上可独立地移动）。应理 解的是，运动控制组件62具有相对于焊炬24的本体移动的某些部件，并且所述部件使得焊 炬24的其它部件(例如，接触元件60等等)实现电极44相对于焊炬24的本体的轴向和径向运 动，焊炬24的本体可例如通过机器人控制器348来独立地移动。
[0049]图4示出了沿着线条4-4截取的图3的运动控制组件62的一个实施例的横截面俯视 图。耦接到接触元件60的第一螺线管300或者音圈可以沿着第一轴线302移动电极44,并且 耦接到接触元件60的第二螺线管304或者音圈可以沿着第二轴线306移动电极44。控制电路 28可以经由供应到一个或多个螺线管控制器308的控制信号来控制电极44沿着所期望的图 案运动。另外或者替代地，运动控制组件62包括親接到接触元件60的侧面(例如，正交侧面） 的永磁体和/或电磁体以按照所期望的图案来吸引或者排斥接触元件60。此外，一个或多个 压电致动器、一个或多个线性致动器、一个或多个线性电动机，或者一个或多个行星齿轮， 或者它们的任意组合可耦接到接触元件60的侧面(例如，正交侧面）。在一些实施例中，第一 螺线管300可以以第一频率沿着第一轴线302移动接触元件60,并且第二螺线管304可以以 第二频率沿着第二轴线306移动接触元件60。所述第一频率与所述第二频率可以是相同的 或者是不同的。如可理解的，可改变频率以控制接触元件60和电极44运动到运动区域310中 的大体上任意一点。例如，控制电路可以控制第一螺线管300与第二螺线管304来沿着利萨 如(Lissajous)曲线以所期望的图案移动接触元件60。运动控制组件62可包括耦接到接触 元件60的一个或多个偏置元件312(例如，弹簧），以便将接触元件60定位在基本上中立的位 置314,除非以其它方式由运动控制组件62控制。由此迫使接触元件60和电极44按照预定图 案以预定频率移动，如由运动控制组件62的几何形状和控制所决定的。在一些实施例中，操 作员可调节控制电极的运动的电动机的加速度和/或减速度。
[0050] 返回到图3,可将接触元件60的尖端，并且由此可将电极44,从焊炬24的轴线57移 动预定的距离或者半径68。如下文所描述，各种图案可用于此运动。所述图案可以是相对于 接头58对称或者不对称的图案。所期望的图案包括在垂直于焊炬24的轴线57的平面内的径 向部分，如下文所论述。在一些实施例中，所期望的图案包括轴向部分，所述轴向部分使得 电极44能够沿着焊炬24的轴线57移动，例如以移动进入和/或离开接头58。例如，可以移动 电极44使得所建立的电弧加热相对较厚的工件而非相对较薄的工件。在一些实施例中，所 建立的电弧可经移动以控制施加到工件的热量图案，从而使得焊接系统10能够扩大可由焊 道接合的装配间隙的公差范围。电极44在此工艺期间前进以形成所期望的焊道。此外，整个 组件以期望的行进速度移动，如附图标记70所指示的。
[0051] 图5示出示例性前进焊道72,以及电极44的某些运动图案。如本领域中的技术人员 应当理解的，焊道在焊接熔池或焊池74后部前进，所述焊接熔池或焊池由通过加热电极44 和工件14的基体材料的外包金属而产生的熔融金属构成。图5的图式中的电极按照基本上 圆形的图案移动，如附图标记76所指示的。目前所预期的是，此类运动可与焊炬和/或工件 的行进速度一致，以使得电极将足够接近熔池74和工件的周边区域，以维持电弧并且在这 些区域之间移动所述电弧，从而在加热电极和外包金属的同时维持熔池。如下文所描述，还 预期可采用其它协调因素，例如送丝速度、电极的运动速率或者频率、焊接工艺的脉冲频率 或者DC参数(例如，施加用以形成电弧的电流和电压)等等。
[0052] 图6示出电极运动的另一种可能图案，在这种情况下为大致椭圆的图案78。椭圆形 在这种情况下具有沿着焊缝和焊炬的行进方向的长轴80,以及与所述行进方向横切的短轴 82。此外，图7示出了另一种可能的图案，即横向的椭圆图案84,其中椭圆运动的长轴80与焊 缝和焊炬的行进方向横切。然而应当指出，可以利用任何期望的图案，并且在其他图案中， 运动控制组件可更适于实施这些图案。所期望的图案可包括但不限于具有一条或多条直线 和/或一条或多条曲线的图案。在一些实施例中，所期望的图案可包括图案中的间歇 (pause)或者间断，例如其中运动控制组件不移动电极44的时间间隔。所期望的图案可包括 圆形、椭圆形、之字形、8字形、横向往复线、新月形、三角形、正方形、长方形、非线性图案、不 对称图案、间歇，或者它们的任意组合。如可理解的，可使用并且优化图案或者图案组合以 用于特定焊缝和/或焊接位置。
[0053] 图8示出据信当通过被迫运动来利用金属芯焊丝时起作用的示例性沉积和熔深方 案。也就是说，使电极44在待接合的工件86和88之间移动。所形成的焊道90透入工件中并且 随着焊道的前进而形成大致平坦的表面。在图8的图示中，附图标记94是指焊丝的护套48最 接近工件86的位置，而附图标记94表示护套48最接近工件88的位置。
[0054]在本实施例中，据信在金属芯焊丝与工件之间建立电弧，并且/或者仅在护套48与 这些元件之间存在前进的焊接熔池。因此，形成了如附图标记98所指示的独特过渡位置。已 经注意到所得的焊缝比使用实心焊丝电极的电极运动形成的类似焊缝更平坦。此外，据信 获得了透入基体材料的增强的熔深，如附图标记100所示。然而，这不能视为是对能够使用 的任何特定类型的焊丝的限制。如先前所论述，除金属芯焊丝之外，本技术还可使用实心焊 丝和药芯焊丝。
[0055]来自电极44的材料随着电