反接脉冲焊接系统和方法与流程

背景技术：

本发明总的来说涉及焊接工艺，并且更具体地说，涉及用于在脉冲式喷溅熔化极气体保护电弧焊(gmaw-p)工艺中控制电极转移的方法和系统。

焊接是在各种产业中变得普遍存在的工艺，并且可用于便于许多金属构造和组装应用。例如，一种通常称为熔化极气体保护(gmaw)的工艺最一般是在连续填料金属电极与工件之间使用焊接电弧的特定焊接工艺。某些gmaw衍生工艺或转移模式(例如，喷溅转移和脉冲式喷溅转移(例如，gmaw-p))可包含相对高的电压电平、高电流电平以及高送丝速度(wfs)以跨过焊接电弧将金属电极材料的小液滴转移到相对薄的金属工件上。不幸的是，当使用反接极性焊接电弧时，金属电极可能难以跨过焊接电弧转移材料。

因此，虽然在许多应用中利用脉冲式反接焊接方案是有利的，但常规技术将对焊缝添加过多能量，产生桥接短路和不一致的金属转移、不规则的电弧长度，并可导致不希望的飞溅物。将允许在提高焊接性能的同时利用这些波形的本领域中的改进将是此项技术的进步。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种焊接系统包含：电源，被配置成产生焊接电力并将焊接电力输送到焊炬，其中焊炬耦接到电源的负输出端子。送丝机被配置成以一定推进速率将金属药芯电极推入焊炬。控制电路被配置成实施反接脉冲焊接方案，其中反接脉冲焊接方案包括电流闭环峰值阶段、峰值阶段之后的大体上抛物线状的电流闭环稳定阶段以及稳定阶段之后的电流闭环返回阶段。

根据另一方面，一种焊接方法包括：产生到期望峰值转变的线性电流闭环控制斜坡；在峰值阶段期间对焊接电力进行电流闭环调节；在到期望返回转变的稳定阶段期间产生非线性电流闭环斜坡；以及产生到背景电力电平的电流闭环返回。所述步骤通过反接极性而贯穿焊接操作循环地执行。

附图简述

当参照附图阅读具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中在全部附图中，相同附图标记表示相同部分，其中：

图1是根据本公开的示范性gmaw系统的框图；

图2是在改进的脉冲焊接工艺中使用直流反接(dcen)极性的图1的gmaw系统的焊接电极的示范性立视图；

图3是图示在脉冲焊接工艺的峰值阶段期间的材料转移的图2所示的电极的示范性立视图；

图4是脉冲焊接工艺电压和电流波形的示范性时序图；以及

图5是脉冲式焊接工艺的某些阶段的详细图形表示。

具体实施方式

焊接工艺已在各种产业中变得普遍存在，并且可用于实现金属构造和组装应用。gmaw最一般是在连续填料金属电极与工件之间使用焊接电弧的特定焊接工艺。某些gmaw衍生工艺或转移模式(例如，喷溅转移和脉冲式喷溅转移(例如，gmaw-p))可包含相对高的电压电平、高电流电平以及高送丝速度(wfs)以跨过焊接电弧转移金属电极材料的小液滴，从而在相对薄的金属工件上执行焊接任务。不幸的是，当使用反接极性焊接电弧时，金属电极可能难以跨过焊接电弧转移材料。

因此，本发明的实施例涉及用于调整电压和电流输出电平的一种或更多种特性以改进跨过dcen脉冲焊接电弧转移金属电极以及电弧稳定性的系统和方法。具体来说，在脉冲焊接方案中减小每一脉冲峰值的下降边沿转变会在峰值阶段与背景阶段之间产生“稳定阶段”，从而在避免或减小需要清除的“硬短路”的改变的同时，允许电流闭环输出处的足够时间和缓慢响应以使沉积物沉淀。在先前技术中，峰值阶段之后的激进电流控制倾向于导致快速的电压改变、电弧不稳定、飞溅物和频繁的短路。电压和电流输出电平的其它特性(例如，脉冲频率、背景周期和脉冲宽度)也可被调整以改进电弧控制。如本文所使用，“稳定阶段”可表示在脉冲焊接方案的峰值阶段之后、在电压(和电流)返回到背景电平的阶段的转变之前的电流(和电压)的控制。稳定阶段将通常得到使用并且与dc反接脉冲焊接技术一起使用，并且具有焊接电力输出的抛物线状电流闭环衰减的特征。与常规脉冲焊接方案相比，稳定阶段可终止在较高的编程电流。接着，在稳定阶段之后的“返回到背景”阶段中，纯比例增益用于电压闭环控制。然而，应了解，本文所述的技术可不限于喷溅转移和脉冲式喷溅转移gmaw工艺，而是还可延伸到其它gmaw工艺。实际上，如下文所论述，并非喷溅型转移，而是稳定阶段倾向于促进填料金属到焊接熔池的更多球状转移，当与en极性一起使用时特别如此。

鉴于前述内容，可有用的是，描述焊接系统的实施例(例如，图1所图示的示范性gmaw系统10)。所图示的系统可以典型地是自动化或半自动化(例如，机械手)焊接系统，但所图示的布置可用许多方式更改，并且所述技术也可用于手持式焊接工艺中。如图示，焊接系统10可包含焊接电源12、送丝机14、供气系统16和焊炬18。通常，焊接电源12可向焊接系统10供应焊接电力。例如，电源12可经由电力电缆20而耦接到送丝机14，并经由引线电缆22而耦接到工件24(例如，通过夹具26)。在所图示的实施例中，送丝机14经由焊接电缆28而耦接到焊炬18，以便例如在焊接系统10的操作期间将金属药芯焊接电极和电力供应到焊炬18。在一些布置中，送丝机可纳入到电源中。来自供气系统16的气体也通常通过焊接电缆28被引导。关于工件，据信，本发明的技术可特别良好地适用于包括相对薄的规格的镀锌钢(或涂层钢)的工件，但如所公开的，也可焊接其它材料和其它尺寸的材料。此外，各种行进速度可通过焊炬、工件或前述两者的手动移动或更通常是机械手移动来调节，例如，至少30英寸/分钟的行进速度，但也可利用其它速度。

焊接电源12可更通常包含电力转换电路(未独立示出)，其中所述电力转换电路从电源30(例如，ac电网、发动机/发电机组，或其组合)接收输入电力，调节所述输入电力，并提供用于焊接的dc或ac输出电力。焊接电源12还将包含用于提供焊接电力输出的输出端子，并且这些输出端子可根据正极性或负极性焊接方案而实现连接。具体来说，根据焊接系统10的需要，焊接电源12可对送丝机14供电，并进而对焊炬18供电。在本公开所预期的某些实施例中，焊炬18可耦接到电力供应器和送丝机以实施en焊接方案，并且明确地说，实现脉冲焊接工艺。也就是说，电源12可用于提供dcen输出，其中，电流从负方向到正方向流经完整电路，并且因此实现焊接电弧和/或焊接工艺。除dcen输出以外，电源12可还包含电路元件(例如，变压器、整流器、开关，等等)，所述电路元件能够将ac输入电力转换为直流正接(dcep)输出、dc可变极性、脉冲式dc或可变平衡(例如，平衡或者不平衡的)ac输出以执行一种或更多种焊接工艺。

针对gmaw实施例，焊接系统10还包含供气系统16以将保护气体或保护气体混合物从一个或多个保护气体源供应到焊炬18。保护气体可以是可被提供到焊接电弧和/或焊接熔池以便提供特定局部气氛(例如，用于保护焊接电弧、提高电弧稳定性、限制金属氧化物的形成、改进金属表面的润湿、更改焊接沉积物的化学性质，等等)的任何气体或气体混合物。例如，保护气体可包含氩气(ar)、氦气(he)、二氧化碳(co2)、氧气(o2)和氮气(n2)中的一种或其混合物。

因此，如上所述，焊炬18通常接收来自送丝机14的金属焊接电极以及来自供气系统16的保护气流，以便对工件24执行焊接操作。在操作期间，焊炬18可接近工件22，以使得焊接电极32接近工件并且焊接电弧34得以建立。进一步据信，本发明的技术可特别用于特定类型的电极焊丝。例如，电极34可以是适用于与dcen焊接极性一起使用的金属药芯焊丝。在这些状况下，电极将包含由包围一种或更多种金属药芯的金属组成的包鞘。焊接电极可还包含助熔或合金组份，其可充当电弧稳定剂并且进一步可变得至少部分地纳入到焊接中。根据本发明的技术用于dcen脉冲焊接的一种金属药芯焊丝公开在由barhorst等人于2013年1月16日提交申请的名为“用于焊接电极的系统和方法(systemsandmethodsforweldingelectrodes)”的第13/743,178号美国专利申请中，其中该美国专利申请以引用方式并入本公开中。

在某些实施例中，焊接电源12、送丝机14和供气系统16可各自被控制电路36控制并命令。控制电路36将包含一种或更多种处理器38以及合作的数据处理和感测电路，它们可用通信方式耦接到存储器40以执行存储器中所存储的用于执行本文所公开的技术的指令。这些指令可按照例如存储器40和/或其它存储装置等有形非暂时性计算机可读介质中所存储的程序或代码来编码。脉冲焊接技术将通常针对特定焊丝类型和大小来预编程，并且所期望的特定工艺可由焊接操作员经由界面(未独立示出)来选择。处理器38可以是通用处理器、片上系统(soc)装置、专用集成电路(asic)或其它处理器配置。处理器38还可支持操作系统，所述操作系统能够支持应用程序，例如，可从伊利诺斯工具公司(illinoistoolworks,inc.)购得的pro-pulse^tm、accu-pulse^tm、accu-curve^tm和profilepulse^tm。类似地，存储器40可包含例如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪速存储器(例如，nand)等。如将进一步了解的是，在一个实施例中，控制电路36的存储器40可以是闪速更新的(例如，经由有线和/或无线数据传输、编程等)以包含指令，所述指令改变焊接输出电力的一个或更多个参数特性并进而改变焊接电弧34。应注意，在许多配置中，可针对电力供应器和送丝机而提供独立的处理与控制电路。电力供应器通常对控制信号执行处理，所述控制信号用于控制电力电子装置(例如，scr、igbt等)以产生期望输出。在当前预期的实施例中，定义利用稳定阶段的dcen脉冲焊接工艺的代码被存储在存储器40中并由电力供应器中的处理电路执行。

如上所述，控制电路36的部件用通信方式耦接到(或嵌入在)焊接电源12、送丝机14和供气系统16，并且如本文所述，提供与前述部件中的每一个相关联的一个或更多个参数(例如，电压和电流输出、送丝速度、针对自动化应用的行进速度等)的控制。

图2描绘使用dcen极性焊接电弧34的焊接工艺的实施例。如上所述，一旦被供能并定位在工件附近，焊接电极32便建立焊接电弧34以执行工件22的焊接。具体来说，当使用dcen极性焊接电弧34时，将尤其在焊丝电极中发生加热，从而相比dcep工艺，导致较少穿透。在这些工艺中，电极被指定为“负”，而工件是“正”。箭头42所指示的电子流从电极32通往工件，并且主要通往焊接熔池44。这些技术有时被称为“正接”。一般来说，电弧长度46维持在电极的末端与焊接熔池44之间。此电弧长度可在某种程度被确定，并在许多方面受输入到电极并从中穿过到电弧、焊接熔池和工件的电力控制。虽然在许多现有技术中，努力严格控制电弧长度，但本技术通过脉冲峰值之后的稳定阶段的使用而倾向于相比电弧长度的严格控制更加强调电弧稳定性。

此外，在常规gmaw-p工艺中，金属从电极的转移倾向于处于喷溅模式中。在这些技术中，焊接电力供应器以设定为产生喷溅转移的电平的高峰值电流以及维持电弧但过低而不会发生任何金属转移的低背景电流电平来使焊接输出脉冲化。因为金属在循环的背景阶段期间转移，所以焊接熔池可能轻微冻结。

虽然本技术可大体上归类为gmaw-p工艺，但倾向于在若干重要方面不同于常规工艺。例如，常规gmaw-p工艺基于电流与时间之间的线性关系(例如，a/ms)而控制电流电平从峰值的衰减。它们还倾向于使闭合控制环路(关于电流和/或电压)较严格地维持电弧长度并在比本技术更低的电流电平下转变到电压阶段。此外，这些现有技术通常在脉冲峰值之后的斜坡的“返回到背景”部分上将比例/积分增益用于电压闭环控制。这些因素的后果是电压和电流急剧衰减，这可导致可在后续峰值之前需要清除的频繁短路。

本技术特别在与en极性一起使用时产生“较柔的”向下斜降，从而强调电弧稳定性并避免或减少短路的风险。此外，如图4所图示，转移模式倾向于比常规gmaw-p工艺更呈球形。虽然在峰值阶段期间发生转移，但材料此后继续从电极熔化，并且一个或更多个小焊球48倾向于保持接近或某种程度地悬垂在电极与焊接熔池之间。尽管短路，并且明确地说，“硬短路”通常被避免且电弧倾向于较稳定，但电弧长度46可能改变，或者可能难以严格地进行质量评估。

此处再次指出，虽然波形可与正接极性一起使用，但据信当通过负接极性和负接工艺焊接时特别有用。为了控制，电力供应器控制电路可通过在电压闭环控制与电流闭环控制之间循环转变而调节电力输出。在焊接电力输出较低(例如，在脉冲式波形的背景阶段期间)的时间期间，焊接电弧仍被建立，尽管电极和焊接熔池的加热将继续，但将极少能量加到电极和工件。在此背景阶段期间，允许电极和熔池稍微冷却，并在峰值阶段与背景阶段期间实现稳定阶段，如下文更全面地论述的。同样，从电极转移的大部分金属将在每一脉冲的峰值阶段期间转移。在每一峰值阶段之后的此稳定阶段减少焊接熔池不稳定和飞溅物，减少输入到焊缝的能量(至少部分通过避免“硬短路”)、减轻孔隙度并减少工件的“烧穿”。

图4示出在脉冲式焊接的若干连续循环上按照示范性电压轨迹52和电流轨迹54图示的示范性dcen脉冲式焊接工艺50。在每一循环期间，电压斜坡56是电压峰值58的前沿，之后是稳定阶段斜降60(其是电流闭环)以及返回到背景电压电平64的电压闭环斜坡62。对应阶段可见于电流波形54中。即，电流闭环斜坡66被实施为上升到电压闭环控制峰值68。在所述峰值期间，控制器可改变电流以将电压维持在期望电平。尽管实际电压可基于电弧的动态特性、可能发生的偶然短路等而改变，但在实践中，在峰值阶段期间发布期望电压命令。此后，电流闭环(大体上抛物线状的稳定阶段斜坡72)将电流向下驱动至到电压闭环斜坡74返回到背景电平78的转变点。接着贯穿焊接操作而重复相同循环。

举例来说，在一个实施例中，可用约600a/ms的斜变率控制电流波形54的上升边沿部分66。在达到峰值电流68之后，控制电路将在峰值周期70期间维持期望电压峰值，例如，约200v。接着将在时间76期间实施电流闭环控制的大体上抛物线状的稳定阶段72，直到电流已达到编程的转变点为止。此处并且贯穿本公开，应记住，特定电压、电流、斜变率等将通常针对特定焊丝和焊丝大小预先编程(“训练”)，优化，等等。此外，在一些系统中，可提供操作员或编程员对参数的某一程度的控制。

图5稍微更详细地图示电流波形的峰值、稳定和返回阶段。如图示，电流峰值80始于背景电平78。接着，在转变点82，例如以介于450a/ms与650a/ms之间的斜变率起始线性斜坡66，直到峰值电流转变点84，例如，介于210a与400a之间。当然，这些范围仅仅是示范性的，并且通常针对不同焊丝尺寸和送丝速度而不同。在当前预期的实施例中，此点的转变可实际上基于两个考虑因素中的一个而发生。即，电流可达到编程的电平，如上所述，或电压可在电流达到此电平之前达到编程的峰值，从而在达到电流极限之前导致转变。此后，在峰值阶段期间，电流“浮动”以按照电压闭环方式将电压维持在期望电平。在此峰值的周期之后，如转变点86所指示，稳定阶段开始，所述稳定阶段包含经由电流闭环控制而实现的电流的衰减。

稳定阶段期间的电流波形的大体上抛物线状的形状源于电流的斜变衰减期间的“每平方单位时间的电流(i/t2)”关系。一旦电流达到转变点88(例如，介于25a与325a之间)，控制再次转变到电压闭环控制，并且电流波形将展现一种形状，所述形状源于试图维持到背景电平的期望电压衰减的控制。然而，应注意，对于离开稳定阶段的转变点可针对不同焊丝尺寸和额定值而改变，并且在一个或更多个范围内可编程。例如，针对0.045"焊丝，离开点可编程在100a与325a之间；针对0.040"焊丝，可编程在50a与275a之间；并且针对0.035"焊丝，可编程在25a与225a之间。编程的值在现有的脉冲焊接方案中倾向于在峰值斜降中比电流控制到电压控制转变点高出大约25a到50a(并且其中电流在电压闭环控制下在返回到背景电平的期间开始调节)。此外，在当前预期的实施方案中，在电压闭环控制的此“返回”阶段期间应用的增益在当前预期的实施例中是纯比例的(尽管可使用其它增益关系)。据信，抛物线状稳定阶段、较早离开点以及对于返回到背景电平施压使用纯比例增益，上述几者的组合，独立地和/或共同地，产生对电弧稳定性的较好控制(比电弧长度优先)，并导致较不频繁的短路，并且趋向于避免“硬短路”。

应注意，虽然上文所论述的某些实施例大体上与在电流闭环控制与电压闭环控制之间切换的脉冲式焊接方案相关，但在一些实施例中，“恒定电流”或“电流闭环控制”可仅与当前技术一起使用。类似地，虽然上文描述反接极性，但所述技术也可与正接工艺一起使用。明确地说，当使用电流闭环控制时，可如上所述使用抛物线状电流闭环稳定阶段。据信，此控制可如上所述减小短路的可能性，并且特别是“硬短路”的可能性。然而，在一些状况下，当发生短路时，也可使用用于重建焊接电弧的技术(例如，电流斜升)。如本领域的技术人员将了解，这些技术可检测短路(例如，通过参照所检测的电压)，并且在监视例如电流、电压、功率等参数或这些参数中的一个或更多个的一阶或二阶导数的同时增大输入到焊接电弧的电流。这些电弧重建例程也可包含可通过抑制焊接熔池或任一类似技术来防止进一步短路的波形或波形的一部分。在一些这种实施例中，可实施从抛物线状稳定阶段到“恒定电流”背景阶段的转变。如上所述，在某些这种实施例中，稳定阶段可用于恒定电流(电流闭环)焊接工艺中，但是是以反接极性以及也如上所述的金属药芯焊丝来进行。

虽然仅在本文中说明和描述本发明的某些特征，但对于本领域的技术人员来说，将清楚许多修改和改变。因此，应理解，随附权利要求书希望涵盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和改变。