專利名稱：在短路弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
確定的實(shí)施方案涉及電弧焊接。更具體地，確定的實(shí)施方案涉及增加至焊縫的熱 輸入的方法和系統(tǒng)，特別是在氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)的短路電弧過(guò)程期間。
背景技術(shù)：
留隙焊根(open root)焊接在排除從材料的兩個(gè)面都焊接的情況下被用于管和單 面板的焊接。這類焊接在石化和工藝管線產(chǎn)業(yè)中是常見的。許多年來(lái)，管制造業(yè)者一直在 尋找用于形成單面的留隙焊根焊縫的更快、更簡(jiǎn)單的方法。即使是對(duì)熟練電焊工，焊接留隙 焊根管也是困難的。不可改變的定位使得管道焊接更困難、更耗時(shí)并且更昂貴。更高強(qiáng)度 的管鋼不斷推進(jìn)獲得低氫焊接金屬沉積的要求。氣體保護(hù)鎢極電弧焊(GTAW)是能夠獲得 所述品質(zhì)要求的已經(jīng)可利用的工藝，然而，形成GTAW焊根焊縫是昂貴的。由于有關(guān)側(cè)壁熔 合和焊透性不足的問(wèn)題，已經(jīng)避免使用氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)工藝。常規(guī)的恒壓(CV)GMAW焊接工藝生成平坦的內(nèi)部焊道(bead)，或“吸回(suck back) ”，其中所述焊道由于高焊縫熔池溫度而收縮回焊根中。GTAW焊接生成良好的管焊縫， 然而，行進(jìn)速度可能慢并且熱輸入可能高。采用纖維素焊條的手工焊接提供良好的熔合特 性，但是留下深的線狀?yuàn)A渣(wagon track)(要求更多的人工用于研磨)、非常凸的焊根焊 縫和高氫沉積。表面張力過(guò)渡(STT)工藝已經(jīng)被開發(fā)，例如，用來(lái)形成管上的單面焊根焊縫。STT 是產(chǎn)生低氫焊縫沉積和使在所有位置獲得高品質(zhì)焊根焊縫更容易的受控短路過(guò)渡GMAW工 藝。STT消除在利用傳統(tǒng)的短弧GMAW工藝時(shí)遇到的焊透性不足和側(cè)壁熔合不良問(wèn)題。STT工藝在留隙焊根接縫處產(chǎn)生低氫焊接金屬沉積，與其他工藝相比，具有更簡(jiǎn)單 的操作、更好的背面焊道、更好的側(cè)壁熔合和更少的飛濺和煙氣。STT與傳統(tǒng)GMAW短弧焊接 工藝的區(qū)別在于，電弧電流精確地以獨(dú)立于焊絲送進(jìn)速度的方式被控制。并且，電弧電流被 仔細(xì)地調(diào)整以降低在傳統(tǒng)短弧GMAW工藝期間發(fā)生的熔池?cái)噭?dòng)并且消除在此期間發(fā)生的劇 烈“爆裂(explosion)”。即使目前的STT工藝顯著地優(yōu)于所述傳統(tǒng)的短弧GMAW工藝(尤其是針對(duì)焊根焊 接應(yīng)用)，仍然期望有這樣的能力，即更好地控制進(jìn)入焊縫的熱輸入以獲得甚至更好的焊透 性而不增加焊縫熔池流動(dòng)性。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供允許更好地控制熱輸入的方 法和系統(tǒng)。通過(guò)參照附圖對(duì)比在本申請(qǐng)的其余部分中提出的本發(fā)明實(shí)施方案的這些方法，對(duì)
4本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，常規(guī)的、傳統(tǒng)的和已提出方法的其他限制和缺點(diǎn)將變得明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一實(shí)施方案包括通過(guò)在送進(jìn)的焊接焊條和金屬工件之間生成一系列 電弧脈沖來(lái)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法，所述生成一系列電弧脈沖是利用 能產(chǎn)生電焊波形的電弧焊接系統(tǒng)來(lái)生成所述電弧脈沖的。所述方法包括(a)調(diào)整波形的輸出電流水平至基值電流水平，以在焊條和工件之間維持電弧，在 焊條的末端上生成熔融金屬球；(b)響應(yīng)于熔融金屬球短接于工件并且熄滅電弧，降低輸出電流水平到基值電流 水平之下，以允許熔融金屬球潤(rùn)濕進(jìn)入工件上的熔池；(c)自動(dòng)增加輸出電流水平到基值電流水平之上，以導(dǎo)致所述熔融金屬球從所述 焊條的所述末端箍斷；(d)在熔融金屬球從焊條的末端箍斷至工件上時(shí)，降低輸出電流水平到基值電流 水平之下，在焊條和工件之間重建電弧；(e)響應(yīng)于重建電弧，增加輸出電流水平至波形的峰值電流水平；(f)朝基值電流水平逐漸降低輸出電流水平，在焊條的末端上生成下一個(gè)熔融金 屬球；(g)以預(yù)定義的脈沖頻率使輸出電流水平產(chǎn)生在基值電流水平和中間電流水平之 間的脈沖，直至在下一個(gè)熔融金屬球和工件之間建立下一次短接，所述中間電流水平在基 值電流水平和峰值電流水平之間；以及(h)重復(fù)步驟(b)到步驟(g)，直至弧焊過(guò)程被完成。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括通過(guò)在送進(jìn)的焊接焊條和金屬工件之間生成一系 列電弧脈沖來(lái)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法，所述生成一系列電弧脈沖是利 用能產(chǎn)生電焊波形的電弧焊接系統(tǒng)來(lái)生成所述電弧脈沖的。所述方法包括(a)生成電焊波形的基本周期(base cycle)，所述基本周期具有提供基值電流水 平的基值電流段(background current phase)、提供峰值電流水平的峰值電流段(peak currentphase)和提供單調(diào)降低的尾拖(tail-out)電流水平的尾拖電流段(tail-out current phase)；(b)在基值電流段和峰值電流段之間生成電焊波形的箍縮電流段(pinch currentphase)，以提供單調(diào)增加的箍縮電流水平；以及(c)在基值電流段期間，生成電焊波形的至少一個(gè)增熱電流脈沖，以提供在基值電 流水平之上的增熱電流水平。所述方法還可以包括周期性地依次重復(fù)基值電流段、箍縮電流段、峰值電流段和 尾拖電流段，使得基值電流段包括至少一個(gè)增熱電流脈沖。所述方法還可以包括在基值電 流段的終點(diǎn)降低電焊波形的電流水平到基值電流水平之下，并且在箍縮電流段的終點(diǎn)降低 電焊波形的電流水平到基值電流水平之下。本發(fā)明的再有實(shí)施方案包括通過(guò)生成電焊波形來(lái)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的 熱輸入的系統(tǒng)，所述生成電焊波形在送進(jìn)的焊接焊條和金屬工件之間生成一系列電弧脈 沖。所述系統(tǒng)包括第一電子組件配置(configuration)，用以生成電焊波形的基值電流段、峰值電流段和尾拖電流段，其中基值電流段提供基值電流水平，峰值電流段提供峰值電流 水平，以及尾拖電流段提供單調(diào)降低的尾拖電流水平。所述系統(tǒng)還包括第二電子組件配置， 用以生成電焊波形的箍縮電流段，其中箍縮電流段提供單調(diào)增加的箍縮電流水平。所述系 統(tǒng)還包括第三電子組件配置，用以在基值電流段期間生成電焊波形的至少一個(gè)增熱電流脈 沖，其中所述至少一個(gè)增熱電流脈沖提供在基值電流水平和峰值電流水平之間的中間電流 水平。所述系統(tǒng)還可以包括第四電子組件配置，用以在基值電流段的終點(diǎn)，響應(yīng)于焊條短接 于工件降低電焊波形的電流水平到基值電流水平之下。所述系統(tǒng)還可以包括第五電子組件 配置，用以在預(yù)期焊條從工件解除短接的箍縮電流段的終點(diǎn)，降低電焊波形的電流水平到 基值電流水平之下。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括通過(guò)生成電焊波形來(lái)在弧焊過(guò)程期間增加熱輸 入至焊縫的系統(tǒng)，所述生成電焊波形在送進(jìn)的焊接焊條和金屬工件之間生成一系列電弧 脈沖。所述系統(tǒng)包括用以生成電焊波形的基值電流段、峰值電流段和尾拖電流段的裝置 (means)，其中基值電流段提供基值電流水平，峰值電流段提供峰值電流水平，以及尾拖電 流段提供漸減的尾拖電流水平。所述系統(tǒng)還包括用以生成電焊波形的箍縮電流段的裝置， 其中箍縮電流段提供漸增的箍縮電流水平。所述系統(tǒng)還包括用以在基值電流段期間生成電 焊波形的至少一個(gè)增熱電流脈沖的裝置，其中至少一個(gè)增熱電流脈沖提供在基值電流水平 和峰值電流水平之間的中間電流水平。所述系統(tǒng)還包括用以周期性地依次重新生成基值 電流段、箍縮電流段、峰值電流段和尾拖電流段，使得基值電流段包括至少一個(gè)增熱電流脈 沖。所述系統(tǒng)還可以包括用以在基值電流段的終點(diǎn)響應(yīng)于焊條短接于工件降低電焊波形的 電流水平到基值電流水平之下的裝置。所述系統(tǒng)還可以包括用以在預(yù)期焊條從工件解除短 接的箍縮電流段的的終點(diǎn)降低電焊波形的電流水平到基值電流水平之下的裝置。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，弧焊過(guò)程可以是利用，例如氬氣和CO2作為保護(hù)氣體，或 CO2單獨(dú)作為保護(hù)氣體的氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)過(guò)程。焊接焊條可以包括鋼或不銹 鋼。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，基值電流水平可以為約70安，峰值電流水平可以為約330安， 以及中間電流水平可以為約210安。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，增熱電流脈沖的預(yù)定義脈沖 頻率可以為約333赫茲，并且弧焊過(guò)程的焊絲送進(jìn)速度可以為約每分鐘150英寸。所述要求保護(hù)的發(fā)明的這些和其他特征和實(shí)施方案，以及其已圖示的實(shí)施方案的 細(xì)節(jié)，從以下的說(shuō)明和附圖以及所附的權(quán)利要求書中將被更充分地理解。


圖IA說(shuō)明用于在弧焊過(guò)程中增加至焊縫的熱輸入的電焊波形的周期的示例性實(shí) 施方案；圖IB說(shuō)明利用圖IA的電焊波形的弧焊過(guò)程在圖IA的所述周期上的各個(gè)階段 (Stage)，顯示焊接焊條和金屬工件之間的關(guān)系；圖2說(shuō)明用以生成圖1的電焊波形的系統(tǒng)的第一示例性實(shí)施方案的功能框圖；圖3A-3D說(shuō)明由圖2的系統(tǒng)的各種功能單元(various capabilities)所生成的 調(diào)制波形部分的示例性實(shí)施方案；圖4說(shuō)明用以生成圖1的電焊波形的系統(tǒng)的第二示例性實(shí)施方案的功能框圖；圖5說(shuō)明利用圖1的電焊波形以及圖2的系統(tǒng)或圖4的系統(tǒng)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法的第一示例性實(shí)施方案的流程圖；圖6A-6B說(shuō)明利用圖4的系統(tǒng)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法的第二 示例性實(shí)施方案的流程圖和產(chǎn)生電焊波形；以及圖7說(shuō)明利用圖1的電焊波形或圖6B的電焊波形以及圖2的系統(tǒng)或圖4的系統(tǒng) 在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法的第三示例性實(shí)施方案的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖IA說(shuō)明用于在弧焊過(guò)程中增加至焊縫的熱輸入的電焊波形100的周期101的 示例性實(shí)施方案。圖IB說(shuō)明利用圖IA的電焊波形的弧焊過(guò)程在所述周期101中上的各個(gè) 階段(A-E)，顯示焊接焊條191和金屬工件199之間的關(guān)系。在弧焊過(guò)程期間，在送進(jìn)的焊 接焊條191和金屬工件199之間生成一系列電弧脈沖，所述生成一系列電弧脈沖是利用能 產(chǎn)生電焊波形100的電弧焊接系統(tǒng)來(lái)生成電弧脈沖的。一般地，周期101在弧焊過(guò)程期間 周期性地重復(fù)，以生成所產(chǎn)生的焊縫。然而，周期101可以在沒(méi)有相同數(shù)目的增熱脈沖150 的情況下重復(fù)，并且，如果短接狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生，可能沒(méi)有箍縮電流段120。電焊波形100的周期101包括提供基值電流水平111的基值電流段110、提供單調(diào) 增加的箍縮電流水平121的箍縮電流段120、提供峰值電流水平131的峰值電流段130和提 供單調(diào)降低的尾拖電流水平141的尾拖電流段140。在基值電流段110期間，電弧195被維持在焊條191和工件199之間，在焊條191 的末端上生成熔融金屬球192 (參見圖IB中的階段A)。在階段B，熔融金屬球192仍連接 于焊條191，短接于工件199。當(dāng)短接發(fā)生時(shí)，弧195被熄滅，并且波形100的電流水平被下 降到基值電流水平111之下至電流水平112，以允許熔融球192潤(rùn)濕進(jìn)入工件199上的熔 池。在箍縮電流段120期間，波形100的電流水平被單調(diào)地(例如，向上傾斜)增加 到基值電流水平111之上，提供導(dǎo)致短接的熔融金屬球192開始從工件191的末端箍斷 (pinchoff)進(jìn)入工件199的熔池(如圖IB的階段C所示)的漸增的箍縮電流水平121。在 熔融金屬球192就要從焊條191箍斷時(shí)，波形100的電流水平被再次下降到基值電流水平 111之下至電流水平112以避免飛濺，并且弧196在焊條191和工件199之間被重建。一旦弧196被重建，波形100進(jìn)入峰值電流段130。在峰值電流段130期間，波形 100的電流水平被增加至峰值電流水平131，并且被保持在峰值電流水平131。依據(jù)一實(shí)施 方案，峰值電流水平131是波形100的最高電流水平，并且在焊條191和工件199之間建立 弧197，弧197具有足夠的強(qiáng)度在焊條191的末端開始形成下一個(gè)熔融金屬球198。在峰值電流段130之后，波形100進(jìn)入尾拖電流段140。在尾拖電流段140期間， 波形100的電流水平朝基值電流水平111單調(diào)(例如，呈指數(shù))降低，以提供漸減的尾拖電 流水平141。波形100的電流將熱輸入進(jìn)焊縫。尾拖電流段140充當(dāng)波形100的粗的熱控 制段，而基值電流段110充當(dāng)波形100的細(xì)的熱控制段。然而，在某些弧焊應(yīng)用中，提供額 外的熱輸入控制是合乎期望的。在尾拖電流段140之后，再次進(jìn)入基值電流段110，以提供基值電流水平111并且 在焊條191的末端生成基本上均勻的下一個(gè)熔融金屬球198(階段A)。在基值電流段110 期間，至少一個(gè)增熱電流脈沖150被生成，以提供在基值電流水平111和峰值電流水平131CN 之間的中間電流水平151。增熱電流脈沖150可以在基值電流段110內(nèi)被周期性地重復(fù)直 至熔融金屬球198和工件199之間的下一次短接發(fā)生，在那時(shí)，弧195被熄滅并且波形100 的電流水平被下降到基值電流水平111之下至電流水平112，以允許下一個(gè)熔融球198潤(rùn)濕 進(jìn)入工件199上的熔池(階段B)。增熱電流脈沖150用來(lái)再加熱熔池及周圍區(qū)域以增加焊透性。例如，在留隙焊根 接縫中為提供更好的焊透性且不增加熔池的流動(dòng)性時(shí)，通過(guò)增熱電流脈沖150提供的這種 熱的增加可能是期望的。增熱脈沖的幅度沒(méi)有大到使焊滴通過(guò)電弧過(guò)渡，并且增熱脈沖的 脈寬沒(méi)有寬到迫使焊接系統(tǒng)在短弧轉(zhuǎn)移之上進(jìn)入粒狀熔滴過(guò)渡(globular transfer)。再 有，一般地，周期101在弧焊過(guò)程期間周期性地重復(fù)以生成所產(chǎn)生的焊縫。然而，周期101 可以在沒(méi)有相同數(shù)目的增熱脈沖150的情況下重復(fù)，并且，如果短接狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生，可能沒(méi) 有箍縮電流段120。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“電流水平”指的是基本上穩(wěn)定的，但由于生成電 焊波形的多少有些不精確的性質(zhì)而可以有一些變化的電流幅度。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，作為一實(shí)施例，弧焊過(guò)程是利用氬氣和二氧化碳作為保 護(hù)氣體的氣體保護(hù)金屬極電弧焊(GMAW)過(guò)程?；惦娏魉?11為約70安，峰值電流水 平131為約330安，并且中間電流水平151為約210安。單個(gè)增熱脈沖150的脈寬為約1 毫秒，并且可以以約每3毫秒被重復(fù)，在基值電流段110期間達(dá)到3至6個(gè)脈沖。周期101 的持續(xù)時(shí)間為約15毫秒。圖2說(shuō)明用以生成圖1的電焊波形100的系統(tǒng)200的第一示例性實(shí)施方案的功能 框圖。系統(tǒng)200提供發(fā)電功能單元210和用以生成調(diào)制波形100'的調(diào)制波形生成和整形 功能單元220。系統(tǒng)200還提供短接檢測(cè)和預(yù)兆(premonition)檢測(cè)(預(yù)期解除短接)功 能單元230，用以在熔融金屬球(例如，192)箍斷進(jìn)入工件199上的熔池時(shí)檢測(cè)在焊條191 和工件199之間的短接狀態(tài)何時(shí)發(fā)生并且用以預(yù)期何時(shí)短接狀態(tài)就要終止(解除短接狀 態(tài))。由調(diào)制波形生成和整形功能單元220生成的調(diào)制波形100'被用來(lái)調(diào)制發(fā)電功能 單元210，所述發(fā)電功能單元210以電焊波形100的形式提供至焊條191和工件199的電 流。調(diào)制波形生成和整形功能單元220包括周期基本波形生成功能單元221。圖3A-3D說(shuō) 明由圖2的系統(tǒng)200的各種功能單元所產(chǎn)生的調(diào)制波形100'部分的示例性實(shí)施方案。圖 3A說(shuō)明由周期基本波形生成功能單元221所生成的周期基本波形部分310。周期基本波形 生成功能單元221以周期的方式提供調(diào)制波形100'的基值電流段110、峰值電流段130和 尾拖電流段140的生成。調(diào)制波形生成和整形功能單元220還包括箍縮電流段生成功能單元222。圖3B說(shuō) 明圖3A的周期基本波形部分310，所述周期基本波形部分310具有增加的箍縮電流段120。 依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，利用調(diào)制波形生成和整形功能單元220的信號(hào)求和功能單元223， 箍縮電流段120可以與周期基本波形部分310相加。調(diào)制波形生成和整形功能單元220還包括增熱脈沖生成功能單元224。圖3C說(shuō)明 圖3A的周期基本波形部分310，所述基本波形部分310具有圖3B的箍縮電流段120并且具 有在基值電流段110期間被接入的增熱脈沖150。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，可以利用調(diào)制波 形生成和整形功能單元220的信號(hào)切換功能單元225，在基值電流段110期間接入增熱電流 脈沖150。
調(diào)制波形生成和整形功能單元220還包括亞基值(sub-background)電流水平生 成(電流降低)功能單元226。圖3D說(shuō)明圖3A的周期基本波形部分310，所述波形部分 310具有圖3B的箍縮電流段120、包括增熱電流脈沖150(如在圖3C中所顯示的)的基值 電流段110，以及具有增加的亞基值電流部分112'。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，利用波形生 成和整形功能單元220的信號(hào)求和功能單元223，亞基值電流部分112'可以與周期基本波 形部分310和箍縮電流段120相加。圖3D產(chǎn)生的調(diào)制波形100'被用于調(diào)制發(fā)電單元210，以提供至焊條191和工件 199的電焊波形100的各個(gè)部分的實(shí)際電流水平(111，112，121，131，141，151)(如圖1和圖 2所示)。在利用系統(tǒng)200的焊接過(guò)程期間，短接檢測(cè)和解除短接預(yù)期功能單元230監(jiān)控焊 條191和工件199上的電流和電壓，并且檢測(cè)焊條191和工件199之間的短接狀態(tài)何時(shí)發(fā) 生，并且還預(yù)期何時(shí)短接狀態(tài)即將終止(解除短接狀態(tài))。如本文在前所描述的，當(dāng)短接狀 態(tài)發(fā)生時(shí)，響應(yīng)于被檢測(cè)到的短接狀態(tài)，亞基值電流功能單元226立即將波形100的電流水 平拉到基值電流水平110之下至電流水平112，以允許熔融金屬球潤(rùn)濕進(jìn)入工件199上的熔 池。接著箍縮電流段生成功能單元222施加單調(diào)增加的箍縮電流水平121至波形100。當(dāng)解除短接狀態(tài)被預(yù)期到(即，熔融金屬球就要從焊條的末端箍斷)時(shí)，響應(yīng)于被 預(yù)期到的解除短接狀態(tài)，亞基值電流水平功能單元226再次將波形100的電流水平拉到基 值電流水平110之下至電流水平112，以避免飛濺。再有，波形生成和整形功能單元220的 定時(shí)功能單元227被觸發(fā)。定時(shí)功能單元227倒計(jì)時(shí)峰值電流段130和尾拖電流段140所 占用的整個(gè)時(shí)間段，直至波形100到達(dá)基值電流段110。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，定時(shí)單元是由在解除短接狀態(tài)和進(jìn)入基值電流段100之 間發(fā)生的時(shí)間的量來(lái)預(yù)先編程的。一旦定時(shí)功能單元227完成倒計(jì)時(shí)，指示已經(jīng)進(jìn)入基值 電流段110，信號(hào)切換功能單元225被觸發(fā)以從增熱脈沖生成功能單元224接入增熱脈沖 150。增熱脈沖150在基值電流段110期間被接入波形100直至下一次短接狀態(tài)被檢測(cè)到。圖2的系統(tǒng)200的各種功能性的功能單元可以利用電子組件配置來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述電 子組件可以包括模擬和/或數(shù)字電子組件。這樣的電子組件配置可以包括，例如，脈沖發(fā)成 器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、整流器、晶體管、倒相器、振蕩器、開關(guān)、變壓器、波形整形器、放大器、狀 態(tài)機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器和微控制器。這些配置中的部分是可編程的，以提供在實(shí) 現(xiàn)方式中的靈活性。電子組件的這些配置的各種實(shí)施例可以在美國(guó)專利No. 4，972，064、美 國(guó)專利No. 6,051, 810，美國(guó)專利No. 6，498，321和美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)11/861，379中找到， 上述每一個(gè)專利和申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用被整體并入本文。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，系統(tǒng)200包括第一電子組件配置，用以生成電焊波形100 的基值電流段110，峰值電流段130和尾拖電流段140。系統(tǒng)200還包括第二電子組件配 置，用以生成電焊波形100的箍縮電流段120。系統(tǒng)200還包括第三電子組件配置，用以在 基值電流段110期間生成電焊波形100的至少一個(gè)增熱電流脈沖150。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，系統(tǒng)200還包括第四電子組件配置，用以在基值電流段 110的終點(diǎn)，響應(yīng)于焊條短接于工件，降低電焊波形100的電流水平到基值電流水平之下。 系統(tǒng)200還包括第五電子組件配置，用以在預(yù)期焊條從工件解除短接的箍縮電流段120的 終點(diǎn)，降低電焊波形100的電流水平到基值電流水平之下。
第一到第五電子組件配置可以不必要是彼此獨(dú)立的，而是可以共享某些電子組 件。例如，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，第一配置的電子組件中的許多與第三配置的電子組件中 的許多可以是相同的。類似地，第四配置的電子組件中的許多與第五配置的電子組件中的 許多可以是相同的。依據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方案，其他共享的組件也可以是可能的。圖2所示的功能性實(shí)現(xiàn)方式說(shuō)明一個(gè)示例性實(shí)施方案。其他的實(shí)施方案也是可能 的。例如，依據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，箍縮電流段120通過(guò)信號(hào)切換功能單元225可以被接入調(diào) 制波形100'，代替通過(guò)信號(hào)求和單元223被相加。類似地，增熱脈沖150通過(guò)信號(hào)求和功 能單元223可以被相加進(jìn)調(diào)制波形100'，代替通過(guò)信號(hào)切換功能單元225被接入。依據(jù)另 一個(gè)實(shí)施方案，亞基值電流水平生成功能單元226可以不存在，或可以是可選的，以允許生 成不包括電流水平部分112'的調(diào)制波形。其他修改的實(shí)施方案也是可能的，導(dǎo)致在基值電 流段期間生成圖1的電焊波形100或具有至少一個(gè)增熱電流脈沖的類似波形。圖4說(shuō)明用以生成圖1的電焊波形100的系統(tǒng)400的第二示例性實(shí)施方案的功能 框圖。如在本文中所描述的，系統(tǒng)400是狀態(tài)機(jī)類型的系統(tǒng)。林肯電力Wave 450系統(tǒng)是狀 態(tài)機(jī)類型的焊接系統(tǒng)的實(shí)施例。系統(tǒng)400包括加載到基于狀態(tài)的功能生成器420的焊接程序410。依據(jù)本發(fā)明的 實(shí)施方案，基于狀態(tài)的功能生成器420包括可編程的微處理器設(shè)備。焊接程序410包括用 以生成電焊波形的軟件指令。所述系統(tǒng)還包括可操作地與基于狀態(tài)的功能生成器420接口 的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 430。所述系統(tǒng)還包括可操作地與DSP430接口的高速放大倒相器 440。DSP430從基于狀態(tài)的功能生成器420取得它的指令，并且控制高速放大倒相器 440。高速放大倒相器440依據(jù)來(lái)自DSP的控制信號(hào)435將高壓輸入功率441轉(zhuǎn)換為低壓 焊接輸出功率。例如，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，DSP430提供控制信號(hào)435，所述控制信號(hào)435 確定高速放大倒相器440的引發(fā)角(firing angle)(開關(guān)激活定時(shí))，以生成電焊波形的各 個(gè)段。高速放大倒相器440的輸出442和443被可操作地分別連接至焊接焊條450和工 件460以提供在焊條450和工件460之間形成電弧的焊接電流。系統(tǒng)400還包括感測(cè)在焊 條450和工件460之間的電壓以及感測(cè)流經(jīng)由焊條450、工件460和高速放大倒相器440形 成的焊接電路的電流的電壓和電流反饋功能單元470。感測(cè)到的電流和電壓被基于狀態(tài)的 功能生成器420用來(lái)檢測(cè)焊條450對(duì)工件460的短接(即，短接狀態(tài))并且用來(lái)檢測(cè)何時(shí) 熔融金屬球就要從焊條450箍斷(即，解除短接狀態(tài))。系統(tǒng)400還包括電流減流器(current reducer) 480和二極管490。電流減流器 480和二極管490被可操作地連接在高速放大倒倒相器440的輸出442和443之間。電流 減流器480還與DSP430可操作地接口。當(dāng)短接狀態(tài)在焊條450和工件460之間發(fā)生時(shí)， DSP430通過(guò)控制信號(hào)430命令電流減流器480將經(jīng)過(guò)焊接電路的電流水平拉到預(yù)定義的 基值電流水平之下。類似地，當(dāng)解除短接狀態(tài)(即，熔融金屬球從焊條450的末端箍斷)發(fā) 生，DSP430命令電流減流器480將經(jīng)過(guò)焊接電路的電流水平拉到預(yù)定義的基值電流水平之 下。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，電流減流器480包括達(dá)林頓(Darlington)開關(guān)、電阻器和限 制器。圖5說(shuō)明利用圖1的電焊波形100和圖2的系統(tǒng)200或圖4的系統(tǒng)400來(lái)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法500的第一示例性實(shí)施方案的流程圖。在步驟510 中，調(diào)整波形100的輸出電流水平至基值電流水平111以在焊條(例如，191或450)和工件 (例如，199或460)之間維持電弧195，在焊條(例如，191或450)的末端上生成熔融金屬 球192。在步驟520中，響應(yīng)于熔融金屬球192短接于工件(例如，199或460)并且熄滅電 弧195，降低輸出電流水平到基值電流水平111之下，以允許熔融金屬球192潤(rùn)濕進(jìn)入工件 (例如，199或460)上的熔池。在步驟530中，自動(dòng)增加輸出電流水平到基值電流水平111 之上以導(dǎo)致熔融金屬球192從焊條(例如，191或450)的末端箍斷。在步驟540中，在熔融金屬球192從焊條(例如，191或450)的末端箍斷至工件 (例如，199或460)上時(shí)，降低輸出電流水平到基值電流水平111之下，在焊條(例如，191 或450)和工件(例如，199或460)之間重建電弧196。在步驟550中，響應(yīng)于電弧196的 重建，增加輸出電流水平至波形100的峰值電流水平131。在步驟560中，朝基值電流水平 111降低輸出電流水平，在焊條(例如，191或450)的末端上生成下一個(gè)熔融金屬球198。 在步驟570中，以預(yù)定義的脈沖頻率使輸出電流水平產(chǎn)生在基值電流水平111和中間電流 水平151之間的脈沖，直至下一次短接在下一個(gè)熔融金屬球198和工件(例如，191或460) 之間被建立，中間電流水平151在基值電流水平111和峰值電流水平131之間。在步驟580 中，如果弧焊過(guò)程沒(méi)有被完成，返回步驟520接著進(jìn)行，否則，步驟結(jié)束。圖6A-6B說(shuō)明利用圖4的系統(tǒng)400來(lái)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法 600的第二示例性實(shí)施方案的流程圖和產(chǎn)生的電焊波形650。在步驟601中，調(diào)整電焊波形 650的輸出電流水平至基值電流水平602。當(dāng)短接狀態(tài)被檢測(cè)到，接著在步驟603中，通過(guò) 觸發(fā)電流減流器480降低輸出電流水平至在基值電流水平602之下的亞電流水平604。在 步驟605中，根據(jù)箍縮電流斜坡606開始坡升輸出電流水平。當(dāng)解除短接狀態(tài)(箍斷)被 檢測(cè)到，接著在步驟607中，通過(guò)觸發(fā)電流減流器480再次降低輸出電流水平至亞電流水平 604。在步驟608中，響應(yīng)于電弧在焊條450和工件460之間的重建，調(diào)整輸出電流水平 至峰值電流水平609。在步驟610中，按照單調(diào)降低的尾拖電流斜坡611，朝基值電流水平 602從峰值電流水平609降低輸出電流水平。在步驟612中，在形成增熱電流脈沖615的第 一脈沖區(qū)間(interval) 614期間調(diào)整輸出電流水平至增熱電流水平613。方法600可以在步驟601和步驟612之間交替(即，輸出電流可以在增熱電流水 平613和基值電流水平602之間來(lái)回切換，形成后續(xù)的增熱電流脈沖)預(yù)定義的次數(shù)或直 至下一次短接狀態(tài)被檢測(cè)到。再有，依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，取決于焊接操作的具體情況 (例如，焊接金屬、保護(hù)氣體等)，接續(xù)的增熱電流脈沖615'的脈寬和幅度與第一增熱電流 脈沖615的脈寬和幅度可以是相同或不同的。圖7說(shuō)明利用圖1的電焊波形100或圖6B的電焊波形650以及圖2的系統(tǒng)200或 圖4的系統(tǒng)400來(lái)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法700的第三示例性實(shí)施方案 的流程圖。在步驟710中，生成具有提供基值電流水平(例如，111)的基值電流段(例如， 110)、提供峰值電流水平(例如，131)的峰值電流段(例如，130)和提供漸減的尾拖電流 水平(例如，141)的尾拖電流段(例如，140)的電焊波形(例如，100)的基本周期(例如， 310)。在步驟720中，生成在基值電流段(例如，100)和峰值電流段(例如，130)之間的電 焊波形(例如，100)的箍縮電流段(例如，120)，以提供漸增的箍縮電流水平(例如，121)。
11在步驟730中，在基值電流段(例如，110)期間生成電焊波形(例如，100)的至少一個(gè)增熱 電流脈沖(例如，150)，以提供在基值電流水平(例如，111)和峰值電流水平(例如，131) 之間的中間電流水平(例如，151)?？傊_了在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法和系統(tǒng)。利用能產(chǎn)生電 焊波形的電弧焊接系統(tǒng)生成電弧脈沖來(lái)在送進(jìn)的焊接焊條和金屬工件之間生成一系列的 電弧脈沖。電焊波形的周期包括提供漸增的箍縮電流水平的箍縮電流段、提供峰值電流水 平的峰值電流段、提供漸減的尾拖電流水平的尾拖電流段和提供基值電流水平的基值電流 段。在基值電流段期間，生成所述周期的至少一個(gè)提供增熱電流水平的增熱電流脈沖，其中 的增熱電流水平在基值電流水平之上。具有至少一個(gè)增熱電流脈沖的電焊波形的周期可以 被重復(fù)，直至弧焊工藝被完成。增熱電流脈沖用于再加熱熔池及周圍區(qū)域以增加焊透性。例 如，在留隙焊根接縫中為提供更好的焊透且不增加熔池的流動(dòng)性時(shí)，由增熱電流脈沖提供 的這種熱增加可以是期望。增熱脈沖的幅度沒(méi)有大到使焊滴通過(guò)電弧過(guò)渡，并且增熱脈沖 的脈寬沒(méi)有寬到迫使焊接系統(tǒng)在短弧轉(zhuǎn)移之上進(jìn)入粒狀熔滴過(guò)渡。盡管已經(jīng)參照某些實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以進(jìn) 行各種改變并且等同方案可以被替代，而不偏離本發(fā)明的范圍。另外，可以進(jìn)行許多修改來(lái) 使特定情形或材料適用于本發(fā)明的教導(dǎo)，而不偏離其范圍。因此，并不意圖將本發(fā)明限于所 公開的特定實(shí)施方案，本發(fā)明將包括落入所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實(shí)施方案。參考標(biāo)號(hào)
100波形222箍縮電流段生成功能單元
100'波形223信號(hào)求和功能單元
101周期224脈沖生成功能單元
110基值電流段225切換功能單元
111水平226電流水平生成功能單元
112電流水平227定時(shí)功能單元
112'電流部分230檢測(cè)功能單元
120箍縮電流段310基本波形部分
121箍縮電流水平400系統(tǒng)
130峰值電流段410焊接程序
131峰值電流水平420功能生成器
140尾拖電流段430數(shù)字信號(hào)處理器
141尾拖電流水平435控制信號(hào)(多個(gè))
150增熱電流脈沖436控制信號(hào)
151中間電流水平440倒相器
191焊條441輸入功率
192金屬球442輸出
195電弧443輸出
196弧450焊條
197弧460工件
198金屬球470功能單元
12199工件 200系統(tǒng)
210發(fā)電功能單元
220波形生成和整形功能單元
221基本波形生成功能單元
540步驟
550步驟
560步驟
570步驟
600方法
601步驟
602電流水平
603步驟
604亞電流
605步驟
606電流斜坡
607步驟
電流減流器
二極管
方法
步驟
步驟
步驟
步驟
電流水平
步驟
斜坡
步驟
電流水平
第一脈沖間隔
電流脈沖
‘電流脈沖
焊接波形
方法
480 490 500 510 520 530 608
609
610 611 612
613
614
615 615 650 700 730步驟
權(quán)利要求
一種通過(guò)在送進(jìn)的焊接焊條和金屬工件之間生成一系列電弧脈沖來(lái)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法，所述生成一系列電弧脈沖是利用能產(chǎn)生電焊波形的電弧焊接系統(tǒng)來(lái)生成所述電弧脈沖的，所述方法包括(a)生成所述電焊波形的基本周期，所述基本周期具有提供基值電流水平的基值電流段、提供峰值電流水平的峰值電流段和提供漸減的尾拖電流水平的尾拖電流段；(b)在所述基值電流段和所述峰值電流段之間生成所述電焊波形的箍縮電流段，所述箍縮電流段提供漸增的箍縮電流水平；以及(c)在所述基值電流段期間，生成所述電焊波形的至少一個(gè)增熱電流脈沖，以提供在所述基值電流水平之上的增熱電流水平。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括周期性地依次重復(fù)所述基值電流段、所述箍縮電 流段、所述峰值電流段和所述尾拖電流段，使得所述基值電流段包括所述至少一個(gè)增熱電 流脈沖。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，還包括在所述基值電流段的終點(diǎn)使所述電焊波形的 電流水平降低到所述基值電流水平之下。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的方法，還包括在所述箍縮電流段的終點(diǎn)使所述電焊波 形的電流水平降低到所述基值電流水平之下。
5.一種通過(guò)在送進(jìn)的焊接焊條和金屬工件之間生成一系列電弧脈沖來(lái)在弧焊過(guò)程期 間增加至焊縫的熱輸入的方法，所述生成一系列電弧脈沖是利用能產(chǎn)生電焊波形的電弧焊 接系統(tǒng)來(lái)生成所述電弧脈沖的，所述方法包括(a)調(diào)整所述波形的輸出電流水平至基值電流水平，以在所述焊條和所述工件之間維 持電弧，在所述焊條的末端上生成熔融金屬球；(b)響應(yīng)于所述熔融金屬球短接于所述工件并且熄滅所述電弧，降低所述輸出電流水 平到所述基值電流水平之下，以允許所述熔融金屬球潤(rùn)濕進(jìn)入所述工件上的熔池；(c)自動(dòng)增加所述輸出電流水平到所述基值電流水平之上，以導(dǎo)致所述熔融金屬球從 所述焊條的所述末端箍斷；(d)在所述熔融金屬球從所述焊條的所述末端箍斷至所述工件上時(shí)，降低所述輸出電 流水平到所述基值電流水平之下，在所述焊條和所述工件之間重建電??；(e)響應(yīng)于重建所述電弧，增加所述輸出電流水平至所述波形的峰值電流水平；(f)朝所述基值電流水平逐漸降低所述輸出電流水平，在所述焊條的所述末端上生成 下一個(gè)熔融金屬球；(g)以預(yù)定義的脈沖頻率使所述輸出電流水平產(chǎn)生在所述基值電流水平和中間電流水 平之間的脈沖，直至在所述下一個(gè)熔融金屬球和所述工件之間建立下一次短接，所述中間 電流水平在所述基值電流水平和所述峰值電流水平之間；以及(h)重復(fù)步驟(b)到步驟(g)，直至所述弧焊過(guò)程被完成。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其中所述基值電流水平為約70安，所述峰值電 流水平為約330安，和/或所述中間電流水平為約210安。
7.權(quán)利要求1至6之一所述的方法，其中所述預(yù)定義的脈沖頻率為約333赫茲。
8.如權(quán)利要求1至7之一所述的方法，其中所述弧焊過(guò)程的焊絲送進(jìn)速度為約每分鐘 150英寸。
9.如權(quán)利要求1至8之一所述的方法，其中所述弧焊過(guò)程是氣體保護(hù)金屬極電弧焊 (GMAff)過(guò)程·
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述GMAW過(guò)程使用氬氣和CO2作為保護(hù)氣體。
11.一種通過(guò)生成電焊波形來(lái)在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的系統(tǒng)，所述生成 電焊波形在送進(jìn)的焊接焊條和金屬工件之間產(chǎn)生一系列電弧脈沖，所述系統(tǒng)包括第一電子組件配置或第一裝置，用以生成所述電焊波形的基值電流段、峰值電流段和 尾拖電流段，其中所述基值電流段提供基值電流水平，所述峰值電流段提供峰值電流水平， 以及所述尾拖電流段提供漸減的尾拖電流水平；第二電子組件配置或第二裝置，用以生成所述電焊波形的箍縮電流段，其中所述箍縮 電流段提供漸增的箍縮電流水平；以及第三電子組件配置或第三裝置，用以在所述基值電流段期間生成所述電焊波形的至少 一個(gè)增熱電流脈沖，其中所述至少一個(gè)增熱電流脈沖提供在所述基值電流水平和所述峰值 電流水平之間的中間電流水平。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，還包括第四電子組件配置或第四裝置，用以周期性地 依次重新生成所述基值電流段、所述箍縮電流段、所述峰值電流段和所述尾拖電流段，使得 所述基值電流段包括所述至少一個(gè)增熱電流脈沖。
13.如權(quán)利要求11或12所述的系統(tǒng)，還包括第五電子組件配置或第五裝置，用以在所 述基值電流段的終點(diǎn)，響應(yīng)于所述焊條短接于所述工件降低所述電焊波形的電流水平到所 述基值電流水平之下。
14.如權(quán)利要求11至13之一所述的系統(tǒng)，還包括第六電子組件配置或第六或裝置，用 以在預(yù)期所述焊條從所述工件解除短接的所述箍縮電流段的終點(diǎn)，降低所述電焊波形的電 流水平到所述基值電流水平之下。
15.如權(quán)利要求11至14之一所述的系統(tǒng)，其中所述尾拖電流段提供單調(diào)降低的尾拖電 流水平；而其中所述箍縮電流段提供單調(diào)增加的箍縮電流水平。
全文摘要
一種在弧焊過(guò)程期間增加至焊縫的熱輸入的方法和系統(tǒng)。在送進(jìn)的焊接焊條(191)和金屬工件(199)之間生成一系列電弧脈沖，所述生成一系列電弧脈沖是利用能產(chǎn)生電焊波形(100)的電弧焊接系統(tǒng)來(lái)生成電弧脈沖的。電焊波形的周期包括提供漸增的箍縮電流水平(121)的箍縮電流段(120)、提供峰值電流水平(131)的峰值電流段(130)、提供漸減的尾拖電流水平(141)的尾拖電流段(140)和提供基值電流水平(111)的基值電流段(110)。在基值電路段期間生成所述周期的至少一個(gè)增熱電流脈沖(150)，以提供增熱電流水平(151)，其中所述增熱電流水平在基值電流水平之上。具有至少一個(gè)增熱電流脈沖的電焊波形的所述周期可以被重復(fù)，直至弧焊過(guò)程被完成。
文檔編號(hào)B23K9/09GK101925431SQ200980103081
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者S·R·彼得斯 申請(qǐng)人:林肯環(huán)球股份有限公司